Con un argomento così complesso come la cellula, si rischia facilmente di andare oltre i limiti di spazio convenzionali di una normale pubblicazione sul web, a carattere divulgativo .
Per evitare ciò, parleremo solo della cellula eucariota (dell'uomo e degli animali), e non della cellula procariota (dei vegetali).
Inoltre, tra i vari percorsi possibili, tutti interessanti, considereremo anzitutto la cellula in relazione ai nutrienti degli alimenti per evidenziarne le funzioni generali nell'organismo, poi parleremo della sua origine e della sua struttura, e poi ancora del DNA e del codice genetico, per descrivere per ultimo l'affascinante meccanismo della sintesi proteica, in base alla seguente lista:
La relazione tra cellula e nutrienti è ben nota.
Un noto aforisma dice: "Siamo quello che mangiamo" . Al termine dei processi di digestione e di assorbimento degli alimenti, i nutrienti in essi contenuti sono trasportati dalla corrente sanguigna in tutti i distretti del nostro organismo, e sono utilizzati dalle cellule per renderne possibili le funzioni vitali e la produzione di energia; si badi bene che i nutrienti non sono soltanto quelli provenienti dall'alimentazione, ma anche quelli sintetizzati all'interno del nostro corpo.
I nutrienti contenuti negli alimenti sono molecole facenti parte delle seguenti classi di composti chimici: proteine, carboidrati, grassi, vitamine, sali minerali ed acqua, di cui quelli delle prime tre classi sono a carattere energetico, mentre le rimanenti, pur non essendo tali, sono vitali per le funzioni importantissime che svolgono.
Tutte le cellule del nostro organismo, sebbene assumono caratteristiche e funzioni diverse a seconda dell'organo di cui fanno parte, hanno però dei comportamenti comuni, come ad esempio rinnovarsi, duplicarsi e trasformare l'energia chimica dei nutrienti in energia occorrente per il lavoro.
- La formazione del sistema solare è avvenuta circa 4,6 miliardi di anni fa.
In una prima fase, detta evoluzione chimica, da molecole semplici come idrogeno, ammoniaca, metano, monossido e biossido di carbonio, per azione di radiazioni ultraviolette (sole), calore e scariche elettriche (fulmini), si formarono molecole intermedie molto reattive come l'acetaldeide, il cianuro di idrogeno, la formaldeide, e forse anche qualche acido grasso semplice come l'acido acetico e qualche amminoacido semplice come l'analina.
Seguì una seconda fase, detta evoluzione biologica, in cui si formarono molecole più complesse di acidi, di amminoacidi, di proteine, e sopratutto di acidi nucleici.
- La prima cellula procariota (cellula vegetale) è comparsa circa 3,5-3.0 miliardi di anni fa.
- La prima cellula eucariota (cellula animale) è comparsa molto dopo, circa 0,9 miliardi di anni fa.
- L'Homo sapiens ha fatto la sua apparizione appena 400 mila anni fa.
Secondo Jacques Monod e altri autori, le strutture di ordine man mano crescenti formatesi nella cellula sono determinate dalla informazione genetica contenuta nel DNA: dalla sequenza primaria di una catena polipeptidica si hanno per gradi le strutture secondarie e terziarie delle proteine, poi la formazione di composti oligomerici, e infine, per interazione tra proteine, lipidi e acidi nucleici, la formazione delle prime cellule vegetali semplici, tipo Escherichia coli.
Probabilmente, solo con la comparsa del codice genetico si è potuta determinare la formazione della prima cellula procariota eterotrofa (che si nutre di molecole organiche) ed anaeroba (che vive in assenza di ossigeno).
Successivamente comparvero procarioti autotrofi (che utilizzano il cibo sintetizzato al proprio interno), ovviamente provvisti di pigmenti fotosintetici. Con la comparsa e l'accumularsi dell'ossigeno, nascono le prime cellule procariote autotrofe e aerobe.
A sua volta, questo tipo di cellula apre la strada alla formazione della prima cellula eucariota, che compare dopo ben 2.6-3,1 miliardi di anni dopo quella della cellula procariota.
Le cellule presentano caratteri morfologici uniformi solo negli organismi più semplici; negli altri, le cellule si differenziano per forma, grandezza e compiti.
Esistono due tipi di cellule:
a) cellula eucariota (animali ed uomo), che contiene un nucleo cellulare delimitato da una membrana nucleare e organuli separati;
b) cellula procariota (vegetali), che sono invece prive di membrana nucleare e organuli intracellulari, ad eccezione dei ribosomi.
Di seguito, ci riferiremo solo alla cellula eucariota.
Nelle cellule si possono distinguere:
MEMBRANA. Isola la cellula dall'ambiente esterno.La struttura tipo della membrana cellulare è costituita da un doppio strato fosfolipidico compreso fra due strati proteici situati a livello delle superfici di separazione tra le fasi interna ed esterna della cellula. L'acqua entra ed esce agevolmente, mentre per molte altre sostanze questo passaggio non è così agevole. Questa capacita della membrana di permettere o meno il passaggio di sostanze è detta "capacita selettiva".
NUCLEO. Costituisce la parte più importante della cellula controllandone tutte le attività. Ad esempio, il nucleo porta alla cellula l'informazione ereditaria per la costruzione di un tipo di organismo "unico"; dirige le attività della cellula, assicurando che le molecole complesse che la cellula richiede per la realizzazione delle varie attività cellulari e per la formazione degli organelli e delle altre strutture, siano nel numero e del tipo necessario; decide quando è il momento giusto della riproduzione cellulare e ne controlla tutte le fasi.
Il nucleo è avvolto dalla membrana nucleare che lo separa dal citoplasma. La membrana nucleare è cosparsa di numerosi forellini detti pori nucleari, grazie ai quali avviene il passaggio di diverse sostanze dal citoplasma all’interno del nucleo.
Il nucleo contiene il DNA combinato con proteine (cromatina). Il DNA cromosomico svolge due tipi di attività: autosintetica ed allosintetica; nel primo caso la molecola di DNA si replica attraverso un processo semiconservativo, nel secondo caso sintetizza i tre tipi di RNA. Quando la cellula si divide, dalla cromatina si formano i cromosomi. Nei cromosomi è insito il genoma della cellula.
All'interno del nucleo è presente un corpo molto denso, il nucleolo, formato anch'esso, come i cromosomi, da DNA e proteine; nel nucleolo si forma inoltre un particolare tipo di RNA, l'RNA ribosomiale.
CITOPLASMA. E' la sostanza viscosa compresa tra la membrana cellulare e l'involucro nucleare.
All’interno del citoplasma avvengono la maggior parte delle attività cellulari, inoltre viene prodotta l’energia necessaria per la vita della cellula.
In esso si trovano degli organuli adibiti alle varie funzioni che la cellula deve svolgere. Essi sono:
a) mitocondri: microscopiche centrali energetiche, dove avviene la formazione di ATP (energia necessaria per le cellule) tramite reazioni biochimiche
b) ribosomi: sono di fondamentale importanza, perchè in essi avviene la sintesi proteica.
I ribosomi sono gli organelli cellulari più numerosi; sono costituiti da due subunità, una maggiore e una minore, che si dissociano alla fine di ogni ciclo di sintesi di una proteina.
La sequenza di RNA viene tradotta nella corrispondente sequenza di aminoacidi assemblati a formare la proteina. Il ribosoma è quindi un apparecchio per sintetizzare le proteine, in grado di riunire nella disposizione opportuna le molecole necessarie per la reazione di sintesi.
c) lisosomi: organelli vescicolari intracellulari delimitati da una sola membrana, contenenti vari enzimi, e localizzabili attorno al nucleo; possono considerarsi l'apparato digerente della cellula eucariota, per l'azione svolta dai vari enzimi con degradazione, ad esempio, delle glicoproteine e dei glicolipidi mediante le idrolasi isosomiali, e degradazione di componenti senescenti della stessa cellula, nonchè riciclo e trasporto delle molecole degradate ai comparti dove sono necessarie per la sintesi di nuovi prodotti, con conseguente risparmio energetico.
d) reticolo endoplasmatico: struttura dinamica, che aumenta o diminuisce a seconda dell’attività cellulare.
Nelle cellule abbiamo il reticolo endoplasmatico ruvido ed il reticolo endoplasmatico liscio: il primo, a cui sono attaccati i ribosomi, è coinvolto sia nella sintesi che nel trasporto fuori dalla cellula delle proteine; il secondo, che fisicamente è una porzione dello stesso reticolo endoplasmatico ruvido, ma è privo di ribosomi, è importante nella sintesi dei lipidi e nel trasporto di sostanze dal reticolo endoplasmatico ruvido all’apparato del Golgi.
e) apparato del Golgi : ha la funzione di rielaborare, selezionare ed esportare i prodotti cellulari.
f) centrioli: svolgono un'importante funzione nella divisione cellulare.
I concetti che seguono servono ad approfondire i modi con i quali il DNA di una cellula stabilisce ad esempio quali proteine servono al nostro organismo e quando servono.
Il DNA è presente in tutte le cellule capaci di riprodursi. Anche se non prende parte direttamente alla sintesi proteica, il DNA contiene il codice per costruire tutte le proteine che occorrono a partire dai 20 amminoacidi, buona parte dei quali sono sintetizzati anche dalle cellule, ad eccezione di alcuni amminoacidi che debbono essere introdotti necessariamente con l'alimentazione, e che pertanto sono detti essenziali
L'acido desossiribonucleico o deossiribonucleico (DNA) è un acido nucleico che contiene le informazioni genetiche necessarie alla biosintesi di RNA e proteine, molecole indispensabili per lo sviluppo ed il corretto funzionamento della maggior parte degli organismi viventi.
Dal punto di vista chimico, il DNA è un polimero organico costituito da monomeri chiamati nucleotidi.
Tutti i nucleotidi sono costituiti da tre componenti fondamentali: 1) un gruppo fosfato; 2) il deossiribosio (zucchero pentoso); 3) una base azotata che si lega al deossiribosio con legame N-glicosidico.
Quattro sono le basi azotate che possono essere utilizzate nella formazione dei nucleotidi da incorporare nella molecola di DNA: adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T).
Il DNA è formato da due catene polinucleotidiche avvolte ad elica, attorno allo stesso asse centrale. Le due catene sono connesse l'una all'altra da legami chimici, formati da ponti di idrogeno fra le coppie di basi Le sole coppie possibili sono AT e CG, e ciò comporta sia una distanza fissa tra le due catene (in figura, i ponti di idrogeno non sono raffigurati, ed A eT e C e G sembrano a diretto contatto, ma in realtà distano di circa 0.30 nm), sia il fatto che, dato un ordine delle basi in una catena, l'altra catena è esattamente complementare. Durante la duplicazione del DNA (vedi sintesi proteica), le due cate si dissociano e ognuna serve da stampo per la sintesi di una catena complementare. Siccome le molecole di DNA sono lunghissimi polimeri, il numero delle possibili combinazioni delle quattro basi è enorme, e ciò spiega il gran numero di caratteri ereditari presenti nel codice genetico.
Per conservare e scambiare le informazioni genetiche, in oltre 3 miliardi di anni, la natura ha costruito il codice genetico, un linguaggio basato su di un alfabeto a 4 lettere , tante quante sono le basi presenti nella molecola di DNA, e cioè le suddette basi adenina, timina, guanina e citosina.
Tre coppie di basi formano un codone, che identifica o uno specifico amminoacido da utilizzare per la sintesi proteica (vedi appresso), o un segnale di interruzione della sintesi stessa.
Quasi tutti gli esseri viventi usano il medesimo codice genetico, chiamato codice genetico standard.
In base al dogma centrale della biologia molecolare, l'informazione genetica del DNA viene trascritta sotto forma di RNA e successivamente tradotta in proteina, in base alle seguenti tre fasi: 1) replicazione (o duplicazione) del DNA, mediante l'enzima RNA polimerasi ; 2) trascrizione dell'informazione genetica nell'RNA messagero; 3) traduzione (o sintesi proteica).
Il passaggio dell'informazione è quasi sempre monodirezionale (e cioè l'informazione contenuta nel DNA è trascritta in modo irreversibile nell'mRNA e poi ancora irreversibilmente è tradotta nella proteina), tranne in pochi casi, come ad esempio per i retrovirus, per i quali l'RNA messaggero non traduce l'informazione nella specifica proteina di sintesi, ma la retrotrascrive nel citoplasma in una molecola di DNA (cellula virale!).
Quanto detto è comprensibile per un addetto ai lavori, ma per un neofita è arabo!
Cerchiamo allora di dare al neofita un filo logico molto semplice da cui partire.
Quindi: deve essere sintetizzata una proteina specifica, cioè una catena formata da tanti anelli, detti amminoacidi, che debbono trovarsi in una ben determinata sequenza. Questa catena è formata nel citoplasma, su un ribosoma. Gli amminoacidi necessari stanno nel citoplasma stesso.
Però, l'informazione per creare la sequenza giusta è contenuta solo nel DNA, a sua volta racchiuso stabilmente nel nucleo.
Ma allora, come può essere costruita questa proteina se i materiali stanno nel citoplasma e lo schema di assemblaggio sta nel DNA imprigionato nel nucleo?
Le cose stanno in questo modo.
C'è un enzima detto RNA polimerasi che scorre lungo la doppia catena del DNA separandola, e permettendo la lettura di una di esse e la simultanea trascrizione della sequenza dei codoni complementari (ad ogni tripletta di codoni corrisponde un amminoacido, e cioè un anello della catena proteica) in un nuovo filamento detto RNA messagero.
Tale filamento, di ridotte dimensioni rispetto al DNA, riesce ad attraversare uno dei tanti pori nucleari, passa nel citoplasma, e si posiziona su un ribosoma, dove avverrà la sintesi della proteina.
Una volta sul ribosoma, l'RNA messagero viene letto, codone per codone.Per ciascun codone, viene chiamato un RNA transfer (nel citoplasmace ne sono 20 tipi, perchè 20 sono i tipi di amminoacidi, ed ogni amminoacido vuole il suo RNA transfer appropriato), che trasporta il giusto amminoacido avente un codone complementare dell'RNA messsagero. I meccanismi reali sono più complessi. I protagonisti dei meccanismi sono più numerosi. Ma il filo rosso minimale è quello su descritto. Per la sintesi proteica (traduzione), avvalendoci anche delle illustrazioni, spenderemo qualche parola in più ... restando comunque ad un livello divulgativo elementare. La sintesi procede in tre fasi: inizio, crescita e termine del polipeptide. Il tRNA iniziatore, portatore della metionina UAC (cellula eucariota), accoppia le basi con quelle del codone di avvio (AUG, adenina-uracile-guanina) e si lega al sito P del ribosoma. La sub-unità maggiore forma quindi un complesso con quella minore.(Vedi la prima delle 5 immagini del riquadro) A questo punto avviene l'allungamento. Un nuovo tRNA entra sul sito A del ribosoma ed accoppia le sue basi con quelle dell'mRNA (Vedi seconda immagine del riquadro). L'enzima peptidil transferasi crea un legame peptidico tra gli amminoacidi vicini (Vedi terza immagine del riquadro). Appena questo accade, l'amminoacido sul sito P si stacca dal suo tRNA e si lega al tRNA sul sito A. Il ribosoma quindi si muove lungo l'mRNA spostando il tRNA dal sito A al sito P liberando nel contempo il tRNA vuoto. Questo processo è noto come traslocazione(Vedi quarta immagine del riquadro). Questo processo continua finché il ribosoma non incontra uno dei tre possibili codoni di arresto (stop), che sono UAG, UAA, UGA. Questa è la fase di terminazione (Vedi quinta immagine del riquadro). La crescita della proteina si interrompe ed i fattori di rilascio, proteine che simulano l'azione del tRNA, si legano al sito A e liberano la proteina nel citoplasma.
