Il termine "cellula" fu introdotto per la prima volta nel 1665 da Robert Hooke per descrivere le piccole cavità evidenziate osservando una sezione di sughero con un primo semplice microscopio (di sua invenzione), da allora la struttura della cellula è stata studiata in dettaglio e oggi è universalmente riconosciuta una teoria unificante sulla natura degli organismi viventi, nota come teoria cellulare, formulata originariamente da Schleiden, Schwann e Virchow intorno alla metà del XIX secolo.
Una cellula può essere definita come un elemento di piccole dimensioni, delimitato da una "
membrana, pieno di una soluzione concentrata di sostanze chimiche in acqua e dotato
della i capacità di produrre copie di sé stesso, crescendo e dividendosi in due.
La teoria cellulare può essere riassunta nei seguenti punti:
tutti gli organismi viventi sono composti da cellule, unità elementari dotate di
proprietà comuni;
- la cellula è l'unità morfologica e fisiologica fondamentale nella struttura degli
organismi viventi, dei quali possiede tutte le proprietà caratteristiche. Negli
organismi viventi molte funzioni complesse sono rese possibili dall'esistenza di
una continua cooperazione tra le diverse cellule;
• ogni cellula deriva da un'altra cellula preesistente;
• nelle cellule l'informazione genetica risiede nel DNA e viene trasmessa dalle
cellule parentali alle cellule figlie durante la divisione cellulare.
Ogni cellula è circondata da una membrana cellulare (detta anche membrana plasmatica o plasmalemma) che definisce un ambiente interno e lo separa dall'esterno; la membrana cellulare regola l'ingresso e l'uscita dei materiali. All'interno si trova il citoplasma, una soluzione acquosa in cui sono immersi i costituenti cellulari con cui si svolge buona parte delle funzioni cellulari. Nelle cellule più evolute queste funzioni sono svolte da strutture specializzate, gli organelli (o organuli) citoplasmatici, e il DNA è separato dal citoplasma e racchiuso in un nucleo ben definito. In base alla presenza o meno di un nucleo vero e proprio, le cellule vengono divise in due gruppi: cellule procariotiche e cellule eucariotiche. Il termine citoplasma indica tutto ciò che si trova all'interno della membrana cellulare, a parte il nucleo. In alcuni testi è utilizzato anche il termine citosol, dove questo indica la soluzione acquosa che riempie la cellula, quindi il citoplasma privo di tutti gli organelli.
Le
cellule procariotiche sono le più semplici e le più piccole cellule esistenti: le
loro dimensioni si trovano nell'intervallo 0,5-5 µm con un valore
medio di 2 µm. Sono prive di organelli citoplasmatici delimitati da membrana e non
possiedono un vero nucleo; il materiale genetico consiste di una singola molecola
di DNA circolare, localizzata in una regione della cellula detta nucleoide.
Oltre alla molecola di DNA principale possono essere presenti plasmidi. Nel citoplasma
sono presenti ribosomi (organuli che permettono la sintesi proteica) più piccoli
di quelli posseduti dagli eucarioti. La membrana plasmatica dei procarioti forma
invaginazioni dette mesosomi: in queste cellule prive di organuli i mesosomi
sono sede di diversi enzimatici e sono coinvolti in processi quali respirazione,
fotosintesi, divisione cellulare e sintesi dei lipidi. Le cellule procariotiche
sono generalmente circondate da una parete cellulare esterna alla membrana cellulare,
costituita di peptidoglicani (ma non negli archebatteri). Un peptidoglicano
è formato da lunghe catene polisaccaridiche in cui si alternano unità
di amminozuccheri (N-acetilglu-cosammina e acido N-acetilmuramico) uniti da ponti
trasversali di natura peptidica a formare una struttura complessa, che avvolge la
superficie batterica come un'unica macromolecola. Alcuni procarioti effettuano la
fotosintesi grazie a enzimi presenti nello spazio citoplasmatico, nell'ambito di
un sistema di membrane costituito da introflessioni del plasmalemma. Gli
organismi procarioti sono sempre unicellulari; queste cellule non formano mai strutture
differenziate, al massimo si aggregano in semplici filamenti cellulari. I procarioti
si riproducono con modalità sessuata, per scissione binaria, ma possono scambiarsi
materiale genetico mediante trasformazione, coniugazione o trasduzione. Sono procarioti
gli organismi appartenenti al gruppo degli archebatteri e gli eubatteri, quest'ultimi
comprendono i batteri e i cianobatteri, o alghe azzurre. I
batteri sono noti a tutti noi principalmente come agenti patogeni (che provocano
malattie), è importante però sottolineare che solo una minima parte dei batteri
sono patogeni per l'uomo. Occupano, invece, una gamma incredibile di ambienti e
hanno un ruolo ecologico fondamentale perché partecipano alla degradazione della
sostanza organica e ne permettono il riciclo nelle catene alimentari.
In alcuni procarioti è presente una membrana esterna, un strato ricco di fosfolipidi
e carboidrati, esterno alla parete cellulare; non ha funzioni protettive ma può,
per esempio, contenere tossine responsabili di processi patogenici. I flagelli dei
procarioti, quando presenti, sono semplici strutture filamentose utilizzate per
spostarsi nell'ambiente. Sono tubi elicoidali formati dalla proteina flagellina
il cui movimento è alimentato da un gradiente protonico.
Le cellule eucariotiche, più complesse e più grandi di quelle procariotiche, hanno diametro compreso fra 5 e 20 µm. Nel citoplasma sono presenti diversi organelli aventi struttura e funzioni specifiche che consentono lo svolgimento delle varie attività cellulari in compartimenti distinti. Il materiale genetico è formato da diversi cromosomi, racchiusi in un nucleo ben definito. Ogni cromosoma è costituito da una molecola di DNA lineare, associata a specifiche proteine. Gli organismi eucarioti possono essere unicellulari (protisti) o pluricellulari (piante, funghi e animali).
Le cellule che formano gli esseri viventi sono incredibilmente diversificate sia
dal punto di vista strutturale sia da quello fisiologico; allo stesso tempo, sono
dotate di alcuni importanti aspetti comuni.
Fra le differenze si noti che:
• le dimensioni variano dai pochi micrometri dei batteri al millimetro dell'uovo
di rana (un'unica cellula);
• alcune cellule hanno possibilità di movimento tramite flagelli oppure con movimenti
ameboidi, molte sono invece immobili;
• a volte è presente un rivestimento esternamente alla membrana, che può avere struttura
e composizione chimica ampiamente variabile;
• alcune cellule utilizzano l'ossigeno atmosferico, altre ne sono avvelenate;
• alcune cellule sono in grado di produrre composti particolari, come ormoni, amido,
grasso, pigmenti o gomma.
Fra gli aspetti comuni si noti che:
• la composizione chimica delle cellule si basa sulle stesse quattro classi di composti
organici: proteine, carboidrati, acidi nucleici e lipidi;
• le reazioni chimiche che permettono di ricavare energia per le cellule sono sostanzialmente
comuni; tutte le cellule svolgono la glicolisi e l'ATP rappresenta
sempre il principale composto attraverso il quale la cellula può "mettere da parte"
energia, oppure renderla rapidamente disponibile;
• in tutte le cellule l'informazione genetica risiede nel DNA, che ha la
stessa struttura chimica in tutti i viventi e viene tradotto secondo lo stesso codice
e gli stessi meccanismi. In un organismo molto complesso come l'uomo è presente
un enorme numero e varietà di cellule: si pensi per esempio alle cellule della pelle
che, appiattite e sovrapposte, formano uno strato protettivo; alle cellule
del sangue, che permettono il trasporto dell'ossigeno e la difesa dell'organismo
contro gli agenti patogeni; a quelle muscolari, che consentono il movimento; alle
cellule nervose che veicolano la trasmissione di impulsi e di informazioni da una
parte all'altra del corpo.
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