La cellula (terza parte)
LA LEZIONE
Nucleo
Tra tutti gli organelli cellulari, il nucleo è quello che svolge la funzione più basilare per
la cellula: infatti contiene i caratteri ereditari e garantisce la duplicazione del DNA.
Inoltre esso ha il compito fondamentale di dirigere e controllare le funzioni
citoplasmatiche (sintesi di proteine strutturali, di proteine di secrezione, di enzimi)
sulla base delle informazioni genetiche iscritte nei cromosomi.
Struttura
Il nucleo è una regione del citoplasma spesso centrale e sferica; come già detto, di
solito le cellule sono mononucleate, ma può anche accadere che ospitino due o più
nuclei. Negli eucarioti il nucleo è delimitato da una membrana (fig.1) originata dal
reticolo endoplasmatico e costituita da due foglietti, uno ricoperto da ribosomi e in
continuità con il sistema di membrane del reticolo endoplasmatico, l'altro
caratterizzato da proteine in parte specifiche.
fig.1 - Schema della struttura del nucleo: a, reticolo endoplasmatico
rugoso; b, membrana nucleare esterna; c, membrana nucleare
interna; d, lamina nucleare; e, ribosomi; f, poro nucleare; g,
nucleolo; h, cromatina; i, spazio perinucleare; l, nucleoplasma
Questo insieme poggia su una lamina basale, struttura composta da proteine
filamentose che circondano il contenuto del nucleo, definendolo strutturalmente. La
membrana nucleare è attraversata in modo regolare da pori circolari (fig.2), di
diametro variabile, che sono gli unici punti transitabili della membrana e funzionano
come filtri, poiché sono dotati di permeabilità selettiva e fanno passare solo alcune
sostanze. Tali pori hanno origine dalla fusione tra loro delle due membrane
dell'involucro e sono costituiti dal cosiddetto complesso del poro nucleare (NPC,
nuclear pore complex). Quest'ultimo ha un diametro di circa 100 nm ed è formato da
numerosissime proteine. In particolare, sono presenti otto filamenti che danno al poro
la sua caratteristica simmetria ottagonale e che si prolungano oltre i suoi limiti,
restringendosi dalla parte del nucleo a formare una struttura esterna al poro chiamata
canestro (basket) nucleare. Inoltre, il poro nucleare è ancorato a due anelli, quello
citoplasmatico e quello nucleare. Al centro del poro è presente un altro anello che
restringe il diametro a 9 nm. Attraverso questo canale possono passare per diffusione
le molecole di piccole dimensioni. E' però necessario anche il transito di molecole di
dimensioni superiori, per esempio le proteine ribosomali, che sono sintetizzate nel
citosol e sono trasportate all'interno del nucleo, dove sono assemblate all'RNA
ribosomale, per essere poi nuovamente trasferite all'esterno. In questo caso il
passaggio (che richiede energia) avviene secondo un meccanismo più complesso, che
richiede la presenza di particolari proteine chiamate, a seconda della direzione del
flusso, recettori di importazione nucleare (o importine) e recettori di esportazione
nucleare (o esportine); tali recettori inducono il poro ad allargarsi fino a permettere il
passaggio delle molecole più grandi. In questo meccanismo di trasporto è coinvolta
anche una proteina G, la GTPasi monomerica Ran, che per essere attiva deve essere
legata al GTP (guanosine triphosphate).
fig.2 - Schema della struttura dei pori nucleari: a,
membrana nucleare esterna; b, membrana nucleare
interna; c, subunità luminale; d, subunità a colonna; e,
subunita anulare; f, raggio
Il DNA, invece, non passa attraverso i pori e rimane stabilmente nel nucleo, ma al
momento della divisione mitotica, a seguito del dissolvimento della membrana
nucleare, ha luogo l'unione tra nucleo e citoplasma.
L'importanza del DNA è nel suo costituire l'informazione genetica, scritta in sequenze
di triplette di basi nelle molecole avvolte a doppia elica. In ogni specie il numero di
queste molecole è fisso e corrisponde a quello dei cromosomi: per esempio, la specie
umana ne possiede 46. I cromosomi sono molecole lineari, come dimostra il fatto che,
a fronte di uno spessore di 2 nm (costante in tutti gli organismi viventi), la loro
lunghezza varia tra 1,7 e 8,5 cm. In realtà, soltanto una piccola parte di questo DNA è
funzionante, andando a costituire i geni e le sequenze che regolano la loro
espressione. Altre sequenze attive sono quelle che danno inizio alla replicazione del
DNA e quelle che servono come centromero e telomeri, localizzate rispettivamente
nella zona di interazione con il fuso mitotico e all'estremità di ogni singolo cromosoma
lineare. Il resto (probabilmente più del 90%) è costituito da sequenze non essenziali,
tramandate attraverso le generazioni cellulari e di cui non si conosce la specifica
funzione. All'interno del nucleo, le molecole di DNA interagiscono strettamente con
specifiche proteine basiche, gli istoni, formando complessi chiamati nucleosomi che
appaiono come perle di una collana, collegati tra loro da tratti di DNA libero. Tutta
questa struttura è ripiegata su sé stessa e, osservata al microscopio in situazione di
riposo della cellula, appare come un insieme ordinato e complesso di filamenti, spessi
circa 30 nm, che occupa il nucleo. Tale complesso è noto come cromatina, che
comunque non è omogenea nella sua organizzazione e si presenta in due stati:
l'eterocromatina, più compatta, distribuita preferenzialmente in prossimità
dell'involucro nucleare (ma non dei pori), e l'eucromatina, caratterizzata da una
distribuzione più rada. Queste differenze corrispondono a funzioni diverse:
l'eucromatina contiene i geni espressi dalla cellula, ossia quelli trascritti per formare
l'RNA; l'eterocromatina contiene i geni silenti, ossia quelli che non formano RNA,
probabilmente a causa dell'interazione con complessi proteici repressori che
impediscono il legame dei fattori di trascrizione.
All'interno del nucleo si trova il nucleolo, un organulo privo di membrana delimitante
ma con un elevato contenuto di DNA. Questo DNA comprende i geni, fortemente
amplificati, per gli RNA delle due subunità ribosomali. I ribosomi, come visto nella
Lezione Cellula, seconda parte, sono organuli citoplasmatici la cui funzione è quella
della sintesi proteica.
Funzioni
Le attività che avvengono nel nucleo sono
strettamente collegate al ciclo cellulare (fig.3),
ossia l'insieme delle fasi che nella cellula si
succedono tra una mitosi e l'altra. Durante
l'interfase, che precede la mitosi, si susseguono
tre fasi definite G1, S e G2 (G sta per gap,
intervallo, e S sta per sintesi).
fig.3 - Fasi del ciclo cellulare: nel ciclo delle cellule somatiche M indica la
mitosi; in quello delle cellule germinali, la meiosi
Durante la fase G1 sono sintetizzati proteine, carboidrati e lipidi, il cui assemblaggio
nella forma definitiva continua nelle fasi successive. La fase S è l'unica nella quale
sono sintetizzati il DNA e le proteine associate, per permettere la duplicazione dei
cromosomi. Nella fase G2 avviene la sintesi di proteine necessarie alla progressione
della mitosi. La fase M è la mitosi, che permette di replicare le cellule somatiche,
oppure la meiosi, che produce le cellule germinali. Alcune cellule dopo la mitosi
entrano in uno stato di inattività produttiva definito G0. L'ordinato svolgimento del
ciclo cellulare è assicurato dall'attivazione di enzimi noti come CDK (cyclin-dependent
kinase), a opera di proteine chiamate cicline, ma esistono anche fattori capaci di
bloccare il ciclo cellulare.
Mitosi
La mitosi è suddivisa in una serie di tappe (profase, metafase, anafase, telofase; v. fig.4 e
fig.5) ed è caratterizzata da trasformazioni della cellula che sono ben visibili al
microscopio. Essa è preceduta dall'interfase, nella quale il DNA è diffuso nel nucleo e i
microtubuli sono disposti in modo geometrico, a partire dal centrosoma.
fig.4 - Schema con le fasi della mitosi
fig.5 - Cellule in diverse fasi di divisione mitotica
Durante la profase la cromatina nucleare si condensa a formare i cromosomi,
chiaramente distinti l'uno dall'altro; ogni cromosoma presenta una duplicazione del
filamento di DNA a doppia elica, costituendo così i cromatidi fratelli (che sono quindi
due per cromosoma), uniti a livello del centromero. Intanto, nel citoplasma anche il
centrosoma si raddoppia e le due strutture che ne risultano si spostano alle estremità
opposte della cellula, costituendo i poli dai quali si dipartono i microtubuli che formano
il fuso mitotico. Infine, la membrana nucleare, il reticolo endoplasmatico e l'apparato
del Golgi si disintegrano, lasciando gruppi di vescicole disperse nel citoplasma. Segue
la metafase, durante la quale i microtubuli si attaccano al centromero dei cromosomi,
che intanto si sono disposti nella zona mediana della cellula, formando la piastra
equatoriale. In questo modo, le due metà di ogni cromosoma (cromatidi) sono
orientate verso i poli opposti della cellula. In anafase, in ogni cromosoma i cromatidi si
separano e ognuno migra verso uno dei centrosomi, spostandosi ai poli opposti della
cellula. Durante la telofase scompare il fuso e intorno agli opposti raggruppamenti di
cromatidi si ricostituisce la membrana nucleare, mentre il DNA riprende il suo aspetto
di cromatina; inoltre, nel citoplasma ricompaiono gli organelli cellulari. Infine, la
cellula si divide in due (citodieresi). Al termine del processo, da ogni cellula ne sono
derivate due, dotate dello stesso numero di cromosomi e praticamente identiche nella
struttura.
Meiosi
Oltre alla mitosi, la cellula presenta la meiosi, un altro tipo di divisione che porta alla
formazione delle cellule germinali, nelle quali il numero di cromosomi risulta
dimezzato, ossia si riduce dal numero diploide (2n) al numero aploide n (fig.6).
fig.6 - Schema della seconda
parte della divisione
meiotica, ossia dopo la
separazione dei cromosomi
omologhi
In questo modo, all'atto della fusione dei gameti
si ricostituisce una cellula diploide; in caso
contrario a ogni generazione si produrrebbe un
raddoppiamento del numero dei cromosomi, con
conseguenze facilmente immaginabili per la
cellula. La meiosi è preceduta da una fase
iniziale di sintesi, alla quale segue una prima
divisione (simile alla mitosi) che permette la
formazione di due cellule con contenuto di
cromosomi dimezzato. Infatti, i cromosomi
omologhi si separano e migrano ognuno in una
delle due cellule (fig.7).
fig.7 - Cromosomi che migrano ai poli opposti della cellula durante la prima anafase della meiosi
In questa fase i cromosomi conservano i due cromatidi dai quali sono composti.
Successivamente ha luogo una divisione (mitotica) che porta alla separazione dei
cromatidi fratelli in cellule diverse, cosicché al termine dell'intero processo da ogni
cellula diploide hanno avuto origine quattro cellule aploidi. La meiosi è un processo di
grande importanza per gli organismi viventi perché è alla base della variabilità
genetica. Infatti, nella formazione dei gameti i cromosomi omologhi si assortiscono tra
loro con varie possibilità di combinazione; inoltre sono capaci di scambiarsi in modo
casuale parte del proprio DNA (crossing-over), ricombinando così il loro assetto
genico.
Trascrizione
Questo processo permette di trasferire l'informazione genetica contenuta nel DNA
all'RNA messaggero (mRNA), che è in grado di uscire dal nucleo e passare nel
citoplasma. Infatti, la sequenza di DNA codificante per una certa proteina viene letta,
in forma di singolo filamento, dall'enzima RNA polimerasi che costruisce una molecola
di mRNA in cui ogni nucleotide è complementare al corrispondente nucleotide del DNA.
Nell'mRNA l'informazione è rappresentata da triplette nucleotidiche, ognuna delle quali
corrisponde a un aminoacido, quindi nel citoplasma avviene un processo di traduzione,
grazie ai ribosomi che forniscono il supporto e gli enzimi necessari: ogni tripletta è
decodificata nel corrispondente aminoacido, portato al ribosoma dall'RNA di trasporto
(tRNA). In questo modo i vari aminoacidi sono identificati e a mano a mano legati in
sequenza a formare la catena proteica (v. Lezione Le molecole informazionali e il
DNA). E' bene però sottolineare che l'mRNA utilizzato come stampo per una proteina
non è quello prodotto direttamente dal DNA: infatti si verifica un processo di
maturazione dell'mRNA, detto splicing, durante il quale sono rimosse sequenze interne
(introni) e legate tra di loro le sequenze rimaste (esoni).
Differenziamento cellulare
Già dai primi stadi di sviluppo dell'uovo fecondato, tra le cellule si stabiliscono
interazioni che portano al loro differenziamento. In questo modo le varie cellule
diversificano il proprio destino e quello della loro progenie. Anche lo stadio di sviluppo,
ossia lo stadio di maturità cellulare durante il quale accadono certi fenomeni, ha molta
importanza nell'indirizzare la specializzazione delle cellule. I meccanismi alla base del
differenziamento sono rappresentati da modificazioni dei processi di espressione
genica, grazie a specifici fattori di trascrizione che regolano la sintesi di determinati
mRNA e quindi di determinate proteine. Si tratta di fenomeni strettamente correlati,
che si realizzano attraverso programmi complessi e numerosi, molto diversi tra cellule
di diversa natura.
Apoptosi e necrosi
In ogni organismo la proliferazione delle cellule è controbilanciata in buona parte dalla
loro morte. Questo fenomeno può essere la conseguenza di due processi
profondamente diversi: la morte programmata, o apoptosi, e la morte occasionale, o
necrosi. L'apoptosi, spesso definita suicidio programmato, dipende dall'attivazione di
una sorta di programma di differenziamento mediato dalla sintesi di specifiche
proteine e inibito da altre, la più famosa delle quali è il prodotto del protoncogene
BCL-2. La cellula in apoptosi subisce profonde modifiche: il DNA si condensa e viene
spezzettato in un processo di idrolisi; anche il citoplasma si condensa, con il blocco
della sua funzionalità e una progressiva frammentazione. Questi frammenti sono poi
digeriti dai lisosomi e i prodotti che ne derivano sono riutilizzati nei processi di sintesi
della cellula. L'apoptosi svolge un ruolo fondamentale, specialmente durante lo
sviluppo, quando si ha un aumento imponente nel numero delle cellule, molte delle
quali devono essere eliminate per permettere la formazione di un organismo
equilibrato. Questo avviene per esempio con i neuroni, che in molte zone si sviluppano
in quantità eccessiva e vanno quindi rimossi, lasciando solo quelli funzionanti e che
riescono a usufruire dei fattori di crescita liberati dalle cellule bersaglio. Altrettanto
importante è l'eliminazione per apoptosi delle cellule immunocompetenti specifiche per
antigeni endogeni, il cosiddetto self: se non fossero eliminate durante lo sviluppo
queste cellule sono destinate a indurre attacchi autoimmuni.
La morte cellulare attraverso la necrosi può essere indotta da lesioni di qualunque
natura (fisica, chimica, traumatica ecc.). In questo caso il nucleo e il citoplasma vanno
incontro soprattutto al rigonfiamento e alla perdita di organizzazione, con conseguente
rottura della membrana plasmatica e fuoriuscita del citosol. Il processo richiama
leucociti e linfociti, con formazione di infiltrati che possono durare anche a lungo. Un
ruolo importante è attribuito al Ca2+, il cui aumento nel citoplasma provoca
attivazione di enzimi (proteasi, nucleasi) che digeriscono il materiale cellulare.
Cellula procariotica
La cellula procariotica è simile a quella eucariotica, ma presenta anche delle differenze
caratteristiche. Innanzitutto, come già visto, la cellula è avvolta da una parete
cellulare la cui composizione non è la stessa di quella eucariotica. Per quanto riguarda
il citoscheletro, pur essendo meno studiato rispetto a quello degli eucarioti, è coinvolto
anch'esso nel mantenimento della forma cellulare e nella citodieresi. Normalmente i
procarioti sono quasi privi di strutture interne alla cellula, ma in qualche caso il
citoplasma è suddiviso in compartimenti interni racchiusi da membrane, aspetto che
comunque non è paragonabile alla complessa
organizzazione vista negli eucarioti,
caratterizzata da organelli circondati da
membrane fosfolipidiche. La cellula procariotica
possiede anch'essa ribosomi (fig.8), ma con
coefficiente di sedimentazione pari a 70S; tali
ribosomi sono formati da due subunità: una più
piccola di 30S e una più grande di 50S.
fig.8 - Ribosoma di cellula procariotica
Il nucleo, mancando della membrana, è indifferenziato rispetto al citoplasma ed è
definito nucleoide. Può risultare visibile come una zona irregolare all'interno della
cellula ed è costituito soprattutto da DNA, ma anche da proteine e RNA. Nei procarioti
è presente un unico cromosoma, dalla forma circolare e ancorato alla membrana
cellulare grazie a una struttura chiamata desmosoma. Il ciclo della cellula consiste
nella replicazione del DNA, seguita immediatamente dalla divisione cellulare. Questa
avviene per scissione, e non per mitosi, e può presentare una frequenza molto
elevata. Il processo è una vera e propria scissione diretta o binaria (perché si
originano due cellule), che avviene dopo la duplicazione del DNA cellulare: i due
cromosomi originati da questa duplicazione aderiscono alla parte interna della
membrana cellulare in punti vicini ma distinti; intanto la membrana posta fra questi
punti si accresce allontanando tra loro i cromosomi, quindi si introflette fino a unirsi
con la parete opposta. In questo modo il citoplasma è diviso tra le due cellule figlie.
Tabella riassuntiva delle principali differenze nei diversi tipi di cellule
Cellula
procariotica
Dimensioni
In media
μm
1-10 In media 10-100 μm
Organizzazione Solitamente
unicellulare
Strutture
esterne
Parete cellulare
Movimento
cellulare
Flagelli
Strutture
citoplasmatiche
•
•
Cellula eucariotica
animale
Ribosoma
50S+30S
In media 10-100 μm
Unicellulare, a colonie, Unicellulare, a colonie,
pluricellulare
pluricellulare
(specializzazione)
(specializzazione)
Parete cellulare
Ciglia e flagelli
Poche,
mancano
mitocondri
e
cloroplasti
Cellula eucariotica
vegetale
•
•
•
•
•
•
•
•
Reticolo
endoplasmatico
rugoso e liscio
Ribosomi
(60S+40S)
Citoscheletro
Apparato del
Golgi
Mitocondri
Lisosomi
Perossisomi
Centrosomi
(centrioli)
Flagelli
gameti)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
(solo
nei
Reticolo
endoplasmatico
rugoso e liscio
Ribosomi
(60S+40S)
Citoscheletro
Apparato del
Golgi
Mitocondri
Cloroplasti
Lisosomi
Perossisomi
Vacuoli
Nucleo
Nucleoide
Nucleo delimitato da
doppia membrana
Nucleo delimitato da
doppia membrana
DNA
Solitamente
circolare
Molecole lineari
(cromosomi) unite a
istoni
Molecole lineari
(cromosomi) unite a
istoni
Divisione
cellulare
Scissione binaria
Mitosi e meiosi
Mitosi e meiosi