La cellula

• La cellula è verosimilmente la più piccola unità vivente.
• Esistono organismi formati da una sola cellula e organismi formati da molte cellule.
• Le cellule sono costituite da molecole organiche, crescono, si differenziano e si moltiplicano.
• Il DNA è la molecola che contiene le istruzioni necessarie alla cellula per nascere, costruire quasi tutti i propri componenti, sopravvivere ed esercitare le funzioni che le sono assegnate nell’organismo.

Le cellule sono generalmente considerate le più piccole unità viventi e possono essere divise in 2 categorie: le cellule procarioti, prive di nucleo ben definito, e le cellule eucarioti, delimitate invece da un nucleo circondato da una membrana. Gli organismi animali e vegetali possono essere costituiti da una sola cellula (organismi unicellulari) o da molte (organismi pluricellulari). Negli organismi pluricellulari, tutte le cellule sono di tipo eucariote. Negli organismi unicellulari, invece, la cellula può essere di tipo eucariote o procariote. Gli esseri umani, in quanto organismi pluricellulari, sono costituiti esclusivamente da cellule eucariotiche.

Ogni cellula è formata principalmente da molecole organiche, ovvero composti del carbonio. Le molecole organiche comprendono, tra gli altri, i carboidrati, i lipidi, le proteine e gli acidi nucleici.

All’interno della cellula eucariote avvengono reazioni biochimiche e metaboliche mediate dagli enzimi, proteine in grado di catalizzare e accelerare i processi biologici. Tali reazioni spesso avvengono all’interno di strutture subcellulari chiamate organelli delimitati da membrane, che comprendono:

• il nucleo, che contiene il patrimonio genetico ed è delimitato dalla membrana nucleare;
• I mitocondri, responsabili principalmente della produzione di energia;
• Il reticolo endoplasmatico, in cui vengono assemblati proteine e lipidi;
• l’apparato di Golgi, che contribuisce alla maturazione delle sostanze assemblate nel reticolo endoplasmatico, indirizzandole verso la loro destinazione. Questo avviene tramite piccole vescicole che si staccano dalle sue cisterne e trasportano i prodotti verso la secrezione, la membrana cellulare o altri organuli, come i lisosomi.

La cellula è racchiusa nella membrana plasmatica, un sottile involucro composto principalmente da fosfolipidi, che regola gli scambi tra l’interno e l’esterno della cellula. Consente il passaggio di acqua, ossigeno, anidride carbonica e altre molecole semplici, mentre il transito di molecole più complesse avviene in modo selettivo, spesso tramite specifiche proteine di membrana chiamate recettori. Lo spazio interno, delimitato dalla membrana plasmatica, prende il nome di citoplasma e comprende tutto il contenuto cellulare esclusi il nucleo e gli altri organelli.

Le cellule si moltiplicano attraverso un processo chiamato mitosi, in cui da una cellula madre si formano due cellule figlie identiche alla progenitrice. La divisione cellulare, quando è incontrollata, è uno dei processi chiave anche nella biologia dei tumori e nella crescita della massa tumorale.

La mitosi rappresenta la fase conclusiva del ciclo cellulare, in cui ogni cellula che prolifera cresce, duplica il proprio materiale genetico e infine si divide. Il ciclo cellulare è suddiviso in diverse fasi. Nella fase G1 la cellula aumenta di dimensioni, sintetizza proteine, organelli e altre molecole necessarie a sostenere la crescita e le successive fasi del ciclo; segue la fase S, durante la quale avviene la duplicazione del DNA, assicurando che ciascuna cellula figlia riceva una copia completa e fedele del genoma. Successivamente, nella fase G2 la cellula controlla la fedeltà del DNA riprodotto e continua a crescere, completando la sintesi di proteine e di altre componenti necessarie alla mitosi. La divisione cellulare vera e propria ha luogo nella successiva fase M. Questa comprende sia la mitosi, durante la quale il materiale genetico duplicato viene equamente distribuito tra le due cellule figlie, sia la citodieresi, in cui le cellule figlie sono infine separate fisicamente. Alcune cellule, una volta completato il ciclo cellulare o in risposta a segnali specifici, possono entrare in una fase di quiescenza nota come fase G0, in cui cessano di proliferare pur mantenendo le loro capacità metaboliche e funzionali.

In un organismo pluricellulare si possono identificare molti tipi cellulari distinti, ciascuno specializzato in un compito specifico che contribuisce al funzionamento dell’organismo nel suo complesso. In un essere umano adulto esistono circa 200 differenti tipi cellulari. Tutti questi tipi di cellule – neuroni, cellule muscolari, globuli bianchi e così via – si differenziano e maturano a partire da cellule staminali identiche, immature, toti- o pluri-potenti, che si trovano fin dai primi momenti di vita di un embrione. Il processo di differenziazione in un particolare tipo cellulare invece che un altro, con funzioni specifiche, è orchestrato dagli stimoli esterni e interni alla cellula che agiscono sul suo DNA.

L’acronimo DNA sta per acido deossiribonucleico e viene dall’inglese deoxyribonucleic acid. Dal punto di vista della composizione chimica, la molecola di DNA è costituita dalla ripetizione di molte unità di base, i nucleotidi. Ciascuno di essi è composto a sua volta da una molecola di acido fosforico (gruppo fosfato), uno zucchero (il deossiribosio) e un composto organico chiamato base azotata. Adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T) sono le 4 basi azotate che si possono trovare nel DNA. Quando tanti nucleotidi si legano tra loro, si forma un filamento di DNA, in cui si può identificare uno “scheletro” di deossiribosio e fosfato da cui sporgono le basi azotate.

L’ordine con cui i nucleotidi si posizionano nel filamento costituisce la sequenza del DNA, schematizzata con le iniziali delle basi contenute nei nucleotidi (es. ATGCCGTTCATTAAA eccetera). Il DNA di una cellula comprende porzioni dette codificanti, ciascuna delle quali è detta gene e contiene le istruzioni per produrre specifiche proteine. Le porzioni non codificanti del DNA hanno invece funzioni regolatorie e di altro tipo, ancora poco note. Le sequenze di tutto il DNA contenuto in una cellula è ciò che caratterizza e identifica ciascun individuo dal punto di vista genetico, differenziandolo da tutti gli altri. Alterazioni nella sequenza del DNA sono alla base di molte malattie, in particolare di quelle genetiche e di gran parte dei tipi di cancro.

Il DNA è formato da due filamenti appaiati. I filamenti sono tenuti insieme da legami chimici (legami a idrogeno) che si formano tra le basi azotate. I filamenti sono anche detti complementari in quanto la struttura delle basi permette soltanto l’accoppiamento dell’adenina con la timina, e della citosina con la guanina, e viceversa. Il genoma umano è costituito da circa 3 miliardi di coppie di basi.

I filamenti di DNA sono anche antiparalleli. I legami chimici tra i nucleotidi danno infatti a ogni filamento una “direzione": un filamento ha direzione 5’-3’ (cinque primo-tre primo), mentre l’altro ha direzione 3’-5’ (tre primo-cinque primo). La forma tridimensionale del DNA ha una struttura che ricorda una doppia elica.

Il DNA si trova nel nucleo di ogni cellula eucariote sotto forma di cromatina. Il doppio filamento di nucleotidi si avvolge attorno a particolari proteine, chiamate istoni, compattandosi poi ulteriormente nei cromosomi. L’organismo è formato per la maggior parte da cellule somatiche e da una piccola porzione di cellule germinali o sessuali, utilizzate come gameti nella riproduzione. Ogni cellula somatica di un essere umano contiene 23 paia di cromosomi, 46 in tutto. Le cellule germinali (spermatozoi e oociti) hanno invece solo 23 cromosomi. Durante la fecondazione, un ovocita e uno spermatozoo si fondono e i 23 cromosomi di ciascuna cellula si appaiono tra loro, ristabilendo così il numero di 46 cromosomi tipico della specie umana. Il DNA è la molecola alla base dell’ereditarietà: un individuo eredita molte caratteristiche dai propri genitori proprio perché il DNA delle cellule sessuali viene trasmesso a tutte le cellule dell’embrione.

Quando una cellula si prepara a dividersi, sintetizza una copia del proprio DNA, in modo da poter trasmettere un assetto completo del proprio patrimonio genetico a ciascuna delle due cellule figlie. Questo processo è detto replicazione o duplicazione del DNA e ognuno dei due filamenti funge da stampo per la sintesi di un nuovo filamento. La duplicazione del DNA coinvolge numerosi enzimi. Molti farmaci antitumorali agiscono bloccando questi enzimi e, di conseguenza, la possibilità della cellula di proliferare. La sequenza nucleotidica del DNA contiene le istruzioni per le principali componenti coinvolte nei processi che avvengono nella cellula. Anche per questo è essenziale che quando il DNA viene duplicato venga introdotto il minor numero possibile di errori, in quanto possono causare malattie genetiche e tumori. Un certo numero di errori nel corso della replicazione del DNA è inevitabile. Tali errori sono per la maggior parte corretti da appositi sistemi di riparazione, almeno finché la cellula e l’organismo sono in buona forma.

L’altro acido nucleico presente nella cellula è l’RNA, o acido ribonucleico (la sigla viene dall’inglese ribonucleic acid). Si tratta di una molecola a singolo filamento costituita dalla ripetizione di nucleotidi simili a quelli del DNA, se non per il fatto che lo zucchero è il ribosio anziché il deossiribosio e che al posto della timina c’è un’altra base azotata chiamata uracile (U).

L’RNA, nelle sue molteplici forme e funzioni, è coinvolto in molte attività della cellula. Tra le più importanti vi è la sintesi delle proteine, che si svolge in 2 fasi principali. Nella prima fase, che avviene nel nucleo, una porzione di DNA corrispondente a un gene viene trascritta in una molecola di RNA messaggero (mRNA); nella seconda fase, che avviene nei ribosomi, l’mRNA è tradotto in una catena proteica di amminoacidi che va a formare la proteina desiderata. Tra la sequenza dei nucleotidi, quella dell’mRNA e quella degli amminoacidi vi è una corrispondenza precisa, che è chiamata codice genetico. Grazie al codice genetico sappiamo che a ogni specifica “tripletta” di nucleotidi corrisponde uno specifico amminoacido.

Oltre agli RNA messaggeri, la cellula contiene numerosi altri tipi di RNA: gli RNA ribosomiali (rRNA) che costituiscono i ribosomi, i transfer RNA (tRNA) che sono anch’essi coinvolti nella sintesi delle proteine, e numerosi altri RNA con funzioni regolatorie, come i lncRNA e i miRNA.

Lo studio dei meccanismi di funzionamento delle cellule ha permesso non solo di conoscere meglio la biologia cellulare, ma anche di sviluppare approcci diagnostici e terapeutici fondamentali. Molti farmaci antitumorali agiscono proprio sul ciclo vitale della cellula, interferendo con la sua capacità di crescere e dividersi. Alcuni, per esempio, bloccano la duplicazione del DNA o la sintesi delle proteine, impedendo così alle cellule tumorali di proliferare. Altri inducono la morte cellulare programmata (apoptosi), un meccanismo fisiologico per cui le cellule danneggiate o non più necessarie sono eliminate. I trattamenti antitumorali, in particolare i più recenti, sono sviluppati in modo da colpire selettivamente i processi che sostengono la crescita incontrollata delle cellule tumorali, lasciando quanto più possibile intatte le cellule sane.