La comparsa del nucleo
Le prime forme di vita comparse sul pianeta erano cellule procarioti, che a differenza della cellula eucariote presentavano il proprio genoma in forma condensata all’interno del citoplasma. La parola deriva infatti dall’unione dei termini greci εὖ (buono) e κάρυον (nucleo), che uniti indicano “nucleo ben formato”, che appare solitamente di forma sferica. Il materiale genetico infatti è contenuto in un involucro nucleare composto da un doppio strato fosfolipidico.
La teoria più accreditata sull’origine di queste cellule le vede come il risultato di un processo di endosimbiosi da parte di cellule batteriche, che vedremo poi nel dettaglio.
Il nucleo della cellula eucariote
Come accennato questo comparto cellulare è delimitato da un involucro formato da due strati fosfolipidici, come la membrana plasmatica, per uno spessore di circa 40 nm.
I due strati sono separati da un sottile spazio vuoto definito cisterna perinucleare ma sono a contatto a livello dei pori. La membrana a contatto con il citoplasma pare essere in continuità con il reticolo endoplasmatico rugoso, dove si trovano i ribosomi.
Il lato interno invece presenta uno spesso strato di filamenti proteici che nel loro insieme formano una struttura definita lamina nucleare. I pori nucleari sono complessi proteici formati da più di 30 proteine che mettono in comunicazione nucleoplasma e citoplasma, e hanno un diametro di circa 120 nm.
L’ambiente interno del nucleo di una cellula eucariote è occupato per la maggior parte dello spazio dalla cromatina, ossia l’insieme di DNA e proteine che compone il genoma cellulare.
Troviamo anche una regione funzionale chiamata nucleolo dove si assemblano i ribosomi. A sua volta questo si compone di una parte granulare, dove si assemblano le subunità ribosomiali, e una fibrosa composta da un fitto intreccio di catene proteiche.
Il nucleolo non è sempre ben distinguibile al microscopio, perché dipende dalla fase del ciclo cellulare.
Le strutture presenti nel citoplasma: mitocondri e RER
Nel citosol troviamo prima di tutto i mitocondri, organelli di forma circolare o ellittica dove avviene la respirazione cellulare e quindi la produzione di ATP.
La matrice gelatinosa (citosol) in cui i mitocondri e gli altri organelli sono immersi è composta al 70% da acqua e per la percentuale rimanente da sali minerali e sostanze organiche. Tra le più abbondanti troviamo proteine e zuccheri.
Lo si suddivide in rugoso e liscio (RER o REL) in base alla presenza o assenza di ribosomi, che gli conferiscono un aspetto granuloso. Il RER di conseguenza è associato alla produzione di proteine grazie a questi organelli, mentre il REL ha la funzione di sintetizzare lipidi oltre a fungere da deposito di ioni calcio (Ca2+).
Gli altri organelli
In prossimità del reticolo endoplasmatico troviamo un’altra struttura fondamentale per la cellula eucariote, l’apparato di Golgi. Si tratta di un organello composto da una serie di membrane chiuse definite cisterne (da 3 a 7) dove avvengono la maturazione e lo smistamento delle proteine prodotte nella cellula. Ogni cellula ne presenta circa una ventina, a seconda dell’intensità della sua attività secretoria. Nell’apparato di Golgi distinguiamo una “faccia cis”, ovvero il lato rivolto verso il reticolo endoplasmatico, e una “faccia trans”, che guarda invece alla membrana plasmatica. Tra queste due parti si trovano le cisterne intermedie, dette di transizione.
Non abbiamo ancora nominato il citoscheletro, l’insieme delle strutture che danno sostegno alla cellula e consentono il trasporto delle vescicole, oltre a mediare la divisione cellulare. A comporlo troviamo i microtubuli (composti di alfa e beta-tubulina), i filamenti intermedi e i microfilamenti. Si tratta di una struttura dinamica che può subire dei riarrangiamenti a seconda delle esigenze della cellula.
All’interno delle cellule vegetali poi troviamo i cloroplasti, ovvero gli organelli in cui avviene la fotosintesi, e il vacuolo. Quest’ultimo è una vescicola di grandi dimensioni delimitata da una membrana detta tonoplasto che funge da riserva d’acqua e mantiene il turgore cellulare. La pressione del liquido interno infatti dona ridigità alla cellula premendo contro la parete cellulare. Per questo motivo gli steli giovani risultano rigidi ma quando la pianta secca tende ad afflosciarsi.
L’origine della cellula eucariote
Abbiamo accennato nell’introduzione alla teoria endosimbiontica per spiegare come si è passati dai procarioti a delle cellule più complesse e dotate di nucleo.
La maggior parte dei biologi concorda con un’ipotesi formulata negli anni ’80 da una genetista americana di nome Lynn Margulis.
La teoria mira a spiegare l’origine dei mitocondri e dei cloroplasti, che in origine sarebbero stati a loro volta dei microrganismi a sé stanti, poi inglobati da una cellula più grande. Si sarebbe così instaurato un rapporto di simbiosi con produzione di energia da parte dei procarioti inglobati.
La trasformazione successiva in organelli avrebbe richiesto tempi molto lunghi, stimati all’incirca sui due miliardi di anni. Ci sono però diversi elementi a sostegno di questa teoria, a partire dalla presenza di due membrana nei mitocondri, una esterna e una interna con permeabilità diverse. In più al loro interno è presente l’mtDNA, materiale genetico extranucleare organizzato sotto forma di cromosoma circolare come avviene nei procarioti. Si tratta inoltre di un filamento privo di sequenze non codificanti e molto breve, con appena 37 geni. Lo stesso discorso vale nei caso dei plastidi (cloroplasti, cromoplasti ecc.)
Anche i mitocondri sono in grado di effettuare scissione binaria, il che suggerirebbe che fossero un tempo microrganismi che si riproducevano per mitosi.
Prima di arrivare alla cellula eucariote però sarebbero comparsi gli Archea, un gruppo di organismi divenuto noto solo verso la fine degli anni ’70.
Pur essendo simili ai Batteri presentano un’organizzazione interna più complessa e alcune caratteristiche simili a quelle degli organismi eucarioti. Tra queste abbiamo la presenza di introni all’interno delle sequenze genetiche, la struttura del citoscheletro e il funzionamento dell’enzima RNA polimerasi.
