La prima forma di vita
Quando parliamo di cellula procariote dobbiamo ricordare come rappresenti innanzitutto il primo organismo comparso sul pianeta Terra. Non a caso mostra una complessità strutturale inferiore a quella delle cellule eucarioti, a partire dalla mancanza del nucleo. Questo dettaglio è anche quello da cui deriva il termine procariote, che è formato dalle parole greche πρό (prima) e κάρυον (nucleo).
Le prime tracce di questo tipo di organismi risalgono a un periodo superiore a 3,7 miliardi di anni fa, e oggi è considerato uno dei Domini degli esseri viventi. Lo suddividiamo in due categorie, i Batteri e gli Archea.
La parete cellulare della cellula procariote
Partiamo a definire le dimensioni di queste cellule, il cui diametro in genere non supera i 5 µm.
Possono assumere forma sferica, a bastoncello, a spirale o anche presentarsi come piccoli filamenti. In base a questa distinguiamo i batteri rispettivamente in cocchi, bacilli, spirocheti e vibrioni.
Gli Archea sono molto simili ai batteri come forma e dimensioni, ma possiamo distinguere i due gruppi in base alla struttura della loro parete cellulare.
A differenza delle cellule animali, dove c’è solo la membrana plasmatica come involucro protettivo, questi microrganismi hanno un’ulteriore struttura di protezione, formata da eteropolimeri di zuccheri e amminoacidi.
Nel caso dei batteri la componente principale è il peptidoglicano, mentre per gli Archea è lo pseudopeptidoglicano. Tra i batteri Gram+ e Gram- cambia la quantità di questo polimero, che forma uno strato molto più spesso nei primi (costituisce il 90% della loro parete). Nelle specie che appartengono ai batteri Gram- invece non supera il 10%.
Il peptidoglicano forma una struttura reticolare dove abbiamo catene di zuccheri lunghe da 10 a 80 residui a cui si alternano due amminoacidi, il NAG (N-acetilglucosammina) e il NAM (acido N-acetilmuramico).
Fra queste molecole si trova un legame β 1,4 -glicosidici e al NAM è sempre legata una catena di amminoacidi il cui numero varia da 3 a 5.
Il polimero così composto conferisce conferisce rigidità e protezione alla cellula procariote. Bisogna precisare però che tra batteri Gram+ e Gram- varia anche la composizione amminoacidica del peptidoglicano.
In molti Archea il polimero di membrana è diverso perché al posto del NAM troviamo l’acido N-talosaminuronico.
Questo conferisce a questi procarioti la resistenza all’azione del lisozima, un enzima contenuto nella salica che scinde facilmente i legami β 1,4 -glicosidici.
Altre differenze fra il peptidoglicano e la pseudomureina (altro nome per lo pseudopeptidoglicano) sono l’assenza di D-amminoacidi e la presenza di lisina al posto del DAP (acido meso-diamminopimelico).
Il genoma della cellula procariote
Come abbiamo già detto in queste cellule manca il nucleo, ma non il materiale genetico. Questo consiste in un unico filamento di DNA addensato sotto forma di cromosoma circolare e posizionato in una zona del citoplasma che si definisce nucleoide.
La composizione di questo cromosoma è di DNA per circa il 60%, mentre la percentuale rimanente consiste in mRNA e proteine.
Sono filamenti di DNA molto più piccoli e meno condensati, ma sempre organizzati in strutture ad anello. Le informazioni che contengono non sono essenziali per la sopravvivenza della cellula procariote, ma possono conferirle delle caratteristiche che risultano vantaggiose in determinate condizioni.
Per esempio la resistenza a determinati antibiotici.
Alcuni di questi filamenti si duplicano durante la divisione cellulare e si possono così trasmettere alle cellule figlie. Ci sono varie categorie di plasmidi, ma per fare un esempio possiamo citare i plasmidi della virulenza: le cellule che li acquisiscono diventano patogene.
I flagelli e i pili
Un’altra caratteristica peculiare della cellula procariote è la presenza di strutture di locomozione, in particolare nel caso dei batteri.
I flagelli sono appendici cellulari lunghe fino a 10 µm che consentono ai procarioti di avere propulsione in un ambiente liquido.
I batteri possono averne uno (monotrichi), due disposti ai poli opposti (anfitrichi) o averne diversi (lofotrichi e peritrichi). Ogni flagello si suddivide in tre parti: corpo basale, uncino e filamento. La prima ancora la struttura alla superficie della cellula, l’uncino genera il moto circolare e il filamento è la parte che si estende, costituita da flagellina.
I pili della cellula procariote, o fimbrie, sono simili ai flagelli ma si differenziano prima di tutto per la loro dimensione, poiché sono sensibilmente più corti dei flagelli (non superano i 2 µm).
Quando presenti sono disseminati su tutta la superficie della parete e non hanno funzione locomotoria, ma di adesione.
Alla loro estremità infatti troviamo delle proteine chiamate adesine, che permettono ai batteri di fissarsi alle superfici, come ad esempio le mucose delle cavità corporee.
La presenza dei pili risulta perciò essenziale per andare a formare i biofilm, aggregati di microrganismi resistenti e difficili da eliminare.
La cellule procariote può possedere anche dei pili particolari, detti fimbrie F, che consentono il processo di coniugazione.
Si tratta del sistema con cui una cellula batterica ha la possibilità di trasferire materiale genetico a un’altra tramite il contatto. Il pilo infatti, come il flagello, è una struttura tubulare cava al cui interno possono passare dei filamenti di DNA (i plasmidi) che poi si replicano nella cellula ricevente.
La riproduzione della cellula procariote
Batteri e Archea si riproducono tramite scissione binaria, una forma di riproduzione asessuata dove una cellula si divide per generarne altre due, identiche a lei.
Le divisioni cellulari dei procarioti di solito sono molto rapide, in quanto il loro ciclo vitale è molto breve. Si formano così in poco tempo delle colonie la cui crescita segue un andamento esponenziale, finché le risorse a disposizione non vengono a mancare.
A livello genetico la scissione binaria comporta per i procarioti un maggiore accumulo di mutazioni fra generazioni successive. Questo però anziché essere uno svantaggio è la caratteristica che permette ai batteri di adattarsi rapidamente alle variazioni ambientali, oltre che alla risposta immunitaria degli organismi.
