La struttura della cellula e il DNA

Come detto in precedenza, la cellula rappresenta l'unità organizzativa fondamentale degli organismi viventi: è infatti la più piccola unità di un organismo in grado di funzionare in modo autonomo. Ogni cellula è delimitata spazialmente da una membrana esterna, la membrana cellulare, che ha la funzione di separare il contenuto della cellula dall'ambiente esterno e regola i flussi di sostanze in entrata e in uscita dalla cellula grazie alla sua permeabilità selettiva. All'esterno della membrana cellulare, le cellule di vari organismi (batteri, vegetali, funghi) sono ulteriormente delimitate dalla cosiddetta parete cellulare, che svolge una funzione essenzialmente strutturale. All'interno della cellula vi è il citoplasma, una sostanza fluida (ad elevato contenuto d'acqua) che contiene una varietà di molecole e di strutture specializzate dette organelli. Esistono tuttavia due tipi di cellule, fondamentalmente distinti per il loro diverso grado di complessità organizzativa. Le cellule degli organismi procarioti (dal greco pro-, ``prima di'' e karion, ``nucleo''; Fig. 1a) sono di dimensioni più piccole - il diametro è generalmente compreso tra 1 e 5 $\mu$m - e hanno una struttura interna molto semplice; il loro materiale genetico non è separato dal citoplasma per mezzo di una membrana, anche se occupa prevalentemente una regione del citoplasma chiamta nucleoide. Le cellule degli organismi eucarioti (dal greco eu, ``bene'' e karion, ``nucleo''; Fig. 1b) hanno invece dimensioni maggiori (10-50 $\mu$ m) e il loro materiale genetico è racchiuso all'interno di una membrana, detta involucro nucleare, che delimita il nucleo. Il materiale genetico (le informazioni ereditarie) dirige l'attività della cellula e le consente di trasmettere le sue caratteristiche ai suoi discendenti.

Figura 1: Struttura della cellula procariotica (a: Escherichia coli, un batterio normalmente presente nella flora intestinale) e di quella eucariotica (b : Chlamydomonas, un'alga verde).

L'ereditarietà biologica, ovvero il processo di trasmissione di caratteri individuali dai genitori ai loro discendenti, è stata da sempre oggetto di stupore. Tuttavia, solo nella seconda metà del diciannovesimo secolo, grazie agli studi effettuati da Mendel, si è iniziato a chiarire il funzionamento dei meccanismi ereditari. Mendel dimostrò che le caratteristiche ereditate vengono trasmesse come unità discrete - dette geni - che si distribuiscono secondo determinate regole da una generazione all'altra. I geni degli organismi sono localizzati nei cromosomi, strutture complesse formate da proteine e da una macromolecola detta acido desossiribonucleico o DNA. Il DNA, la cui struttura (Fig. 2) fu scoperta negli anni '50 da Watson e Crick, ha una struttura simile a una scala a pioli avvolta a spirale. I montanti della scala sono formati da un'alternanza di molecole di zucchero (desossiribosio) e di fosfato, mentre i pioli sono costituiti da quattro basi azotate: adenina (A), citosina (C), guanina (G), timina (T). Ogni piolo è formato da due basi e ogni base è legata a un'unità zucchero - fosfato. Le basi appaiate sono legate fra loro da legami idrogeno e, per la loro struttura, l'adenina può appaiarsi solo con la timina e la citosina solo con la guanina. L'insieme di una base e dell'unità zucchero-fosfato si chiama nucleotide. Il DNA è quindi una catena di nucleotidi. La sequenza di tre nucleotidi o tripletta, nella molecola del DNA, rappresenta il codice genetico in quanto ogni tripletta codifica la sintesi di un determinato amminoacido.

Figura 2: La struttura elicoidale a doppio filamento del DNA, proposta da Watson e Crick (1953). I pioli dell'elica sono formati dalle quattro basi azotate che formano i nucleotidi: adenina, citosina, guanina e timina. Ogni piolo è composto di due basi.

Le sequenze di basi contenute nel DNA costituiscono l'informazione necessaria alla sintesi delle proteine che si svolge all'interno della cellula e che è alla base dell'attività vitale della stessa. Il DNA è in grado di autoreplicarsi, consentendo così il passaggio dell'informazione genetica da una cellula a un'altra. Durante la replicazione i cromosomi diventano chiaramente visibili all'interno del nucleoide (procarioti) o del nucleo (eucarioti). Di solito i procarioti (ad es. batteri) hanno un unico cromosoma di forma circolare, mentre gli eucarioti hanno diversi cromosomi con struttura lineare.

Fondamentale è per la cellula potere scambiare energia e materia al proprio interno e con l'esterno. Ciò avviene attraverso vari processi, di natura fisica e chimica, chiamati metabolici. Il metabolismo si divide in anabolismo (che produce molecole complesse utili alla cellula a partire da molecole più semplici e richiede energia) e catabolismo (che comporta la degradazione di molecole complesse in molecole più semplici e produce energia). Nelle cellule degli eucarioti il vero e proprio motore è costituito da un organello chiamato mitocondrio. Questo organello produce adenosina trifosfato (ATP) a partire da zuccheri e ossigeno. L'ATP è il composto ad alta energia richiesto dalla stragrande maggioranza delle reazioni metaboliche. Il mitocondrio contiene anch'esso del DNA, che è però diverso da quello del nucleo.