CELLULA PROCARIOTICA: CARATTERISTICHE, STRUTTURA CELLULARE, TIPOLOGIE - BIOLOGIA - 2025

Le cellule procariotiche sono semplici e senza nucleo delimitato da strutture di membrana plasmatica. Gli organismi associati a questo tipo di cellula sono unicellulari, sebbene possano raggrupparsi e formare strutture secondarie, come le catene.

Dei tre domini della vita proposti da Carl Woese, i procarioti corrispondono a Bacteria e Archaea. Il dominio rimanente, Eucarya, è costituito da cellule eucariotiche più grandi e complesse con un nucleo delimitato.

Cellula procariota. Fonte: di Ali Zifan, da Wikimedia Commons

Una delle dicotomie più importanti nelle scienze biologiche è la distinzione tra cellula eucariotica e procariotica. Storicamente, un organismo procariotico è considerato semplice, senza organizzazione interna, senza organelli e privo di citoscheletro. Tuttavia, nuove prove stanno distruggendo questi paradigmi.

Ad esempio, sono state identificate strutture nei procarioti che possono essere potenzialmente considerate organelli. Allo stesso modo, sono state trovate proteine ​​omologhe alle proteine ​​degli eucarioti che formano il citoscheletro.

I procarioti sono molto vari in termini di nutrizione. Possono utilizzare la luce del sole e l'energia contenuta nei legami chimici come fonte di energia. Possono anche utilizzare diverse fonti di carbonio, come anidride carbonica, glucosio, amminoacidi, proteine, tra gli altri.

I procarioti si dividono asessualmente per fissione binaria. In questo processo, l'organismo replica il suo DNA circolare, aumenta il suo volume e infine si divide in due cellule identiche.

Tuttavia, esistono meccanismi per lo scambio di materiale genetico che generano variabilità nei batteri, come la trasduzione, la coniugazione e la trasformazione.

Caratteristiche generali

I procarioti sono organismi unicellulari relativamente semplici. La caratteristica più evidente che identifica questo gruppo è l'assenza di un vero nucleo. Sono divisi in due grandi rami: veri batteri o eubatteri e archeobatteri.

Hanno colonizzato quasi tutti gli habitat immaginabili, dall'acqua e dal suolo all'interno di altri organismi, compresi gli esseri umani. In particolare, gli archeobatteri abitano aree con temperature estreme, salinità e pH.

Struttura

Cellula procariotica media.

Lo schema architettonico di un tipico procariota è, senza dubbio, quello dell'Escherichia coli, un batterio che normalmente abita il nostro tratto gastrointestinale.

La forma della cella ricorda una bacchetta ed è di 1 um di diametro e 2 um di lunghezza. I procarioti sono circondati da una parete cellulare, composta principalmente da polisaccaridi e peptidi.

La parete cellulare batterica è una caratteristica molto importante e, a seconda della sua struttura, consente di stabilire un sistema di classificazione in due grandi gruppi: batteri gram positivi e gram negativi.

Seguita dalla parete cellulare, troviamo una membrana (un elemento comune tra procarioti ed eucarioti) di natura lipidica con incorporati una serie di elementi protesici che separano l'organismo dal suo ambiente.

Il DNA è una molecola circolare situata in una regione specifica che non ha alcun tipo di membrana o separazione con il citoplasma.

Il citoplasma mostra un aspetto ruvido e ha circa 3.000 ribosomi, strutture responsabili della sintesi proteica.

Tipi di procarioti

Gli attuali procarioti sono costituiti da un'ampia diversità di batteri che si divide in due grandi domini: eubatteri e archeobatteri. Secondo le prove, questi gruppi sembrano essersi discostati molto presto nell'evoluzione.

Gli archeobatteri sono un gruppo di procarioti che generalmente vivono in ambienti con condizioni insolite, come temperature o elevata salinità. Queste condizioni sono rare oggi, ma potrebbero essere state prevalenti nella prima terra.

Ad esempio, i termoacidofili vivono in aree dove la temperatura raggiunge un massimo di 80 ° C e un pH di 2.

Gli eubatteri, da parte loro, vivono in ambienti comuni a noi umani. Possono abitare il suolo, l'acqua o vivere in altri organismi, come i batteri che fanno parte del nostro tratto digerente.

Morfologia dei procarioti

I batteri si presentano in una serie di morfologie molto varie ed eterogenee. Tra le più comuni abbiamo quelle tonde chiamate noci di cocco. Questi possono verificarsi individualmente, in coppia, in una catena, in tetradi, ecc.

Alcuni batteri sono morfologicamente simili a un bastoncino e sono chiamati bacilli. Come le noci di cocco, possono essere trovate in diverse disposizioni con più di un individuo. Troviamo anche spirochete a forma di spirale e quelle a forma di virgola o grano chiamate vibrioni.

Ciascuna di queste morfologie descritte può variare tra specie diverse - ad esempio, un bacillo può essere più allungato di un altro o con bordi più arrotondati - e sono utili per identificare la specie.

Riproduzione

Riproduzione asessuata

La riproduzione nei batteri è asessuata e avviene per fissione binaria. In questo processo l'organismo si "divide letteralmente in due", producendo cloni dell'organismo iniziale. Affinché ciò avvenga, devono essere disponibili risorse sufficienti.

Il processo è relativamente semplice: il DNA circolare si replica, formando due identiche doppie eliche. Successivamente, il materiale genetico viene alloggiato nella membrana cellulare e la cellula inizia a crescere, fino a raddoppiare le sue dimensioni. La cellula alla fine si divide e ogni parte risultante ha una copia circolare del DNA.

In alcuni batteri, le cellule possono dividere il materiale e crescere, ma non si dividono completamente e formano una sorta di catena.

Ulteriori fonti di variabilità genetica

Esistono eventi di scambio genico tra batteri che consentono il trasferimento genetico e la ricombinazione, un processo simile a quello che conosciamo come riproduzione sessuale. Questi meccanismi sono coniugazione, trasformazione e trasduzione.

La coniugazione consiste nello scambio di materiale genetico tra due batteri attraverso una struttura simile a peli fini chiamati pili o fimbrie, che funge da “ponte”. In questo caso, deve esserci una vicinanza fisica tra i due individui.

La trasformazione implica il prelievo di frammenti di DNA nudi trovati nell'ambiente. Vale a dire, in questo processo la presenza di un secondo organismo non è necessaria.

Infine abbiamo la traduzione, dove il batterio acquisisce il materiale genetico attraverso un vettore, ad esempio i batteriofagi (virus che infettano i batteri).

Nutrizione

I batteri hanno bisogno di sostanze che garantiscano la loro sopravvivenza e che diano loro l'energia necessaria per i processi cellulari. La cellula assorbirà questi nutrienti per assorbimento.

In generale, possiamo classificare i nutrienti come essenziali o basici (acqua, fonti di carbonio e composti azotati), secondari (come alcuni ioni: potassio e magnesio) e oligoelementi necessari in concentrazioni minime (ferro, cobalto).

Alcuni batteri necessitano di fattori di crescita specifici, come vitamine e amminoacidi e fattori stimolanti che, sebbene non essenziali, aiutano nel processo di crescita.

Le esigenze nutrizionali dei batteri variano ampiamente, ma la loro conoscenza è necessaria per essere in grado di preparare terreni di coltura efficaci per garantire la crescita di un organismo di interesse.

Categorie nutrizionali

I batteri possono essere classificati in base alla fonte di carbonio che utilizzano, organica o inorganica e in base alla fonte di produzione di energia.

A seconda della fonte di carbonio abbiamo due gruppi: gli autotrofi o litotrofi utilizzano anidride carbonica e gli eterotrofi o organotrofi che richiedono una fonte di carbonio organico.

Nel caso della fonte di energia, abbiamo anche due categorie: fototrofi che utilizzano l'energia del sole o energia radiante e chemiotrofi che dipendono dall'energia delle reazioni chimiche. Pertanto, combinando entrambe le categorie, i batteri possono essere classificati in:

photoautotrophs

Ottengono energia dalla luce solare, il che significa che sono fotosinteticamente attivi e la loro fonte di carbonio è l'anidride carbonica.

Photoheterotrophs

Sono in grado di utilizzare l'energia radiante per il loro sviluppo ma non sono in grado di incorporare anidride carbonica. Pertanto, usano altre fonti di carbonio, come alcoli, acidi grassi, acidi organici e carboidrati.

chemioautotrofi

Ottengono energia dalle reazioni chimiche e sono in grado di incorporare anidride carbonica.

Chemoheterotrophs

Usano l'energia dalle reazioni chimiche e il carbonio proviene da composti organici, come il glucosio - che è il più utilizzato - i lipidi e anche le proteine. Si noti che la fonte di energia e la fonte di carbonio sono le stesse in entrambi i casi, quindi la differenziazione tra le due è difficile.

In generale, i microrganismi considerati patogeni per l'uomo appartengono a quest'ultima categoria e utilizzano aminoacidi e composti lipidici dai loro ospiti come fonte di carbonio.

Metabolismo

Il metabolismo comprende tutte le complesse reazioni chimiche catalizzate da enzimi che avvengono all'interno di un organismo in modo che possa svilupparsi e riprodursi.

Nei batteri, queste reazioni non differiscono dai processi di base che si verificano negli organismi più complessi. In effetti, abbiamo più percorsi condivisi da entrambe le linee di organismi, come ad esempio la glicolisi.

Le reazioni metaboliche sono classificate in due grandi gruppi: biosintesi o reazioni anaboliche e reazioni di degradazione o cataboliche, che si verificano per ottenere energia chimica.

Le reazioni cataboliche rilasciano energia in modo scaglionato che il corpo utilizza per la biosintesi dei suoi componenti.

Differenze fondamentali dalle cellule eucariotiche

I procarioti differiscono dai procarioti principalmente per la complessità strutturale della cellula e per i processi che si verificano al suo interno. Di seguito descriveremo le principali differenze tra i due lignaggi:

Dimensioni e complessità

In generale, le cellule procariotiche sono più piccole delle cellule eucariotiche. I primi hanno diametri compresi tra 1 e 3 µm, a differenza di una cellula eucariotica che può raggiungere i 100 µm. Tuttavia, ci sono alcune eccezioni.

Sebbene gli organismi procarioti siano unicellulari e non possiamo osservarli ad occhio nudo (a meno che non stiamo osservando colonie batteriche, per esempio) non dovremmo usare la caratteristica per distinguere tra i due gruppi. Negli eucarioti troviamo anche organismi unicellulari.

Infatti, una delle cellule più complesse sono gli eucarioti unicellulari, poiché devono contenere tutte le strutture necessarie al loro sviluppo confinate in una membrana cellulare. I generi Paramecium e Trypanosoma ne sono esempi notevoli.

D'altra parte, ci sono procarioti altamente complessi, come i cianobatteri (un gruppo procariotico in cui si è verificata l'evoluzione delle reazioni fotosintetiche).

Nucleo

La parola "procariota" si riferisce all'assenza di un nucleo (pro = prima; karyon = nucleo) mentre gli eucarioti hanno un vero nucleo (eu = vero). Pertanto, questi due gruppi sono separati dalla presenza di questo importante organello.

Nei procarioti, il materiale genetico è distribuito in una regione specifica della cellula chiamata nucleoide - e non è un vero nucleo perché non è delimitato da una membrana lipidica.

Gli eucarioti hanno un nucleo definito e circondati da una doppia membrana. Questa struttura è estremamente complessa, presentando diverse aree all'interno, come il nucleolo. Inoltre, questo organello può interagire con l'ambiente interno della cellula grazie alla presenza di pori nucleari.

Organizzazione del materiale genetico

I procarioti contengono da 0,6 a 5 milioni di paia di basi nel loro DNA e si stima che possano codificare fino a 5.000 proteine ​​diverse.

I geni procarioti si organizzano in entità chiamate operoni - come il noto operone del lattosio - mentre i geni eucariotici no.

Nei geni possiamo distinguere due "regioni": introni ed esoni. I primi sono porzioni che non codificano per la proteina e che stanno interrompendo le regioni codificanti, chiamate esoni. Gli introni sono comuni nei geni eucariotici ma non nei procarioti.

I procarioti sono generalmente aploidi (un singolo carico genetico) e gli eucarioti hanno carichi sia aploidi che poliploidi. Ad esempio, noi umani siamo diploidi. Allo stesso modo, i procarioti hanno un cromosoma e gli eucarioti più di uno.

Compattazione del materiale genetico

All'interno del nucleo cellulare, gli eucarioti mostrano una complessa organizzazione del DNA. Una lunga catena di DNA (lunga circa due metri) è in grado di attorcigliarsi in modo tale da integrarsi nel nucleo e, durante i processi di divisione, può essere visualizzata al microscopio come cromosomi.

Questo processo di compattazione del DNA coinvolge una serie di proteine ​​che sono in grado di legarsi al filo e formare strutture che ricordano una collana di perle, dove il filo è rappresentato dal DNA e le perle dalle perle. Queste proteine ​​sono chiamate istoni.

Gli istoni sono stati ampiamente conservati durante l'evoluzione. In altre parole, i nostri istoni sono incredibilmente simili a quelli di un topo, o per andare oltre a quello di un insetto. Strutturalmente, hanno un numero elevato di amminoacidi caricati positivamente che interagiscono con le cariche negative del DNA.

Nei procarioti sono state trovate alcune proteine ​​omologhe agli istoni, generalmente note come simili agli istoni. Queste proteine ​​contribuiscono al controllo dell'espressione genica, della ricombinazione e della replicazione del DNA e, come gli istoni negli eucarioti, partecipano all'organizzazione del nucleoide.

organelli

Nelle cellule eucariotiche, è possibile identificare una serie di compartimenti subcellulari altamente complessi che svolgono funzioni specifiche.

I più rilevanti sono i mitocondri, responsabili dei processi di respirazione cellulare e generazione di ATP, e nelle piante spiccano i cloroplasti, con il loro sistema a tre membrane e con i macchinari necessari alla fotosintesi.

Allo stesso modo, abbiamo il complesso di Golgi, il reticolo endoplasmatico liscio e ruvido, i vacuoli, i lisosomi, i perossisomi, tra gli altri.

Struttura ribosomiale

I ribosomi

I ribosomi comprendono il macchinario necessario per la sintesi proteica, quindi devono essere presenti sia negli eucarioti che nei procarioti. Sebbene sia una struttura indispensabile per entrambi, differisce prevalentemente per dimensioni.

I ribosomi sono costituiti da due subunità: una grande e una piccola. Ogni subunità è identificata da un parametro chiamato coefficiente di sedimentazione.

Nei procarioti la subunità grande è 50S e la subunità piccola è 30S. L'intera struttura si chiama anni '70. I ribosomi sono sparsi in tutto il citoplasma, dove svolgono i loro compiti.

Gli eucarioti hanno ribosomi più grandi, la subunità grande è 60S, la subunità piccola è 40S e l'intero ribosoma è designato come 80S. Questi si trovano principalmente ancorati nel reticolo endoplasmatico ruvido.

Parete cellulare

La parete cellulare è un elemento essenziale per affrontare lo stress osmotico e funge da barriera protettiva contro possibili danni. Quasi tutti i procarioti e alcuni gruppi di eucarioti hanno una parete cellulare. La differenza sta nella sua natura chimica.

La parete batterica è costituita da peptidoglicano, un polimero costituito da due elementi strutturali: N-acetil-glucosamina e acido N-acetilmuramico, legati tra loro da legami di tipo β-1,4.

All'interno della linea eucariotica ci sono anche cellule della parete, principalmente in alcuni funghi e in tutte le piante. Il composto più abbondante nella parete dei funghi è la chitina e nelle piante è la cellulosa, un polimero costituito da molte unità di glucosio.

Divisione cellulare

Come discusso in precedenza, i procarioti si dividono per fissione binaria. Gli eucarioti hanno un sistema di divisione complesso che coinvolge diverse fasi della divisione nucleare, mitosi o meiosi.

Filogenesi e classificazione

In genere siamo abituati a definire una specie secondo il concetto biologico proposto da E. Mayr nel 1989: "gruppi di popolazioni naturali incrociate che sono riproduttivamente isolate da altri gruppi".

Applicare questo concetto alle specie asessuali, come nel caso dei procarioti, è impossibile. Pertanto, deve esserci un altro modo di avvicinarsi al concetto di specie per classificare questi organismi.

Secondo Rosselló-Mora et al. (2011), il concetto filofenetico si adatta bene a questo lignaggio: "un insieme monofiletico e genomicamente coerente di organismi individuali che mostrano un alto grado di somiglianza generale in molte caratteristiche indipendenti, ed è diagnosticabile da una proprietà fenotipica discriminante".

In precedenza, tutti i procarioti erano classificati in un unico "dominio", fino a quando Carl Woese suggerì che l'albero della vita avrebbe dovuto avere tre rami principali. Seguendo questa classificazione, i procarioti includono due domini: Archaea e Bacteria.

All'interno dei batteri troviamo cinque gruppi: proteobatteri, clamidia, spirochete cianobatteriche e batteri gram-positivi. Allo stesso modo, abbiamo quattro gruppi principali di archei: Euryarchaeota, TACK Group, Asgard e DPANN Group.

Nuove intuizioni

Uno dei concetti più diffusi in biologia è la semplicità del citosol procariotico. Tuttavia, nuove prove suggeriscono che esiste una potenziale organizzazione nelle cellule procariotiche. Attualmente, gli scienziati stanno cercando di abbattere il dogma dell'assenza di organelli, citoscheletro e altre caratteristiche in questo lignaggio unicellulare.

Organelli nei procarioti

Gli autori di questa proposta molto nuova e controversa assicurano che ci sono livelli di compartimentalizzazione nelle cellule eucariotiche, principalmente nelle strutture delimitate da proteine ​​e lipidi intracellulari.

Secondo i difensori di questa idea, un organello è un compartimento circondato da una membrana biologica con una specifica funzione biochimica. Tra questi "organelli" che rientrano in questa definizione abbiamo i corpi lipidici, i carbossi-somi, i vacuoli di gas, tra gli altri.

Magnetosomes

Uno dei compartimenti più affascinanti dei batteri sono i magnetosomi. Queste strutture sono legate alla capacità di alcuni batteri - come Magnetospirillum o Magnetococcus - di utilizzare i campi magnetici per l'orientamento.

Strutturalmente sono un piccolo corpo di 50 nanometri circondato da una membrana lipidica, il cui interno è composto da minerali magnetici.

Membrane fotosintetiche

Inoltre, alcuni procarioti hanno "membrane fotosintetiche", che sono i compartimenti più studiati in questi organismi.

Questi sistemi lavorano per massimizzare l'efficienza della fotosintesi, aumentando il numero di proteine ​​fotosintetiche disponibili e massimizzando la superficie membranosa esposta alla luce.

Scomparti in

Non è stato possibile tracciare un percorso evolutivo plausibile da questi compartimenti precedentemente menzionati agli organelli altamente complessi degli eucarioti.

Tuttavia, il genere Planctomycetes ha una serie di compartimenti interni che ricordano gli organelli stessi e possono essere proposti come l'antenato batterico degli eucarioti. Nel genere Pirellula ci sono cromosomi e ribosomi circondati da membrane biologiche.

Componenti del citoscheletro

Allo stesso modo, ci sono alcune proteine ​​storicamente considerate uniche per gli eucarioti, inclusi i filamenti essenziali che fanno parte del citoscheletro: tubulina, actina e filamenti intermedi.

Recenti indagini sono riuscite a identificare proteine ​​omologhe alla tubulina (FtsZ, BtuA, BtuB e altre), all'actina (MreB e Mb1) e ai filamenti intermedi (CfoA).

Riferimenti

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