Organella

Definizione di organello

Il termine organello deriva dalla parola ‘organo’ e si riferisce a compartimenti all’interno della cellula che svolgono una funzione specifica. Questi compartimenti sono solitamente isolati dal resto del citoplasma attraverso membrane intracellulari. Queste membrane potrebbero essere simili alla membrana plasmatica o fatte di un diverso complemento di lipidi e proteine. Le proprietà di una membrana sono dovute alla sua origine, come nel caso dei mitocondri o dei plastidi, o alla sua funzione specifica, come nel caso della membrana nucleare. Alcuni organelli non sono legati alla membrana e sono presenti come grandi complessi fatti di RNA e proteine, come i ribosomi.

Le immagini seguenti sono rappresentazioni di cellule vegetali, animali e batteriche che mostrano gli organelli comuni.

Ci sono tre grandi sfide per le cellule quando creano gli organelli. La prima è la formazione e la maturazione degli elementi di base dell’organello. Questo include la membrana, le macromolecole legate alla membrana e il macchinario citoscheletrico che modella l’organello. Inoltre, l’organello deve contenere le giuste sostanze chimiche – proteine, aminoacidi, lipidi, carboidrati o loro monomeri, insieme a cofattori, enzimi e molecole di segnalazione. Queste molecole devono essere specificamente, e spesso attivamente, trasportate in questi compartimenti subcellulari. Infine, gli organelli devono essere mantenuti per tutta la vita della cellula e segregati accuratamente durante la divisione cellulare. Ci sono diverse strategie utilizzate dalle cellule di tutto il mondo per svolgere questi compiti.

Diversi tipi di cellule hanno spesso una predominanza di un certo organello a seconda del loro ruolo primario nel corpo. Per esempio, le cellule del parenchima nelle foglie sono piene di cloroplasti, mentre le cellule che formano la radice sono spesso prive di questo organello. Un organismo unicellulare attivo come un paramecio potrebbe avere un vacuolo che cambia rapidamente. Le cellule coinvolte nella secrezione di proteine di solito hanno una rete di Golgi ben sviluppata e un reticolo endoplasmatico ruvido prominente.

Esempi di organelli

Negli organismi eucarioti, quasi ogni cellula ha un nucleo (le eccezioni includono i globuli rossi dei mammiferi). Gli altri organelli comuni sono mitocondri, plastidi (tra gli autotrofi), reticoli endoplasmatici, apparato di Golgi, lisosomi e vacuoli. Alcune cellule speciali come i neuroni contengono anche vescicole sinaptiche. Tutte queste strutture sono legate alla membrana. Complessi macromolecolari come ribosomi, spliceosomi, centrioli e centrosomi non sono circondati da una membrana, ma sono organelli importanti nella maggior parte delle cellule, svolgendo funzioni vitali come organizzare il citoscheletro, sintetizzare proteine ed elaborare RNA.

I batteri contengono sia organelli legati a proteine che a lipidi. Questi possono essere costituiti da una semplice membrana monostrato (esempio: carbossisomi) o da un bilayer (magnetosomi). Gli organelli nei procarioti sono ora studiati più estesamente, specialmente con l’avvento di migliori strumenti sperimentali.

Tipi di organelli

Gli organelli possono essere classificati in diversi modi. La classificazione più semplice è basata sulla loro origine: se sono presenti nei procarioti o negli eucarioti. Mentre molti importanti percorsi biochimici tra questi due lignaggi cellulari condividono un antenato comune, un piano cellulare complesso distingue la maggior parte delle cellule eucariotiche. L’origine di questo particolare tipo di complessità non è ben nota. Gli eucarioti sono in grado di realizzare catene finemente regolate di reazioni biochimiche principalmente grazie alla loro capacità di avere una specializzazione subcellulare. Inoltre, la presenza di organelli che possono generare ATP fornisce anche l’energia per guidare queste reazioni metaboliche e sostenere una cellula più grande. D’altra parte, il materiale genetico procariotico si trova in regioni semi-organizzate chiamate nucleoidi che sono generalmente viste come una parte del citoplasma che contiene la maggior parte del materiale genetico della cellula. I magnetosomi sono un altro tipo di organelli procarioti, praticamente unici per essere legati da un bilayer lipidico. Queste strutture sono formate da strutture citoscheletriche simili all’actina che sono coinvolte nel modellare e localizzare l’organello all’interno della cellula.

Questa classificazione semplicistica a volte incontra difficoltà, tuttavia, soprattutto con strutture come i mitocondri o i cloroplasti che sono considerati antichi endosimbionti. Tuttavia, come regola, gli organelli procarioti sono spesso più semplici, con una minore complessità in termini di composizione chimica e struttura della membrana.

Anche nelle cellule eucariotiche, la presenza e la natura della membrana che circonda un compartimento subcellulare è un metodo comune di classificazione. Mentre i compartimenti principali come i lisosomi e il reticolo endoplasmatico sono legati da un bilayer lipidico, molti organelli importanti ma più piccoli interagiscono liberamente con l’ambiente citoplasmatico. Questi organelli non sono pieni di fluido, e sono invece masse solide di proteine, RNA o entrambi. I ribosomi e gli spliceosomi sono esempi comuni di organelli che non sono legati alla membrana. Alcuni classificano in questa categoria anche le pareti cellulari delle piante e dei batteri, poiché sono create principalmente da cellulosa. Tuttavia, si trova al di fuori della membrana cellulare e quindi non può essere veramente considerata una struttura intracellulare.

Infine, alcuni organelli possono riprodursi indipendentemente dal ciclo cellulare, perché contengono il proprio materiale genetico. Qui i plastidi e i mitocondri sono di particolare importanza. Tuttavia, mentre si riproducono anche quando la cellula è a riposo in fase G0, hanno bisogno di importare la maggior parte del macchinario di duplicazione dal citoplasma, rendendoli così intimamente legati alle necessità della cellula. I mitocondri e i cloroplasti contengono materiale genetico unico, indipendente dal resto del nucleo, e in molti casi il loro numero all’interno della cellula può cambiare. Per esempio, le fibre muscolari che affrontano un aumento del loro bisogno di ATP, spesso rispondono aumentando il numero di mitocondri nella cellula. Le piante e altri autotrofi possono mostrare adattamenti simili con i cloroplasti.

Funzioni degli organelli

Le attività di una singola cellula rispecchiano quelle di un organismo. La cellula ingerisce i nutrienti, li digerisce e li trasforma, li metabolizza per formare molecole più grandi, respira e rilascia i rifiuti. La maggior parte delle cellule contribuisce persino al mantenimento dell’ambiente extracellulare, non diversamente dall’esistenza di molte specie all’interno di strutture sociali.

Nutrizione

Gli organismi unicellulari ingeriscono il cibo sotto forma di grandi particelle dall’ambiente e subiscono una digestione intracellulare. Questo richiede la presenza di organelli come i vacuoli alimentari o fagosomi e lisosomi per trasportare gli enzimi digestivi. Per gli organismi multicellulari, alcune strutture specializzate consegnano i nutrienti alla cellula, che poi li assume in blocco o attraverso trasportatori speciali. Nella maggior parte dei grandi animali, il sistema digestivo si occupa dell’ingestione e della scomposizione del cibo in unità monomeriche come il glucosio e gli aminoacidi. Gli enzimi necessari per questo processo sono sintetizzati nel reticolo endoplasmatico ruvido e secreti attraverso la rete del Golgi. Il cibo digerito viene consegnato ad ogni cellula attraverso il sistema circolatorio, che poi permette il trasporto passivo o usa l’energia per assumere attivamente i nutrienti.

Trasporto

Il trasporto intracellulare è spesso gestito attraverso filamenti citoscheletrici incrociati che agiscono come corridoi. Questi filamenti formano una serie di percorsi che posizionano gli organelli e trasportano i materiali. In questa attività, sono aiutati da proteine motrici che di solito contengono due domini – uno per interagire con il carico e l’altro per navigare il filamento citoscheletrico. Per esempio, la maggior parte dei neuroni contiene un lungo assone che conduce impulsi elettrici per tutta la sua lunghezza. Le vescicole sinaptiche contenenti neurotrasmettitori spesso popolano l’estremità di un assone e sono necessarie per la trasmissione del segnale elettrico da un neurone al successivo nella sinapsi. I componenti di queste vescicole sono spostati verso la sinapsi lungo il percorso creato dai microtubuli. Le proteine motorie chiamate cinesine alimentano il loro movimento. Altri materiali come enzimi o ormoni peptidici sono trasportati attraverso la rete Trans Golgi per essere utilizzati dalla cellula o rilasciati attraverso l’esocitosi.

Gli eventi più drammatici del trasporto intracellulare avvengono durante la divisione cellulare. I cromosomi sono accuratamente segregati e trasportati ai poli opposti della cellula attraverso un macchinario cellulare complesso e strettamente regolato. Questo coinvolge i centrosomi, la disposizione dinamica dei microtubuli e molteplici cambiamenti nella struttura dei cromosomi.

Digestione

I lisosomi sono le principali strutture coinvolte nella digestione intracellulare. Contengono una serie di enzimi idrolitici che sono attivati dal pH acido di questi organelli. Questi enzimi sono sintetizzati nelle loro forme inattive nel citoplasma prima di essere trasportati nell’organello attraverso canali transmembrana. I lisosomi possono fondersi con altri organelli, come i fagosomi, per la digestione di massa. Questo gioca un ruolo importante anche nell’immunità, quando i microrganismi patogeni sono ingeriti dalle cellule del sistema immunitario e distrutti attraverso l’azione di potenti enzimi idrolitici.

Generazione di ATP

Gli eterotrofi spesso si affidano ai mitocondri per la respirazione aerobica e la generazione di ATP. Gli autotrofi incanalano l’energia della radiazione solare o di altri processi chimici per forgiare i legami ad alta energia dell’ATP. Le strutture membranose di entrambi questi organelli sono importanti nella generazione di ATP.

Controllo e regolazione

Grandi e complessi organismi hanno bisogno di usare un sistema nervoso e un sistema endocrino per mantenere l’omeostasi. All’interno di una cellula, l’organello più importante per il controllo e la regolazione è il nucleo. Le cellule ricevono informazioni sull’ambiente esterno attraverso complesse cascate di segnalazione che spesso si traducono in cambiamenti al suo contenuto di RNA o proteine. Pertanto, l’ambiente nucleare è strettamente regolato e l’importazione e l’esportazione di materiali attraverso l’involucro nucleare è un processo importante per la cellula. La membrana nucleare ha una serie di strutture speciali chiamate pori nucleari e proteine di trasporto chiamate importine ed esportine mediano l’entrata e l’uscita di macromolecole. Queste macromolecole possono indurre l’upregolazione di un particolare gene, influenzare lo splicing dell’RNA, segnalare l’inizio della divisione cellulare o anche iniziare il processo di apoptosi.

• Apoptosi – Morte cellulare programmata che avviene negli organismi multicellulari, preceduta da distinti cambiamenti della morfologia e della biochimica della cellula. Comune durante lo sviluppo e usato anche per prevenire le malattie.
• Endosimbionti – Organismi che vivono all’interno di altri organismi.
• Proteine motorie – Proteine che funzionano come motori molecolari, convertendo l’energia chimica in energia meccanica, mentre si muovono lungo una superficie adatta.
• Upregolazione – In genetica, si riferisce ad un aumento del numero di trascritti RNA prodotti da un gene. Può anche riferirsi all’aumento del numero di recettori trovati su una superficie cellulare.

Quiz

1. Quale di queste è una funzione dei mitocondri? Generazione di ATP e GTP
B. Divisione cellulare
C. Trasmissione del materiale genetico nucleare
D. Tutto quanto sopra

2. Quale di queste affermazioni è vera sul trasporto intracellulare? Le proteine motorie chiamate chinesine trasportano le vescicole sinaptiche lungo un percorso basato sull’actina
B. I centrosomi sono importanti nella segregazione dei cromosomi durante la divisione cellulare
C. Il reticolo endoplasmatico liscio è coinvolto nella sintesi e nella secrezione delle proteine
D. Tutto quanto sopra

3. Perché l’importazione e l’esportazione nucleare devono essere strettamente regolate? Può influenzare l’espressione genica
B. Può indurre la divisione cellulare o l’apoptosi
C. Può cambiare il contenuto proteico della cellula
D. Tutto quanto sopra