Componenti delle cellule procariotiche

Tutte le cellule hanno quattro componenti comuni: 1) una membrana plasmatica, un rivestimento esterno che separa l’interno della cellula dall’ambiente circostante; 2) il citoplasma, che consiste in un citosol gelatinoso all’interno della cellula in cui si trovano altri componenti cellulari; 3) il DNA, il materiale genetico della cellula; e 4) i ribosomi, che sintetizzano le proteine. Tuttavia, i procarioti differiscono dalle cellule eucariotiche in diversi modi.

Un procariote è un organismo semplice, per lo più unicellulare, che manca di un nucleo o di qualsiasi altro organello legato alla membrana. Tra poco vedremo che questo è significativamente diverso negli eucarioti. Il DNA procariotico si trova in una parte centrale della cellula: il nucleoide (Figura \PageIndex{1}).

In questa illustrazione, la cellula procariotica ha una forma ovale. Il cromosoma circolare è concentrato in una regione chiamata nucleoide. Il fluido all'interno della cellula è chiamato citoplasma. I ribosomi, rappresentati come piccoli cerchi, galleggiano nel citoplasma. Il citoplasma è racchiuso da una membrana plasmatica, che a sua volta è racchiusa da una parete cellulare. Una capsula circonda la parete cellulare. Il batterio raffigurato ha un flagello che sporge da un'estremità stretta. I pili sono piccole sporgenze che sporgono dalla capsula in tutte le direzioni.
Figura \(\PageIndex{1}): Questa figura mostra la struttura generalizzata di una cellula procariotica. Tutti i procarioti hanno DNA cromosomico localizzato in un nucleoide, ribosomi, una membrana cellulare e una parete cellulare. Le altre strutture mostrate sono presenti in alcuni batteri, ma non in tutti.

La maggior parte dei procarioti ha una parete cellulare di peptidoglicano e molti hanno una capsula di polisaccaridi (Figura \(\PageIndex{1}}). La parete cellulare agisce come un ulteriore strato di protezione, aiuta la cellula a mantenere la sua forma e previene la disidratazione. La capsula permette alla cellula di attaccarsi alle superfici del suo ambiente. Alcuni procarioti hanno flagelli, pili o fimbrie. I flagelli sono usati per la locomozione. I pili sono usati per scambiare materiale genetico durante un tipo di riproduzione chiamato coniugazione. Le fimbrie sono usate dai batteri per attaccarsi a una cellula ospite.

Collegamento alla carriera

Microbiologo: L’azione più efficace che chiunque può fare per prevenire la diffusione di malattie contagiose è lavarsi le mani. Perché? Perché i microbi (organismi così piccoli che possono essere visti solo al microscopio) sono onnipresenti. Vivono sulle maniglie delle porte, sui soldi, sulle mani e su molte altre superfici. Se qualcuno starnutisce nella sua mano e tocca una maniglia, e dopo tu tocchi quella stessa maniglia, i microbi del muco dello starnutitore sono ora sulle tue mani. Se tocchi le mani con la bocca, il naso o gli occhi, quei microbi possono entrare nel tuo corpo e potrebbero farti ammalare.

Tuttavia, non tutti i microbi (chiamati anche microrganismi) causano malattie; la maggior parte sono effettivamente benefici. Nell’intestino ci sono microbi che producono vitamina K. Altri microorganismi sono usati per fermentare la birra e il vino.

I microbiologi sono scienziati che studiano i microbi. I microbiologi possono intraprendere diverse carriere. Non solo lavorano nell’industria alimentare, ma sono anche impiegati nel campo veterinario e medico. Possono lavorare nel settore farmaceutico, ricoprendo ruoli chiave nella ricerca e sviluppo identificando nuove fonti di antibiotici che potrebbero essere usati per trattare le infezioni batteriche.

I microbiologi ambientali possono cercare nuovi modi per usare microbi appositamente selezionati o geneticamente modificati per la rimozione di sostanze inquinanti dal suolo o dalle acque sotterranee, così come elementi pericolosi da siti contaminati. Questi usi dei microbi sono chiamati tecnologie di biorimedio. I microbiologi possono anche lavorare nel campo della bioinformatica, fornendo conoscenze specialistiche e intuizioni per la progettazione, lo sviluppo e la specificità dei modelli informatici, per esempio, delle epidemie batteriche.

Dimensioni delle cellule

Con un diametro da 0,1 a 5,0 μm, le cellule procariotiche sono significativamente più piccole delle cellule eucariotiche, che hanno diametri che vanno da 10 a 100 μm (Figura \(\PageIndex{2}}). Le piccole dimensioni dei procarioti permettono agli ioni e alle molecole organiche che vi entrano di diffondersi rapidamente in altre parti della cellula. Allo stesso modo, qualsiasi rifiuto prodotto all’interno di una cellula procariotica può diffondersi rapidamente all’esterno. Questo non è il caso delle cellule eucariotiche, che hanno sviluppato diversi adattamenti strutturali per migliorare il trasporto intracellulare.

Parte a: Sono mostrate le dimensioni relative su una scala logaritmica, da 0,1 nm a 1 m. Gli oggetti sono mostrati dal più piccolo al più grande. L'oggetto più piccolo mostrato, un atomo, è grande circa 1 nm. I successivi oggetti più grandi mostrati sono lipidi e proteine; queste molecole sono tra 1 e 10 nm. I batteri sono circa 100 nm, e i mitocondri sono circa 1 greco mu m. Le cellule vegetali e animali sono entrambe tra 10 e 100 greco mu m. Un uovo umano è tra 100 greco mu m e 1 mm. Un uovo di rana è circa 1 mm, un uovo di gallina e un uovo di struzzo sono entrambi tra 10 e 100 mm, ma un uovo di gallina è più grande. Per confronto, un essere umano è alto circa 1 m.
Figura \(\PageIndex{2}): Questa figura mostra le dimensioni relative dei microbi su una scala logaritmica (ricordiamo che ogni unità di aumento in una scala logaritmica rappresenta un aumento di 10 volte della quantità misurata).

Le piccole dimensioni, in generale, sono necessarie per tutte le cellule, sia procariotiche che eucariotiche. Esaminiamo perché è così. Per prima cosa, considereremo l’area e il volume di una tipica cellula. Non tutte le cellule sono di forma sferica, ma la maggior parte tende ad approssimarsi ad una sfera. Forse ricorderete dal vostro corso di geometria del liceo che la formula per la superficie di una sfera è \(4\pi r^2\), mentre la formula per il suo volume è \(4\pi r^2/3\). Così, quando il raggio di una cella aumenta, la sua superficie aumenta come il quadrato del suo raggio, ma il suo volume aumenta come il cubo del suo raggio (molto più rapidamente). Quindi, man mano che una cellula aumenta di dimensioni, il suo rapporto superficie-volume diminuisce. Questo stesso principio si applicherebbe se la cellula avesse la forma di un cubo (Figura \PageIndex{3}). Se la cellula cresce troppo, la membrana plasmatica non avrà un’area superficiale sufficiente per sostenere il tasso di diffusione richiesto dall’aumento di volume. In altre parole, quando una cellula cresce, diventa meno efficiente. Un modo per diventare più efficiente è quello di dividersi; un altro modo è quello di sviluppare organelli che svolgono compiti specifici. Questi adattamenti portano allo sviluppo di cellule più sofisticate chiamate cellule eucariotiche.

Art Connection
A sinistra, una sfera di 1 mm di diametro è racchiusa in una scatola della stessa larghezza. A destra, la stessa sfera è racchiusa in una scatola di 2 mm di diametro.
Figura \(\PageIndex{3}}): Notate che quando una cellula aumenta di dimensioni, il suo rapporto superficie-volume diminuisce. Quando l’area superficiale è insufficiente a sostenere l’aumento di volume di una cellula, questa si divide o muore. La cellula sulla sinistra ha un volume di \1 mm^3\ e una superficie di \6 mm^2\, con un rapporto superficie-volume di \6\ a \1\, mentre la cellula sulla destra ha un volume di \8 mm^3\ e una superficie di \24 mm^2\, con un rapporto superficie-volume di \3\ a \1\.

Le cellule procariotiche sono molto più piccole delle cellule eucariotiche. Quali vantaggi potrebbero conferire a una cellula le piccole dimensioni? Quali vantaggi potrebbe avere una cellula di grandi dimensioni?

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