Uno sguardo attraverso il microscopio

LA CELLULA è stata definita l’unità fondamentale della vita. Sì, gli esseri viventi — piante, insetti, animali ed esseri umani — sono fatti di cellule. Nel corso degli anni gli scienziati hanno studiato il funzionamento interno della cellula e hanno svelato molti dei segreti della biologia molecolare e della genetica. Guardiamo più da vicino le cellule e notiamo cosa ha scoperto la scienza su queste affascinanti, microscopiche unità viventi.

Uno sguardo al mondo microscopico

Le cellule hanno forme diverse. Alcune sono rettangolari, altre quadrate. Ci sono cellule rotonde, ovali, e altre senza una forma ben definita. L’ameba, ad esempio, è un organismo unicellulare che non ha una forma definita, ma cambia forma man mano che si muove. La cosa interessante è che spesso la forma di una cellula dà qualche indicazione sulla sua funzione. Ad esempio, alcune cellule muscolari sono lunghe e sottili e sono in grado di contrarsi. Le cellule nervose, che trasmettono messaggi da una parte all’altra dell’organismo, hanno lunghe ramificazioni.

Le cellule differiscono anche per dimensioni. In genere, però, sono troppo piccole per poter essere viste a occhio nudo. Per farvi un’idea delle dimensioni di una cellula media, guardate il punto alla fine di questa frase. In quel puntolino potrebbero trovar posto circa 500 cellule di media grandezza! Come se non bastasse, pensate che alcuni batteri unicellulari sono circa 50 volte più piccoli. Qual è invece la cellula più grande? Il record spetta al tuorlo dell’uovo di struzzo: un “gigante” unicellulare grande più o meno quanto una palla da baseball!

Dato che la maggior parte delle cellule non si vedono a occhio nudo, gli scienziati ricorrono a strumenti come il microscopio per studiarle.a Anche così, alcuni particolari molto complessi della cellula non si possono discernere completamente. Pensate: con un microscopio elettronico si può osservare una cellula ingrandita circa 200.000 volte. Così ingrandita, una formica apparirebbe lunga quasi un chilometro. Eppure, anche con un simile ingrandimento, alcuni particolari della cellula non sono visibili!

In questo modo gli scienziati hanno riscontrato che la cellula è straordinariamente complessa. Nel libro The Fifth Miracle (Il quinto miracolo) il fisico Paul Davies afferma: “Ogni cellula è piena di minuscole strutture che potrebbero essere uscite direttamente da un manuale di ingegneria. Abbondano versioni microscopiche di pinze, forbici, pompe, motori, leve, valvole, tubi, catene e persino veicoli. D’altra parte, com’è ovvio, la cellula è molto più di un involucro pieno di gadget. I vari componenti si integrano l’uno con l’altro formando un tutt’uno dal funzionamento armonico, come una sofisticata catena di montaggio”.

DNA: la molecola dell’ereditarietà

Gli esseri umani, come tutti gli esseri pluricellulari, piante e animali, hanno origine da un’unica cellula. Quando questa raggiunge una certa dimensione si divide in due. Poi queste due cellule si dividono a loro volta, formandone quattro. Man mano che continuano a dividersi le cellule si specializzano, vale a dire, si differenziano, diventando cellule muscolari, nervose, epiteliali, e così via. Il processo continua, e molte cellule si raggruppano insieme formando tessuti. Le cellule muscolari, ad esempio, si uniscono e formano il tessuto muscolare. Vari tipi di tessuto formano gli organi, come il cuore, i polmoni e gli occhi.

Sotto la sottile membrana di ogni cellula vi è un fluido gelatinoso detto citoplasma. Più internamente vi è il nucleo, separato dal citoplasma da una sottile membrana. Il nucleo è stato definito il centro operativo della cellula, poiché ne controlla quasi tutte le attività. All’interno del nucleo si trova il programma genetico della cellula, scritto nell’acido desossiribonucleico, o DNA.

Le molecole di DNA sono avvolte su se stesse nei cromosomi. I geni, che sono segmenti di molecola di DNA, contengono tutte le informazioni necessarie per fare di voi quelli che siete. “Il programma genetico contenuto nel DNA rende ogni essere vivente diverso da tutti gli altri”, spiega un’enciclopedia. “Questo programma fa sì che un cane sia diverso da un pesce, che una zebra sia diversa da una rosa e che un salice sia diverso da una vespa. Inoltre, vi rende diversi da qualsiasi altra persona sulla terra”. — The World Book Encyclopedia.

La quantità di informazioni contenute nel DNA di una sola cellula è sbalorditiva. Potrebbe riempire circa un milione di pagine come questa! Visto che trasmette le informazioni ereditarie da una generazione di cellule alla successiva, il DNA è stato definito il progetto di tutta la vita. Ma che aspetto ha il DNA?

Il DNA è composto da due filamenti avvolti l’uno attorno all’altro e ha una forma che ricorda una scala a pioli ritorta a spirale, o una scala a chiocciola. I due filamenti sono collegati da combinazioni di quattro composti detti basi. Ciascuna base su un filamento è accoppiata con una base sull’altro. Queste coppie di basi formano i pioli della “scala” del DNA. È la sequenza delle basi nella molecola di DNA che determina l’informazione genetica. In parole semplici, questa sequenza determina praticamente tutto, dal colore dei capelli alla forma del naso.

DNA, RNA e proteine

Le proteine sono le macromolecole più abbondanti nelle cellule. Si è calcolato che sarebbero responsabili di oltre metà del peso della maggior parte degli organismi se questi venissero completamente essiccati! Le proteine sono costituite da elementi più piccoli detti amminoacidi. Alcuni di questi sono sintetizzati dall’organismo; altri devono essere ottenuti dagli alimenti.

Le proteine hanno molte funzioni. Ad esempio, una proteina che si trova nei globuli rossi del sangue è l’emoglobina, che trasporta l’ossigeno in tutto il corpo. Ci sono poi gli anticorpi, che aiutano a combattere le malattie. Altre proteine, come l’insulina, aiutano a metabolizzare il cibo e a regolare varie funzioni cellulari. In totale, nell’organismo vi possono essere migliaia di tipi diversi di proteine. Ce ne possono essere centinaia di tipi diversi all’interno di un’unica cellula!

Ogni proteina svolge una funzione specifica determinata dal suo gene, nel DNA. Ma in che modo l’informazione genetica contenuta in un gene, all’interno della molecola di DNA, viene decodificata così da produrre una determinata proteina? Come mostra il riquadro “Come si producono le proteine”, le informazioni genetiche archiviate nel DNA devono prima essere trasferite dal nucleo della cellula al citoplasma, dove si trovano i ribosomi, le “fabbriche” delle proteine. Questo trasferimento avviene grazie a un mediatore detto acido ribonucleico (RNA). Nel citoplasma i ribosomi “leggono” le istruzioni dell’RNA e uniscono gli amminoacidi nella giusta sequenza per formare una data proteina. Pertanto, DNA, RNA e sintesi proteica sono tre cose strettamente legate fra loro.

Come è nato tutto questo?

Lo studio della genetica e della biologia molecolare appassiona gli scienziati da decenni. Il fisico Paul Davies, pur essendo scettico sull’idea che dietro a tutto questo ci possa essere un Creatore, ammette: “Ogni molecola ha una funzione specifica e un posto preciso nello schema generale, di modo che vengono prodotti gli oggetti giusti. Ci sono molti ‘pendolari’. Alcune molecole, per assolvere bene il loro compito, devono viaggiare da una parte all’altra della cellula per incontrarne altre al posto giusto e al momento giusto. Tutto questo avviene senza che ci siano capi a impartire ordini alle molecole e a guidarle al posto giusto. Non c’è nessun superiore a controllare le loro attività. Le molecole fanno il loro dovere e basta: sbattono qua e là alla cieca, si urtano a vicenda, rimbalzano, si abbracciano. . . . In qualche modo, collettivamente, questi atomi privi di pensiero collaborano e ballano la danza della vita con una precisione eccezionale”.

Non è strano che molti che hanno studiato il funzionamento interno della cellula siano giunti alla conclusione che deve esistere una forza intelligente responsabile della sua creazione. Vediamo perché.

[Nota in calce]

[Riquadro/Diagramma a pagina 5]

Uno sguardo all’interno della cellula

Ogni cellula contiene un nucleo, che è il suo centro operativo. All’interno del nucleo vi sono i cromosomi, costituiti da molecole di DNA avvolte su se stesse e da proteine. I geni sono localizzati su queste molecole di DNA. I ribosomi, le “fabbriche” dove vengono prodotte le proteine, si trovano nel citoplasma della cellula, all’esterno del nucleo.

[Diagramma]

(Per la corretta impaginazione, vedi l’edizione stampata)

Cellula

Ribosomi

Citoplasma

Nucleo

Cromosomi

Il DNA: la scala della vita

[Diagramma a pagina 7]

(Per la corretta impaginazione, vedi l’edizione stampata)

Come si replica il DNA

Per semplicità di rappresentazione non si è tenuto conto della struttura tridimensionale a doppia elica del DNA

1 Prima di dividersi e produrre un’altra generazione di cellule, ogni cellula deve replicare il proprio DNA, cioè farne una copia. Per prima cosa alcune proteine aiutano a separare i due filamenti di DNA, un po’ come si aprirebbe una cerniera lampo

Proteina

2 Poi, rispettando rigide regole di appaiamento, le basi libere (cioè disponibili) nella cellula si legano alle basi complementari sui due filamenti originali

Basi libere

3 Alla fine si ottengono due copie identiche del codice genetico. Così, quando la cellula si divide, ogni nuova cellula ne riceve una

Proteina

Proteina

La regola di appaiamento delle basi nel DNA:

A sempre con T

A T Timina

T A Adenina

C sempre con G

C G Guanina

G C Citosina

[Diagramma alle pagine 8 e 9]

(Per la corretta impaginazione, vedi l’edizione stampata)

Come si producono le proteine

Per semplicità, la proteina dell’illustrazione è composta di soli 10 amminoacidi. In genere le proteine ne contengono più di 100

1 Una speciale proteina “apre”, a mo’ di cerniera lampo, un tratto dei filamenti di DNA

Proteina

2 Le basi libere dell’RNA si legano a quelle del DNA rimaste esposte su uno solo dei filamenti, formando così un filamento di RNA messaggero

Basi libere dell’RNA

3 L’RNA messaggero appena formato si stacca e viaggia verso i ribosomi

4 Una molecola di RNA transfer prende un amminoacido e lo porta al ribosoma

RNA transfer

Ribosoma

5 Man mano che il ribosoma si sposta lungo l’RNA messaggero si forma una catena di amminoacidi

Amminoacidi

6 La catena proteica, man mano che si forma, comincia a piegarsi su se stessa, assumendo la forma che le permetterà di svolgere la sua funzione. Dopo ciò viene rilasciata dal ribosoma

RNA transfer

L’RNA transfer ha due estremità importanti:

Una riconosce il codice dell’RNA messaggero

L’altra trasporta il giusto amminoacido

Le basi dell’RNA usano U anziché T, così che U si appaia con A

A U Uracile

U A Adenina