APPROFONDIMENTO
A cura di Alessio Barpi
Abstract – Italiano
La cellula costituisce l’unità fondamentale dell’organizzazione degli esseri viventi ed è al centro della teoria cellulare, sviluppatasi nel corso del XIX secolo. Il presente contributo offre una panoramica dei principali fondamenti della biologia cellulare, con particolare attenzione alle dimensioni delle cellule, alle differenze tra procarioti ed eucarioti e alle principali ipotesi sull’origine delle cellule eucariotiche.
Una parte rilevante dell’articolo è dedicata alla membrana plasmatica e ai meccanismi che regolano gli scambi tra la cellula e l’ambiente: diffusione semplice, osmosi, diffusione facilitata, trasporto attivo primario e secondario, endocitosi ed esocitosi. I concetti sono illustrati attraverso esempi fisiologici e sanitari, con l’obiettivo di rendere comprensibili i principi biologici senza rinunciare alla precisione terminologica.
Il contributo ha finalità divulgative e si basa su letteratura scientifica e testi di riferimento. Le conoscenze consolidate sono distinte, ove necessario, dalle ipotesi ancora oggetto di approfondimento e dalle stime quantitative. L’articolo non presenta risultati di ricerca originali e non intende sostituire i testi specialistici.
Abstract – English
The cell is the fundamental unit of living organisms and lies at the heart of cell theory, which developed during the nineteenth century. This article provides an overview of the main foundations of cell biology, focusing on cellular dimensions, the differences between prokaryotic and eukaryotic cells, and the principal hypotheses concerning the origin of eukaryotic cells.
A substantial part of the article examines the plasma membrane and the mechanisms governing exchanges between the cell and its environment: simple diffusion, osmosis, facilitated diffusion, primary and secondary active transport, endocytosis, and exocytosis. These concepts are illustrated through physiological and healthcare-related examples, with the aim of making biological principles accessible without sacrificing terminological accuracy.
The article is intended for science communication and draws on scientific literature and reference textbooks. Where relevant, established knowledge is distinguished from hypotheses that remain under investigation and from quantitative estimates. The article does not present original research and is not intended to replace specialist textbooks.
Sommario: §1.) Introduzione: perché la cellula riguarda giuristi, sanitari, imprenditori e privati; §2.) La teoria cellulare e le sue tre unità; §3.) Le scale dimensionali: dall’organismo all’atomo; §4.) Perché le cellule sono piccole: il rapporto superficie/volume; §5.) Le cellule procariotiche; §6.) Le cellule eucariotiche; §7.) Procarioti ed eucarioti a confronto; §8.) L’origine delle cellule eucariotiche: compartimentazione e introflessioni; §9.) L’endosimbiosi: mitocondri e cloroplasti; §10.) La membrana citoplasmatica: struttura e funzioni; §11.) Permeabilità selettiva e gradiente di concentrazione; §12.) La diffusione semplice; §13.) L’osmosi e la tonicità; §14.) La diffusione facilitata: proteine canale e proteine di trasporto; §15.) Il trasporto attivo primario: la pompa sodio-potassio; §16.) Il trasporto attivo secondario: l’assorbimento intestinale del glucosio; §17.) Il trasporto di macromolecole: endocitosi ed esocitosi; §18.) Le altre funzioni delle membrane biologiche; §19.) Considerazioni conclusive per il lettore; §20.) Riferimenti bibliografici e note metodologiche.
Limiti del lavoro. Questo articolo ha finalità esclusivamente divulgative. Sintetizza conoscenze consolidate di biologia cellulare tratte da testi universitari di riferimento e da pubblicazioni scientifiche, indicati nei riferimenti bibliografici (§20) perché il lettore possa risalire alle fonti. Non riporta dati originali né risultati di ricerche condotte dall’autore e non sostituisce i manuali specialistici.
Molti valori numerici (dimensioni, concentrazioni, numero di cellule, datazioni) sono ordini di grandezza o stime: variano secondo il tipo cellulare, la specie e il metodo di misura. Dove le fonti sono discordanti o i dati non sono univoci, il testo lo segnala con formule come «le fonti sono discordanti», «alcune fonti indicano» o «diverse fonti riferiscono». Le ipotesi sull’origine delle cellule eucariotiche e dei loro organuli sono presentate come tali e distinte dalle conoscenze consolidate.
Gli esempi di ambito medico, farmacologico e sanitario servono soltanto a illustrare principi biologici generali. Non costituiscono indicazioni cliniche, diagnostiche o terapeutiche né consulenza professionale e non sono applicabili al singolo caso: per qualsiasi decisione relativa alla salute o a questioni giuridiche occorre rivolgersi a professionisti qualificati.
Restano esclusi, perché estranei all’ambito dell’articolo, la struttura e la funzione del genoma, il ciclo cellulare, la tumorigenesi, i virus, lo sviluppo e il differenziamento.
§1.) Introduzione: perché la cellula riguarda giuristi, sanitari, imprenditori e privati
La comprensione del corpo umano, dei processi patologici e di numerosi fenomeni legati alla salute presuppone una conoscenza, almeno essenziale, dell’organizzazione cellulare. Le alterazioni dei liquidi corporei, i meccanismi alla base di alcune malattie, l’azione di numerosi farmaci e il funzionamento di dispositivi biomedicali possono essere compresi più agevolmente conoscendo le caratteristiche fondamentali delle cellule e le modalità con cui interagiscono con l’ambiente.
Questi concetti interessano ambiti professionali differenti. Per gli operatori sanitari costituiscono una base per comprendere fenomeni fisiologici quali gli scambi attraverso le membrane, l’equilibrio osmotico e il trasporto dei nutrienti. Per i giuristi possono rappresentare un riferimento terminologico utile nella lettura di documenti, consulenze e valutazioni medico-legali che richiamino processi biologici. Per chi opera nei settori biomedicale, farmaceutico e tecnologico, offrono elementi essenziali per inquadrare i fenomeni biologici ai quali si riferiscono prodotti, dispositivi e sistemi di elaborazione dei dati sanitari. Anche per il lettore non specialista, conoscere la cellula aiuta a comprendere alcuni meccanismi fondamentali del funzionamento dell’organismo.
Il contributo si sviluppa secondo un percorso progressivo. Dopo aver illustrato la teoria cellulare e le principali scale dimensionali del mondo biologico, esamina il rapporto tra superficie e volume, le differenze tra cellule procariotiche ed eucariotiche e le principali ipotesi sull’origine delle cellule eucariotiche. La seconda parte è dedicata alla membrana plasmatica, alla sua permeabilità selettiva e ai meccanismi di trasporto, con particolare attenzione alla diffusione, all’osmosi, al trasporto mediato da proteine e agli scambi attraverso vescicole.
L’esposizione si basa su testi di riferimento e letteratura scientifica. Le affermazioni vengono formulate tenendo conto del loro diverso grado di consolidamento: quando opportuno, sono distinte le conoscenze ampiamente condivise dalle ipotesi interpretative e dalle stime quantitative, i cui valori possono variare in relazione ai metodi e alle condizioni di misurazione. I riferimenti bibliografici sono riportati nella sezione conclusiva.
L’articolo ha finalità esclusivamente divulgative e non pretende di esaurire gli argomenti trattati. Non sostituisce i manuali specialistici e non costituisce indicazione clinica, assistenziale o consulenza professionale. Gli esempi di ambito sanitario e farmacologico sono utilizzati per illustrare principi biologici generali e non devono essere interpretati come indicazioni applicabili al singolo caso.
§2.) La teoria cellulare e le sue tre unità
La teoria cellulare è uno dei principi fondamentali della biologia. La sua storia è strettamente legata allo sviluppo della microscopia. Nel 1665 Robert Hooke, esaminando al microscopio una sottile sezione di sughero, osservò una struttura organizzata in piccole cavità, che chiamò cells: ciò che vedeva erano soprattutto le pareti delle cellule vegetali morte. Negli anni successivi Antonie van Leeuwenhoek osservò, mediante microscopi da lui realizzati, microrganismi unicellulari e diverse strutture biologiche. Secondo le fonti storiche, tra il 1831 e il 1833 Robert Brown descrisse il nucleo nelle cellule vegetali. Nel 1838 il botanico Matthias Schleiden e nel 1839 lo zoologo Theodor Schwann contribuirono a consolidare l’idea che le piante e gli animali fossero costituiti da cellule. Nel 1855 Rudolf Virchow rese celebre il principio omnis cellula e cellula, secondo cui ogni cellula deriva da una cellula preesistente.
Nella formulazione didattica moderna, la teoria cellulare comprende tre principi fondamentali: la cellula è l’unità di base dell’organizzazione degli esseri viventi; tutti gli organismi viventi conosciuti sono costituiti da una o più cellule; le cellule derivano da cellule preesistenti. Questi principi possono essere approfonditi attraverso tre dimensioni complementari: quella strutturale, quella funzionale e quella relativa alla continuità della vita cellulare.
La prima dimensione è quella strutturale. La cellula costituisce l’unità fondamentale dell’organizzazione degli organismi viventi. Nei pluricellulari, cellule, matrice extracellulare e strutture intercellulari concorrono alla formazione dei tessuti, che a loro volta partecipano all’organizzazione degli organi. Non tutte le cellule presentano, tuttavia, la stessa struttura: alcune sono prive di nucleo nella fase matura, come gli eritrociti dei mammiferi, mentre altre possono contenere più nuclei. Le fibre muscolari scheletriche, per esempio, sono strutture plurinucleate che si formano attraverso la fusione di precursori cellulari. Queste particolarità non contraddicono la teoria cellulare, ma mostrano la varietà delle forme di organizzazione cellulare.
La seconda dimensione è quella funzionale. Le cellule svolgono le funzioni biologiche fondamentali e, negli organismi pluricellulari, operano in modo coordinato. Un organo non è un semplice aggregato di cellule: il suo funzionamento dipende dall’integrazione tra cellule differenti, dai sistemi di comunicazione e dagli scambi con l’ambiente extracellulare. La membrana plasmatica, esaminata nei paragrafi successivi, svolge un ruolo essenziale in numerosi di questi processi.
La terza dimensione riguarda la continuità della vita cellulare. Nelle condizioni biologiche attuali, le cellule derivano da cellule preesistenti attraverso processi di divisione cellulare. Il principio non risolve, tuttavia, il problema dell’origine delle prime forme cellulari: l’emergere della vita e delle prime cellule costituisce una questione scientifica distinta, affrontata attraverso studi sull’origine della vita.
La teoria cellulare non afferma che tutte le cellule siano identiche, né che ogni organismo presenti una struttura pluricellulare. Esistono organismi unicellulari e pluricellulari, cellule procariotiche ed eucariotiche e numerosi tipi cellulari specializzati. I virus, invece, sono entità acellulari: non possiedono un metabolismo autonomo completo e necessitano di cellule ospiti per replicarsi. La loro collocazione rispetto alla definizione di vita è oggetto di discussione concettuale, ma non modifica i principi fondamentali della teoria cellulare.
Nel linguaggio scientifico, il termine «teoria» non indica una semplice congettura, bensì un quadro esplicativo sostenuto da un insieme consistente di osservazioni e prove. La teoria cellulare rappresenta un principio consolidato della biologia. Diverso è il grado di certezza relativo ad alcune ricostruzioni sull’origine delle cellule eucariotiche e dei loro organuli, che devono essere presentate distinguendo le evidenze disponibili dalle ipotesi sui passaggi evolutivi specifici.
§3.) Le scale dimensionali: dall’organismo all’atomo
Per comprendere che cosa sia una cellula occorre averne chiaro l’ordine di grandezza. Le dimensioni biologiche si esprimono mediante sottomultipli del metro: il millimetro (mm, 10⁻³ m), il micrometro (µm, 10⁻⁶ m) e il nanometro (nm, 10⁻⁹ m). Il passaggio da un millimetro a un nanometro corrisponde a sei ordini di grandezza, cioè a un fattore pari a un milione.
La tabella seguente colloca alcuni oggetti biologici lungo questa scala dimensionale. I valori riportati sono indicativi e possono variare in funzione del tipo di struttura, della specie e delle condizioni considerate; diverse fonti riportano intervalli parzialmente differenti.
| Oggetto biologico | Dimensione indicativa |
| Atomo | circa 0,1–0,2 nm |
| Piccola molecola organica, come il glucosio | circa 1 nm |
| Proteina globulare tipica | circa 3–10 nm |
| Spessore del doppio strato lipidico di membrana | circa 5 nm |
| Ribosoma | circa 20–30 nm |
| Virus | da alcune decine a qualche centinaio di nm |
| Mitocondrio | circa 0,5–1 µm di diametro, con lunghezza variabile |
| Batterio tipico | circa 1–5 µm |
| Globulo rosso umano | circa 7–8 µm |
| Nucleo di una cellula eucariotica | spesso circa 5–10 µm |
| Cellula eucariotica tipica | spesso circa 10–30 µm |
| Cellula uovo umana | circa 100–120 µm |
Il dato di maggior rilievo è che la maggior parte delle cellule non è distinguibile a occhio nudo. Secondo diverse fonti, in condizioni favorevoli l’occhio umano presenta un potere risolutivo dell’ordine di 0,1–0,2 mm, equivalenti a 100–200 µm. Alcune cellule di grandi dimensioni possono avvicinarsi a tale soglia o superarla, ma la maggior parte delle cellule richiede strumenti di osservazione specifici.
Per comprendere le prestazioni di questi strumenti occorre distinguere l’ingrandimento dalla risoluzione. Il primo indica quanto un’immagine appare più grande rispetto all’oggetto osservato; la seconda esprime la capacità di distinguere due punti molto vicini come strutture separate. Un’immagine può quindi essere fortemente ingrandita senza che ciò comporti necessariamente un aumento della quantità di dettagli effettivamente distinguibili.
La risoluzione del microscopio. Nel microscopio ottico convenzionale, la risoluzione è limitata principalmente dalla diffrazione della luce. Secondo il limite di Abbe, che deriva dalla teoria della formazione dell’immagine sviluppata da Ernst Abbe nel 1873 (la formula nella forma oggi usata è attribuita da alcune fonti a pubblicazioni successive), la risoluzione laterale è pari, in prima approssimazione, alla lunghezza d’onda della luce utilizzata divisa per il doppio dell’apertura numerica dell’obiettivo. Con luce visibile (lunghezza d’onda dell’ordine di 500 nm) e obiettivi ad alta apertura numerica (circa 1,4) si ottengono valori dell’ordine di 180–200 nm; le fonti indicano generalmente un limite pratico di circa 200 nm.
Si tratta di una stima approssimativa, basata sul modello adottato, e non di una prestazione garantita in ogni condizione sperimentale. Il valore effettivamente raggiungibile dipende anche dalla qualità dell’ottica, dalla preparazione del campione, dal contrasto e dalle condizioni di osservazione.
Questo limite aiuta a comprendere perché la microscopia ottica convenzionale consenta di osservare cellule, nuclei e numerose strutture cellulari, ma non permetta normalmente di distinguere dettagli molto più piccoli di circa 200 nm. La presenza di una struttura nel campione non implica, infatti, che essa sia necessariamente risolvibile con qualsiasi microscopio.
Il microscopio elettronico utilizza invece fasci di elettroni e consente di raggiungere risoluzioni superiori a quelle della microscopia ottica convenzionale. Le prestazioni variano sensibilmente in funzione della tecnica impiegata e della preparazione del campione. La microscopia elettronica a trasmissione permette di esaminare dettagli ultrastrutturali delle cellule, comprese membrane e organuli; la crio-microscopia elettronica, in condizioni favorevoli, ha inoltre consentito di determinare strutture di macromolecole biologiche con risoluzioni prossime a quella atomica. Tali risultati non devono, tuttavia, essere confusi con la risoluzione ordinariamente ottenibile nell’osservazione di qualsiasi campione biologico.
La scala dimensionale ha anche un valore concettuale. Il livello cellulare si colloca tra quello molecolare, espresso prevalentemente in nanometri, e quello dei tessuti, degli organi e dell’organismo. Al di sotto della cellula si trovano molecole, complessi macromolecolari e organuli; al di sopra si sviluppano livelli progressivi di organizzazione biologica. La biologia cellulare studia proprio il modo in cui le componenti molecolari si organizzano in strutture capaci di svolgere funzioni specifiche.
La distanza dimensionale tra questi livelli aiuta a comprendere perché l’osservazione biologica richieda strumenti differenti e perché le proprietà di una struttura non possano essere valutate indipendentemente dalla scala alla quale essa opera. Un batterio di pochi micrometri, una cellula eucariotica di alcune decine di micrometri e una macromolecola di pochi nanometri appartengono infatti a ordini di grandezza distinti, che richiedono differenti modalità di osservazione e analisi.
Questa prospettiva introduce il tema del paragrafo successivo: le dimensioni cellulari non sono arbitrarie, ma risentono anche di vincoli geometrici e fisici, tra i quali assume particolare rilievo il rapporto tra superficie e volume.
§4.) Perché le cellule sono piccole: il rapporto superficie/volume
Le cellule degli organismi viventi presentano dimensioni differenti, ma molte di esse sono relativamente piccole. Una delle ragioni che contribuiscono a spiegare questa caratteristica riguarda il rapporto tra la superficie cellulare e il volume interno.
La superficie della cellula, delimitata dalla membrana plasmatica, costituisce l’interfaccia attraverso la quale avvengono numerosi scambi con l’ambiente: entrano nutrienti e altre sostanze necessarie al metabolismo, mentre vengono trasferiti all’esterno prodotti di scarto. Il volume, invece, rappresenta lo spazio interno nel quale si svolgono le attività cellulari e che deve essere adeguatamente rifornito.
Per comprendere questa relazione, si può utilizzare un modello geometrico semplificato, considerando le cellule come sfere. In una sfera, la superficie aumenta con il quadrato del raggio, mentre il volume aumenta con il cubo del raggio. Di conseguenza, quando le dimensioni aumentano, il volume cresce più rapidamente della superficie disponibile per gli scambi.
La tabella seguente riporta alcuni esempi teorici riferiti a sfere di diametro differente. I valori sono approssimativi e servono a illustrare il rapporto tra le grandezze considerate:
| Diametro della sfera | Superficie | Volume | Rapporto superficie/volume |
| 1 µm | 3,14 µm² | 0,52 µm³ | 6 µm⁻¹ |
| 2 µm | 12,57 µm² | 4,19 µm³ | 3 µm⁻¹ |
| 3 µm | 28,27 µm² | 14,14 µm³ | 2 µm⁻¹ |
| 30 µm | 2.827 µm² | 14.137 µm³ | 0,2 µm⁻¹ |
I dati mostrano che, all’aumentare del diametro, diminuisce la superficie disponibile per ogni unità di volume. Una cellula più grande deve quindi gestire gli scambi attraverso una superficie relativamente meno estesa rispetto alla quantità di materiale contenuta al suo interno.
Un esempio rende più evidente questa relazione. Una sfera di 30 µm di diametro possiede lo stesso volume complessivo di mille sfere di 3 µm di diametro. La superficie della sfera più grande è di circa 2.827 µm²; la superficie totale delle mille sfere più piccole raggiunge invece circa 28.270 µm². A parità di volume complessivo, la suddivisione in numerose unità più piccole mette quindi a disposizione una superficie totale circa dieci volte maggiore.
Questo confronto non significa che tutte le cellule debbano necessariamente essere piccole, ma dimostra che le dimensioni cellulari incidono sulle condizioni fisiche nelle quali avvengono gli scambi con l’ambiente.
La diffusione e i limiti delle distanze intracellulari. Un secondo elemento importante è rappresentato dalla diffusione, un processo attraverso il quale le molecole si spostano in conseguenza del loro movimento termico casuale. La diffusione permette a numerose sostanze di muoversi all’interno della cellula senza richiedere, per ogni singolo spostamento, un sistema di trasporto attivo.
Il tempo necessario affinché una sostanza percorra una determinata distanza dipende dal coefficiente di diffusione e dalla distanza stessa. In condizioni ideali, raddoppiando la distanza, il tempo caratteristico necessario alla diffusione quadruplica; aumentando la distanza di dieci volte, il tempo aumenta di circa cento volte.
Per una piccola molecola che diffonde in acqua, si può assumere, a titolo esemplificativo, un coefficiente di diffusione dell’ordine di 10⁻⁵ cm²/s, equivalente a circa 1.000 µm²/s. Utilizzando questo valore come riferimento teorico, si ottengono le seguenti stime:
| Distanza da percorrere | Tempo indicativo di diffusione |
| 10 µm | circa 0,05 secondi |
| 100 µm | circa 5 secondi |
| 1 mm | circa 500 secondi, equivalenti a 8 minuti |
| 1 cm | circa 50.000 secondi, equivalenti a 14 ore |
Questi valori sono stime ideali, non tempi universali applicabili a qualsiasi sostanza o cellula. Il coefficiente di diffusione varia in funzione delle caratteristiche della molecola e dell’ambiente attraversato. Nel citoplasma, per esempio, l’affollamento di macromolecole può rallentare gli spostamenti rispetto a quanto avviene in acqua libera.
Le stime mostrano comunque un principio generale: su distanze cellulari la diffusione può essere molto rapida, mentre su distanze di millimetri o centimetri può diventare troppo lenta per soddisfare le esigenze metaboliche di un organismo complesso.
Per questo gli organismi di grandi dimensioni non possono affidarsi esclusivamente alla diffusione per distribuire ossigeno, nutrienti e altre sostanze. Nell’essere umano, per esempio, l’apparato circolatorio contribuisce a trasportare queste sostanze verso i tessuti, avvicinandole alle cellule; gli scambi con il liquido interstiziale e attraverso le membrane cellulari completano il processo.
Il rapporto superficie/volume e la pluricellularità. Il rapporto tra superficie e volume aiuta a comprendere alcuni vantaggi dell’organizzazione pluricellulare. Un organismo può aumentare le proprie dimensioni complessive attraverso la moltiplicazione delle cellule, senza che ciascuna debba necessariamente diventare molto grande.
La presenza di numerose cellule consente inoltre di distribuire le funzioni biologiche tra unità specializzate. Negli organismi pluricellulari, cellule differenti possono assumere compiti specifici, mentre i sistemi di trasporto e le strutture tissutali contribuiscono a coordinare le attività dell’insieme.
Occorre tuttavia evitare una conclusione eccessivamente rigida: il rapporto superficie/volume è un vincolo importante, ma non è l’unico fattore che determina le dimensioni di una cellula. Contano anche il metabolismo, la disponibilità di risorse, l’organizzazione interna, la funzione svolta e la storia evolutiva dell’organismo.
Eccezioni e adattamenti cellulari. Esistono cellule di dimensioni considerevoli o dotate di prolungamenti molto lunghi, che mostrano come le relazioni geometriche possano essere affrontate attraverso specifici adattamenti.
Le cellule uovo di numerosi animali sono relativamente grandi perché devono contenere riserve e componenti utili alle prime fasi dello sviluppo. Le loro dimensioni non contraddicono il principio generale del rapporto superficie/volume, ma riflettono una particolare funzione biologica.
I neuroni costituiscono un altro esempio. Alcuni possiedono assoni che possono raggiungere lunghezze notevoli. In questi casi, il trasporto delle sostanze lungo il prolungamento non si affida soltanto alla diffusione: intervengono anche il citoscheletro e proteine motrici che permettono il movimento di materiali lungo percorsi intracellulari organizzati.
Un caso particolare è rappresentato dal batterio Thiomargarita namibiensis, che può raggiungere dimensioni eccezionali rispetto a quelle dei batteri più comuni (il diametro è per lo più di 100-300 µm e arriva a 750 µm in alcuni esemplari; Schulz e coll., 1999). Una caratteristica della sua organizzazione è la presenza di un grande vacuolo centrale, che occupa circa il 98% del volume della cellula, accumula nitrato e riduce il citoplasma a uno strato periferico spesso circa 0,5-2 µm. Questa organizzazione contribuisce a spiegare come un batterio possa raggiungere dimensioni insolite senza avere tutto il proprio volume occupato da citoplasma attivo.
Anche alcune cellule specializzate modificano la propria superficie senza aumentare proporzionalmente il volume. Gli enterociti, cellule dell’epitelio intestinale, presentano microvilli, piccole estroflessioni della membrana plasmatica che ampliano la superficie disponibile per l’assorbimento.
Questi esempi mostrano che le cellule non rispondono tutte allo stesso modo ai vincoli fisici: possono differenziare la propria forma, sviluppare strutture specializzate o organizzare il trasporto interno in funzione delle esigenze biologiche.
Il modello della sfera rimane pertanto una semplificazione utile per comprendere il rapporto superficie/volume, ma non descrive integralmente la complessità delle cellule reali. Il principio generale è che le dimensioni cellulari sono influenzate da relazioni geometriche e fisiche, che interagiscono con il metabolismo, la struttura interna e la funzione della cellula.
§5.) Le cellule procariotiche
I procarioti (dal greco, “prima del nucleo”) comprendono gli organismi appartenenti ai due domini dei Bacteria e degli Archaea. Sono organismi unicellulari, in genere di piccole dimensioni: la maggior parte dei batteri misura tra circa 0,5 e 5 µm; Escherichia coli, il batterio più studiato, ha una lunghezza di circa 2 µm e un diametro di circa 0,5-1 µm. Il tratto che li distingue dagli eucarioti è l’assenza di un nucleo delimitato da membrana e, più in generale, di organuli delimitati da membrana come quelli degli eucarioti (alcuni batteri possiedono compartimenti specializzati, come i tilacoidi dei cianobatteri, che differiscono però per origine e organizzazione dagli organuli eucariotici).
Il materiale genetico si trova in una regione del citoplasma detta nucleoide, non separata dal resto della cellula da una membrana. Nella grande maggioranza dei procarioti il genoma è costituito da un unico cromosoma circolare, a cui possono affiancarsi piccole molecole di DNA circolare dette plasmidi, che spesso portano geni accessori, come quelli di resistenza agli antibiotici. Le dimensioni dei genomi procariotici sono modeste: secondo i dati della letteratura variano da alcune centinaia di migliaia a oltre dieci milioni di paia di basi, con un numero di geni compreso tra poche centinaia e alcune migliaia. Il genoma di E. coli K-12, per esempio, comprende circa 4,6 milioni di paia di basi e circa 4.300 geni codificanti proteine.
Tra i genomi più piccoli di batteri capaci di vita autonoma vi sono quelli di alcuni micoplasmi. Mycoplasma genitalium, la cui sequenza completa fu pubblicata nel 1995 da Fraser e collaboratori, ha un genoma di 580.070 paia di basi con circa 470 regioni codificanti previste. Un lavoro successivo (Hutchison e coll., 2016) ha costruito in laboratorio una cellula con un genoma minimo di circa 531.000 paia di basi e 473 geni, ottenuto per riduzione di un genoma di Mycoplasma: un risultato che rende concreta la domanda su quanti geni siano il minimo indispensabile alla vita cellulare. I micoplasmi, inoltre, sono privi di parete cellulare, il che ne determina la forma variabile.
La struttura di una cellula batterica tipica comprende, procedendo dall’esterno verso l’interno, alcuni strati. In molti batteri è presente una capsula, un rivestimento di natura generalmente polisaccaridica. Segue la parete cellulare, che conferisce forma e resistenza meccanica, e al cui interno si trova uno strato di peptidoglicano, un polimero di zuccheri e peptidi esclusivo dei batteri. La classica colorazione di Gram distingue due grandi categorie in base alla struttura della parete: nei batteri gram-positivi lo strato di peptidoglicano è spesso; nei gram-negativi è sottile e coperto, verso l’esterno, da una membrana esterna contenente lipopolisaccaridi. Sotto la parete si trova la membrana plasmatica. Nel citoplasma sono presenti il nucleoide, i plasmidi, i ribosomi e, talora, granuli di riserva. Dalla superficie possono partire pili (o fimbrie), appendici filamentose coinvolte nell’adesione e nello scambio di DNA, e flagelli, organi di movimento azionati da un motore rotativo.
I ribosomi dei procarioti sono di tipo 70S, costituiti da una subunità 30S e una 50S, e differiscono per dimensioni e composizione da quelli del citoplasma degli eucarioti (80S). Questa differenza ha una grande importanza pratica. Poiché peptidoglicano e ribosomi 70S sono assenti nelle cellule umane, costituiscono bersagli selettivi per molti antibiotici: la letteratura farmacologica ricorda, per esempio, che le penicilline interferiscono con la sintesi del peptidoglicano e che diverse altre classi di antibiotici legano il ribosoma batterico. È il principio della tossicità selettiva: colpire il microrganismo risparmiando, per quanto possibile, le cellule dell’ospite.
La distinzione tra i due domini procariotici ha una storia recente. A partire dalle ricerche di Carl Woese sulle sequenze dell’RNA ribosomiale (Woese e Fox, 1977), i procarioti sono stati suddivisi in due gruppi tanto diversi tra loro quanto lo sono dagli eucarioti; la proposta formale dei tre domini (Bacteria, Archaea, Eucarya) risale al 1990 (Woese, Kandler e Wheelis). Gli Archaea, un tempo chiamati “archeobatteri”, differiscono dai batteri per diversi caratteri: i lipidi di membrana contengono legami eterei e catene isopreniche, la parete non contiene peptidoglicano e i meccanismi di replicazione, trascrizione e traduzione mostrano somiglianze con quelli degli eucarioti. Molti Archaea vivono in ambienti estremi (sorgenti calde, ambienti ipersalini, ambienti anaerobi), ma sono ampiamente diffusi anche in suoli, oceani e nell’intestino di animali; per questo il termine “estremofili” non li definisce. L’espressione “archeobatteri”, ancora presente in alcuni testi, è considerata superata dalla maggior parte delle fonti attuali.
I procarioti mostrano una varietà di forme: sferiche (cocchi, come gli streptococchi), a bastoncello (bacilli, come E. coli), curve a virgola (vibrioni, come Vibrio cholerae) o spiralate (spirochete, come Treponema pallidum). La forma è uno dei caratteri utilizzati per descriverli, ma non è un indicatore di patogenicità: alcune delle specie citate causano malattie (il colera, la sifilide), mentre molti batteri, compresi molti ceppi di E. coli, sono innocui o fanno parte del microbiota. Ai cianobatteri, infine, un tempo chiamati “alghe azzurre”, appartengono batteri capaci di fotosintesi con produzione di ossigeno, il cui ruolo nella storia della Terra e nell’origine dei cloroplasti è ripreso nel §9.
I procarioti si riproducono per scissione binaria e possono scambiarsi geni per trasferimento orizzontale (coniugazione, trasformazione, trasduzione): un processo che, insieme alla pressione selettiva degli antibiotici, contribuisce alla diffusione della resistenza agli antimicrobici, tema di grande rilievo sanitario. Il loro metabolismo è molto vario: comprende organismi che ricavano energia dalla luce, da composti organici o inorganici, in presenza o in assenza di ossigeno. Non sono dunque organismi “semplici” nel senso comune del termine: occupano ogni ambiente del pianeta e, secondo diverse fonti, la loro diversità metabolica supera di gran lunga quella degli eucarioti.
§6.) Le cellule eucariotiche
Gli eucarioti (dal greco, “nucleo vero”) comprendono animali, piante, funghi e protisti. Possono essere unicellulari (come molti protisti e i lieviti) oppure pluricellulari, con cellule differenziate e specializzate. Le dimensioni tipiche delle cellule eucariotiche sono dell’ordine di 10-30 µm, con un’ampia variabilità: i globuli rossi umani misurano circa 7-8 µm, mentre le cellule uovo possono raggiungere dimensioni superiori ai 100 µm. Il volume di una cellula eucariotica tipica è, in media, circa mille volte superiore a quello di un batterio comune.
Il tratto distintivo dell’eucariote è la compartimentazione: lo spazio interno della cellula è suddiviso da membrane in compartimenti in cui si svolgono funzioni diverse. Il genoma nucleare umano, in assetto aploide, comprende circa 3,1 miliardi di paia di basi e circa 20.000 geni codificanti proteine (il valore esatto varia secondo le annotazioni genomiche): un genoma oltre seicento volte più grande di quello di E. coli, ma con un numero di geni solo quattro o cinque volte maggiore. Anche i ribosomi sono diversi, di tipo 80S (subunità 40S e 60S). Quanto al numero di cellule del corpo umano, le fonti sono discordanti e le stime variano con il metodo di calcolo. Una stima del 2013 (Bianconi e coll.) indicava circa 3,7 × 10¹³ cellule, e una revisione del 2016 (Sender, Fuchs e Milo), riferita a un uomo adulto di riferimento di 70 kg, circa 3 × 10¹³ cellule, vale a dire dell’ordine di trentamila miliardi, di cui, secondo le stime del 2016, i globuli rossi costituiscono la grande maggioranza per numero. Cifre più elevate, dell’ordine di centomila miliardi, compaiono in fonti più datate; Bianconi e coll. rilevano che i valori citati in letteratura oscillavano tra 10¹² e 10¹⁶, spesso senza una fonte di riferimento.
Gli organuli principali di una cellula animale sono i seguenti;
Il nucleo è delimitato da un involucro costituito da due membrane, attraversato da pori che regolano il traffico di molecole tra nucleo e citoplasma; contiene la maggior parte del DNA cellulare, organizzato in cromatina, e il nucleolo, sede di sintesi di componenti dei ribosomi. Il reticolo endoplasmatico è una rete di membrane in continuità con l’involucro nucleare: la porzione “rugosa”, rivestita da ribosomi, partecipa alla sintesi delle proteine destinate alla secrezione e alle membrane; quella “liscia” è coinvolta nel metabolismo dei lipidi e, in alcune cellule, nell’immagazzinamento del calcio. L’apparato di Golgi è formato da cisterne impilate e modifica, smista e indirizza le proteine e i lipidi provenienti dal reticolo. I mitocondri sono gli organuli in cui si realizza la maggior parte della produzione di ATP mediante la fosforilazione ossidativa. I lisosomi contengono enzimi idrolitici attivi a pH acido e demoliscono materiali di origine intra ed extracellulare. I perossisomi ospitano reazioni ossidative, tra cui quelle che producono e degradano il perossido di idrogeno. Le vescicole trasportano e secernono materiali tra i compartimenti e verso l’esterno (§17). Al sistema di membrane si affianca il citoscheletro, una rete di filamenti proteici che conferisce forma alla cellula e permette il movimento e il trasporto intracellulare, che esula dal presente lavoro.
Le cellule vegetali presentano, oltre agli organuli già citati, tre caratteri distintivi: una parete cellulare a base di cellulosa, i cloroplasti e un grande vacuolo centrale. La parete e il vacuolo sono rilevanti per il comportamento osmotico (§13); i cloroplasti per l’origine endosimbiotica degli organuli (§9). Le cellule fungine possiedono una parete diversa, a base di chitina; le cellule animali sono prive di parete.
Al differenziamento è legato l’enorme numero di tipi cellulari presenti negli organismi pluricellulari: nell’uomo le classificazioni istologiche classiche ne distinguono circa duecento; il numero dipende dal criterio adottato e le analisi molecolari, come quelle dell’iniziativa Human Cell Atlas avviata nel 2017, indicano che potrebbe essere maggiore, tra cellule nervose, muscolari, epiteliali, ematiche, ghiandolari e così via. Pur condividendo, in linea di principio, lo stesso genoma, queste cellule differiscono per i geni che esprimono e, di conseguenza, per le proteine di cui dispongono, e in particolare per le proteine di membrana: è anche per questo che la teoria cellulare, pur affermando l’unità della vita, non implica l’uniformità delle cellule.
§7.) Procarioti ed eucarioti a confronto
La distinzione tra procarioti ed eucarioti attraversa tutta la biologia cellulare. La tabella mette a confronto i caratteri principali dei due tipi cellulari; i valori numerici sono ordini di grandezza stimata:
| Carattere | Procarioti (Bacteria e Archaea) | Eucarioti |
| Dimensioni tipiche | circa 0,5-5 µm | circa 10-30 µm (ampia variabilità) |
| Organizzazione | unicellulari | unicellulari o pluricellulari, con cellule differenziate |
| DNA | nucleoide senza involucro, in genere un cromosoma circolare | nucleo delimitato da involucro, cromosomi lineari multipli |
| Dimensione del genoma | in genere da circa 0,5 a oltre 10 milioni di paia di basi | da circa dieci milioni a molti miliardi di paia di basi |
| Compartimentazione | assenza di organuli delimitati da membrana | presenza di organuli e sistema di endomembrane |
| Ribosomi | 70S | 80S nel citoplasma; ribosomi di tipo batterico (70S) nei cloroplasti e ribosomi propri, affini a quelli batterici, nei mitocondri |
| Mitocondri e cloroplasti | assenti | mitocondri (o organuli da essi derivati) presenti nella quasi totalità; cloroplasti in piante e alghe |
| Parete cellulare | presente nella maggior parte (peptidoglicano nei batteri) | presente in piante (cellulosa) e funghi (chitina), assente negli animali |
| Divisione | scissione binaria | mitosi e citodivisione |
La tabella mette in evidenza alcuni punti. Il primo è che entrambi i tipi cellulari possiedono una membrana plasmatica e ribosomi: la membrana è un carattere universale delle cellule, e i ribosomi sono le strutture su cui avviene la sintesi proteica. Ciò che distingue i procarioti è l’assenza di un sistema di membrane interne, in particolare di un nucleo delimitato da membrana.
Il secondo punto riguarda le dimensioni. La differenza tra 1-2 µm e 20-30 µm è, in diametro, di circa un ordine di grandezza e, in volume, di circa tre ordini di grandezza: un eucariote tipico ha un volume paragonabile a quello di un migliaio o più di procarioti. Poiché il rapporto superficie/volume diminuisce con la dimensione (§4), una cellula più grande ha un problema di scambi più acuto. Una lettura largamente condivisa, che i manuali presentano come interpretazione e non come fatto direttamente osservabile, è che gli eucarioti abbiano affrontato il problema moltiplicando le membrane interne, che si aggiungono alla membrana plasmatica come ulteriori superfici su cui si svolgono reazioni e trasporti.
Il terzo punto riguarda la relazione evolutiva. I procarioti hanno una storia molto più lunga: per un lungo periodo la vita è stata esclusivamente procariotica (§8). Ciò non significa, tuttavia, che gli eucarioti li abbiano “superati”: i procarioti continuano a essere organismi di enorme successo per diffusione, numero e diversità metabolica. Espressioni come “cellula primitiva”, talvolta usate per i procarioti nel linguaggio corrente, sono da evitare: i procarioti attuali sono il risultato di una storia evolutiva lunga quanto quella degli eucarioti. È più corretto parlare di organizzazione diversa, non di grado di sviluppo.
Il quarto punto, infine, riguarda ciò che i due gruppi condividono. Al di là delle differenze di organizzazione, tutte le cellule usano il DNA come deposito dell’informazione genetica, l’RNA e i ribosomi per la sintesi proteica, un codice genetico sostanzialmente universale e l’ATP come moneta energetica. Questa comunanza di base è tra gli argomenti più forti a favore di un’origine comune della vita cellulare.
§8.) L’origine delle cellule eucariotiche: compartimentazione e introflessioni
Qual è l’origine delle cellule eucariotiche? Il punto di partenza è cronologico: per un lungo periodo della storia della Terra la vita è stata esclusivamente procariotica, e solo in seguito sono comparse le cellule eucariotiche. L’evento è considerato uno dei più importanti della storia della vita, perché la compartimentazione, tratto distintivo di queste cellule, ha reso possibile l’evoluzione di funzioni biochimiche nuove e, in ultima analisi, della pluricellularità complessa.
Sulla datazione occorre prudenza. Le stime dell’età dell’ultimo antenato comune degli eucarioti attuali dipendono dal metodo adottato (reperti fossili, orologi molecolari basati sul confronto delle sequenze) e le fonti sono discordanti; in molte ricostruzioni la comparsa è collocata tra circa 1,5 e 2 miliardi di anni fa, e talora in epoca anche più remota. Ciò che le ricostruzioni condividono è la successione: i procarioti precedono gli eucarioti per un lungo intervallo di tempo.
Le ipotesi esplicative sull’origine della cellula eucariotica ruotano attorno a due processi, che si possono considerare complementari: le introflessioni della membrana plasmatica, che avrebbero dato origine alle membrane interne e al nucleo, e l’endosimbiosi, che avrebbe dato origine a mitocondri e plastidi (§9).
L’ipotesi delle introflessioni parte da una cellula ancestrale priva di membrane interne, con il DNA raccolto in un nucleoide e circondata dalla sola membrana plasmatica. In una prima fase la membrana plasmatica si introflette formando tasche: una caratteristica che si osserva in alcuni procarioti attuali, che possiedono ripiegamenti della membrana. In una seconda fase ulteriori introflessioni, ramificandosi, formano una rete di membrane che dà origine al reticolo endoplasmatico; il reticolo circonda il materiale genetico e forma l’involucro nucleare. Il risultato è una cellula in cui il DNA è racchiuso in un compartimento separato dal citoplasma e in cui è presente un sistema di endomembrane in continuità con l’involucro nucleare, come in effetti si osserva negli eucarioti attuali (il reticolo endoplasmatico è continuo con l’involucro nucleare).
Il vantaggio funzionale della compartimentazione è chiaro. Spazi distinti possono avere composizione, pH ed enzimi diversi e svolgere reazioni anche incompatibili tra loro senza interferire: nei lisosomi, per esempio, enzimi digestivi operano a pH acido, isolati dal resto della cellula che ne verrebbe danneggiata. Le membrane interne offrono inoltre superfici su cui si organizzano complessi enzimatici, come quelli della membrana interna dei mitocondri. È stato anche proposto, tra le ipotesi discusse in letteratura, che la separazione tra nucleo e citoplasma abbia consentito di dissociare nel tempo e nello spazio la trascrizione del DNA e la traduzione dell’RNA, permettendo l’elaborazione dei trascritti prima della sintesi delle proteine: un’ipotesi suggestiva, non una certezza.
Va ribadito che si tratta di ipotesi. Le membrane non fossilizzano e i passaggi intermedi non sono osservabili direttamente: gli schemi in uso nei manuali sono modelli, che ordinano le evidenze (la presenza di introflessioni di membrana nei procarioti, la continuità tra reticolo e involucro nucleare) senza costituire una documentazione passo per passo. Gli studi di genomica comparata hanno inoltre arricchito il quadro. Diverse fonti riferiscono che alcune ricerche, tra cui quelle sugli Asgard archaea (ad esempio Zaremba-Niedzwiedzka e coll., 2017), indicano che la linea evolutiva degli eucarioti sia imparentata con un gruppo di Archaea, e che la formazione della cellula eucariotica abbia coinvolto l’incontro tra un ospite di questo tipo e un batterio. L’ordine dei passaggi (se la complessità delle membrane interne precedesse o seguisse l’acquisizione dei mitocondri) è tuttora oggetto di discussione. Il modello delle introflessioni resta uno schema didattico utile, ma una semplificazione.
Il punto da trattenere è duplice. Da un lato, la complessità della cellula eucariotica non è comparsa all’improvviso: si è costruita attraverso trasformazioni graduali che hanno sfruttato una proprietà già presente nelle cellule, cioè una membrana flessibile, capace di ripiegarsi e di inglobare. Dall’altro, gli schemi che si studiano sono modelli, soggetti a revisione man mano che emergono dati nuovi.
§9.) L’endosimbiosi: mitocondri e cloroplasti
Il termine endosimbiosi deriva dal greco: endo significa “dentro” e simbiosi “vivere insieme”. Si parla di endosimbiosi quando un organismo vive all’interno di un altro, con vantaggi che possono essere reciproci. La teoria endosimbiotica propone che mitocondri e plastidi (tra cui i cloroplasti) siano discendenti di batteri un tempo liberi, inglobati da una cellula ospite e divenuti, nel corso dell’evoluzione, componenti permanenti della cellula.
La teoria ha una storia lunga. Nel 1883 Andreas Schimper osservò che i cloroplasti si dividono in modo simile ai cianobatteri e propose in via dubitativa, in una nota, un’origine simbiotica; nel 1905 Konstantin Mereschkowsky ne sviluppò la formulazione per i plastidi e, negli anni Venti, Ivan Wallin estese l’idea ai mitocondri. Fu però Lynn Margulis (all’epoca Lynn Sagan) a proporne, nel 1967, una versione moderna e argomentata, che a lungo suscitò scetticismo. L’accettazione si deve alle evidenze molecolari emerse nei decenni successivi, che concordano con le previsioni dell’ipotesi: un buon esempio del modo in cui una proposta controversa si afferma quando i dati la sostengono.
Per i cloroplasti, organuli delle cellule vegetali e delle alghe nei quali si svolge la fotosintesi clorofilliana, lo scenario è il seguente. Una cellula eucariotica ancestrale ingloba un cianobatterio fotosintetico. Il batterio inglobato non viene digerito e, nel tempo, cede gran parte del proprio materiale genetico al nucleo ospite, conservando però la capacità di fare la fotosintesi. Ne risulta una cellula eucariotica capace di fotosintesi, nella quale l’organulo derivato dal cianobatterio è detto plastidio (cloroplasto, nelle cellule fotosintetiche). L’evento primario, secondo la ricostruzione prevalente, è unico; in seguito, in alcuni gruppi di alghe, un’ulteriore endosimbiosi ha coinvolto un’alga eucariotica (endosimbiosi secondaria), ma si tratta di sviluppi che esulano dal presente articolo.
Per i mitocondri, le argomentazioni sono analoghe. Un procariote capace di respirazione aerobia (un batterio che usa l’ossigeno) viene inglobato da una cellula ospite, che fino ad allora ricavava energia con altri meccanismi; il batterio, rimasto all’interno, si trasforma in organulo, con grande vantaggio energetico per l’ospite. Il confronto delle sequenze genetiche accosta i mitocondri al gruppo degli alfa-proteobatteri, mentre i cloroplasti sono accostati ai cianobatteri.
Le prove a favore della teoria sono numerose, e se ne riassumono le principali;
- Doppia membrana. Mitocondri e cloroplasti sono circondati da due membrane. Secondo l’interpretazione più diffusa, la membrana interna corrisponde alla membrana plasmatica del batterio inglobato, mentre sull’origine di quella esterna esistono interpretazioni diverse (membrana esterna del batterio oppure membrana della vescicola dell’ospite). La membrana interna dei mitocondri ha inoltre una composizione lipidica che ricorda quella dei batteri, con la presenza di cardiolipina.
- DNA proprio. Mitocondri e cloroplasti contengono un proprio DNA, in forma circolare come quello dei batteri. Il genoma mitocondriale umano è di 16.569 paia di basi e contiene 37 geni (13 codificanti proteine, 22 per RNA di trasferimento, 2 per RNA ribosomiali); secondo diverse fonti i genomi dei cloroplasti hanno dimensioni di norma dell’ordine di 120-160 mila paia di basi.
- Ribosomi propri. Gli organuli possiedono ribosomi distinti da quelli del citoplasma eucariotico e affini a quelli batterici; nei cloroplasti sono di tipo 70S, nei mitocondri dei mammiferi di tipo 55S.
- Divisione. Gli organuli si moltiplicano per scissione all’interno della cellula e non si formano ex novo.
- Sensibilità agli antibiotici. Alcuni antibiotici attivi sui ribosomi batterici interferiscono, a certe condizioni, anche con quelli mitocondriali: una conseguenza pratica dell’affinità evolutiva, richiamata in farmacologia tra i possibili meccanismi di effetti avversi.
Il fatto che il batterio inglobato “ceda” gran parte dei propri geni al nucleo ospite, un processo denominato trasferimento genico endosimbiotico, spiega perché questi organuli non possano più vivere in modo indipendente: i loro genomi hanno conservato solo una piccola parte dei geni ancestrali. Secondo le stime disponibili, la maggior parte delle proteine mitocondriali (oltre un migliaio) è codificata da geni nucleari, sintetizzata nel citoplasma e importata nell’organulo.
La teoria endosimbiotica è sostenuta da un consenso scientifico molto ampio negli aspetti generali, cioè l’origine batterica di mitocondri e plastidi. I dettagli (quale batterio esattamente, in quale momento, con quale ospite, in quale ordine rispetto alla comparsa del nucleo) restano argomento di ricerca; per questo la letteratura usa spesso il condizionale per le ricostruzioni particolareggiate.
Una ricaduta pratica interessa i lettori sanitari e giuristi. Poiché il DNA mitocondriale, nella specie umana, si trasmette di norma per via materna, esso trova applicazione negli studi genealogici e nell’identificazione in ambito forense; mutazioni del DNA mitocondriale o dei geni nucleari che codificano proteine mitocondriali sono inoltre alla base di un gruppo di malattie dette mitocondriali. Per le questioni specifiche, tecniche e giuridiche, relative all’uso probatorio di questi dati si rinvia alla letteratura specializzata.
La teoria dell’endosimbiosi ha anche un valore concettuale: mostra che la cellula eucariotica è, in un certo senso, una comunità. Un ospite e i discendenti di antichi ospiti hanno trovato un equilibrio tale da non poter più essere separati. È un esempio, tra i più riusciti, di come un principio generale della biologia, la cooperazione tra organismi, possa spiegare l’architettura di una singola cellula.
§10.) La membrana citoplasmatica: struttura e funzioni
Ogni cellula è circondata da una membrana che la separa dall’ambiente, creando un compartimento chiuso ma non isolato. L’espressione riassume un paradosso apparente: la cellula ha bisogno di un confine, altrimenti il suo contenuto si mescolerebbe con l’esterno; ma ha bisogno anche di scambi, altrimenti non potrebbe ricevere nutrienti, eliminare scorie e comunicare. La membrana è lo strumento che concilia le due esigenze.
La membrana citoplasmatica (o plasmatica) è costituita da un doppio strato di lipidi, nel quale sono inserite proteine. I lipidi più abbondanti sono i fosfolipidi, molecole anfipatiche: hanno una testa polare, idrofila, affine all’acqua, e due code di acidi grassi, idrofobe. In ambiente acquoso molecole di questo tipo si dispongono spontaneamente in doppio strato, con le code rivolte l’una verso l’altra, al riparo dall’acqua, e le teste rivolte verso l’ambiente acquoso. Poiché l’acqua si trova sia all’interno sia all’esterno della cellula, le teste idrofile guardano verso entrambi gli ambienti, mentre la regione centrale del doppio strato è idrofobica. È questa struttura, e non una speciale macchina, a rendere la membrana una barriera di per sé poco permeabile a ciò che è polare o carico (§11-§12). Lo spessore complessivo del doppio strato è, secondo la maggior parte delle fonti, di circa 5 nm, ben al di sotto del limite del microscopio ottico (§3).
Il modello oggi adottato è quello a mosaico fluido, proposto nel 1972 da Singer e Nicolson: un doppio strato lipidico fluido nel quale le proteine sono immerse o attraversano lo spessore e possono, in generale, muoversi lateralmente. Alla fluidità contribuisce la composizione degli acidi grassi; nelle cellule animali il colesterolo, intercalato tra i fosfolipidi, ne modula la fluidità e la permeabilità. I due foglietti del doppio strato non hanno la stessa composizione (asimmetria): per esempio, i carboidrati legati a lipidi e proteine, che formano il glicocalice, si trovano esclusivamente sulla faccia esterna. Le proteine di membrana sono di due tipi principali: integrali, che attraversano il doppio strato o vi sono saldamente inserite (spesso con segmenti ad α-elica transmembrana), e periferiche, legate alla superficie. In molte membrane le proteine rappresentano circa la metà della massa, ma il rapporto varia secondo il tipo di membrana e di cellula.
Le funzioni della membrana plasmatica possono essere raggruppate in quattro punti;
La prima è consentire alla cellula di mantenere un ambiente interno più o meno costante, condizione detta omeostasi. Il termine indica la capacità di un sistema vivente di mantenere condizioni interne relativamente stabili nonostante le variazioni dell’ambiente esterno. Per la cellula significa mantenere nel citoplasma concentrazioni di ioni, di molecole e un volume adeguati; per l’organismo, come si vedrà nel §13, significa regolare la composizione dei liquidi corporei.
La seconda è agire come barriera selettivamente permeabile: impedire il passaggio di certe sostanze e permettere ad altre di entrare e uscire. Su questa funzione si fonda tutto il capitolo sul trasporto (§11-§17).
La terza è l’adesione alle cellule adiacenti e alla matrice extracellulare, affidata a proteine che sporgono dalla membrana. La formazione e il mantenimento dei tessuti dipendono dalla capacità delle cellule di aderire tra loro e di comunicare.
La quarta è la comunicazione con le cellule vicine e la ricezione di segnali dall’ambiente. Molte proteine di membrana funzionano da recettori: riconoscono molecole segnale (ormoni, neurotrasmettitori, fattori di crescita) e trasmettono l’informazione all’interno della cellula. In ambito sanitario la rilevanza è diretta: diverse fonti di farmacologia riferiscono che una quota rilevante dei farmaci in uso agisce legandosi a recettori o a canali della membrana. La conoscenza della struttura e del funzionamento di queste proteine è perciò alla base di numerosi ambiti della medicina.
§11.) Permeabilità selettiva e gradiente di concentrazione
La permeabilità selettiva è la capacità delle membrane biologiche di regolare il passaggio di sostanze da e verso la cellula o l’organello. Il concetto riguarda tutte le membrane, comprese quelle degli organuli: ogni compartimento regola ciò che entra ed esce, e così controlla la propria composizione interna.
La permeabilità di un doppio strato lipidico privo di proteine consente di classificare le molecole in quattro categorie, in ordine decrescente di facilità di attraversamento.
| Categoria | Esempi | Passaggio attraverso il solo doppio strato |
| Piccole molecole non polari | O₂, CO₂, N₂, ormoni steroidei | facile e rapido |
| Piccole molecole polari prive di carica | H₂O, etanolo, glicerolo | possibile, ma più lento |
| Molecole polari prive di carica più grandi | amminoacidi, glucosio, nucleosidi | molto limitato |
| Ioni | H⁺, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻, Mg²⁺, HCO₃⁻ | praticamente assente |
La classificazione ha un’implicazione importante. Le sostanze più essenziali per la vita della cellula (nutrienti come glucosio e amminoacidi, ioni indispensabili per l’attività elettrica e per l’equilibrio osmotico) sono proprio quelle che il solo doppio strato non lascia passare. La cellula deve dunque disporre di meccanismi specifici per farle entrare e uscire: sono le proteine di membrana, di cui si tratta nei paragrafi seguenti. La barriera lipidica è il presupposto della selettività: poiché non lascia passare ciò che è polare o carico, il passaggio di tali sostanze può essere controllato da proteine dedicate.
Il concetto chiave per classificare i trasporti è il gradiente di concentrazione, cioè la differenza di concentrazione di una sostanza tra i due lati della membrana. Se la sostanza si muove da dove è più concentrata a dove lo è meno, cioè secondo gradiente, il movimento avviene spontaneamente e non richiede energia dall’esterno: si parla di trasporto passivo. Se invece la sostanza deve essere spostata contro gradiente, occorre energia: è il trasporto attivo. Un’analogia aiuta: una palla lasciata su un piano inclinato rotola in basso da sola; per portarla in cima occorre spendere energia.
Per le sostanze con carica elettrica l’analogia va precisata. La direzione spontanea del movimento di uno ione dipende non soltanto dalla differenza di concentrazione, ma anche dalla differenza di potenziale elettrico ai due lati della membrana: si parla di gradiente elettrochimico. L’energia libera necessaria per trasportare un soluto da un lato all’altro della membrana ha quindi due componenti: una legata alla differenza di concentrazione e, per le sostanze cariche, una legata alla differenza di potenziale. Quando la variazione complessiva di energia libera è positiva, il trasporto richiede energia (trasporto attivo); quando è negativa, avviene spontaneamente (trasporto passivo).
Per ogni ione esiste un potenziale di equilibrio, cioè il valore della differenza di potenziale al quale il flusso netto si annulla, calcolabile con l’equazione di Nernst. Con le concentrazioni tipiche del potassio (circa 5 mmol/L all’esterno e 140 mmol/L all’interno) il potenziale di equilibrio del potassio a 37 °C è di circa −89 mV, un valore non lontano dal potenziale di riposo di molte cellule eccitabili (alcune fonti indicano, per esempio, valori dell’ordine di −70 mV nei neuroni), la cui membrana a riposo è particolarmente permeabile al potassio.
La cellula mantiene al proprio interno una composizione molto diversa da quella dell’ambiente. La tabella riporta concentrazioni tipiche, in mmol/L, nelle cellule dei mammiferi; sono valori approssimativi che variano con il tipo cellulare; le fonti riportano valori non sempre coincidenti.
| Ione | Esterno (liquido extracellulare) | Interno (citoplasma) |
| Na⁺ | circa 145 | circa 5-15 |
| K⁺ | circa 5 | circa 140 |
| Ca²⁺ (libero) | circa 1-2 | circa 0,0001 (100 nmol/L) |
| Cl⁻ | circa 110 | circa 5-15 |
Una situazione di questo tipo non è di equilibrio: il gradiente del sodio e quello del potassio sono di segno opposto, e per il calcio libero il rapporto tra concentrazione esterna e interna è di circa 10.000 a 1. Mantenere tali squilibri richiede un lavoro continuo di trasporto attivo, svolto da proteine come la pompa sodio-potassio (§15) e le pompe del calcio.
Lo schema complessivo dei meccanismi di trasporto, che si sviluppa nei paragrafi successivi, si può riassumere così. Il trasporto passivo comprende la diffusione semplice, in cui la molecola attraversa direttamente il doppio strato, e la diffusione facilitata, mediata da proteine canale o da proteine di trasporto. Il trasporto attivo può essere primario, quando utilizza direttamente l’energia dell’ATP, o secondario, quando sfrutta un gradiente creato da un trasporto primario. A parte stanno le macromolecole, che entrano ed escono dalla cellula in vescicole, per endocitosi ed esocitosi.
In conclusione, il binomio permeabilità selettiva-gradiente è lo schema di lettura dell’intero capitolo: la membrana non è un muro, ma un filtro regolabile, in cui ogni sostanza ha la sua via.
§12.) La diffusione semplice
La diffusione semplice è il meccanismo di trasporto più elementare. Attraverso il doppio strato fosfolipidico le molecole piccole, idrofobe e non polari diffondono facilmente e rapidamente; quanto più una molecola è liposolubile, tanto più rapidamente attraversa il doppio strato. Il principio ha una lunga storia. Alla fine dell’Ottocento Ernest Overton osservò che la rapidità con cui sostanze diverse penetrano nelle cellule è in relazione con la loro solubilità nei lipidi: dall’osservazione, nota come regola di Overton, si trasse uno dei primi argomenti a favore della natura lipidica delle membrane cellulari. Se una molecola attraversa facilmente la membrana, ciò dipende dal fatto che si scioglie bene nell’ambiente lipidico che costituisce il cuore del doppio strato.
Per le molecole polari o cariche vale il ragionamento opposto. Amminoacidi, carboidrati e ioni non superano il doppio strato per due ragioni. La prima è che non sono solubili nella regione idrofobica interna. La seconda è che formano molti legami a idrogeno o interazioni elettrostatiche con l’acqua e con gli ioni dell’ambiente acquoso, e dovrebbero liberarsi di tale involucro di idratazione, con un notevole costo energetico, per addentrarsi nella zona oleosa. Il risultato è una barriera estremamente efficace: la permeabilità del doppio strato agli ioni è inferiore di molti ordini di grandezza a quella delle piccole molecole non polari.
La diffusione è il movimento netto di molecole da una regione dove sono più concentrate a una dove lo sono meno, e si deve all’agitazione termica casuale. Non vi è una “spinta” specifica: il flusso netto dipende dal fatto che, dove le molecole sono più numerose, più numerose sono quelle che si spostano verso l’altra regione. Secondo la prima legge di Fick, il flusso netto di una sostanza è proporzionale al gradiente di concentrazione e ha verso dalle concentrazioni maggiori alle minori.
Per una membrana, la facilità con cui una sostanza la attraversa è espressa dal coefficiente di permeabilità, che cresce con la liposolubilità della sostanza (misurata dal suo coefficiente di ripartizione tra lipidi e acqua) e con la sua mobilità nel doppio strato, e diminuisce con lo spessore della barriera. In questo modo la regola di Overton trova una formulazione quantitativa.
Quando le concentrazioni ai due lati si eguagliano, le molecole continuano a muoversi, ma il flusso netto si annulla: si parla di equilibrio dinamico. Il quadro della diffusione semplice è dunque il seguente: la forza operante è il gradiente di concentrazione; non è richiesta energia esterna; non intervengono proteine di membrana; non vi è specificità, nel senso che il passaggio dipende dalle proprietà fisico-chimiche della molecola (dimensioni, polarità, liposolubilità) e non dal riconoscimento da parte di una proteina. Una caratteristica distintiva, che la distingue dai trasporti mediati da proteine, è che il flusso cresce in modo lineare con il gradiente e non mostra saturazione: non esiste, infatti, un numero finito di “siti” che possano essere occupati.
Tra le sostanze che attraversano la membrana per diffusione semplice figurano le piccole molecole non polari: ossigeno, anidride carbonica, azoto e gli ormoni steroidei. Alcune conseguenze biologiche sono di particolare interesse per i lettori sanitari. L’ossigeno e l’anidride carbonica attraversano agevolmente le membrane: è per questa via, oltre che attraverso strati di tessuto sottili, che i gas si scambiano, a livello dei polmoni e dei tessuti, tra l’aria o il sangue e le cellule. Gli ormoni steroidei, derivati dal colesterolo e dunque liposolubili, attraversano la membrana plasmatica e agiscono legandosi a recettori situati all’interno della cellula; si distinguono per questo dagli ormoni idrosolubili, che non passano attraverso il doppio strato e agiscono tramite recettori di superficie.
Lo stesso principio spiega aspetti della farmacologia. La letteratura indica che la liposolubilità di una molecola è tra i fattori che ne influenzano la capacità di attraversare le membrane, dunque di essere assorbita e distribuita nell’organismo. Per gli acidi e le basi deboli, molte delle quali sono farmaci, conta anche lo stato di ionizzazione: la forma non carica attraversa le membrane molto più facilmente di quella ionizzata, e il pH dei diversi compartimenti influisce sulla frazione presente nelle due forme. Sono principi generali che non vanno confusi con affermazioni su singoli medicinali, per le quali occorre far riferimento ai testi di farmacologia e alle informazioni autorizzate di ciascun prodotto.
E l’acqua? L’acqua è una molecola piccola e polare ma priva di carica: nella classificazione del §11 rientra tra le sostanze che attraversano il doppio strato in misura più limitata rispetto ai gas, ma non trascurabile. La permeabilità di un doppio strato lipidico all’acqua è sufficiente a consentire movimenti d’acqua rilevanti in virtù della sua enorme abbondanza e del gradiente osmotico; in molte cellule il passaggio è però molto più rapido grazie a proteine canale specifiche, le acquaporine. Il movimento netto dell’acqua attraverso una membrana, detto osmosi, è trattato nel paragrafo successivo.
Va infine sottolineato il limite della diffusione semplice. Poiché dipende dalla sola struttura della molecola, non può essere regolata dalla cellula: non si può aprire o chiudere, né rendere più selettiva. Per le sostanze che la cellula deve controllare con precisione, come gli ioni o il glucosio, occorrono i meccanismi mediati da proteine, che consentono quella regolazione fine che la diffusione semplice non offre.
§13.) L’osmosi e la tonicità
L’osmosi è il movimento netto di acqua attraverso una membrana selettivamente permeabile, dal compartimento a minore concentrazione di soluti a quello a maggiore concentrazione di soluti. In altre parole, l’acqua si sposta verso il lato in cui i soluti sono più concentrati, e la concentrazione di soluti in un certo ambiente determina la direzione dell’osmosi. Un modo semplice di ricordare la regola è che l’acqua segue i soluti. La membrana lascia passare l’acqua ma non, o poco, i soluti: sono i movimenti dell’acqua a ristabilire l’equilibrio.
La forza che governa l’osmosi è la pressione osmotica, che per soluzioni diluite è proporzionale alla concentrazione molare del soluto, al numero di particelle in cui esso si dissocia (per esempio circa 2 per il cloruro di sodio) e alla temperatura assoluta (relazione di van ‘t Hoff). La pressione osmotica dipende dunque dal numero di particelle disciolte e non dalla loro natura.
Il lessico va chiarito. Una soluzione è detta ipotonica rispetto a un’altra (o a una cellula) quando ha una concentrazione di soluti inferiore; ipertonica quando ne ha una superiore; isotonica quando le concentrazioni sono equivalenti. In senso rigoroso, la tonicità descrive l’effetto di una soluzione sul volume di una cellula e dipende soltanto dai soluti che non attraversano la membrana; l’osmolarità, invece, conta tutte le particelle disciolte. Una soluzione di urea isosmotica rispetto al plasma, per esempio, è ipotonica per i globuli rossi, perché l’urea attraversa la membrana e non sostiene la pressione osmotica.
L’effetto sulle cellule è evidente nell’eritrocita, o globulo rosso. In ambiente ipertonico (soluti concentrati all’esterno) l’eritrocita perde acqua e si raggrinzisce, assumendo un aspetto con piccole sporgenze. In ambiente isotonico la velocità di ingresso e uscita dell’acqua è la stessa e la cellula mantiene forma e volume. In ambiente ipotonico (soluti diluiti all’esterno) assorbe acqua, si gonfia e può scoppiare: il fenomeno è detto emolisi.
La cellula vegetale si comporta diversamente, perché possiede una parete cellulare. In ambiente ipertonico perde acqua, il volume del protoplasto si riduce e la membrana plasmatica si retrae dalla parete: è la plasmolisi. In ambiente ipotonico assorbe acqua e si irrigidisce, ma solitamente mantiene la sua forma, perché la parete resiste alla distensione. L’ingresso d’acqua si arresta quando la pressione interna esercitata contro la parete bilancia la tendenza dell’acqua a entrare: è la pressione di turgore. Nel linguaggio della fisiologia vegetale il bilancio è descritto dal potenziale idrico Ψ, somma di una componente osmotica (Ψs, negativa, dovuta ai soluti) e di una componente di pressione (Ψp, positiva nelle cellule turgide).
La pressione di turgore delle cellule vegetali è comunemente compresa tra circa 0,1 e 1 MPa (secondo Cosgrove, 1997, tra 0,3 e 1 MPa; 1 MPa equivale a circa 10 kgf/cm²) e in alcuni casi è superiore; la rigidità di foglie e fusti erbacei dipende in gran parte da essa, ed è per questo che una pianta priva d’acqua appassisce.
L’acqua attraversa la membrana sia direttamente nel doppio strato sia attraverso proteine canale dette acquaporine, che ne aumentano notevolmente la velocità di passaggio. Secondo diverse fonti, un singolo canale può essere attraversato da circa un miliardo di molecole d’acqua al secondo (l’ordine di grandezza varia secondo l’acquaporina considerata). Per la scoperta di queste proteine Peter Agre ha ricevuto nel 2003 il premio Nobel per la chimica, condiviso con Roderick MacKinnon, premiato per gli studi sui canali ionici. Secondo le classificazioni più diffuse, nei mammiferi sono note tredici acquaporine, con distribuzioni tessutali diverse; nel rene, per esempio, l’acquaporina 2 è regolata dall’ormone antidiuretico e contribuisce alla concentrazione delle urine.
La regolazione della concentrazione di soluti dei fluidi corporei è un processo vitale per tutti gli organismi pluricellulari privi di parete cellulare. Le cellule animali non possono resistere all’ingresso di acqua come le cellule vegetali: se la tonicità del liquido che le circonda varia troppo, esse si raggrinziscono o si gonfiano fino a rompersi. L’organismo deve quindi mantenere entro limiti ristretti la composizione dei liquidi: secondo diverse fonti l’osmolalità del plasma umano è normalmente dell’ordine di 275-295 mOsm/kg, e a tale scopo concorrono la sete, l’ormone antidiuretico e la funzione renale. Si ritrova il concetto di omeostasi del §10, applicato a livello dell’intero organismo.
Questo principio ha conseguenze sanitarie documentate dalla letteratura medica, che non sostituiscono l’informazione clinica. Le soluzioni per la somministrazione endovenosa di liquidi sono scelte tenendo conto della tonicità rispetto al plasma: la cosiddetta soluzione fisiologica, per esempio, è una soluzione di cloruro di sodio allo 0,9% (circa 154 mmol/L di sodio e altrettante di cloruro), con un’osmolarità teorica di circa 308 mOsm/L, vicina a quella dei liquidi corporei. L’infusione di soluzioni fortemente ipotoniche potrebbe, in linea di principio, provocare rigonfiamento e rottura delle cellule del sangue; per questo le preparazioni per uso parenterale sono formulate con attenzione a tale aspetto. Anche le alterazioni della concentrazione di sodio nel sangue (iponatriemia e ipernatriemia) sono clinicamente rilevanti proprio perché modificano la tonicità dei liquidi extracellulari e, con essa, lo scambio d’acqua tra sangue e tessuti, compreso il tessuto nervoso. Per ogni questione clinica si rinvia alle fonti mediche e alle linee guida pertinenti.
§14.) La diffusione facilitata: proteine canale e proteine di trasporto
Le sostanze polari ed elettricamente cariche (amminoacidi, zuccheri, ioni) non diffondono facilmente attraverso il doppio strato, ma possono attraversare la membrana passivamente con l’aiuto di proteine. Si parla di diffusione facilitata. Il termine “facilitata” indica che il passaggio è reso possibile da una proteina; “diffusione” indica che il processo resta passivo: la direzione è determinata dal gradiente di concentrazione (per gli ioni, dal gradiente elettrochimico) e non occorre energia da fonte esterna. Rispetto alla diffusione semplice, la facilitata coinvolge proteine di membrana ed è specifica.
Le proteine coinvolte sono di due tipi;
Le proteine canale formano un poro attraverso la membrana. Il poro è rivestito, all’interno, da amminoacidi polari, che consentono il passaggio di sostanze idrofile, mentre all’esterno la proteina presenta amminoacidi non polari, che ne permettono l’inserimento nel doppio strato a contatto con le code lipidiche. Questa architettura, una superficie esterna idrofobica che racchiude un passaggio interno idrofilo, spiega come una proteina possa inserirsi nel doppio strato e ospitare il passaggio di sostanze polari. Molti canali sono altamente selettivi: i canali del potassio, la cui struttura è stata chiarita da MacKinnon e collaboratori nel 1998 (canale batterico KcsA di Streptomyces lividans), discriminano il potassio dal sodio, pur più piccolo, con una selettività di almeno diecimila a uno secondo Doyle e coll. (1998), grazie a un filtro di selettività che sostituisce con precisione l’acqua di idratazione dello ione. Un canale aperto può essere attraversato da milioni o decine di milioni di ioni al secondo.
La maggior parte dei canali non è sempre aperta: l’apertura del canale è controllata. Si distinguono canali controllati da ligando, che si aprono quando una molecola stimolatrice (il ligando) si lega a un sito di legame sulla proteina, canali controllati da potenziale, che si aprono in risposta a una variazione della differenza di potenziale elettrico ai due lati della membrana, e canali controllati da stimoli meccanici. Gli esempi sono numerosi. Nella trasmissione tra nervi e muscoli interviene un canale controllato da ligando, il recettore nicotinico dell’acetilcolina, che si apre quando si lega il neurotrasmettitore. L’eccitabilità elettrica di neuroni e cellule muscolari, invece, si basa in gran parte su canali del sodio e del potassio controllati da potenziale, come descritto dal classico modello di Hodgkin e Huxley. Poiché questi canali sono bersagli di numerosi farmaci (la farmacologia cita, per esempio, gli anestetici locali, che agiscono su canali del sodio controllati da potenziale), la loro conoscenza ha un’importanza pratica considerevole.
Le proteine di trasporto, dette anche carrier o trasportatori, funzionano in modo diverso: operano in base a un legame specifico con la sostanza trasportata. L’esempio classico è il trasportatore del glucosio. Il ciclo è questo: la proteina espone un sito di legame per il glucosio verso un lato della membrana; il glucosio vi si lega; il legame induce un cambiamento di forma (conformazionale) della proteina; il glucosio viene rilasciato dall’altro lato; la proteina ritorna alla conformazione originale, pronta per legare un’altra molecola. Un canale, per confronto, è un passaggio aperto; un trasportatore è una struttura che lega, cambia forma e rilascia.
Questa differenza si traduce in proprietà misurabili, riassunte nella tabella:
| Proprietà | Proteine canale | Proteine di trasporto (carrier) |
| Meccanismo | poro che si apre e si chiude | legame, cambio di conformazione, rilascio |
| Velocità | molto alta (fino a 10⁷-10⁸ ioni/s) | molto più bassa (circa 10²-10⁴ molecole/s) |
| Specificità | elevata per ioni o per acqua | elevata per una molecola o una classe di molecole |
| Saturazione | in genere non rilevante alle concentrazioni fisiologiche | presente: il flusso raggiunge un massimo |
| Esempi | canali del K⁺ e del Na⁺, acquaporine | trasportatori del glucosio (GLUT) |
Poiché il trasportatore ha un numero finito di molecole e un ciclo di durata finita, il flusso mediato da un carrier mostra una cinetica di saturazione, analoga a quella enzimatica (cinetica di Michaelis-Menten): la velocità di trasporto cresce con la concentrazione della sostanza fino a un valore massimo, raggiunto quando tutti i trasportatori sono occupati; la concentrazione alla quale la velocità è metà del massimo è detta costante di Michaelis (Km).
La cinetica distingue la diffusione facilitata da quella semplice, il cui flusso cresce linearmente con la concentrazione, e consente, ad esempio, la competizione tra sostanze simili per lo stesso trasportatore.
Nell’uomo i trasportatori del glucosio della famiglia GLUT sono numerosi (secondo le classificazioni correnti se ne conoscono quattordici isoforme) e hanno distribuzioni diverse. GLUT1 è presente in molte cellule, tra cui gli eritrociti, e assicura un ingresso costante di glucosio; GLUT4, nel muscolo e nel tessuto adiposo, è regolato dall’insulina, che ne promuove la comparsa sulla membrana plasmatica. L’argomento ha una forte ricaduta sanitaria, perché il controllo della glicemia dipende anche da questi meccanismi; per i dettagli si rinvia ai testi di fisiologia.
Un aspetto merita attenzione. Poiché la diffusione facilitata è passiva, il trasporto avviene nella direzione del gradiente e può andare in entrambi i versi. Perché il glucosio entri in modo continuo, occorre che la sua concentrazione intracellulare resti bassa: ciò avviene perché, appena entrato, il glucosio viene fosforilato e utilizzato nelle vie metaboliche, o immagazzinato. Il consumo intracellulare mantiene dunque un gradiente favorevole all’ingresso. La distinzione tra diffusione semplice e facilitata è, in sintesi, che nella prima il passaggio è determinato dalle proprietà della molecola e non è regolabile, mentre nella seconda esiste una proteina che riconosce e accoglie la sostanza e la cellula può regolare il passaggio, per esempio variando il numero o l’apertura delle proteine. In entrambe, però, la direzione è quella del gradiente: per spostare una sostanza nella direzione opposta serve il trasporto attivo.
§15.) Il trasporto attivo primario: la pompa sodio-potassio
Il trasporto attivo è il movimento di una sostanza contro il suo gradiente di concentrazione (per gli ioni, elettrochimico), che richiede energia da una fonte esterna. Se nel trasporto passivo la sostanza “scende” lungo il gradiente, nel trasporto attivo viene fatta “risalire”: dalla regione dove è meno concentrata a quella dove lo è di più. Una simile operazione non è spontanea (variazione di energia libera positiva, come visto nel §11) e la cellula la rende possibile accoppiandola a una reazione che libera energia, come l’idrolisi dell’ATP.
I trasportatori possono essere classificati in base al numero e alla direzione delle sostanze trasportate. L’uniporto trasferisce una sola sostanza in un’unica direzione. Il simporto (o cotrasporto) trasferisce due sostanze diverse nella stessa direzione. L’antiporto (o scambiatore) trasferisce due sostanze diverse in direzioni opposte. Il funzionamento della pompa sodio-potassio, per esempio, ricorda un antiporto; il trasportatore sodio-glucosio dell’intestino, che si descrive nel §16, è un simporto; la pompa del calcio che accumula questo ione nel reticolo endoplasmatico è un esempio di trasporto attivo primario, di norma descritto come uniporto (anche se, nel caso della SERCA, al trasporto del calcio si accompagna il movimento di protoni in direzione opposta).
Una seconda classificazione, più rilevante per l’energetica, riguarda la fonte di energia. Il trasporto attivo primario utilizza direttamente l’energia ricavata dall’idrolisi dell’ATP (o, in altri casi, dalla luce o da reazioni di ossidoriduzione). Il trasporto attivo secondario, trattato nel §16, utilizza invece l’energia di un gradiente ionico, a sua volta creato da un trasporto primario.
L’esempio centrale è la pompa sodio-potassio (Na⁺/K⁺-ATPasi). Per ogni ciclo, la pompa espelle tre ioni Na⁺ dalla cellula e fa entrare due ioni K⁺, a spese di una molecola di ATP idrolizzata. Il ciclo può essere descritto in quattro passaggi principali.
| Passaggio | Che cosa avviene |
| 1 | Tre ioni Na⁺ del citoplasma e una molecola di ATP si legano alla proteina |
| 2 | L’idrolisi dell’ATP trasferisce un gruppo fosfato alla pompa (fosforilazione, su un residuo di aspartato) e ne modifica la conformazione |
| 3 | Il cambiamento conformazionale espone i siti verso l’esterno: il Na⁺ viene rilasciato fuori dalla cellula e due ioni K⁺ possono legarsi alla pompa |
| 4 | Il rilascio del fosfato inorganico (Pᵢ) riporta la pompa alla conformazione originale: il K⁺ viene rilasciato nel citoplasma e i siti per il Na⁺ sono di nuovo esposti; il ciclo si ripete |
Il meccanismo si regge sull’alternanza tra due conformazioni, in una delle quali i siti di legame per il sodio sono rivolti verso l’interno, mentre nell’altra i siti per il potassio sono rivolti verso l’esterno. Il passaggio da una all’altra, guidato dalla fosforilazione e dalla successiva defosforilazione, consente di spostare gli ioni nella direzione voluta. La parola “pompa” è la metafora di questa funzione: un dispositivo che, a spese di energia, sposta una sostanza in direzione contraria a quella spontanea. L’enzima appartiene a una famiglia più ampia di ATPasi dette di tipo P, che comprende anche pompe del calcio e dei protoni.
Poiché escono tre cariche positive e ne entrano due, il funzionamento della pompa è elettrogenico: contribuisce, in misura modesta, alla differenza di potenziale elettrico ai due lati della membrana. L’effetto principale, tuttavia, è chimico: la pompa mantiene il gradiente del sodio e quello del potassio descritti nel §11 (sodio alto fuori e basso dentro, potassio alto dentro e basso fuori). La scoperta dell’enzima, nel 1957, si deve al danese Jens Christian Skou, che per questo ricevette il premio Nobel per la chimica nel 1997 (condiviso con Paul Boyer e John Walker, premiati per studi sull’ATP sintasi).
Perché la pompa è tanto importante? La letteratura indica quattro ragioni principali;
La prima è il controllo del volume cellulare: poiché la cellula contiene molte macromolecole cariche incapaci di uscire, le forze osmotiche (§13) tenderebbero a far entrare acqua; l’espulsione continua di sodio contrasta questa tendenza.
La seconda è l’eccitabilità elettrica: i gradienti ionici mantenuti dalla pompa sono la base dei potenziali di membrana e dei segnali di neuroni e cellule muscolari.
La terza è che il gradiente del sodio fornisce l’energia per numerosi trasporti secondari (§16).
La quarta è l’entità del costo: secondo i manuali, nelle cellule animali la pompa assorbe una quota consistente dell’ATP prodotto, con valori che variano ampiamente secondo il tipo cellulare e il metodo di misura: circa il 20% per gli astrociti in coltura in condizioni non stimolate (Silver ed Erecińska, 1997) e oltre l’80% del turnover di ATP per i neuroni secondo alcuni studi sul metabolismo neuronale, a testimonianza del suo ruolo essenziale.
La pompa sodio-potassio non è l’unico trasporto attivo primario di interesse. Le pompe del calcio mantengono la concentrazione citoplasmatica di calcio libero attorno a 100 nmol/L, circa diecimila volte inferiore a quella extracellulare: una pompa del reticolo sarcoplasmatico ed endoplasmatico (SERCA) accumula il calcio nei depositi intracellulari, un’altra, della membrana plasmatica, lo espelle. Poiché il calcio è un segnale intracellulare, la sua bassa concentrazione a riposo permette variazioni rapide e ben definite: nel muscolo, per esempio, l’allontanamento del calcio dal citoplasma corrisponde al rilasciamento. La pompa protonica gastrica (H⁺/K⁺-ATPasi) è responsabile dell’acidificazione dello stomaco; secondo diverse fonti i farmaci inibitori di questa pompa sono tra i più usati in gastroenterologia. I trasportatori ABC utilizzano l’ATP per esportare sostanze diverse, tra cui alcuni farmaci, di cui riducono la concentrazione intracellulare, un fenomeno che rileva in farmacologia e oncologia.
Una ricaduta clinica della pompa sodio-potassio riguarda i glicosidi cardioattivi, sostanze di origine vegetale che ne inibiscono l’attività. Secondo la letteratura farmacologica, l’inibizione porta a un aumento del sodio intracellulare, che attraverso uno scambiatore sodio-calcio provoca un aumento del calcio intracellulare e, nel muscolo cardiaco, una maggiore forza di contrazione. Si tratta di un meccanismo d’azione generale; l’impiego terapeutico, che richiede cautela per l’ampiezza ridotta dell’intervallo terapeutico, rientra nella competenza medica.
§16.) Il trasporto attivo secondario: l’assorbimento intestinale del glucosio
La pompa sodio-potassio consuma ATP e produce un gradiente. Il trasporto attivo secondario consuma quel gradiente: l’energia deriva dal gradiente di concentrazione ionica accumulato da un trasporto attivo primario. L’espressione “secondario” non indica che il processo sia meno importante, ma che l’energia non proviene direttamente dall’ATP: proviene dal gradiente, che è a sua volta energia immagazzinata.
La logica si può descrivere con due proteine affiancate. La prima è la pompa Na⁺/K⁺, che nel trasporto attivo primario spinge il sodio fuori dalla cellula, accumulando un gradiente di concentrazione del sodio. La seconda è un trasportatore che sfrutta tale gradiente: il sodio, rientrando nella cellula secondo il proprio gradiente, fornisce la forza propulsiva per il trasporto di un’altra sostanza, come il glucosio, contro il suo gradiente di concentrazione. Nel caso del glucosio si tratta di un simporto: il sodio e il glucosio entrano insieme.
Un’immagine aiuta. L’acqua che scende lungo una cascata può azionare una ruota: scendendo secondo gradiente, compie un lavoro. Allo stesso modo, il sodio che rientra “trascina” con sé il glucosio, anche quando questo è già più concentrato dentro la cellula. L’energia per la risalita del glucosio è fornita dal “salto” del sodio. Perché il sodio possa continuare a rientrare, il suo gradiente deve essere mantenuto, e questo è il compito della pompa sodio-potassio, che lo ripristina a spese dell’ATP. I due meccanismi sono quindi collegati: il secondario dipende dal primario. Il principio del cotrasporto accoppiato a un gradiente ionico fu proposto da Robert Crane, che lo presentò a Praga nell’agosto 1960 (atti pubblicati nel 1961) per spiegare l’assorbimento intestinale del glucosio.
Il trasporto attivo secondario può avvenire sia per simporto sia per antiporto: nel primo caso la sostanza trasportata e lo ione “motore” si muovono nella stessa direzione; nel secondo, in direzioni opposte. Un esempio del secondo tipo è lo scambiatore sodio-calcio delle cellule eccitabili, che sfrutta l’ingresso di sodio per espellere calcio. Un altro è lo scambiatore sodio-protoni, che sfrutta l’ingresso di sodio per espellere protoni e contribuisce a regolare il pH intracellulare.
L’esempio paradigmatico è l’assorbimento intestinale del glucosio. Le cellule dell’epitelio intestinale sono cellule polarizzate: i loro lati hanno membrane con proteine diverse. Il dominio apicale della membrana, rivolto al lume intestinale, forma numerosi microvilli, che aumentano la superficie di assorbimento (§4). Il dominio laterale è in contatto con le cellule adiacenti; il dominio basale affaccia sul fluido extracellulare e, di qui, sui capillari. Le giunzioni strette tra le cellule separano il dominio apicale da quello laterale e basale, mantengono distinti i due versanti e limitano il passaggio di sostanze tra una cellula e l’altra.
Il percorso del glucosio si può ricostruire così. Sul dominio apicale agisce un simporto Na⁺-glucosio (SGLT1), che nell’intestino tenue trasporta due ioni sodio per ogni molecola di glucosio: il sodio, molto più concentrato nel lume che nella cellula, rientra secondo gradiente e porta con sé il glucosio, che viene così assorbito anche contro gradiente. All’interno della cellula il glucosio raggiunge concentrazioni elevate. Sul dominio basale agisce un trasportatore passivo del glucosio (GLUT2): essendo ora il glucosio più concentrato nella cellula che nel fluido extracellulare, esce per diffusione facilitata e viene rilasciato passivamente affinché possa raggiungere il sangue e gli altri tessuti. Sempre sul dominio basale si trova la pompa Na⁺/K⁺, che espelle il sodio entrato e mantiene bassa la concentrazione intracellulare di sodio, e quindi il gradiente che alimenta il simporto apicale.
La sequenza mostra come la cellula intestinale combini tre meccanismi: un trasporto attivo secondario (simporto apicale), una diffusione facilitata (uniporto basale) e un trasporto attivo primario (pompa basale). Nessuno dei tre basterebbe da solo; insieme realizzano il trasferimento netto del glucosio dal lume al sangue. Un meccanismo analogo, basato su simporti con il sodio, interviene nell’assorbimento di molti amminoacidi: come visto nel §11, anche gli amminoacidi sono molecole polari che il solo doppio strato non lascia passare.
Il principio ha applicazioni di grande rilievo sanitario, documentate dalla letteratura medica e dagli organismi internazionali. Le soluzioni per la reidratazione orale contengono glucosio e sodio insieme: il loro impiego si fonda sul fatto che l’assorbimento intestinale del sodio, e con esso dell’acqua, è facilitato dalla presenza di glucosio attraverso il simporto. Secondo le fonti ufficiali, la formulazione a osmolarità ridotta raccomandata da OMS e UNICEF con la comunicazione del 2002 contiene, per esempio, sodio 75 mmol/L e glucosio 75 mmol/L, per un’osmolarità totale di 245 mOsm/L. Una famiglia di farmaci usati nel diabete di tipo 2 agisce invece inibendo un altro cotrasportatore sodio-glucosio (SGLT2) nel tubulo renale, dove, secondo diverse fonti, esso riassorbe la quota prevalente del glucosio filtrato. Si tratta di nozioni generali; per le indicazioni d’uso e le composizioni occorre far riferimento alle fonti sanitarie ufficiali.
Per riassumere, i meccanismi di trasporto di molecole piccole possono essere confrontati secondo quattro criteri;
| Meccanismo | Energia esterna | Forza operante | Proteine di membrana | Specificità |
| Diffusione semplice | no | gradiente di concentrazione | no | no |
| Diffusione facilitata | no | gradiente di concentrazione (elettrochimico per gli ioni) | sì | sì |
| Trasporto attivo primario | sì | idrolisi dell’ATP | sì | sì |
| Trasporto attivo secondario | indiretta | gradiente ionico creato da un trasporto primario | sì | sì |
§17.) Il trasporto di macromolecole: endocitosi ed esocitosi
Tutto ciò che si è visto riguarda molecole piccole o medie: ioni, gas, zuccheri, amminoacidi. Le macromolecole sono un caso a parte. Proteine, polisaccaridi e acidi nucleici sono troppo voluminosi, carichi o polari per attraversare le membrane biologiche. Eppure le cellule devono introdurne e secernerne in quantità. La soluzione è radicalmente diversa: non il passaggio attraverso la membrana, ma il trasporto in vescicole che si formano a partire dalla membrana o si fondono con essa.
L’endocitosi è l’introflessione della membrana plasmatica con formazione di vescicole che racchiudono macromolecole extracellulari e piccole cellule. La membrana avvolge una porzione di ambiente esterno, si introflette e gemma all’interno sotto forma di vescicola; la vescicola si stacca e si trova nel citoplasma.
Si distinguono tre varianti principali. La fagocitosi è l’inglobamento di particelle di grandi dimensioni (in genere superiori a circa 0,5 µm, secondo diverse fonti; il limite non è rigido) o di intere cellule. La pinocitosi è l’internalizzazione di liquidi e dei soluti in essi disciolti, in vescicole di piccole dimensioni; un esempio è l’attività dell’endotelio dei capillari, che incamera fluidi e soluti dal sangue per poi trasportarli e rilasciarli sul versante opposto, verso i tessuti. L’endocitosi mediata da recettori è la captazione selettiva di specifiche macromolecole riconosciute da recettori della membrana.
L’endocitosi mediata da recettori procede per tappe ben caratterizzate. Una sostanza specifica si lega a proteine recettore situate sulla superficie della cellula. I recettori si raggruppano in una regione della membrana che, sul versante citoplasmatico, si riveste di una proteina, la clatrina, formando una fossetta rivestita. La fossetta si approfondisce e si chiude, e una proteina chiamata dinamina contribuisce a staccare la vescicola dalla membrana. Il contenuto inglobato si trova ora all’interno di una vescicola rivestita di clatrina, che perde il rivestimento e si fonde con compartimenti interni, gli endosomi. Il vantaggio del sistema è la selettività: la cellula non introduce tutto ciò che si trova nell’ambiente, ma solo ciò che i suoi recettori riconoscono.
L’esempio più noto è la captazione delle lipoproteine a bassa densità (LDL), particelle che trasportano colesterolo nel sangue. Le LDL si legano a un recettore specifico, vengono internalizzate in vescicole rivestite e, nell’ambiente acido degli endosomi, si staccano dal recettore, che ritorna in gran parte alla membrana, mentre le particelle raggiungono i lisosomi, dove rilasciano colesterolo. Il meccanismo fu chiarito da Michael Brown e Joseph Goldstein, che per questo ricevettero il premio Nobel per la medicina nel 1985. La letteratura medica collega alcune forme ereditarie di ipercolesterolemia ad alterazioni del recettore delle LDL: è un caso esemplare di come la comprensione di un meccanismo cellulare di base abbia spiegato una condizione clinica e orientato l’approccio terapeutico.
La fagocitosi, dal canto suo, ha un ruolo importante nelle difese dell’organismo: alcune cellule del sistema immunitario, come i macrofagi e i neutrofili, inglobano batteri e detriti cellulari con questo meccanismo. Lo stesso principio, l’introflessione della membrana, è usato per funzioni molto diverse, dalla nutrizione di molte cellule unicellulari alla difesa dell’organismo.
Il processo inverso è l’esocitosi: il materiale contenuto in vescicole intracellulari viene riversato nello spazio extracellulare per fusione della vescicola con la membrana plasmatica; la membrana della vescicola diventa parte della membrana plasmatica. Esempi sono la secrezione degli enzimi digestivi da parte del pancreas e il rilascio dei neurotrasmettitori alle sinapsi. Si distinguono la secrezione costitutiva, continua, e quella regolata, innescata da uno stimolo, tipicamente un aumento della concentrazione citoplasmatica di calcio. La fusione tra le membrane è mediata da proteine dette SNARE; per la scoperta dei meccanismi che regolano il traffico delle vescicole James Rothman, Randy Schekman e Thomas Südhof hanno ricevuto nel 2013 il premio Nobel per la fisiologia o la medicina. Un esempio di rilievo sanitario è quello della tossina botulinica, che, secondo la letteratura, agisce tagliando proteine SNARE e impedendo il rilascio di acetilcolina dalle terminazioni nervose.
Endocitosi ed esocitosi si compensano. Con l’endocitosi la membrana plasmatica viene sottratta per formare vescicole; con l’esocitosi viene restituita. In una cellula attiva i due processi si bilanciano, in modo che l’estensione complessiva della membrana plasmatica resti sostanzialmente costante: la membrana è in continuo ricambio.
Endocitosi ed esocitosi mostrano, infine, un aspetto che attraversa l’intera biologia cellulare: le membrane sono un sistema dinamico. Non sono involucri statici: si ripiegano, si staccano, si fondono e trasportano carichi. Il tema collega questo paragrafo a quello sull’origine delle cellule eucariotiche (§8), dove la capacità della membrana di ripiegarsi e di inglobare compare come la proprietà che avrebbe consentito la compartimentazione e, in alcune ricostruzioni, l’endosimbiosi.
§18.) Le altre funzioni delle membrane biologiche
Oltre al trasporto, le membrane biologiche svolgono funzioni che ne fanno il centro dell’organizzazione della cellula: compartimentalizzano le sostanze, sostengono funzioni specializzate proprie del tipo cellulare, partecipano alla trasformazione dell’energia ed elaborano informazioni.
La compartimentalizzazione è la funzione che ha reso possibile la complessità della cellula eucariotica (§6, §8). Le membrane degli organuli delimitano spazi in cui la composizione chimica può essere diversa da quella del citoplasma: un compartimento può essere acido, un altro ricco di enzimi digestivi, un altro specializzato nella sintesi di certe proteine. Nel reticolo endoplasmatico rugoso, per esempio, le proteine sintetizzate dai ribosomi vengono immesse in uno spazio separato dal resto della cellula. La permeabilità selettiva (§11) vale per ogni membrana: ciascun compartimento regola ciò che entra ed esce.
Le funzioni specializzate dipendono dal tipo di cellula e quindi dal differenziamento. L’eccitabilità elettrica di neuroni e cellule muscolari è un esempio: la capacità di generare e propagare segnali elettrici si fonda sulla disposizione e sul funzionamento di proteine di membrana, tra cui i canali controllati da potenziale (§14) e la pompa sodio-potassio (§15), che crea i gradienti ionici da cui i segnali traggono origine. La stessa membrana, con proteine diverse, può svolgere compiti molto diversi: ciò che distingue una cellula nervosa da una cellula epiteliale intestinale è, in buona parte, l’insieme delle proteine presenti nelle sue membrane.
Il ruolo nella trasformazione dell’energia è esemplificato dai mitocondri e dai cloroplasti. Nei mitocondri la produzione di ATP si realizza grazie a complessi proteici inseriti nella membrana interna, che trasferiscono elettroni e, nel farlo, pompano protoni dalla matrice allo spazio tra le due membrane, creando un gradiente elettrochimico. L’energia di tale gradiente viene utilizzata da un enzima di membrana, l’ATP sintasi, per formare ATP. Il principio, formulato da Peter Mitchell nel 1961 con il nome di teoria chemiosmotica e valso a lui il premio Nobel per la chimica nel 1978, è affine a quello del trasporto attivo secondario: un gradiente attraverso la membrana è una forma di energia immagazzinata. Con la differenza che qui il gradiente è usato per produrre ATP anziché per trasportare una sostanza, e che per essere mantenuto richiede una membrana poco permeabile ai protoni. Nei cloroplasti un processo analogo avviene nelle membrane dei tilacoidi.
L’elaborazione di informazioni collega la membrana alla comunicazione tra cellule, al controllo della crescita e allo sviluppo. I recettori di membrana riconoscono segnali esterni e li trasferiscono all’interno, spesso attraverso molecole intermedie dette secondi messaggeri (come l’AMP ciclico e lo ione calcio). Proteine di adesione, come le caderine e le integrine, legano le cellule tra loro e alla matrice extracellulare e partecipano all’organizzazione dei tessuti; le giunzioni comunicanti permettono il passaggio diretto di piccole molecole e di ioni tra cellule adiacenti. Gli aspetti dettagliati dei meccanismi di comunicazione intra- e intercellulare esulano dal presente lavoro.
Vista nel suo insieme, la lista delle funzioni mostra che la membrana è molto più di un confine. È una struttura che separa, trasporta, riceve, specializza, converte e comunica. E poiché ogni funzione dipende da lipidi e proteine che la cellula sintetizza e regola, la membrana è anche il luogo in cui la cellula manifesta la propria identità: due cellule dello stesso organismo, con lo stesso DNA, possono differire in modo marcato proprio per l’equipaggiamento delle loro membrane.
Questa lettura riporta al tema generale dell’articolo, la teoria cellulare. Se la cellula è l’unità funzionale della vita, è la membrana, con i suoi sistemi di trasporto, di ricezione e di adesione, a rendere possibile quel coordinamento di cellule diverse che distingue un organismo pluricellulare da un semplice agglomerato.
§19.) Considerazioni conclusive per il lettore
Il percorso compiuto si può riassumere in alcune idee, riproposte qui in forma sintetica senza aggiungere elementi nuovi;
La prima è che la cellula è l’unità della vita in tre sensi: strutturale, funzionale e di continuità. Il corollario è che un organismo pluricellulare funziona grazie al coordinamento delle sue cellule, non per la loro semplice somma.
La seconda è che le dimensioni contano. Le cellule sono piccole perché la geometria e la fisica della diffusione impongono un limite: al crescere delle dimensioni il volume cresce più della superficie e gli scambi con l’ambiente diventano insufficienti. Per questo gli organismi grandi sono fatti di molte cellule piccole e non di poche cellule enormi.
La terza è che esistono due grandi architetture cellulari, la procariotica e l’eucariotica, distinte soprattutto dalla presenza o dall’assenza di compartimenti interni delimitati da membrane. La seconda deriva, secondo le ipotesi più accreditate, da processi che hanno coinvolto introflessioni di membrana ed endosimbiosi, e per questo mitocondri e cloroplasti conservano tracce della loro origine batterica.
La quarta è che la membrana plasmatica è il centro della vita di relazione della cellula. Costituita da un doppio strato fosfolipidico con proteine inserite, separa l’interno dall’esterno ma permette scambi selettivi: diffusione semplice per le piccole molecole non polari, osmosi per l’acqua, diffusione facilitata attraverso canali e trasportatori per le sostanze polari e cariche, trasporto attivo primario e secondario per spostare sostanze contro gradiente, endocitosi ed esocitosi per le macromolecole.
La quinta è che questi meccanismi non sono nozioni astratte, ma la base di processi concreti che interessano la salute: la tonicità dei liquidi corporei, l’assorbimento intestinale dei nutrienti, l’attività elettrica di nervi e muscoli, la captazione del colesterolo. Quando si richiamano esempi sanitari o farmacologici occorre ricordare che si tratta di nozioni generali di contesto, che non sostituiscono né l’informazione clinica specifica né il giudizio del professionista.
Alcune considerazioni valgono per i diversi tipi di lettore. Per il lettore sanitario, il valore sta nel vocabolario fisiologico di base: tonicità, gradiente, trasporto attivo e passivo, recettori. Per il lettore giurista, sta nella precisione del lessico e nella consapevolezza epistemica: in biologia convivono, e devono essere tenuti distinti, il consenso consolidato (la teoria cellulare), le ipotesi sostenute da prove ma non dimostrate passo dopo passo (l’origine degli organuli) e le stime numeriche, che variano con il metodo (il numero di cellule del corpo umano, l’età della comparsa degli eucarioti). Quando un’affermazione scientifica deve essere citata, valutata o contestata, questa distinzione non è un dettaglio. Per l’imprenditore, soprattutto nel campo biomedicale e dell’intelligenza artificiale applicata ai dati sanitari, sta nell’avere un’immagine esatta di ciò che i dati biologici descrivono, cellule, membrane, gradienti, trasporti, e nel ricordare che ogni modello, anche computazionale, è una semplificazione di sistemi la cui complessità è stata solo in parte svelata. Per il lettore privato, infine, l’argomento mostra come principi semplici possano spiegare fenomeni familiari, come l’effetto dell’acqua dolce o salata sulle cellule o il motivo per cui una soluzione fisiologica ha una determinata composizione.
§20.) Riferimenti bibliografici e note metodologiche
Testi di riferimento. Alberts B. e coll., Biologia molecolare della cellula, Zanichelli (edizione originale: Molecular Biology of the Cell); Sadava D. e coll., Biologia, Zanichelli; Solomon E.P., Berg L.R., Martin D.W., Biologia, EdiSES.
Pubblicazioni richiamate nel testo. Le indicazioni sono riportate secondo le conoscenze correnti e vanno verificate sulla fonte originale prima di una citazione formale.
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