ENCICLOPEDIA TASCABILE "IL SAPERE" EDITA DALLA NEWTON COMPTON
LA CELLULA VIVENTE
di Henri Firket
traduzione di Giovanni Scattone

VERSIONE ELETTRONICA - PER I NON VEDENTI - CURATA DA EZIO GALIANO
REVISIONE DI AMEDEO MARCHINI

I) La cellula, essere vivente completo. Procarioti ed eucarioti
Gli esseri viventi presentano una serie di propriet che non si trovano
mai tutte insieme nel mondo inanimato: si muovono (anche se talvolta
solo a livello microscopico o molecolare), scambiano sostanze
con l'ambiente esterno, possono essere stimolati a reagire in modo
complesso a influssi esterni, sintetizzano molecole di grandi dimensioni,
e soprattutto crescono e si riproducono. Fra gli esseri viventi che
presentano tutte queste propriet i pi semplici sono le cellule: si tratta
di strutture integrate le cui parti sono tutte necessarie perch l'insieme
funzioni armonicamente.
Le enormi molecole chimiche costruite con precisione dalle cellule
non hanno oggi nessuna possibilit di apparire spontaneamente e,
abbandonate a se stesse nell'ambiente, si degradano con grande rapidit.
 molto probabile che fin quasi dalle origini della vita (3,5 miliardi di
anni fa) queste sintesi abbiano cominciato a svolgersi in piccoli spazi
isolati dal mondo esterno mediante una membrana, che  al tempo
stesso una barriera e un luogo di transito. Attualmente le cellule pi
semplici sono costituite da questi spazi delimitati, contenenti sia
l'attrezzatura necessaria per produrre le molecole che formano le strutture
e svolgono le varie funzioni, sia l'informazione caratteristica per tale
produzione e i meccanismi che forniscono l'energia necessaria per
queste attivit. Ci basta perch si manifestino le propriet della vita:
scambi con l'ambiente, sintesi e crescita, moltiplicazione, movimenti (Esclusi
i virus, pi piccoli, che non sintetizzano n scambiano nulla e che possono
essere moltiplicati solo grazie all'attivit di cellule vere e proprie).
I procarioti o batteri non hanno una struttura interna: i loro costituenti
sono mescolati e l'agitazione molecolare li miscela incessantemente in
un insieme omogeneo. Vedremo per quale motivo le loro dimensioni
non superano qualche micron cubo e perch non possono presentare
grande diversit di forma: tuttavia funzionano benissimo e sono
presenti dappertutto. Per circa due miliardi di anni, e cio
pi di met del tempo trascorso dalle origini della vita, non sono esistite
altre cellule.
La loro scissione in due parti identiche, fra le quali si suddividono
egualmente informazioni e meccanismi gi duplicati in precedenza,
assicura la perennit di queste strutture; tale proliferazione  il carattere
pi importante della vita. Una simile organizzazione permette una
certa diversificazione grazie alle modifiche ereditarie - rare e
accidentali - dell'informazione; ma tutte le cellule della stessa specie
sono simili e funzionano allo stesso modo, non possono distribuirsi fra
loro attivit differenti n costruire organismi, ossia sistemi di maggiori
dimensioni le cui parti operino l'una al servizio dell'altra in modo
coordinato.
Ci potr accadere solo a partire dalle cellule degli eucarioti, apparse
circa 1,5 miliardi di anni fa. Confrontando la loro struttura con
quella dei procarioti si  potuto dire che fra le due vi  la stessa
differenza che passa fra l'architettura di una cattedrale e quella di una
capanna. Il loro volume  diviso in almeno sei o sette compartimenti, il
che permette una diversificazione della composizione e delle funzioni
in zone separate. La geografia intracellulare condiziona la distribuzione
delle attivit: poich l'insieme diventa da 10 a 100.000 volte pi
voluminoso, si render necessaria una qualche ossatura interna; crescer
ugualmente la quantit d'informazione, la cui riproduzione e
distribuzione richieder meccanismi complessi (mitosi). La riproduzione
sessuata (meiosi e fecondazione) faciliter l'adattamento ai mutamenti
ambientali. Tutte queste innovazioni erano forse gi presenti un
miliardo di anni fa negli eucarioti unicellulari; cento o duecento milioni
di anni pi tardi nacquero i primi organismi. La maggior parte delle
specie di eucarioti - animali e vegetali pluricellulari - si sono
diversificate nel corso degli ultimi sette-ottocento milioni di anni.
Le molecole chimiche di base sono simili in tutte le cellule, dai batteri
intestinali al lievito di birra, al fegato o al cervello dell'uomo: in
tutte le cellule di eucarioti si ritrovano le stesse strutture subcellulari e
uno stesso schema generale. Da questo punto in poi dimensioni, forme
e attivit si diversificano: la disposizione dei tessuti (insiemi di cellule
simili embriologicamente, per aspetto e funzioni svolte nell'organismo),
gli organi formati dalla loro associazione, l'anatomia degli individui
e il loro genere di vita assumono una variet tale da sfidare ogni
immaginazione. La cellula di eucariote costituisce una cerniera, un
punto di partenza straordinariamente ricco di possibilit.
Gli oggetti di cui parleremo hanno dimensioni variabili nel rapporto
di uno a un milione. Le molecole piccole, quasi sempre in soluzione,
sono spinte continuamente in tutte le direzioni dall'agitazione termica;
altre pi grandi, la cui disposizione spaziale si modifica abbastanza
rapidamente in base alle affinit chimiche, non superano qualche
nanometro (nm). Di dimensioni maggiori sono le molecole e le strutture
complesse che costituiscono l'architettura delle cellule e poi degli or-
ganismi.
Le cellule di eucarioti sono state identificate prima - com' naturale,
date le loro dimensioni - di quelle dei batteri procarioti
(Bench A. van Leeuwenhoeck le avesse disegnate, senza capirle, gi nel
17esimo secolo.).
All'inizio del 19esimo secolo fu scoperto che i tessuti delle piante sono
formati dalla ripetizione di strutture che hanno tutte lo stesso schema
generale: una parete ben visibile (gi identificata 150 anni prima) che
circonda un piccolo spazio - da cui il nome di cellula - contenente
sostanze non precisate e un nucleo tondeggiante. Pi difficile era
riconoscere questo schema generale nelle cellule animali, non delimitate
da una parete ben definita. La teoria cellulare di Schleiden e Schwann
(1839) mise in evidenza gli aspetti comuni dello schema: malgrado la
diversit di forma, piante e animali sono composti di cellule cos fatte,
spesso associate in numero enorme, e di sostanze da esse prodotte.
Con geniale intuizione, confermata solo nel nostro secolo, fu affermato
che ogni cellula manifesta propriet che ne fanno un essere vivente
a tutti gli effetti. Negli esseri pluricellulari la vita si manifesta dunque
a due livelli, quello dell'organismo e quello delle cellule, la durata
delle quali pu essere minore o maggiore di quella dell'individuo di
cui fanno parte.
Fino alla seconda guerra mondiale il principale strumento di studio
delle cellule fu il microscopio ottico, che per non permette d distinguere
gli oggetti pi piccoli di un quarto di micron, lasciando appena
scorgere i batteri; esso consente peraltro di osservare le cellule al vivo
e di vederle evolversi. Il microscopio elettronico identifica particolari
della lunghezza di un nanometro, ma le immagini sono irrigidite perch
le condizioni d'osservazione (vuoto spinto, sezioni ultrasottili, eccetera)
sono incompatibili col mantenimento della vita. Spesso, quindi, i due
tipi di microscopio sono fra loro complementari. I risultati delle nuove
tecniche di isolamento e purificazione dei compartimenti cellulari, che
permettono di analizzarne la composizione chimica e le funzioni, furono
collegati a partire dal 1950 alle osservazioni col microscopio elettronico,
e da ci ebbe origine il vertiginoso sviluppo della biologia
molecolare. Grazie agli sforzi congiunti di tutti questi metodi la biologia
cellulare moderna offre un'immagine coerente della struttura e del
funzionamento delle cellule; il testo attuale del presente libro introduttivo
riproduce solo per un decimo quello della prima edizione (1962),
e ci d la misura dei progressi compiuti.

II) I meccanismi fondamentali
Tutte le cellule costruiscono allo stesso modo le molecole giganti che
formano le loro strutture ed esercitano ogni loro attivit; l'informazione
necessaria per questa sintesi  custodita in un altro genere di sostanze,
anch'esse riprodotte in tutte le cellule mediante procedure analoghe; infine
l'energia chimica occorrente  ottenuta sempre con reazioni molto simili
tra loro. Tutti questi parallelismi sottolineano l'unit del mondo vivente.
Le cellule sono sede di migliaia di reazioni chimiche, il cui complesso
 detto metabolismo. Il prodotto di una reazione costituisce
spesso la materia prima per una reazione successiva; modificazioni
notevoli possono cos prodursi attraverso una serie di passaggi molto
semplici. Non entreremo qui nei particolari dei meccanismi biochimici,
ma ci limiteremo a fornire alcune notizie essenziali.
La maggior parte delle sintesi (o delle degradazioni) molecolari
sono varianti dello schema seguente:
A-OH + B-H verso > e verso <  A-B + H valenza 2 O
dove A e B sono gruppi pi o meno importanti di atomi che si legano
fra loro eliminando una molecola d'acqua. Per lo pi queste reazioni
sono reversibili: perch procedano nel senso della sintesi  necessaria
una certa quantit di energia.

1. La sintesi delle proteine e l'informazione che la guida
Le proteine sono molecole giganti (il loro peso pu variare fra 10.000 e
parecchi milioni di dalton (un dalton  il peso di un atomo di idrogeno)
contenenti carbonio, ossigeno, idrogeno, azoto e zolfo, che da sole
rappresentano un terzo del peso secco degli esseri viventi; alcune sono
solubili, come la chiara d'uovo, mentre altre, come la seta, sono
assolutamente insolubili. La cheratina dei capelli, la miosina dei muscoli,
l'emoglobina dei globuli rossi, la caseina dei formaggi,
la pepsina del succo gastrico sono tutte proteine, aventi propriet
straordinariamente diverse.
Le proteine formano la quasi totalit delle strutture cellulari e
partecipano a tutte le funzioni, poich anche gli enzimi, che hanno in esse
un ruolo essenziale, sono quasi tutti proteine. Senza gli enzimi le
reazioni chimiche proprie degli esseri viventi sarebbero troppo lente;
molte sostanze non raggiungerebbero una concentrazione sufficiente,
tanto pi che alcune di esse, essendo instabili, si decomporrebbero
prima ancora di formarsi. Il decorso di queste reazioni viene fortemente
accelerato da quei catalizzatori che sono gli enzimi: ve ne sono
migliaia di tipi diversi (il loro nome termina generalmente in asi), e
ciascuno di essi agisce solo su una determinata reazione.
Una specie evoluta produce decine di migliaia di proteine differenti,
formate essenzialmente dall'unione di numerose molecole di piccole
dimensioni, dette amminoacidi, di cui esistono venti tipi diversi.
Gli amminoacidi hanno al tempo stesso una funzione basica (ammina, -NH2) e
una funzione acida (carbossile. -COOH). La funzione acida di un amminoacido
pu combinarsi con la funzione basica di un altro mediante un legame
peptidico. La rimanente parte della molecola, variabile, d a ciascun
amminoacido le sue caratteristiche. Le proteine sono formate
da lunghe catene polipeptidiche. che si ripiegano in relazione
agli amminoacidi costitutivi: l'ordine con cui questi ultimi si succedono
nelle catene determina la loro forma e le funzioni chimiche di ciascun
punto della loro struttura. Da questo punto di vista possiamo paragonare
queste molecole giganti alle parole, il cui senso dipende sia dalle lettere
che le compongono sia dall'ordine in cui tali lettere si
susseguono. Mentre per le parole hanno di rado pi di 15 o 20 lettere,
la maggior parte delle proteine contengono centinaia di amminoacidi.
Le proteine devono essere composte collegando gli amminoacidi
nel giusto ordine, perch la sostituzione anche di un solo amminoacido
con un altro pu alterare completamente le loro propriet; non tutte
le varianti sono per cos critiche.
I ribosomi, strumenti per la sintesi delle proteine. Questa sintesi si
produce solo a livello dei ribosomi, che appaiono al microscopio
elettronico come piccole strutture granulari di circa 20 nanometri. Come
facciamo a saperlo?
 possibile seguire la sintesi di edifici molecolari importanti a partire
da precursori pi piccoli le cui molecole sono marcate: uno o pi dei
loro atomi vengono cio artificialmente sostituiti da un isotopo instabile,
che ha le medesime propriet chimiche ma emette radiazioni allorch si
disintegra. L'identificazione delle radiazioni, estremamente sensibile,
permette di localizzare queste molecole o di misurarne la quantit, anche
se minima.
Quando si forniscono alle cellule degli amminoacidi marcati, le proteine
da esse costruite sono radioattive, I precursori non incorporati vengono poi
eliminati e si rileva una radioattivit solo dove si ha una sintesi proteica,
vale a dire a livello dei ribosomi.
I ribosomi sono strutture compatte, formate ciascuna da due subunit
comprendenti rispettivamente una trentina e una cinquantina di proteine
diverse, disposte in maniera ben definita e collegate con tre o
quattro acidi ribonucleici detti RNA ribosomali o r-RNA (vedi oltre).
In ogni cellula vi sono migliaia, e persino milioni, di ribosomi identici.
Il reciproco agganciarsi degli amminoacidi avviene in una specie di
interstizio fra le due subunit; ma il ribosoma ignora in quale ordine gli
amminoacidi debbano succedersi, e potrebbe costruire una proteina
qualsiasi, anche di specie totalmente diversa rispetto a quella da cui
esso stesso proviene.  necessario quindi imporgli un programma,
come si fa ad esempio nell'ingegneria genetica quando si obbligano i
ribosomi di un banale batterio a costruire una proteina tipicamente
umana. Da dove provengono queste istruzioni?
Il DNA, portatore d'informazione. Le informazioni sono fornite
dall'acido desossiribonucleico, o DNA (Per consenso internazionale 
preferibile usare questa sigla nella dua forma inglese: bisognerebbe
altrimenti scrivere DNS in tedesco, DNK in russo, eccetera), presente in
tutte le cellule.
Eccone la prova:
Si sapeva gi da tempo che esistono ceppi batterici simili ma con alcuni
caratteri differenti; allorch un estratto riscaldato di un ceppo (in cui
quindi tutti i batteri sono morti) viene aggiunto a una coltura viva
dell'altro, questa subisce delle modifiche e acquisisce ereditariamente
le propriet della prima. Nel 1944 un estratto di composizione assai
complessa fu trattato con enzimi che attaccano sia le proteine, sia il
DNA, sia gli altri acidi nucleici: risult che l'estratto perde le sue
propriet trasformanti solo quando viene distrutto il DNA in esso contenuto.
Quest'esperimento fu il punto di partenza per il prodigioso sviluppo
della biologia molecolare. Le conclusioni a cui esso portava apparvero
a tutta prima sorprendenti, perch si riteneva allora che il DNA fosse
una molecola con struttura troppo regolare per essere portatrice di
informazioni differenziate. Per capire quelle conclusioni era necessario
disporre di alcune nozioni sulla struttura chimica del DNA che furono
acquisite solo qualche anno dopo.
Gli acidi nucleici, in particolare il DNA, contengono anch'essi carbonio,
ossigeno e idrogeno e in pi il fosforo, ma non lo zolfo; si tratta di
sostanze formate dall'associazione di molecole pi semplici, dette nucleotidi.
Ogni nucleotide comprende tre parti:
un fosfato, uno zucchero (in questo caso il desossiribosio) e una molecola d
base azotata, ad anello semplice o doppio. I nucleotidi del DNA differiscono
fra loro solo per la base azotata, che pu assumere quattro forme:
timina (T) e citosina (C) ad anello semplice, adenina (A) e guanina (G) a due
anelli affiancati: ogni fosfato di un nucleotide si lega allo zucchero
del nucleotide seguente:
base-zucchero-acido fosforico / base-zucchero-acido fosforico
La molecola di DNA  doppia, formata da due filamenti, ossia da due serie
parallele di nucleotidi in cui le basi sono situate l'una di fronte all'altra.
Le dimensioni e la struttura delle basi fanno s che di fronte a
una T vi sia sempre un'A e di fronte a una C vi sia sempre una G.
(L'adenina (A) pu legarsi solo alla Timina (T) e la Guanina (G) solo
alla Citosina (C).
Le due catene sono dunque complementari, e la composizione dell'una 
strettamente vincolata a quella dell'altra; esse inoltre sono avvolte
l'una intorno all'altra, formando la famosa doppia elica. In ogni spira
di 3,4 nm vi sono dieci coppie di nucleotidi; le molecole di DNA hanno solo
due nm di diametro, ma la loro lunghezza  enorme, tale da comprendere
spesso alcuni milioni di nucleotidi (e quindi di basi).
Trascrizione e traduzione dell'informazione. Ogni cellula contiene
migliaia di molecole identiche della stessa proteina, che si logorano
con l'uso, hanno vita limitata e devono essere periodicamente sostituite.
Per contro, la maggior parte delle sequenze di DNA esistono solo
in uno o due esemplari, preziosi per la cellula: una lettura troppo
frequente della loro informazione rischierebbe di rovinarle, come vecchi
dischi ascoltati troppe volte. Gli esseri viventi utilizzano pertanto
un rel intermediario costituito da acidi ribonucleici (RNA).
Anche gli RNA sono formati da catene di nucleotidi, ma sono diversi il tipo
di zucchero (ribosio) e una delle basi, in quanto la timina (T)  sostituita
sempre dall'uracile (U); in genere queste catene sono semplici anzich doppie.
Tutti gli RNA si formano a contatto del DNA, i cui due filamenti si
separano temporaneamente per una certa lunghezza. Quando i nucleotidi di
RNA, muovendosi casualmente e urtando quelli circostanti, vengono a
trovarsi di fronte a basi complementari (sempre U di fronte ad A, A di
fronte a T e C di fronte a G), essi si legano mediante un enzima,
l'RNA-polimerasi. L'insieme cos formato abbandona il DNA, che riprende la
sua forma normale, e l'informazione viene trascritta in un RNA messaggero
o m-RNA. Ogni sua base  complementare di una di quelle del
DNA, e le basi si succedono nel medesimo ordine; questa trascrizione pu
ripetersi un gran numero di volte. Pur essendo molto pi corti dei DNA, gli
m-RNA raggiungono talvolta una lunghezza di parecchi micron.
Ogni messaggero viene poi ripetutamente tradotto dai ribosomi in
sequenze polipeptidiche. Rappresentare 20 amminoacidi diversi con quattro
soli segni (le basi)  un problema analogo a quello risolto dall'alfabeto
Morse, che dispone di tre soli segni per rappresentare le lettere, le cifre e
la punteggiatura. Nel caso degli acidi nucleici era prevedibile che tre basi
successive (una tripletta) fossero necessarie per rappresentare un
amminoacido: quattro basi diverse associate a tre a tre forniscono infatti
64 combinazioni, pi di quante ne occorrano per rappresentare i 20
amminoacidi. Nei messaggeri queste triplette sono chiamate codoni.
Gli amminoacidi non sono in grado di leggere il messaggio da soli,
ma hanno bisogno di intermediari, gli RNA di trasferimento (t-RNA),
di dimensioni minori e ripiegati su se stessi. Esistono 20 gruppi diversi
di t-RNA, ciascuno capace di legarsi con una delle sue estremit a
una sola categoria di amminoacidi, sotto l'azione di un enzima specifico.
All'altro estremo della molecola di t-RNA c', bene in evidenza,
una tripletta caratteristica (anticodone). Il messaggero si inserisce
nell'interstizio tra le due subunit di un ribosoma; quando un t-RNA
possiede l'anticodone complementare del codone del messaggero che
gli passa accanto, esso vi si colloca di fronte e l'amminoacido trasportato
si stacca per legarsi all'ultimo amminoacido gi agganciato alla
catena polipeptidica, cos che questa si allunga, anello dopo anello, al
ritmo di una ventina al secondo. Il t-RNA liberato pu essere
riutilizzato. Ogni molecola del messaggero scorre lungo una successione
di ribosomi nella quale avviene, con un lieve sfasamento temporale,
la medesima sintesi. I poliribosomi (gruppi di ribosomi) sono ben
visibili al microscopio elettronico: talvolta essi appaiono legati
da un sottile filamento, il messaggero. Quando una sintesi
 terminata, le due subunit del ribosoma si separano fino alla
produzione successiva; la catena polipeptidica si ripiega secondo le
affinit e le repulsioni degli amminoacidi che la compongono. Gli
amminoacidi contenenti zolfo formano dei ponti bisolfurici (-S-S-) che
collegano punti distanti della catena. Vengono cos determinate la forma
della molecola e le propriet specifiche di ciascuno dei suoi punti.
La traduzione in polipeptidi comincia sempre dallo stesso codone
AUG, l'unico tradotto mediante la metionina, un amminoacido contenente
zolfo: il codone AUG sar poi rimosso nella maggior parte delle
catene formatesi. La formazione degli m-RNA nei procarioti  peraltro
alquanto diversa da quella negli eucarioti.
Il codice genetico. Il codice, ossia il significato (espresso in amminoacidi)
delle triplette di basi,  stato evidenziato fornendo a dei ribosomi isolati
delle sequenze artificiali e ripetitive di ribonucleotidi (RNA), formanti un
messaggio, e analizzando poi i polipeptidi prodotti. La maggior parte degli
amminoacidi possono essere rappresentati da pi triplette diverse: in tal
caso le prime due basi sono spesso identiche. Si  ipotizzato che in origine
vi fosse un codice a due basi, con sole 16 possibilit; col passaggio
a tre basi esso sarebbe divenuto in parte ridondante. Il fatto che numerose
triplette non corrispondano a nessun amminoacido indica il termine della
catena peptidica.

2. La riproduzione della molecola di DNA
Mentre tutte le altre sostanze si logorano con l'uso e vengono
continuamente demolite e costruite, il DNA viene sintetizzato solo
quando dev'essere riprodotto per ripartirsi tra due cellule figlie. La sua
struttura doppia fa s che nella riproduzione sia assicurata la
conservazione delle sequenze.
Durante la replicazione i due filamenti sono dapprima separati, il
che rende accessibili le basi. A questo punto si individuano, su un
DNA batterico isolato, due forcelle che si fronteggiano; i nucleotidi in
soluzione sono attirati da uno dei filamenti liberi solo quando le loro
basi si trovano di fronte a quelle complementari: l'adenina (A) di
fronte alla timina (T) e la guanina (G) di fronte alla citosina (C). Un
enzima (DNA-polimerasi) lega successivamente tra loro questi nucleotidi,
ricostituendo un filamento identico a quello che  stato appena separato.
La nuova catena si costruisce di fronte ad un filamento
esistente seguendo il verso di lettura (Il filamento di DNA ha un verso
perch ogni fosfato  attaccato in modo differente allo zucchero di un
nucleotide e a quello del nucleotide seguente); poich i due filamenti
associati sono di verso opposto, per uno di essi il montaggio ha inizio dalla
forcella e si va allontanando da essa, mentre per l'altro comincia a una
certa distanza e procede verso la forcella. Si costruiscono cos dei
segmenti di un centinaio circa di nucleotidi, che sono poi vincolati
fra loro da una ligasi; le due forcelle si allontanano alla velocit di
500-1000 nucleotidi al secondo. Ma il DNA ha una struttura ad elica,
e per separare i due filamenti bisognerebbe che tutta la parte elicoidale,
molto lunga, girasse su se stessa con grande rapidit per srotolarsi,
come quando si separano i trefoli di una fune. A questa impossibilit
meccanica pongono rimedio altri enzimi, che hanno la funzione di una
specie di mulinello; l'intero processo, piuttosto complicato, richiede
l'intervento di una ventina di enzimi diversi.
Si formano cos due molecole di DNA, identiche fra loro e rispetto
alla molecola madre; in ciascuna di esse uno dei filamenti  stato
costruito, mentre l'altro proviene dalla molecola preesistente.
L'informazione, costituita dalla sequenza delle basi,  conservata
integralmente.
Errori di riproduzione. La rapidit del processo  tale che vi sono
inevitabilniente degli errori: un nucleotide pu mancare, o trovarsi di
fronte a uno non complementare, eccetera. In tal caso la molecola presenta
un'irregolarit, localizzata da altri enzimi detti di riparazione, che
operano molto pi lentamente. Essi eliminano la porzione anormale del nuovo
filamento e un'ampia zona circostante, per poi riammagliarla esattamente.
Ci nonostante, rimangono degli errori non identificati; e poich queste
anomalie non vengono rilevate su un filamento isolato, esse si riprodurranno
nel corso di tutte le sintesi seguenti. La successione degli amminoacidi
nelle proteine sintetizzate secondo queste sequenze modificate sar quindi
anormale; le conseguenze di queste mutazioni puntuali (Vi sono modifiche
che riguardano porzioni molto pi lunghe del DNA: le anomalie cromosoniche.
Le loro conseguenze sono molteplici e ancora pi gravi) si ripercuotono
sulle generazioni cellulari successive. Le mutazioni sono imprevedibili:
per una data proteina la loro frequenza  di una volta su un milione di
replicazioni (o anche meno), ma le cellule sono numerosissime e ciascuna
di esse contiene migliaia di proteine. In parecchi casi questi cambiamenti
hanno solo effetti limitati sulle propriet delle cellule, ma in altri
casi ne alterano pi profondamente le capacit funzionali, con gravi
conseguenze, o risultano addirittura incompatibili con la sopravvivenza.
L'accumularsi delle mutazioni durante le riproduzioni cellulari che
accompagnano la vita di un individuo  uno dei principali fattori
dell'invecchiamento; alcune mutazioni possono per dare
origine a propriet nuove, vantaggiose per la specie, ad esempio
rendendo un batterio e i suoi discendenti resistenti a un antibiotico.
Infine il lento sommarsi di questi cambiamenti ereditari porta alla
progressiva modificazione delle specie, caratteristica dell'evoluzione.
Questi meccanismi spiegano anche gli effetti nefasti delle radiazioni
ionizzanti. Tali radiazioni (raggi X, raggi gamma, neutroni, eccetera)
attraversano la materia vivente alterando al loro passaggio alcune delle
molecole incontrate. Per la maggior parte delle sostanze il danno sar
irrilevante, perch nella cellula esistono molte altre molecole identiche:
il danno sar invece pi grave per il DNA, in cui la maggior parte
delle sequenze esistono solo in uno o due esemplari. Molte di queste
anomalie vengono corrette dagli enzimi di riparazione, ma essi saranno
sopraffatti se la densit delle lesioni del DNA  troppo grande
(neutroni rapidi) e se la dose di radiazione  considerevole. Il numero
di mutazioni aumenta allora notevolmente e le cellule interessate
muoiono o diventano cancerose; qualora esse siano antenate di cellule
riproduttrici, i danni possono riflettersi sulle generazioni successive.

3. La membrana plasmatica
Non bisogna confondere il bordo della cellula con la parete rigida
non vivente esterna alle cellule vegetali o ai batteri, che fra l'altro
impedisce di vedere bene quel bordo. Al microscopio le cellule che non
possiedono tale parete sono limitate da una linea che non sembra avere
una struttura pi complessa del menisco tra due liquidi non miscibili,
ad esempio l'acqua e l'olio: tuttavia un semplice esperimento mostra
che si tratta di una vera e propria barriera.
Un'ameba, animale unicellulare delle dimensioni di un decimo di millimetro,
posta in una soluzione di eosina rimane incolore. Ci non accade perch
l'eosina sia insolubile all'interno della cellula: se infatti si inietta
con una micropipetta questo colorante in un angolo del citoplasma, esso lo
colora per intero, senza peraltro diffondersi nell'ambiente esterno.
Esiste dunque una struttura, una disposizione molecolare che ferma
certe molecole: nelle normali sezioni osservate al microscopio elettronico
si notano qui due linee scure parallele separate da uno spazio
chiaro di qualche nanometro di larghezza. Ma la preparazione
ha sciolto i lipidi, che sono dei costituenti importanti di questa membrana
cellulare, detta membrana plasmatica, causando delle modifiche
che fanno dell'immagine microscopica un artefatto (In biologia si chiama
artefatto un aspetto o un risultato dovuto alla tecnica usata ma che
non rispecchia la realt della materia vivente).
I lipidi costituiscono una terza categoria di sostanze chimiche presente in
tutti gli esseri viventi, con molecole molto pi piccole di quelle delle
proteine o degli acidi nucleici. Formati principalmente da alcune decine di
atomi di carbonio e di idrogeno e da un po' di ossigeno, i lipidi non sono
solubili nell'acqua; tuttavia molti di essi hanno a un'estremit
della loro molecola una parte azotata o ionizzabile avente affinit con
l'acqua. Quando sulla superficie di questa vengono deposti dei lipidi
semplici come gli acidi grassi, formati da una catena rettilinea di una
quindicina di atomi di carbonio idrogenato (idrofobici) e da
un'estremit acida (idrofilica), solo quest'ultima penetra sotto la
superficie, mentre le catene rimangono all'esterno, disposte
perpendicolarmente. Questo comportamento  simile a quello dei lipidi a
contatto con gli ambienti acquei interni o esterni alla cellula.
Non  facile isolare le membrane plasmatiche: ecceztonalmente adatte
a tal fine sono le emazie (globuli rossi) dei mammiferi, che hanno gi
eliminato tutto il loro contenuto, salvo l'emoglobina in esse disciolta.
Facendoli esplodere in acqua distillata, l'emoglobina si diffonde ed 
possibile recuperare dei fantasmi di membrana. Essi sono composti da
proteine - per una met circa - e da lipidi, in grande maggioranza
fosfolipidi azotati associati a due catene quasi rettilinee derivate da acidi
grassi. Poich la grandezza delle emazie  costante,  possibile calcolare
che ognuna di esse  ricoperta da due strati di molecole di fosfolipidi:
le parti idrofobiche si fronteggiano all'interno della membrana, mentre
le parti idrofiliche sono rivolte rispettivamente verso l'interno della
cellula e verso l'ambiente esterno, entrambi acquei. In questo doppio
strato sono inserite delle proteine, che sporgono da uno dei lati o da
entrambi: questa disposizione  visibile se prima di preparare le cellule
per la microscopia elettronica si abbassa bruscamente la temperatura a
- l90 gradi Celsius, bloccando cos ogni mobilit. Le proteine che si
trovano all'esterno sono identificabili chimicamente e spesso sono sormontate
da glucid caratteristici, pi rigidi delle catene polipeptidiche.
Il doppio strato di lipidi  in uno stato di costante fluidit e le
proteine vi si spostano continuamente: da qui il nome di mosaico fluido
dato a questa disposizione, che si ritrova in tutte le membrane
plasmatiche. Le membrane interne alle cellule di eucarioti, la cui superficie
totale  oltre venti volte maggiore di quella della membrana plasmatica,
hanno una disposizione analoga.
Le sostanze aventi un peso molecolare maggiore di qualche centinaio di
dalton sono troppo grandi per diffondersi attraverso la membrana: gli
amminoacidi o il glucosio (vedi il seguente paragrafo) vi riescono, ma
non i disaccaridi (due volte pi grandi), gli zuccheri legati a
un fosfato o i nucleotidi. La diffusione non dipende solo dalle dimensioni
e dalla differenza di concentrazione dai due lati della membrana;
poich gran parte della superficie  composta da lipidi, le sostanze
solubili in essi passano molto pi rapidamente di quanto lascerebbe
supporre il loro peso molecolare. Il passaggio pu essere rallentato da altri
fattori, ad esempio dalle cariche elettriche. Schematizzando si pu dire
che la diffusione  rapida per l'ossigeno o il benzene, e sempre pi lenta
man mano che si passa all'acqua, al CO valenza 2 , al glucosio e infine agli
ioni.
Alcuni lipidi s'incontrano nello strato esterno, altri in quello interno;
anche la disposizione delle proteine non  casuale. Le due facce non sono
equivalenti, e i trasferimenti attraverso la membrana non sono identici nei
due sensi. Numerose proteine di trasporto presentano dei canali che si
aprono o si chiudono secondo le circostanze, facilitando o no il passaggio
di certe sostanze; altre proteine si legano a una molecola presente
all'esterno, cambiando cos di forma, e liberano poi la loro carica
all'interno, eccetera. C' infine tutta una serie di sostanze che vengono
trasportate, paradossalmente, dal lato dove la concentrazione  minore verso
quello dov' maggiore; questi trasporti attivi sono possibili solo grazie a
un dispendio di energia (ATP, vedi oltre) che pu essere considerevole.
Un esempio importante  la pompa al sodio delle cellule animali: lo one
sodio viene spinto verso l'esterno nonostante che la sua concentrazione sia
pi elevata l che nella cellula, mentre lo ione potassio, molto pi diluito
nell'ambiente esterno, viene attirato nella cellula. Tra le due facce della
membrana si forma una differenza di potenziale elettrico che modifica le
condizioni di passaggio di altre sostanze caricate elettricamente.
Altri aspetti del funzionamento delle membrane saranno esaminati
nel capitolo dedicato alla membrana plasmatica.

4. I meccanismi energetici delle cellule
Nel mondo vivente, come altrove, la costruzione degli enormi edifici
molecolari che abbiamo descritto non potrebbe avvenire senza un
considerevole dispendio di energia, necessario anche per i movimenti,
il trasporto di molecole attraverso le membrane eccetera. Le cellule
utilizzano l'energia proveniente dalla rottura dei legami chimici che si ha
nelle molecole energetiche durante la loro degradazione. Le spiegazioni
seguenti sono molto schematiche; ulteriori particolari si troveranno nel
capitolo dedicato agli organuli e la loro funzione.
La principale molecola fornitrice di energia per le reazioni cellulari
 l'adenosina trifosfato (ATP), formata da un nucleoside (ossia da una
base azotata pi uno zucchero) a cui  attaccata, come la coda d'un
aquilone, una serie di tre fosfati. Quando l'ultimo fosfato si separa si
rendono disponibili per le attivit cellulari 14 calorie per grammo.
Ogni cellula contiene solo una minima quantit di ATP, n pu riceverne
dall'esterno perch questa sostanza, per le sue dimensioni, non
pussa attraverso la membrana plasmatica. L'adenosina difosfato (ADP)
risultante da questa reazione deve perci ricuperare il terzo fosfato
ricevendo energia da altre reazioni chimiche, non potendosi ottenere
qualcosa in cambio di nulla.
La maggior parte dell'energia proviene dalla degradazione delle
molecole di zuccheri o glucidi, aventi come maglia elementare la
catena HO-C-H (quindi senza azoto n zolfo). Gli atomi di carbonio si
legano in catene e formano anelli a cinque o sei maglie, una delle quali
 un atomo di ossigeno. Il glucide pi diffuso  il glucosio, con sei
atomi di carbonio, che passa facilmente attraverso le membrane; due o
pi anelli possono legarsi a formare i disaccaridi o i polisaccaridi.
Un meccanismo presente in tutte le cellule, la glicolisi, trasforma attraverso
una decina di passaggi il glucosio in due molecole con tre atomi di carbonio.
In questo modo si consumano due ATP ma se ne ottengono quattro, guadagnandone
quindi due; l'acido lattico prodotto (CH3-CHOH-COOH) e i suoi derivati,
fra cui l'alcool etilico, diventano tossici se si accumulano.
La glicolisi, che  esistita fin dall'inizio dell'evoluzione, ha un
rendimento veramente basso: appena il 2 per cento dell'energia totale
contenuta nel glucosio viene recuperato in ATP. Vi sono peraltro dei
procarioti che non dispongono di altri meccanismi energetici: questi esseri
anaerobi non hanno bisogno di ossigeno, che anzi in molti casi  per essi
nocivo.
La respirazione cellulare. Un meccanismo assai pi evoluto, la
respirazione cellulare, permette alla maggior parte dei procarioti e a tutti
gli eucarioti di superare queste limitazioni.
In questo caso la glicolisi si ferma al suo penultimo stadio, l'acido
piruvico (CH3-CO-COOH), che ha due atomi d'idrogeno in meno dell'acido
lattico; questa sostanza attraversa una serie complessa di reazioni
(soprattutto il ciclo di Krebs) durante le quali viene decomposta
in CO2 e H2O. Gli atomi di idrogeno che si liberano riducono degli accettori
di H2 (nucleotidi o derivati), che vengono cos attivati: per esempio il
NAD diventa NADH.
Nella seconda parte della respirazione cellulare, o catena respiratoria,
gli H+ (protoni) e gli elettroni attivati vengono trasferiti, mediante una
quindicina di intermediari di ossidoriduzione (In chimica una riduzione
consiste nell'aggiunta di un atomo di idrogeno oppure di un elettrone,
l'ossidazione consiste invece nella sottrazione di un elettrone o di un
atomo di idrogeno), fino al loro accettore finale, l'ossigeno, col quale si
combinano formando acqua. Nel corso del processo, per ogni H2 si formano
due o tre ATP a partire dall'ADP. Questa serie di reazioni  efficiente solo
se si determina un gradiente elettrico attraverso una membrana lungo la
quale sono disposti gli intermediari. Negli eucarioti queste reazioni hanno
luogo in organuli specializzati, i mitocondri.
La distruzione di una molecola di glucosio consente stavolta la formazione
di parecchie decine di molecole di ATP (o di sostanze analoghe) e il ricupero
del 40 per cento dell'energia che la molecola conteneva.
La fotosintesi. Ma da dove proviene il glucosio? La fonte quasi unica
di energia per tutti gli esseri viventi  il sole; grazie alla sua luce,
una parte delle cellule delle piante e alcuni procarioti (i cianobatteri)
possono costruire per fotosintesi glucosio e altri zuccheri. Il glucosio si
diffonde con facilit da una cellula all'altra, cos che quelle che non
riescono a produrlo possono utilizzare quello prodotto da altre.
La fotosintesi comprende due serie di reazioni. Quelle della prima serie
dipendono dalla luce e si svolgono in speciali membrane dette tilacoidi in
cui sono inseriti granuli di vario tipo. Alcuni di questi complessi, i
sistemi pigmentali I e II, contengono clorofille verdi, che assorbono la luce
rossa e alle quali dei fotoni luminosi sottraggo	no degli elettroni; gli
elettroni cos attivati passano per una serie di intermediari d
ossidoriduzione e cedono a poco a poco l'energia assorbita, che serve a
produrre ATP a partire dall'ADP (fotofosforilazioni) o a ridurre degli
accettori di idrogeno (NADP a NADPH) nel corso di reazioni assimilabili a
quelle della respirazione.
Le clorofille dei due sistemi pigmentali assorbono luci rosse di varie
lunghezze d'onda: quando  attivato solo il sistema I si produce ATP, mentre
una luce rossa un po' pi chiara attiva anche il sistema II, che in pi
riduce l'ADP e libera ossigeno. Nel sistema I (piante superiori) l'elettrone
torna alla molecola di clorofilla a cui  stato sottratto; nel sistema II
alcuni elettroni finiscono la loro corsa quando l'NADP viene ridotto a
NADPH; le clorofille ricuperano allora un altro elettrone, apparso durante
la decomposizione delle molecole d'acqua in idrogeno e ossigeno sotto
l'azione della luce (fotolisi dell'acqua). Queste reazioni implicano anche
dei trasferimenti di ioni attraverso le membrane tilacoidi su cui sono
situati i granuli.
Nella seconda serie di reazioni, per le quali non  pi necessaria la luce,
viene utilizzata l'energia immagazzinata nell'ATP e nel NADPH. In questo
ciclo di Calvin il CO2 viene incorporato in catene di carbonio, producendo
molecole con tre atomi di carbonio e poi zuccheri con sei atomi di carbonio.
Mettendo a confronto respirazione e fotosintesi si vede che la maggior
parte delle reazioni che rigenerano l'ATP sono legate alla liberazione
di energia da parte di elettroni previamente attivati. La fotosintesi
 fondamentale anche per gli animali, che non sono capaci di compierla
ma ricavano i glucidi dai vegetali di cui si nutrono. I pochissimi
animali che si cibano solo di carne utilizzano dei derivati degli amminoacidi
o dei lipidi che entrano nelle catene di reazioni della glicolisi
o del ciclo di Krebs e vi subiscono le reazioni sopra descritte; ma la
produzione di queste sostanze era gi avvenuta nelle loro prede, grazie
all'energia proveniente dalla distruzione dei glucidi.
D'altra parte la fotosintesi  la fonte quasi esclusiva dell'ossigeno,
senza il quale la catena respiratoria non pu funzionare.
Il glucosio e i suoi omologhi possono essere immagazzinati sotto
forma di glucidi polimerizzati (Una sostanza polimerizzata risulta dall'unione
in lunghe catene di molecole pi piccole, fra loro identiche) quando gli
anelli elementari si collegano dando luogo a catene di grandissime dimensioni,
come avviene ad esempio nel glicogeno degli animali, che ha una disposizione
molto ramificata.

III) I procarioti o batteri
I batteri pi semplici si limitano ai meccanismi appena descritti: ad
esempio i micoplasmi sono piccoli corpi tondeggianti di circa un quinto
di micron, limitati da una membrana plasmatica e privi di struttura,
a parte i ribosomi e una zona mal delimitata in cui si osserva un groviglio
di filamenti di DNA. Ci basta perch siano presenti i caratteri
della vita.
La maggior parte dei batteri sono un po' pi grandi (dell'ordine del
micron) e sono circondati da una parete resistente, esterna alla membrana
plasmatica. Questa parete determina la loro forma sferica (cocchi),
cilindrica (bacilli) o elicoidale (spirilli) e li protegge quando si
trovano in un ambiente troppo diluito, ma non  vivente: quando infatti
viene digerita da particolari enzimi si ottengono delle cellule
nude (cloroplasti) che possono sopravvivere e moltiplicarsi purch si
prendano certe precauzioni. Questa parete pu essere densa e relativamente
spessa (da 20 a 30 nm), con reazione di Gram positiva (gram+)
oppure pi molle e composta da molti strati sottili (gram-): questa
differenza fornisce un altro criterio di classificazione in aggiunta a
quello della forma. Un altro criterio ancora (a parte l'identificazione di
sostanze specifiche)  la maniera in cui i batteri si raggruppano nelle
colture in catenelle, filamenti o altri tipi di aggregazione. Alcuni batteri
recano flagelli o piccoli peli (pili) caratteristici; in generale non vi 
una grande variet di aspetti. Tuttavia in particolari circostanze le
cellule batteriche si modificano. In assenza d'acqua alcune si disidratano,
originando spore molto dense e inerti, capaci di sopravvivere molto a
lungo in attesa di condizioni migliori; in ambienti di coltura speciali
molti batteri assumono forme a L (in linea di principio reversibili) pi
piccole e semplici e prive di parete rigida.
Mancano il nucleo e una struttura interna visibile; l'intero
volume  indiviso e ci implica, come ora vedremo, che esso non pu
superare qualche micron cubo. Molte sostanze presenti nelle cellule
possono reagire in modo apprezzabile solo se raggiungono una
concentrazione sufficiente: poich esse si diffondono in tutto lo spazio
disponibile, la concentrazione  la stessa dappertutto, e se il volume
diventasse troppo grande il costo energetico delle sintesi sarebbe
eccessivo. Vari enzimi sono situati sulla faccia interna della membrana,
attraverso la quale vengono espulsi ioni H+ (pompa a protoni): si riduce
cos l'acidit interna e si stabilisce una differenza di potenziale fra le
due facce. Negli aerobi una parte di questi protoni tornano mediante il
sistema ATP-asi legato alla catena respiratoria. Le invaginazioni
della membrana plasmatica (mesosomi) sono un artefatto d preparazione,
giacch non appaiono se si congelano bruscamente le cellule
prima di osservarle. I ribosomi sembrano presenti in tutto il volume
cellulare, tranne la zona centrale; le loro due subunit sono un po' pi
piccole di quelle degli eucarioti, hanno meno proteine e solo t-RNA.
La maggiore sensibilit di molti procarioti a certi antibiotici  dovuta a
queste differenze.
Quando si formano i messaggeri i due filamenti di DNA si separano
e la molecola subisce una torsione; un particolare enzima (la girasi)
produce dei riccioli, provocando una torsione in senso opposto che
facilita la separazione dei filamenti. Nei procarioti la trascrizione ha
inizio da due gruppi particolari di nucleotidi sul DNA, separati da una
sequenza casuale. Ogni messaggero contiene l'informazione relativa a
pi catene polipeptidiche e comprende quindi numerosi codoni di
avviamento della traduzione (UAG) e altrettanti codoni terminali. La
parte iniziale di un filamento di m-RNA pu cominciare a essere
tradotta in polipeptide mentre l'altra estremit  ancora in corso di
trascrizione a livello del DNA.
Tutta l'informazione contenuta nel DNA viene tradotta, ma in alcune
zone la trascrizione sul messaggero avviene solo in certi momenti.
Un insieme di enzimi facenti parte della stessa catena metabolica sono
codificati l'uno dietro l'altro sul DNA in una sequenza detta operone,
la cui trascrizione viene di solito bloccata da un repressore proteico
legato al punto dove essa dovrebbe cominciare. Questa inibizione 
eliminata solo da piccole molecole analoghe alle sostanze su cui gli
enzimi possono agire, il che consente la trascrizione del corrispondente
m-RNA. In altri casi un attivatore situato sul DNA viene represso da una
sostanza esterna. Questi meccanismi assicurano la regolazione di certe
attivit a seconda delle circostanze.
La zona in cui si trova aggomitolato il DNA  riconoscibile solo per
la sua minore densit nelle sezioni di preparato; questa molecola, che
una volta isolata si presenta sempre ad anello chiuso,  chiamata
impropriamente cromosoma batterico. La sua lunghezza, esattamente
nota,  dell'ordine del millimetro; spesso si avvolge intorno a una
speciale proteina, il che riduce la lunghezza dell'insieme. Il DNA
contiene alcune migliaia di coppie di basi e l'informazione relativa a varie
migliaia di proteine diverse; esso  agganciato in un punto della
membrana plasmatica in cui sono radunati gli enzimi necessari alla sua
replicazione. Questo insieme rimane in sito, mentre il filamento di DNA
scorre al suo livello, facendosi duplicare. Quando la replicazione 
finita e gli anelli si sono separati, la membrana plasmatica si spinge
verso l'interno del protoplasma e lo divide in due: il processo dura meno
di mezz'ora e ricomincia immediatamente. Ogni cellula figlia riceve
una o pi copie del cromosoma e il suo contingente di ribosomi, di
enzimi e di altre proteine, costruite senza sosta. La velocit di
riproduzione  enorme: se i discendenti di un batterio sopravvivessero
tutti, in 24 ore se ne otterrebbero pi di 100.000 miliardi!
Nei batteri non vi  riproduzione sessuata (La riproduzione sessuata implica
la giustapposizione di parti uguali di DNA provenienti da due cellule,
quasi sempre appartenenti a due individui diversi), anche se alcuni di essi
possono iniettare in un altro batterio di ceppo simile un intero
anello di DNA o una sua parte. Viene allora modificato il patrimonio
ereditario del batterio ricevente, ma non quello del donatore.  stato
lo studio di questo fenomeno, e in particolare l'analisi del materiale che
penetra nella cellula recettrice, a fornire la prova che l'informazione
ereditaria  veicolata dal DNA.
Una piccola parte dell'informazione (per esempio la resistenza a un
antibiotico) non  legata al cromosoma. La maggior parte dei batteri
contiene plasmidi, piccoli anelli di centinaia di basi di DNA (o di
RNA) che, riprodotti in molti esemplari, vengono trasmessi alla
discendenza o trasferiti da una cellula all'altra, anche di altre stirpi: in
tal modo molti ceppi batterici dissimili partecipano a uno stesso pool
di informazioni ereditarie. Il comportamento dei plasmidi somiglia a
quello dei virus; di essi si fa largo uso in ingegneria genetica per
inserirvi l'informazione relativa alle proteine che si vogliono riprodurre.
Il modesto volume dei batteri ha fatto s che la nostra attenzione sia
stata attirata solo dai loro effetti, specialmente da quando ci si 
accorti che molti di essi sono parassiti e hanno conseguenze nefaste per la
salute dell'uomo e degli animali. Questi batteri sono i pi studiati, ma
non i pi importanti: ne esistono dappertutto, negli oceani, sulle rocce,
nel pulviscolo atmosferico, a contatto di qualunque oggetto o essere
vivente, e svolgono un ruolo di enorme rilievo nell'economia del
pianeta (un grammo di terreno fertile ne contiene parecchi miliardi). Ai
batteri si deve in buona parte il riciclaggio delle molecole organiche
dopo la morte degli organismi pi grandi; molto importanti sono i
batteri che fissano l'azoto dell'aria in forma utilizzabile dalle piante.
Un gruppo particolare, molto diffuso,  formato dai cianobatteri,
che sono i soli esseri viventi capaci di vivere unicamente di materie
inorganiche: acqua, alcuni sali, CO2 e l'azoto dell'aria. I cianobatteri,
a lungo considerati dei vegetali (alghe blu), sono in realt dei procarioti
piuttosto voluminosi (fino a 30 micron cubici) ma privi di nucleo, con
DNA circolare e capaci di fotosintesi. Hanno parete gram- e sono
spesso collegati fra loro in filamenti allungati; contengono membrane
tilacoidi parallele recanti un apparato fotosintetico dotato di una sola
specie di clorofilla. I cianobatteri esistono da pi di tre miliardi di anni
e sono stati forse la prima fonte di ossigeno nell'atmosfera.
Un altro gruppo notevole  quello degli archeobatteri, che vivono
spesso in condizioni considerate scarsamente compatibili con la vita
(acque calde, sorgenti solforose (Di recente sono stati scoperti sul fondo
di alcuni oceani degli archeobatteri che vivono nell'oscurit totale,
ricavando tutta la loro energia da sorgenti solforose vulcaniche; essi
bastano a nustrire comunit animali che si estendono su decine di metri,
formati da vermi e molluschi di dimensioni considerevoli, tali da attirare
predatori, come granchi, pesci, eccetera. L'importanza di questi archeobatteri
in passato  stata forse maggiore di quanto possiamo supporre.), ambienti
salmi ad alta concentrazione) e presentano varie particolarit metaboliche.
I lipidi presenti nei due strati della loro membrana sono legati chimicamente,
e ci rende la membrana stessa molto resistente.

IV) La cellula di eucariote
Le attivit che nei procarioti si svolgono affiancate in un'unica massa
continua sono invece distribuite nelle cellule di eucarioti in settori di
composizione e funzioni differenti, separati da membrane. Dimensioni, forma e
attivit sono quindi pi diversificate, e il funzionamento della cellula 
condizionato dalla sua geografia; fra le varie zone avvengono importanti
scambi. Per far fronte alla diversificazione, agli scambi e all'aumento di
dimensioni si rende necessaria tutta una serie di meccanismi supplementari.
Gli eucarioti discendono da un antenato procariote, probabilmente
comune a tutti; la composizione dei loro RNA ribosomali e altre
particolarit li rendono stranamente pi simili agli archeobatteri che agli
eubatteri pi comuni. In seguito essi hanno incorporato nel loro
citoplasma altri procarioti, antenati di alcuni organuli: l'intero
processo ha avuto inizio oltre due miliardi di anni fa e probabilmente si 
protratto per pi di un miliardo di anni.

1. La cellula, essere vivente completo. Nucleo e citoplasma
Centocinquant'anni fa la teoria cellulare afferm che la cellula  la pi
piccola parte di materia vivente capace di vita autonoma: la prova
definitiva di ci  stata fornita, per quanto riguarda gli organismi
pluricellulari (animali e piante visibili a occhio nudo) solo da una
quarantina d'anni.
Si prelevano in ambiente sterile dei frammenti di organi e se ne disperdono
le cellule con procedimenti meccanici o chimici; poste in un ambiente
nutritizio appropriato, esse sopravvivono e si moltiplicano rapidamente.
Si ha cos una coltura di cellule, una sola delle quali, isolata, pu produrre
una numerosa discendenza.
Queste conclusioni sono confermate dai risultati di una dissociazione
pi spinta. In ogni cellula  facilmente riconoscibile un nucleo (gi
identificato all'inizio del 19esimo secolo), sempre ben distinto dal
citoplasma che lo circonda (Etimologicamente eucariote significa con un
vero e proprio nucleo; procariote significa precedente alla formazione
del nucleo, o con un precursore del nucleo). Se separiamo il nucleo dal
citoplasma, quest'ultimo sopravvive per un tempo relativamente breve,
mentre il primo non sopravvive affatto. Questi esperimenti chiariscono
anche i rapporti fra nucleo e citoplasma.
Grazie al micromanipolatore (apparecchio che trasmette a uno strumento i
movimenti della mano riducendone fortemente l'ampiezza),  possibile rimuovere
da un'ameba il nucleo. Non appena messo a contatto con l'ambiente esterno,
esso subisce danni irreversibili, anche se invisibili al microscopio;
reintrodotto in un citoplasma, non vi esercita alcuna azione e viene espulso
come un corpo estraneo. Il citoplasma privo di nucleo sopravvive invece pi
o meno bene: i suoi movimenti cambiano rapidamente, l'ameba si fa
pi tondeggiante e lascia il suo supporto, mentre gli pseudopodi si
accorciano, ritraendosi e protendendosi in modo casuale. Gli spostamenti
dell'ameba divengono limitati ed erratici; talvolta  ancora in grado di
ingerire prede, ma non riesce a digerirle; inoltre non  pi capace
di utilizzare le sue riserve, come farebbe un'ameba normale a digiuno. A
poco a poco tutte le funzioni rallentano, il citoplasma subisce una lisi
e scompare nel giro di due settimane.
Se nel citoplasma denucleato viene inserito, anche dopo molti giorni, un nuovo
nucleo (facendo attenzione a trasferirlo dall'amebae donatrice a quella
recettrice senza che venga a contatto con l'ambiente esterno), i movimenti
normali dell'ameba si ripristinano vistosamente in meno di un minuto e si
ristabiliscono tutte le propriet normali, ivi compresa la capacit di
divisione.
Altre propriet del nucleo possono essere evidenziate con esperimenti
sull'acetabularia, un'alga unicellulare formata da un sottile stelo di
alcuni centimetri di lunghezza sormontato da un ombrello. Se si taglia
l'ombrello esso si rigenera, mentre se  stato rimosso il nucleo, che si
trova all'altra estremit della cellula, ci non  pi possibile;
ma la capacit di rigenerazione ricompare se alla cellula viene ridato un
nucleo. Vi sono due specie di acetabularia, con ombrelli di forma diversa: se
inseriamo il nucleo di una delle due specie nel citoplasma denucleato
dell'altra, l'ombrello rigenerato avr la forma di quello che ha fornito
il nucleo.
Questi esperimenti illustrano bene la fondamentale complementarit di
nucleo e citoplasma. Quest'ultimo svolge tutte le funzioni visibili della
cellula, mentre il nucleo  indispensabile per la sintesi delle proteine ed 
determinante per la crescita e la riproduzione, in quanto orienta queste
attivit a seconda della specie a cui appartiene; reciprocamente il
citoplasma esercita un influsso sul nucleo. Quando una cellula contiene pi
nuclei, o ne riceve uno supplementare, la struttura e l'attivit di questi
nuclei si armonizzano sincronicamente: a quanto pare, informazioni chimiche
non ancora identificate vengono trasmesse dal citoplasma al nucleo.
La divisione dei compiti fra nucleo e citoplasma rappresenta la differenza
fondamentale rispetto ai procarioti. Quasi tutte le sintesi degli
acidi nucleici avvengono nel nucleo, e in esso  custodita l'informazione
ereditaria; tutte le altre funzioni, compresa la produzione delle
proteine necessarie al nucleo, sono localizzate nel citoplasma.

2. Forma e dimensioni delle cellule di eucarioti
Le cellule di eucarioti sono generalmente da dieci a mille volte pi
grandi di quelle dei procarioti, avendo un volume di almeno 100 micron cubici,
le limitazioni dimensionali esistenti per i procarioti vengono ora meno,
perch molte sostanze sono racchiuse in appositi compartimenti, di
dimensioni simili a quelle di un intero procariote. Le cellule di eucarioti
rimangono peraltro piccole rispetto alla scala a cui l'uomo  abituato,
e ci per una semplice ragione geometrica. Se un oggetto s'ingrossa, il
suo volume aumenta col cubo delle dimensioni lineari, mentre la
superficie aumenta col loro quadrato: di conseguenza il rapporto tra
superficie e volume diminuisce. Ma se da un lato l'entit degli scambi
con l'esterno, indispensabili alla vita, dev'essere adeguata al volume
della cellula, dall'altro non pu che essere proporzionale alla
superficie attraverso cui gli scambi avvengono: oltre certe dimensioni, la
membrana plasmatica non riuscir pi a garantirla. Tuttavia nelle
cellule appiattite o molto allungate il rapporto tra superficie e volume 
pi elevato che se la cellula fosse tondeggiante; inoltre alcune cellule
possono accumulare enormi quantit di sostanze di riserva (ad esempio il
tuorlo delle uova di uccello, che nello struzzo raggiunge gli 8 cm). Ma in
questo caso il citoplasma attivo occupa una minima parte
della massa totale e gli scambi rimangono molto limitati. Le dimensioni
delle cellule pi semplici possono essere influenzate anche da
altri fattori.
Le cellule di eucarioti hanno forme molto diverse: ve ne sono di
tondeggianti, allungate, quasi cubiche o anche molto frastagliate e
irregolari, dotate di propaggini talvolta sottili e ramificate.
La forma  determinata in parte dall'organizzazione interna e in parte
dall'ambiente circostante.
	Un fibroblasto (cellula di base del tessuto connettivo che contiene i
vasi sanguigni e riempie gli interstizi fra gli organi), messo in coltura,
pu assumere forma quasi sferica in un ambiente liquido, appiattirsi a
triangolo o a losanga su un fondo di plastica o appiattirsi a fuso su una
superficie striata: queste forme dipendono cio dalle relazioni che la
cellula ha col suo supporto. In un organismo la vanet dell'ambiente in
cui la cellula  inserita  ancora maggiore.

3. Schema generale delle cellule animali e vegetali
A prima vista sembrerebbe che l'organizzazione interna di queste
cellule sia molto variabile e che vi sia una grande differenza fra le
cellule vegetali e quelle animali.
a)La cellula animale. In una tipica cellula animale osservata al
microscopio ottico il nucleo  in generale arrotondato o convesso
ed  nettamente separato dal citoplasma, che lo circonda completamente
e contiene sempre una serie di organuli. Questi comprendono i
mitocondri, dispersi sotto forma di filamenti o di corti bastoncini;
l'apparato di Golgi (rivelato da tecniche speciali dopo il fissaggio (Un
fissatore  un liquido che uccide le cellule con grande rapidit, facendo
precipitare le proteine e i complessi nucleoproteici che formano la
parte essenziale delle strutture intracellulari, e che nel frattempo scioglie
le sostanze di piccole dimensioni. Una cellula ben fissata rimane pi
vicina al suo aspetto normale che non un'altra destinata a morire lentamente
nel corso dei trattamenti necessari per l'osservazione),
costituito da piccole cupule a forma di mezzaluna o di reticolo ed
eventualmente da granuli di secrezione o da piccoli vacuoli; e il centro
cellulare, non ben delimitato, formato da due puntini appena visibili
entro una sottile corona di citoplasma vuoto. Il microscopio ottico non
permette di distinguere i lisosomi e i perossisomi (non sempre presenti),
simili a piccoli mitocondri ma con struttura e funzioni differenti. A
questi elementi possono aggiungersene altri, caratteristici di particolari
tipi di cellula: granulazioni pigmentate, vacuoli, filamenti isolati o a
fasci, eccetera.
b)La cellula vegetale. Le cellule vegetali hanno invece, come si 
detto, un aspetto molto diverso. Sono circondate da una parete
cellulosica pi o meno spessa, che delimita rigidamente uno spazio
di forma geometrica semplice, occupato per buona parte da grossi
vacuoli acquosi che spingono il citoplasma e il nucleo verso la parete. Il
nucleo somiglia molto a quello della cellula animale; nel citoplasma
ritroviamo i mitocondri e l'apparato di Golgi, ma nelle piante
superiori manca il centro cellulare. Sono invece molto evidenti, anche se
non in tutte le cellule, dei discoidi piuttosto grossi, i cloroplasti,
contenenti dei granuli verdi di clorofilla. Altri elementi, come vescicole
acquose od oleose, depositi d'amido, pigmenti, cristalli, eccetera, compaiono
con minore regolarit.
N i grossi vacuoli n la parete cellulosica sono viventi, bench
derivino dalla cellula e vi svolgano un ruolo essenziale; se prescindiamo
da essi, vediamo che nel regno animale come in quello vegetale il
citoplasma circonda completamente il nucleo ed  diviso in compartimenti.
Alcuni organuli (mitocondri, apparato di Golgi) sono comuni a
tutte le cellule, altri invece sono presenti solo in alcuni tipi. Sebbene la
loro quantit sia variabile e le loro forme talvolta differiscano, questi
compartimenti sono facilmente riconoscibili: il loro aspetto al
microscopio elettronico, la loro composizione chimica e le loro funzioni
sono molto ben caratterizzate, e ci evidenzia la loro affinit presso
tutti gli eucarioti.
Lo schema generale ora descritto presenta delle varianti. Pi cellule
possono fondersi in un sincizio, che sar dotato di pi nuclei. La fibra
muscolare striata degli animali ha la forma di un cilindro
contrattile di diametro variabile da 20 a 50 micron, pu contenere
centinaia di nuclei e raggiungere una lunghezza di parecchi millimetri. In
altri casi il nucleo pu dividersi pi volte senza che ci accada anche
al citoplasma. Un esempio di questi plasmodi a pi nuclei, generati da
un'unica cellula,  dato dai megacariociti del midollo osseo, che si
disgregano poi nelle piastrine, componenti del sangue aventi un ruolo
importante nella sua coagulazione.

V) Il nucleo cellulare
Nelle cellule degli animali e delle piante il nucleo  la struttura
interna pi grande e meno visibile, nonch quella che  stata scoperta
per prima: lo indica il termine stesso eucariote (dal greco
karyon = nucleo). Il nucleo occupa fino a un terzo del volume totale nelle
cellule molto piccole, un decimo o anche meno in quelle grandi, ed 
nettamente separato dal citoplasma. In esso sono distinguibili uno o pi
nuleoli, piccole masse fortemente rifrangenti; il resto  occupato da
zone uniformi pi o meno dense di cromatina, che al momento della
divisione fornir il materiale cromosomico.

1. La cromatina e la trascrizione dei messaggeri
La cromatina  composta di acido desossiribonucleico (DNA) legato
a una quantit pi o meno uguale di proteine basiche, gli istoni, ed
esiste in due forme, condensata o dispersa: questa seconda forma
occupa spesso la met (e talvolta anche pi) del volume complessivo. Le
due zone di cromatina possono essere all'incirca identificate con
quelle che nella citologia classica erano denominate eterocromatina
(compatta) ed eucromatina (molle). Nelle cellule femmina dei mammiferi
(cos chiamate anche se non hanno niente a che vedere con il sesso
o la riproduzione), ad esempio nelle cellule del sangue, s'incontra
sempre una piccola massa di eterocromatina, detta sessuale, che
corrisponde a uno dei due cromosomi X (vedi oltre).
In una data specie quasi tutti i nuclei, indipendentemente dalle loro
dimensioni, contengono una stessa quantit di DNA, da 100 a
10.000 volte maggiore di quella rinvenibile nei procarioti (La grandezza della
cellula dipende da queste quantit; mediante artifici tecnici  possibile
produrre sperimentalmente dei girini le cui cellule, pi piccole del normale,
hanno soltanto la met del DNA e del numero di cromosomi caratteristici
della specie. In altri casi si possono produrre cellule in cui il DNA, il
numero dei cromosmi e il volume complessivo sono tutti raddoppiati).
Nell'uomo il DNA raggiunge circa due metri di lunghezza, e si pu immaginare
quale inestricabile groviglio si produrrebbe se esso fosse ammassato in
modo casuale: questa difficolt  per risolta grazie alla struttura della
cromatina. Essa non  chiaramente rivelata neanche dal microscopio
elettronico, che mostra zone opache uniformi in corrispondenza della
cromatina condensata e una specie di feltro indistinto, in cui si intra-
vedono alcuni filamenti isolati, in corrispondenza della cromatina
dispersa. La struttura pi fine  connessa con la funzione degli istoni.
Osservando al microscopio elettronico dei nuclei rigonfiati per immersione
in un ambiente molto diluito e successivamente distesi, si notano delle
serie d perle disposte a intervalli regolari lungo un filamento molto
sottile. Questo filamento fa parte della molecola di DNA, e ognuna delle
piccole masse  un nucleosoma di 9 nm di diametro, formato da otto molecole
di istoni (di quattro tipi diversi, ripetuti due volte). Intorno a
ciascun nucleosoma il DNA compie poco pi di due giri, corrispondenti a
140 nucleotidi; un altro istone pi grande  affiancato alla porzione
rettilinea, comprendente da 50 a 60 nucleotidi. Normalmente da sei a dieci
nucleosomi sono riuniti in un granulo pi grande e questi granuli sono
avvolti in un'elica pi o meno regolare. formando dei filamenti di diametro
variabile dai 30 ai 50 nm, che sono visibili con un rapporto di
rigonfiamento leggermente minore e che s'intravedono anche nelle sezioni
di cromatina dispersa.
Gli istoni provenienti dal citoplasma formano un supporto che
permette, grazie all'avvolgimento, di ridurre la lunghezza totale del DNA
di cento volte, il che porta per a un aumento d'ingombro. Agli istoni
si aggiungono varie altre proteine che regolano la trascrizione,
ripiegano il DNA o ancorano la cromatina all'involucro nucleare: secondo
alcuni, in tutto il nucleo vi  anche una specie di trama proteica che
rende stabile l'insieme. Pur non essendo visibile nei nuclei normali, il
DNA non  disposto ad anello n in un unico pezzo, ma  diviso in
filamenti separati, ognuno dei quali fornir un cromosoma al momento
della divisione. Il numero dei cromosomi, caratteristico di ciascuna
specie, la loro evoluzione e la loro distribuzione sono cos importanti
che vi dedicheremo due capitoli, il IX e il X.
La formazione degli RNA messaggeri  pi complicata che nei
procarioti. Poich la cromatina condensata  inattiva, i messaggeri si
formano solo dove la cromatina  dispersa: se infatti introduciamo un
precursore marcato di RNA, l'uridina al trizio, solo in quella
zona (come pure nel nucleolo o nei nucleoli), si manifesta una radioattivit.
Malgrado il suo volume, la cromatina dispersa contiene solo un'esigua
percentuale di DNA, e di questa solo una piccola parte viene portata, in
ogni istante, a trascrivere la propria informazione. La parte di cromatina
dispersa non  la stessa nei vari tipi di cellule, e ci  comprensibile
se si pensa che - a parte le reazioni chimiche che si svolgono continuamente
in tutte le cellule (metabolismo) - la maggior parte di esse sono
specializzate in una particolare attivit, che richiede di produrre una
sola o pochissime proteine speciali supplementari. I granuli intercromatinici
(puntini circondati da un alone vuoto, gi noti da parecchi anni) sarebbero
dei messaggeri maturi diretti verso il citoplasma.
Fra le catene srotolate di nucleosomi si scorgono ogni tanto dei
grossi granuli pressoch esagonali disposti a grappolo, formati da proteine
specifiche; dopo la trascrizione, i precursori di m-RNA, talvolta
allungati e irregolari, si associano a queste proteine.
La porzione di DNA contenente l'informazione relativa a una data proteina
 molto pi lunga di quanto non farebbe prevedere il numero degli
amminoacidi nella catena polipeptidica, tenuto conto che il rapporto numerico
fra le basi nel DNA e gli amminoacidi nella proteina  di tre a uno. Sul DNA
la trascrizione dei precursori dei messaggeri comincia due o tre spire a
valle di una serie di nucleotidi di timina e adenina (TA-TA box): gran parte
di questo RNA in eccesso verr tuttavia eliminata sul posto. I precursori
formano dei riccioli sulle proteine dei granuli esagonali; alcuni enzimi ne
staccano dei grossi segmenti e altri riuniscono per giunzione i frammenti
rimasti. In nessun messaggero maturo, nemmeno in quelli di piccole dimensioni,
la sequenza corrispondente del DNA  in un unico pezzo: essa  invece
ripartita in pi segmenti separati, il cui numero pu giungere talvolta a
qualche decina (Il termine gene designa la porzione di DNA che reca
l'informazione corrispondente alla sintesi di una proteina ben definita; nei
procarioti su ogni messaggero  trascritto il contenuto di parecchi geni,
mentre negli eucarioti ogni gene  presente in pi frammenti. Cercheremo
pertanto di evitare il pi possibile questo termine, anche se
tradizionalmente usato).
A differenza che nei procarioti, negli eucarioti ogni messaggero
corrisponde a una sola catena polipeptidica: all'estremit iniziale vi  un
nucleotide particolare, sormontato da una cuffia proteica, mentre
all'altra estremit  legata una serie di oltre un centinaio di nucleotidi
identici (acidi adenilici; basi-A-A-A-A-A) che non verr utilizzata.
Le sequenze di DNA trascritte ma non tradotte sono dette introni,
mentre quelle che si trovano nei messaggeri maturi sono dette estroni
la lunghezza complessiva dei primi  molto maggiore di quella dei
secondi. Poich inoltre quasi i nove decimi del DNA non vengono mai
trascritti, per l'informazione relativa alla sintesi proteica  sufficiente
una piccolissima parte di esso. Le sequenze non tradotte hanno spesso
una composizione variabile, il che indica che le loro funzioni sono
meno definite si discute molto su quale sia il loro ruolo.

2. I nucleoli e la costruzione dei ribosomi
Fra le strutture nucleari osservabili al microscopio ottico si notano
immediatamente (bench il loro diametro superi di rado un paio di micron)
una o pi piccole masse, molto rifrangenti e quindi molto dense, i
nucleoli. In un essere vivente gli spostamenti e i cambiamenti di forma di
questi nucleoli sono indice di una grande attivit cellulare quando le
sintesi proteiche in corso sono molto intense, essi possono diventare enormi
e occupare fino a un quarto del volume del nucleo. La loro composizione
 assai diversa da quella della cromatina non vi  un DNA facilmente
individuabile, mentre vi  una forte concentrazione di RNA.
Il nucleolo non  delimitato rispetto al resto del nucleo ed  talvolta
circondato da una specie di crosta di cromatina condensata. Col
microscopio elettronico si individuano tre parti embricate fra loro.
La pi estesa di esse, la zona granulare,  piena di granuli di grandezza
variabile tra 12 e 15 nm, ricchi di RNA e di proteine; a pochissima
distanza vi sono delle zone fibrillari con fitti filamenti di RNA non
legati a proteine; queste zone sono spesso situate ai margini di centri
fibrillari poco densi, che al confronto sembrano quasi vuoti e in cui
s'intravedono radi filamenti di DNA, molto sottili e dispersi.
Trattando i nucleoli con uridina al trizio. dopo meno di un minuto si nota
una radioattivit nelle zone fibrillari ai margini dei centri. Se si lasciano
passare dieci minuti prima di fissare il preparato, l'RNA radioattivo
neoformato raggiunge le zone granulari; dopo mezz'ora o pi la radioattivit
si  spostata verso il citoplasma, nelle zone in cui sono presenti dei
ribosomi.
I nucleoli sono il luogo di assemblaggio dei ribosomi; in essi degli
acidi ribonucleici (r-RNA) vengono sintetizzati mediante la trascrizione
di particolari sequenze del DNA (gli organizzatori nucleolari) che,
contrariamente alla maggior parte delle altre, esistono in centinaia di
copie in ogni nucleo. Se si fanno rigonfiare i nuclei di un materiale
particolarmente favorevole come le uova di anfibio, si vedono i filamenti
neoformati di r-RNA ancora attaccati alla molecola di DNA:
contrariamente ai precursori dei messaggeri nella cromatina, essi sono
srotolati. Poich la trascrizione di ciascun filamento comincia con un
leggero ritardo rispetto a quella del precedente, essi sono sempre pi
corti, dando origine a configurazioni ad albero di Natale.
Ognuno dei precursori dell'r-RNA si scinde poi in altri tre pi corti
e ci che resta viene eliminato; parecchie decine di proteine provenienti
dal citoplasma (e un RNA supplementare di origine cromatinica)
vengono associati agli r-RNA, formando i granuli visibili nelle zone
granulari, dove le due unit ribosomali, la grande e la piccola, si
raggruppano in quantit enormi per poi passare ad una ad una nel citoplasma.

3. L'involucro nucleare
L'involucro nucleare  una delimitazione che appare, anche al
microscopio ottico, pi netta che non la membrana plasmatica esterna. Il
micromanipolatore mostra che  resistente ed elastico; se viene lacerato,
il contenuto del nucleo si spande nel citoplasma. In genere l'involucro
sparisce al momento della divisione cellulare per ricostituirsi in seguito.
L'involucro  formato da due foglietti, aventi ciascuno una struttura
analoga a quella delle altre membrane cellulari e separati da un interstizio
di larghezza variabile dai 10 ai 100 nm. Il foglietto interno 
rivestito da uno strato denso pi o meno spesso, la lamina, formata da
proteine (lamine) simili a quelle dei filamenti intermedi del citoplasma.
Le lamine si associano tra loro formando un reticolo regolare
a maglie quadrate, a cui si agganciano i filamenti di cromatina.
Spesso numerosi ribosomi sono affiancati al lato citoplasmico del
foglietto esterno; quest'ultimo  in continuit con le membrane che
delimitano le cavit del reticolo endoplasmico del citoplasma, cos
che l'interstizio fra i due foglietti prosegue all'interno del reticolo.
In molti punti i due foglietti dell'involucro si ricongiungono tra
loro, originando nell'involucro stesso dei pori che aumentano
di numero quando la cellula diventa pi attiva. I pori, a simmetria
ottagonale, hanno un diametro apparente di circa 80 nm e sono contornati,
sia sul lato interno che su quello esterno, da otto granuli proteici
(in tutto quindi sedici). Rimane cos un passaggio libero formato da un
breve canale di 9 nm di diametro: il trasferimento diventa difficoltoso
per le molecole con peso maggiore di 10.000 dalton e impossibile per
quelle con peso maggiore di 60.000 dalton. Alcune proteine di trasporto
situate sull'orlo dei pori riconoscono certi complessi di media grandezza,
li selezionano e ne favoriscono il passaggio.
Questo fatto  dimostrabile con un bell'esperimento. Supponiamo di marcare
una proteina nucleolare a forma di fiore, dotata di un grosso centro
tondeggiante circondato da petali radiali: i singoli petali, iniettati nel
citoplasma di un uovo di anfibio, passano con facilit nel nucleo, dove si
riscontra una radioattivit. Il grosso centro rimane bloccato, ma l'intera
molecola, pur essendo ancora pi voluminosa, penetra senza difficolt
in quanto vengono riconosciuti i petali.
Probabilmente i ribosomi attraversano l'involucro nella stessa
maniera, e il granulo che talvolta  visibile al centro dei pori potrebbe
essere il segno del loro passaggio. Il traffico pu essere notevole: 
stato calcolato che attraverso ogni poro di una cellula molto attiva
entrano 100 molecole di istoni ed escono tre ribosomi al minuto.

VI) Il citoplasma fondamentale
Il citoplasma  la parte pi voluminosa della cellula ed  quella
morfologicamente pi diversificata: per farsene un'idea esauriente
bisogna associare tra loro pi tecniche di analisi, capaci di mettere in
evidenza i diversi aspetti. Con il microscopio ottico si distinguono vari
organuli dispersi in un ambiente apparentemente uniforme, il citoplasma
fondamentale o ialoplasma. Il microscopio elettronico consente
di precisare la struttura dello ialoplasma e di notare che esso non 
affatto omogeneo; per identificarne il ruolo dei vari compartimenti
occorre per isolarli in quantit sufficienti per poter definirne la
composizione e dedurne le attivit. Questa separazione si fa mediante la
centrifugazione frazionata, una tecnica essenziale che  alla base della
nostra comprensione della biologia molecolare.
Un frammento di organo, contenente milioni di cellule, viene disperso
meccanicamente: l'insieme passa nel sottile interstizio fra la parete di
un tubo e quella di un pistone che ruota a grande velocit, lacerando le
membrane plasmatiche e mescolando il contenuto di tutte le cellule. Questo
materiale spappolato subisce poi una serie di centrifugazioni sempre pi
veloci e prolungate. Si ottengono cos in fondo ai tubi di centrifugazione
degli strati di particelle sempre pi piccole: nuclei, mitocondri e altri
organuli, microsomi (frammenti di membrane con i ribosomi ad esso associati)
e infine uno strato galleggiante non sedimentoso, il citosol.

1. Sintesi proteiche e reticolo endoplasmico
Il citoplasma fondamentale  in volume la parte principale della
cellula, quella in cui si svolgono le sintesi proteiche, la glicolisi e quasi
tutte le attivit metaboliche. Talvolta esso  molto fluido, tanto che i
citoplasmi giganti a pi nuclei di alcune muffe (mixomiceti) passano
attraverso una carta da filtro senza cessare di vivere; per contro, alcune
cellule di mammifero rimangono rigide e non si distendono su un
supporto. Queste differenze sono dovute alla diversa quantit di due
componenti molto diversi: il reticolo endoplasmico e i filamenti del
citoscheletro.
La maggior parte del volume dello ialoplasma  continuo; un'altra
parte  isolata da membrane che circondano spazi pi o meno tondeggianti
e dispersi o che formano un complesso sistema di cavit collegate tra loro,
il reticolo endoplasmico. In alcuni punti queste membrane sono lisce,
mentre altrove hanno la faccia esterna ricoperta di ribosomi che
rendono granulare il reticolo endoplasmico. Queste membrane costituiscono
talvolta da sole una met di tutte le membrane cellulari e rappresentano
una barriera per molte molecole. Quando il reticolo  sviluppato, esso 
in continuit con l'interstizio dell'involucro nucleare.
Le sintesi proteiche si svolgono in due modi: spesso i ribosomi
riuniti lungo un messaggero formano un polisoma simile a un piccolo
grappolo. Le catene polipeptidiche prodotte si ripiegano o vengono
rimaneggiate e le proteine si diffondono nel citosol, verso il nucleo o
verso un organulo. In altri casi, dopo che un certo numero di amminoacidi
si sono assemblati, la traduzione si blocca finch il ribosoma non
si aggancia a uno speciale recettore situato sulla faccia esterna della
membrana del reticolo. La sintesi allora riprende e il polipeptide,
attraversata la membrana, si ripiega nell'interstizio. I ribosomi coinvolti
in questo tipo di sintesi si raggruppano spesso in polisomi spiraliformi
sulla superficie del reticolo, dove si possono scorgere collegati da un
sottile messaggero. Il percorso e la destinazione delle proteine
prodotte differiscono a seconda che esse vengano riversate nel citosol
o negli interstizi del reticolo.

2. Il citoscheletro
Le molecole di molte proteine possono associarsi facilmente tra
loro, senza grande dispendio di energia, in polimeri allungati formanti
lunghi filamenti destinati a costituire il citoscheletro, una specie di
armatura pi o meno rigida. Se le condizioni cambiano leggermente, le
molecole si disperdono con grande rapidit, ma sono pronte a ricomporsi;
da esse dipendono i movimenti all'interno del citoplasma e la
maggior parte degli spostamenti dell'intera cellula. A meno che non
siano disposti in fasci spessi, i filamenti del citoscheletro sono troppo
sottili per essere visti al microscopio ottico; d'altra parte, nelle sezioni
ultrasottili richieste dalla microscopia elettronica  possibile seguirli
solo per un tratto troppo breve. Una decina di anni fa sono stati
introdotti dei reattivi fluorescenti molto specifici che hanno finalmente
permesso di osservare le disposizioni e le modificazioni dei filamenti in
una cellula vivente intera.
I pi spessi fra questi elementi allungati sono formati da una proteina
del peso molecolare di 50.000 dalton, la tubulina, costituita sempre
da dimeri. I dimeri si raggruppano in cerchi sovrapposti di 13 unit,
formando un microtubulo cavo di 20 nm di diametro. I microtubuli
non si biforcano mai, sono rigidi e rettilinei come una canna da pesca,
talvolta sono numerosi e paralleli, non formano mai fasci compatti e
non vengono a contatto con la membrana plasmatica nemmeno quando
sono, come nelle cellule vegetali, quasi tangenti ad essa. I microtubuli,
che sono paragonabili ai montanti tubolari dell'armatura di un
tendone, conferiscono a certe cellule una forma allungata; le loro
estremit non sono identiche, perch mentre una di esse (+) cresce
facilmente utilizzando la tubulina presente in soluzione nel citosol,
l'altra (-) si forma pi lentamente e si depolimerizza con facilit.
L'allungamento dei microtubuli ha inizio da centri che ne orientano la
costruzione: il pi evidente fra essi  il centro cellulare, essenziale per
la mitosi animale.
Del tutto diversa  l'actina, che costituisce fino al 10 per cento (e anche
pi) delle proteine cellulari. L'actina isolata ha un peso molecolare di
42.000 dalton,  globulare e si dispone in lunghe serie di microfilamenti
sottili, costituiti da due catene che si avvolgono l'una intorno
all'altra in un'elica a passo lungo. Questi filamenti, del diametro di
6-7 nm, possono rimanere isolati, biforcarsi, formare dei fasci di tensione
importanti oppure disporsi in tenui reticoli irregolari a maglie pi o
meno fitte; a differenza dei microtubuli, essi si agganciano alla faccia
interna della membrana e sono paragonabili ai tiranti che sostengono i
teli di un tendone, a parte il fatto che sono sempre interni al
citoplasma. Sono presenti in gran numero nelle digitazioni e nei microvilli
che sporgono dalle cellule. I microfilamenti di actina si formano e si
disintegrano alla velocit di 10 micron al secondo; spesso si allungano a
un'estremit (+) mentre si disfanno all'altra (-), e questo spostamento
 legato a una specie di va e vieni delle stesse molecole. Ci dimostra
che le due estremit sono diverse. La disposizione dei microfilamenti
pu modificarsi rapidamente in seguito a variazioni nella concentrazione
del calcio, in seguito alla presenza di ATP o per l'influenza di
varie proteine annesse, che fanno passare le frazioni interessate del
citoplasma da una grande fluidit (stato di sol) a una consistenza
semisolida (stato di gel) o viceversa.
La miosina  una proteina la cui forma ricorda quella di una nota
sul pentagramma: la testa, che corrisponde al corpo della nota,  un
enzima capace di sottrarre un fosfato all'ATP liberando energia.
Spontaneamente quest'attivit  debole, ma cresce notevolmente in presenza
di filamenti di actina, facendoli scorrere rispetto alla miosina. Le
molecole di quest'ultima si associano in fasci, con le code situate
parallelamente nell'asse e le teste rivolte verso l'esterno a formare dei
microfilamenti spessi, del diametro di circa 12 nm. Purtroppo i
filamenti di miosina (tranne quelli di alcuni muscoli) si dissolvono
quando vengono preparati per la microscopia e quindi la loro disposizione
non  esattamente nota.
Questi tre tipi di microfilamenti sono presenti in quantit variabili
in tutte le cellule animali e vegetali. Vi sono poi una mezza dozzina di
altri tipi, detti intermediari, del diametro di circa 9 nm, che sono
annessi ai precedenti o svolgono ruoli specifici in particolari cellule.

3. Movimenti del citoplasma
I citoplasmi vegetali sono quelli che presentano i movimenti pi
rapidi: la loro ciclosi, affascinante da osservare, trascina mitocondri,
cloroplasti, vacuoli e talvolta anche il nucleo in un continuo girotondo.
Il flusso rallenta, si ferma o s'inverte e le travate cambiano forma
e posizione, si rigonfiano o spariscono, mentre altre ne nascono. Al
microscopio la velocit della ciclosi sembra notevole, ma un semplice
calcolo mostra che i suoi pochi micron al secondo corrispondono solo
a qualche cm all'ora. Si ritiene che la ciclosi sia dovuta allo
scorrimento dei filamenti di miosina, agganciati a organuli e a inclusioni,
rispetto ai filamenti di actina del citoscheletro; la piccolissima quantit
di energia necessaria per mantenere in atto questo processo  tratta
dalla fotosintesi. Quando si colloca la cellula al buio, la ciclosi rallenta
o si ferma, salvo a riprendere se s'illumina di nuovo la cellula. La
ciclosi garantisce un efficace mescolamento delle molecole nel citoplasma
vegetale, disposto in uno strato sottile in cui la semplice diffusione
sarebbe troppo lenta.
La viscosit del citoplasma delle cellule animali  troppo elevata
per consentire movimenti cos rapidi; molte cellule si spostano invece
su un supporto solido mediante movimenti ameboidi, che abbiamo gi
esaminato nell'ameba. Essi sono troppo lenti per essere osservati
direttamente, ma  possibile studiarli scattando una sequenza di
fotogrammi a intervalli di uno o pi secondi e facendola poi scorrere con
la velocit di un film. Per comprendere meglio il fenomeno si possono
utilizzare semplici esperimenti su fibroblasti viventi posti su un
supporto in coltura.
Quando la cellula  immobile i filamenti di actina sono riuniti in fasci
che attraversano tutto il citoplasma e si ancorano sulla faccia interna
della membrana plasmatica; in seguito una zona periferica del citoplasma
diviene sottile e trasparente e assume una leggera vibrazione, in quanto
la superficie plasmatica  trascinata da un moto rotatorio
che procede dalla faccia inferiore della cellula verso quella superiore.
La membrana emette delle sottilissime spicule, una specie di digitazioni
che sembrano tastare il supporto antistante, e in alcuni punti si aggancia
al supporto mediante placche di adesione.
Nella zona periferica sottile i filamenti di actina si dispongono in un
tenue reticolo legato alla faccia interna delle placche di adesione da una
speciale proteina. La massa del citoplasma, divenuta pi fluida grazie anche
alla diversa ripartizione dei microfilamenti, s'introduce (o viene spinta)
nell'interstizio fra le due membrane della zona vibrante, e l'intera cellula
avanza da questa parte. Il fenomeno si ripete poi in un'altra zona periferica
della cellula, che quindi procede pi o meno a zig-zag.
I ruoli dell'actina e dei microtubuli in questi movimenti possono essere
evidenziati da esperimenti con veleni di origine vegetale. La citocalasina
blocca l'estremit + dei filamenti di actina, impedendo ogni crescita o
modifica; essa immobilizza la zona di membrana vibrante e blocca qualsiasi
movimento. La colchicina e la vinblastina disgregano invece i microtubuli,
rendendo possibili solo movimenti del tutto caotici; le zone periferiche
vibranti compaiono qua e l senza alcuna coordinazione e nell'insieme
la cellula oscilla ma non si sposta.
Durante lo sviluppo embrionale molte cellule migrano; negli animali
adulti, a spostarsi sono soprattutto alcune cellule del sangue, i leucociti,
organi principali di lotta contro ogni elemento estraneo (batteri o virus)
o diverso (cellule di trapianto o cancerose). I leucociti entrano o
escono dai vasi capillari, insinuandosi fra le cellule della loro parete
(diapedesi) e vanno a inserirsi nei tessuti fra altre cellule pi
sedentarie; possono muoversi sia come i fibroblasti, sia come
le amebe, mediante pseudopodi aventi una funzione analoga a quella
delle zone periferiche vibranti.
Durante questi movimenti nessuno dei filamenti si contrae: gli
spostamenti sono prodotti solo da scorrimenti reciproci, proprio come
avviene nella contrazione dei muscoli striati. Questi ultimi contengono
infatti delle serie molto regolari di miofilamenti spessi (miosina) o
sottili (actina) alternati, che scorrono gli uni rispetto agli altri;
l'insieme si accorcia con forza sufficiente a coinvolgere strutture molto
pi grandi. In altri casi actina e miosina possono associarsi
temporaneamente per adempiere determinate funzioni specifiche.

VII) Gli organuli e le loro funzioni
Gli organuli sono strutture visibili al microscopio ottico, disperse
nel citoplasma fondamentale e nettamente distinte da esso.

1. I mitocondri e la respirazione cellulare
I mitocondri sono gli organuli pi diffusi, presenti praticamente in
tutte le cellule degli eucarioti, sia piante che animali; si tratta
dell'unica parte della cellula che consuma ossigeno. Al microscopio ottico
appaiono come granuli o filamenti di lunghezza variabile da mezzo a
qualche micron; in alcune cellule si muovono poco e si trovano in
prossimit delle zone in cui il dispendio energetico  notevole, mentre in
altre cellule hanno forma e posizione continuamente variabili, anche se i
loro movimenti sono troppo lenti per essere percepiti direttamente. Un
piccolo linfocita poco attivo ne contiene solo un piccolo numero, mentre
in una cellula epatica ve ne sono parecchie migliaia, che occupano un
quinto del volume totale. I mitocondri sono stati definiti le centrali
elettriche della cellula: sono infatti i principali fomitori di energia
sotto forma di ATP, essendo sede della respirazione cellulare (capitolo II).
Il loro aspetto ultrastrutturale  chiaramente riconoscibile. Due
membrane, l'una esterna l'altra interna, delimitano due spazi, quello
compreso fra le membrane stesse e quello matriciale. Le creste,
costituite da ripiegamenti della membrana interna, penetrano profondamente
nella matrice o l'attraversano; nelle normali sezioni le cavit da
esse delimitate sono strette, ma in alcuni stati funzionali
lo spazio fra le membrane si allarga a spese del volume matriciale.
 possibile recuperare gli enzimi del ciclo di Krebs della matrice e
ottenere in soluzione la degradazione dell'acido piruvico e la
riduzione degli accettori di idrogeno (NAD in NADH, eccetera); ma la
catena respiratoria diviene inefficiente se si distruggono mediante
detersivi le membrane, la cui integrit  indispensabile per il funzionamento
della catena. Le membrane dei mitocondri hanno un notevole contenuto
proteico (pari al 70 per cento, mentre nella membrana plasmatica  un po'
minore del 50 per cento); le proteine di trasporto contenute nell'involucro
esterno (porine) facilitano il passaggio delle molecole con peso minore
di 10.000 dalton, cos che la composizione dello spazio tra le membrane 
simile a quella del vicino citosol. La membrana interna  molto pi selettiva
e non consente la diffusione passiva di ioni; essa ingloba le proteine
intermediarie della catena respiratoria e presenta inoltre, dal lato della
matrice, un gran numero di particelle di 9 nm di diametro, situate su un
breve stelo.
Isolate, queste particelle (dette F1) decompongono l'ATP.
Due esperimenti aiutano a capire alcuni punti fondamentali della teoria
generalmente accettata sul funzionamento di questo complesso. Nello spazio
compreso fra le membrane il pH  minore che nella matrice, e tra le due
facce della membrana interna vi  una differenza di potenziale elettrico.
In effetti gli accettori ridotti dal ciclo di Krebs (NADH, eccetera)
consegnano l'idrogeno al primo anello della catena respiratoria e
da qui i protoni H+ vengono inviati verso lo spazio tra le membrane,
mentre gli elettroni (e-) passano sugli intermediari seguenti. Questa
differenza di potenziale tra le due facce della membrana costituisce
una pompa a protoni che accumula energia potenziale.
Un esperimento molto diverso consiste nel far s che particelle F1
isolate siano assorbite dalla superficie esterna di vescicole lipidiche
artificiali; se in esse si produce un eccesso di ioni H+, questi escono
attraversando le particelle, e ci fornisce loro l'energia necessaria
per associare all'ADP un fosfato supplementare. L'F1  un'ATP sintetasi
che agisce qui in senso inverso rispetto a quando  isolata; questa
reversibilit in relazione alle circostanze  peraltro una propriet
generale degli enzimi.
Lo stesso processo si ripete tre volte attraverso la membrana interna, a
livelli energetici via via decrescenti lungo la catena respiratoria,
finch protoni ed elettroni si uniscono all'ossigeno formando acqua
(L'ATP sintetasi corrispondente dei batteri aerobici si trova sulla
faccia interna della membrana plasmatica, che reca la catena respiratoria
e attraverso la quale agisce la pompa a protoni). La maggior parte
dell'ATP prodotto passa nel citoplasma e vi cede energia, ritrasformandosi
in ADP che ritorna nei mitocondri; tutto l'ATP viene cos idrolizzato e
rigenerato in media 1000 volte al giorno.
Altri caratteri dei mitocondri verranno esaminati, insieme alla loro
riproduzione, nel successivo paragrafo 3.

2. I cloroplasti e la fotosintesi
Accanto ai mitocondri, la maggior parte delle cellule vegetali posseggono
dei plastidi, colorati o no; tra essi i pi importanti sono i cloroplasti,
per lo pi verdi, in cui avviene la fotosintesi. In alcune alghe possono
esservi in ogni cellula una sola o poche grandi placche o lamine verdi
(cromatofori) la cui forma  caratteristica del genere; nelle piante superiori
solo le cellule verdi contengono i cloroplasti, che sono i pi grandi fra gli
organuli del citoplasma. Essi hanno forma di lente piano-convessa, con la
faccia piana rivolta verso la membrana plasmatica, e misurano da 3 a 6 micron;
sono disseminati di granuli verdi, i grana, contenenti le clorofille, e
di inclusioni rifrangenti, i granuli di amido (forma vegetale di deposito
dei glucidi), aventi in ogni specie un aspetto caratteristico.
Due membrane parallele circondano completamente il cloroplasto, che
 attraversato da parte a parte da membrane di un terzo tipo, dette tilacoidi,
disposte in lunghe travate doppie tra cui rimane una sottile cavit. In
alcuni punti di queste travate si formano dei sacchetti appiattiti aventi le
membrane a contatto, la cui sovrapposizione d origine ai grana.
Vengono cos delimitati tre spazi: quello tra le due membrane periferiche,
lo stroma e lo spazio fra le membrane tilacoidi. Quest'ultimo, molto stretto,
 continuo grazie a delle finestre che mettono in comunicazione i
sacchetti successivi e in cui si aprono anche le cavit delle lunghe
travate. I complessi proteici e pigmentali sono inclusi nello spessore
delle tilacoidi, e in essi sono visibili per contrasto negativo, come
nei mitocondri, delle particelle F1 rivolte verso lo stroma. Tutti i
cloroplasti di una stessa cellula sono orientati parallelamente, in modo
da ricevere un'adeguata quantit di raggi luminosi: ci che qui conta sono
soprattutto certe disposizioni spaziali della fotosintesi (capitolo II).
La membrana esterna  molto permeabile, mentre quella interna  ricca di
proteine di trasporto; le membrane pi interessanti sono peraltro le
tilacoidi. Gli elettroni sottratti alle clorofille dai fotoni perdono
gradualmente la loro energia lungo una catena di intermediari, facendo
funzionare una pompa a protoni che accuniula H+ negli spazi tra le
tilacoidi. Con un meccanismo analogo a quello dei mitocondri, gli elettroni
escono verso lo stroma, fornendo energia all'ATP sintetasi (F1) che aggiunge
un fosfato all'ADP.
Quando hanno raggiunto un livello di attivazione sufficiente, gli elettroni
riducono degli accettori di idrogeno (in questo caso NADP). Il sistema
pigmentale II (che libera ossigeno)  pi abbondante dove le membrane
tilacoidi sono affiancate, mentre il sistema I (e l'ATP sintetasi) sono pi
diffusi dove esse sono a contatto con lo stroma.
Quest'ultimo  fluido e contiene gli enzimi del ciclo di Calvin. Normalmente
per ogni CO2 fissato vengono utilizzati tre ATP e due NADPH; se si fornisce
CO2 marcato, le molecole radioattive neoformate hanno per lo pi tre atomi
di carbonio (C3), e a partire da esse vengono sintetizzati nel citosol dei
glucidi a sei atomi di carbonio e poi del saccarosio (a due anelli, ciascuno
di sei atomi di carbonio). Il saccarosio torner verso i cloroplasti,
dove sar polimerizzato in amido e messo in deposito nello stroma.
Quest'ultimo svolge anche altre attivit: in esso vengono costruiti degli
acidi grassi e l'azoto viene ridotto a una forma utilizzabile per le sintesi
cellulari.

3. Mitocondri e cloroplasti, organuli che si autoriproducono
I cloroplasti non vengono costruiti ex novo nel citoplasma, ma nascono
sempre dai proplasti, che sono incolori, un po' pi piccoli e privi di
struttura (a parte le due membrane); essi sono contenuti nella
maggior parte delle cellule vegetali non verdi (I proplasti possono
differenziarsi in cromoplasti, numerosi nelle cellule di pomodoro o
carota. Privi di membrane interne, essi contengono goccioline lipidiche,
colorate dai caroteni rossi o gialli. In autunno le clorofille (ma non i
caroteni) scompaiono in molte foglie, e i cloroplasti si trasformano in
cromoplasti.).  la luce a provocare la trasformazione dei proplasti in
cloroplasti, con lo sviluppo delle membrane tilacoidi e la sintesi delle
clorofille. Se una cellula perde i suoi plastidi, n essa n le sue
discendenti possono ricostruirli; se ad esempio un'euglena (alga
unicellulare flagellata) viene trattata con la
streptomicina, che ne distrugge i cloroplasti, n essa n i suoi discendenti
li ricupereranno, anche se in un ambiente molto nutritivo potranno
sopravvivere. Vien fatto di chiedersi se i cloroplasti siano organismi a s,
viventi in simbiosi nella cellula vegetale e capaci di autoriprodursi; e le
stesse domande si pongono per i mitocondri. La continuit strutturale di
questi ultimi  pi difficile da dimostrare, perch sono pi piccoli; ma
talvolta  possibile vedere immagini molto suggestive della loro divisione,
e alcuni lipidi presenti nelle loro membrane sono ancora rinvenibii, dopo
molte generazioni di cellule, sui mitocondri dei discendenti.
L'informazione ereditaria e il sistema di sintesi proteica dei cloroplasti
e dei mitocondri sono contenuti nello stroma per i primi e nella
matrice per i secondi. In questi organuli vi sono sempre degli anelli di
DNA non legato a istoni, trascritto in RNA messaggeri, e dei ribosomi,
pi piccoli di quelli che si trovano nel citoplasma della stessa cellula.
Il meccanismo generale delle sintesi proteiche  lo stesso che altrove,
con qualche variante: alcuni codoni dei mitocondri hanno un altro
verso e alcuni dei loro t-RNA sono di tipo particolare. Tuttavia questi
organuli non sono del tutto capaci di autoriprodursi, perch la quantit
d'informazione contenuta nel loro DNA  limitata (da 120 a 200.000 coppie
di basi nei cloroplasti delle piante superiori e dieci volte di meno nei
mitocondri animali). Nei mammiferi i mitocondri costruiscono soltanto due
RNA ribosomali, 22 t-RNA e 13 proteine, tra cui una parte dell'ATP
sintetasi; tutte le altre proteine - e sono centinaia - provengono dal
citoplasma e dipendono dal DNA del nucleo. L'informazione contenuta nei
mitocondri delle cellule vegetali  invece molto pi ampia e variabile. Il
DNA dei cloroplasti presiede alla maggior parte delle loro sintesi, sia
proteiche che lipidiche. Le proteine costruite nell'organulo non sono state
tutte identificate, ma costituiscono spesso solo alcune catene peptidiche,
mentre il resto di queste molecole si forma nel citoplasma. Il DNA dei
mitocondri  soggetto come ogni altro a mutazioni e le sue anomalie sono
ereditarie, il che ha permesso di dimostrare che nei mammiferi vengono
utilizzati dall'uovo solo i mitocondri materni: le mutazioni non sono
infatti trasmissibii dal padre al figlio, perch i mitocondri dello
spermatozoo scompaiono dall'uovo fecondato.
Qual  l'origine di queste singolari propriet? Vi sono parecchie affinit
fra questi due tipi di organuli e i procarioti: i loro DNA ad anello privi
di istoni sono analoghi, gli r-RNA hanno sequenze molto simili e i loro
ribosomi assomigliano a quelli dei batteri, nel senso che gli uni e gli
altri sono sensibili al cloramfenicolo, che invece non agisce
sui ribosomi del citoplasma di eucarioti, e non sono, al contrario di questi,
sensibili alla cicloeximide. Si ritiene che i cloroplasti e i mitocondri siano
lontanissimi discendenti di batteri in cui si erano sviluppati gli importanti
sistemi di mobilizzazione dell'energia costituiti dalla respirazione cellulare
e dalla fotosintesi. Quei batteri vissero in simbiosi, forse pi di 1500
milioni di anni fa, all'interno delle cellule di eucarioti, apportando ad
esse energia e beneficiando di un ambiente favorevole, e nel tempo hanno
ceduto gran parte della loro informazione ereditaria al nucleo. Date le
anomalie del codice genetico dei mitocondri, diverse secondo i vari gruppi
di eucarioti,  probabile che quest'associazione si sia prodotta pi volte.
Sono state del resto scoperte analoghe simbiosi di eucarioti unicellulari
con cianobatteri oppure, dopo la perdita talvolta fortuita dei loro
mitocondri, con batteri aerobici.

4. L'apparato di Golgi e il trasporto delle molecole
Nel 1898 Camillo Golgi, trattando alcune cellule nervose con sali di
cromo e d'argento, vi scopr un fine precipitato di forma reticolare. In
altri tipi di cellula la stessa tecnica rivela delle specie di cupule pi o
meno collegate fra loro, spesso vicine al nucleo. Poich a quel tempo
nelle cellule viventi o non colorate non si riusciva a distinguere nulla,
la controversia sull'esistenza di questo apparato reticolare interno
continu a imperversare per mezzo secolo, finch fu risolta dal
microscopio elettronico. Tutti i citoplasmi vegetali e animali contengono
impilamenti di piccole sacche circolari schiacciate, in numero variabile
da due a dieci, leggermente ispessite in periferia, da cui sembrano
avere origine diversi vacuoli. Questi sacculi non recano mai ribosomi.
sono serrati fra loro e delimitano delle fessure allungate pi strette di
quelle del reticolo endoplasmico. Gli impilamenti corrispondono
alle cupule elementari visibili al microscopio ottico, i
dictiosomi di Golgi, che possono collegarsi fra loro in modo complesso,
dando l'impressione di un reticolo. Spesso l'insieme  situato nei
pressi del centro cellulare, bench fra i due organuli non siano state
trovate relazioni. Le due facce dei dictiosomi, quella convessa (cis) e
quella concava (trans), non sono equivalenti: i vacuoli associati sono
pi numerosi e le membrane sono pi spesse sulla faccia trans, e alcuni
enzimi sono presenti solo su di essa. L'apparato di Golgi ha un ruolo
essenziale nella maturazione, nel movimento e nella ripartizione di
grosse molecole verso certi compartimenti della cellula e verso l'esterno.
Le cellule esocrine del pancreas costruiscono grandi quantit di enzimi
digestivi che sono trasferiti nell'intestino. Se queste cellule vengono
trattate con lisina (un amminoacido) resa radioattiva, dopo tre minuti essa
 rinvenibile nelle cavit del reticolo endoplasmico rugoso, molto sviluppato,
in cui avviene la sintesi di queste proteine. Se si ritarda di venti minuti
la fissazione del preparato, impedendo alla cellula di continuare a
utilizzare il precursore marcato, si nota che la radioattivit si 
spostata verso i dictiosomi di Golgi. Dopo due ore alcuni granuli di
secrezione risultano marcati; in seguito essi scaricheranno all'esterno
il loro contenuto.
I particolari di questi trasferimenti sono difficili da chiarire, essendo
visibili solo al microscopio elettronico, che per non permette di
esaminare le cellule in movimento. Alcune estremit delle cavit del
reticolo endoplasmico, situate nei pressi dell'apparato di Golgi, si
richiudono formando delle vescicole, che si spostano per andare
probabilmente a fondersi con altre e formare il primo sacco cis di Golgi.
I sacculi non sono in continuit tra loro; si ritiene che le proteine
avanzino nel dictiosoma mediante le numerose microvescicole visibili alla
sua periferia. Le membrane dei sacculi trans sono pi spesse e ad esse
sono associati altri enzimi: su questa faccia hanno origine vari vacuoli,
le vescicole spinose e i granuli di secrezione.
La maggior parte delle vescicole spinose (che hanno un diametro d
circa 50 nm) fanno la spola con la membrana plasmatica portandovi,
fra le altre, alcune proteine che hanno ricevuto nell'apparato di Golgi
un'aggiunta di glucidi. La parete delle vescicole  rivestita di clatrina,
una proteina con tre bracci allungati e ricurvi (una specie di svastica a
tre uncini) che delimita un involucro poliedrico caratteristico.
Le vescicole forniscono alla membrana i loro costituenti, riportandone
altri che saranno poi riciclati (capitolo VIII). Alcune di esse portano
degli enzimi dall'apparato di Golgi agli endosomi, trasformando questi in
lisosomi. Nelle cellule ghiandolari alcuni vacuoli isolati dell'apparato
di Golgi concentrano il loro contenuto perdendo acqua e producono
dei granuli di secrezione densi, sferici, del diametro di circa un micron,
delimitati sempre da una membrana essi vengono messi in deposito
e riversano poi all'esterno il loro contenuto. L'apparato di
Golgi regola gli spostamenti delle proteine formate nel reticolo
endoplasmico e i trasferimenti di cellule verso l'esterno; dopo la loro
sintesi queste proteine sono completamente separate dal citosol, dove
potrebbero distruggere altre molecole (vedi il paragrafo seguente), reagire
con altri componenti o subire esse stesse delle modifiche. I glucidi
polimerizzati prodotti da alcune cellule sono assemblati nell'apparato di
Golgi e da qui avviati verso la loro destinazione finale: le cellule vegetali
costruiscono cos il loro involucro di cellulosa. In alcune cellule
ghiandolari animali, che secernono notevoli quantit di muco glucidico,
i dictiosomi possono essere cos numerosi da occupare la maggior parte del
citoplasma.

5. I lisosomi, agenti della digestione intracellulare
Alcuni preparati di mitocondri, isolati per centrifugazione, si sono
rivelati aberranti e inutilizzabili per lo studio biochimico perch
contenenti tutta una serie di enzimi idrolizzanti (Un enzima  detto
idrolizzante quando ha la specifica funzione di rompere un legame chimico,
aggiungendo da un lato un H e dall'altro un OH proveniente  da una molecola
d'acqua H2O; in questo modo le molecole si dividono in componenti pi
piccoli.), capaci di distruggere le proteine che ci si aspettava di trovare:
questi preparati erano stati contaminati dal contenuto dei lisosomi, che
sono di dimensioni simili ai mitocondri ma molto diversi da loro.
I lisosomi hanno una membrana fortemente impermeabile, contenente
delle glicoproteine (proteine legate a glucidi). Il contenuto dei
lisosomi  acido ed  costituito da vari enzimi idrolizzanti (fino a una
quarantina) capaci di spezzare legami di tipo molto diverso, da quello
peptidico a quelli che uniscono i fosfati alle molecole organiche o a
quelli fra gli anelli dei glucidi. Se si spandessero nel citosol questi
enzimi produrrebbero gravi danni, distruggendo molecole utili e
uccidendo la cellula: si pu osservare talvolta questo fenomeno quando, in
condizioni anormali, la membrana dei lisosomi si lacera (da qui la
denominazione melodrammatica di sacchi suicidi ad essi attribuita).
I lisosomi sono gli agenti della digestione intracellulare e hanno due
bersagli possibili: o una parte pi o meno grande del citoplasma
(comprendente eventualmente un mitocondrio o altre strutture e racchiusa
da una membrana proveniente dal reticolo endoplasmico), oppure delle
particelle ingerite per fagocitosi. Oggi i lisosomi sono reperibili
col microscopio ottico per la presenza di fosfatasi acide; la loro
forma e le loro dimensioni sono molto variabili e non stupisce che prima
degli anni Cinquanta non sia stato possibile identificarli
fra tutta una serie di piccole inclusioni mal definite e accidentali. Al
microscopio elettronico essi appaiono tondeggianti o irregolari, opachi
agli elettroni e molto diversi dai mitocondri, in quanto dotati di una
sola membrana e di struttura interna.
I lisosomi nascono a partire da vescicole di endocitosi: al livello
dei sacchi cis dell'apparato di Golgi un particolare glucide fosforato
 stato aggiunto a delle idrolasi. Questa terminazione viene riconosciuta
e attratta da una proteina situata sulla faccia interna di alcune
vescicole spinose: queste si fonderanno con delle vescicole di endocitosi,
formando un endolisosoma e infine un lisosoma maturo.
I lisosorni distruggono anche certe zone cellulari contenenti sostanze di
rifiuto. In alcune malattie manca, per una deficienza del DNA, qualcuno
degli enzimi dei lisosomi e ci impedisce la digestione di determinate
sostanze di deposito, che si accumulano allora in quantita enormi. Queste
malattie, in cui il malato tesaurizza sostanze nocive, sono dette tesaurosi.

6. I perossisomi, relitti dell'evoluzione
Come si  visto, i lisosomi sono stati scoperti grazie al comportamento
anomalo di alcuni preparati di mitocondri; analogamente si 
notato che in alcuni preparati di lisosomi certi enzimi ossidanti erano
attivi senza che si fosse lacerata la membrana degli organuli, e si 
trovato che questi preparati erano stati contaminati da perossisomi. Un
po' pi piccoli dei mitocondri, i perossisomi sono circondati da una
sola membrana e contengono di norma uno o pi grossi cristalli dalla
caratteristica struttura rigorosamente geometrica; sono
presenti un po' dappertutto sia negli animali che nei vegetali, ma non in
tutte le cellule. I loro enzimi, che sono delle ossidasi, sottraggono
idrogeno a una sostanza ridotta e lo combinano con l'ossigeno formando
perossido di idrogeno (H2O2), fortemente tossico; ma un altro
enzima molto attivo, la catalasi, decompone immediatamente il perossido
in acqua, liberando uno degli atomi di ossigeno. Nei vegetali i
perossisomi hanno reazioni in parte analoghe a quelle del ciclo di Krebs
e possono anche trasformare dei grassi in glucidi, cosa impossibile ai
nostri. I perossisomi non sono capaci di autoriprodursi; la loro membrana
proviene dal reticolo e le loro proteine dal citosol.
Si suppone che essi derivino da strutture antichissime, che impedivano
all'ossigeno libero proveniente dalla fotosintesi di ossidarsi distruggendo
delle molecole importanti.
Non sono scomparsi e rimangono utili, tanto che in mancanza dei loro enzimi
 difficile che l'organismo possa sopravvivere.

7. I centrioli e i loro derivati, gli organi vibratili
Nei citoplasmi degli eucarioti (tranne che in quelli dei vegetali superiori)
 visibile una piccolissima zona tondeggiante apparentemente
priva di struttura, il centro cellulare, con due puntini appena visibili al
microscopio ottico (centrioli). Quest'organulo, spesso situato in prossimit
del nucleo e dell'apparato di Golgi, non avrebbe richiamato una
particolare attenzione se da esso non derivassero delle strutture pi
appariscenti: da un lato - al momento della divisione cellulare -
un'organizzazione raggiata del citoplasma che dar origine al fuso
mitoico, elemento essenziale per il movimento dei cromosomi, e
dall'altro gli organi vibratili (ciglia e flagelli).
Al microscopio elettronico i centrioli hanno sempre lo stesso aspetto:
un cilindretto cavo di 0,15 micron di diametro, di lunghezza variabile
fra 0,3 e 0,5 micron, limitato perifericamente da nove gruppi di tre
microtubuli paralleli, affiancati e leggermente inclinati rispetto all'asse
principale. L'asse di ciascun centriolo  ortogonale a quello del centriolo
vicino; intorno all'equatore si notano talvolta dei corpi satelliti.
L'uniformit di queste strutture, dalle alghe e dai protozoi flagellati
fino ai mammiferi, dimostra la loro antichit e il perfetto adattamento
al loro ruolo, poco suscettibile di variazioni. Quando la struttura o il
numero dei tubuli si modificano, le loro funzioni non sono pi garantite
e la cellula soffre.
Un nuovo centriolo nasce nei pressi di uno preesistente, ortogonalmente
ad esso; all'inizio ha solo nove tubuli singoli, che servono
probabilmente da matrice o da modello per gli altri, ed  piuttosto
corto, ma in seguito si allunga, il che fa ritenere che i centrioli derivino
gli uni dagli altri e si autoriproducano come altri organuli. Tuttavia
non sempre  cos; in ovuli situati in condizioni anomale nuovi centrioli
si formano lontano da tutti quelli preesistenti. Vi sono in questi
ovuli dei precursori dei centrioli?  difficile dirlo, tanto pi che non 
possibile eseguire un'analisi chimica precisa; c' solo qualche indizio
della presenza di un particolare RNA.
Flagelli e ciglia. Sono escrescenze filifonni del diametro di un terzo
di micron, presenti su un gran numero di cellule, soprattutto nel regno
animale. Una cellula flagellata possiede un solo lungo flagello, o
un piccolo numero di essi; le ciglia sono invece pi corte e pi nume-
rose, e talvolta ricoprono l'intera superficie. In entrambi i casi i
centrioli sono migrati sotto la membrana plasmatica, dove hanno avuto
modo di moltiplicarsi, e sono poi diventati, col nome di corpuscolo
basale, l'elemento originario delle ciglia e dei flagelli. Le due estremit
dei corpuscoli basali hanno una diversa struttura; l'organo vibratile
nasce dal lato distale.
Ciglia e flagelli hanno movimenti continui, molto pi rapidi di quelli
finora descritti. I flagelli, descrivendo una traiettoria elicoidale
simile a quella di una frusta, spostano il mezzo circostante in direzione
ortogonale alla superficie della cellula. Negli animali pluricellulari essi
sono presenti soprattutto negli spermatozoi; le riprese fotografiche
evidenziano la grande regolarit dei loro movimenti. Le ciglia invece
s'incurvano mantenendosi nello stesso piano e vibrano con
maggior frequenza (20 battiti al secondo); funzionano come i remi di
una barca, e lo spostamento del mezzo circostante  parallelo alla
superficie cellulare. Ogni ciglio  leggermente in ritardo su quello che lo
precede nella fila, e ci produce un moto ondulatorio nella membrana.
Lungo un tessuto di rivestimento (ad esempio quello della
trachea, dotato di dieci ciglia per micron quadrato)  il mezzo
circostante (In questo caso il muco) a spostarsi; quando invece la cellula 
come nei protozoi ciliati, essa si muove con una velocit che 
in proporzione maggiore di quella di un nuotatore olimpionico.
La struttura delle ciglia e dei flagelli  uniforme ed  molto simile
per entrambi, nonostante la diversit dei movimenti (Alcuni batteri
hanno flagelli con struttura molto diversa, caratterizzati da
movimenti rotatori); si tratta di lunghi
cilindri rivestiti da un prolungamento della membrana plasmatica,
contenenti nove coppie di microtubuli periferici e due microtubuli
centrali, tutti costituiti da tubulina. La loro lunghezza  variabile ,
ma i diametri e le distanze fra gli elementi sono costanti. Ciascuna
delle nove coppie di microtubuli presenta da un lato due bracci
ricurvi, che si avvicinano molto alla coppia seguente, e verso l'asse un
raggio che arriva a toccare un manicotto cilindrico centrale, poco
visibile, in cui sono contenuti i due tubuli assiali. Braccia e raggi si
susseguono lungo i tubuli ogni 25 nm: al livello dei corpuscoli basali
si vede bene la continuit fra una coppia di tubuli del ciglio e due dei
tubuli appartenenti alle triplette dei centrioli; i tubuli assiali hanno
inizio up po' pi in alto.
Alcuni esperimenti ingegnosi hanno mostrato come funziona questa struttura
complessa. Il movimento non  causato da un motore situato nel citoplasma,
visto che un flagello separato da esso e privato della sua membrana mediante
un detersivo continua a muoversi finch riceve ATP. Se si tratta questo
preparato con un agente che sottrae calcio, i bracci si staccano e ogni
movimento cessa. I bracci sono formati da una proteina, la dineina, che
idrolizza l'ATP; restituendo dineina (e calcio) i bracci riappaiono e
il movimento riprende. Quando invece un flagello privo di membrana viene
trattato con un enzima proteolitico, i primi a subire la lisi sono i raggi:
si vede allora al microscopio ottico che il flagello si disgrega, diviene
sempre pi lungo e sottile e infine scompare. Grazie all'ATP le nove coppie
di tubuli periferici hanno subito uno scorrimento le une rispetto alle altre
e si sono separate. Nel sistema in ordine i raggi fissati al manicotto
centrale impediscono ai tubuli di separarsi quando l'ATP li fa scorrere fra
di loro; in questo caso l'insieme non pu che incurvarsi e il lato concavo
diviene pi corto di quello convesso. Come tutti i movimenti cellulari,
anche questi dipendono da scorrimenti reciproci delle molecole. L'attivazione
dell'enzima dineina sembra essere provocata da una disposizione delle
molecole nel manicotto centrale; essa investe successivaniente ciascuno
dei gruppi periferici, cos che le curvature si alternano in tutte le
direzioni.
Dopo questa descrizione del citoplasma si comprendono meglio i
vantaggi della sua ripartizione in tutta una serie di compartimenti
aventi le dimensioni di un procariote e composizioni differenti.
L'insieme  pi grande e dipende meno dalle condizioni esterne; processi
molto diversi o addirittura incompatibili tra loro possono svolgersi
contemporaneamente nella stessa cellula. La superficie complessiva
delle membrane che delimitano i compartimenti  considerevole, e la
presenza di pi membrane con permeabilit differenti favorisce la
diversit di composizione: molte delle proteine che vengono casualmente
a contatto con queste membrane possono essere, secondo i casi, riconosciute,
respinte, incorporate o trasferite sull'altra faccia.
Spesso esse subiscono delle modifiche, perdendo alcuni pezzi o ricevendo
in aggiunta dei prolungamenti non proteici.

VIII) La membrana plasmatica e le sue molteplici funzioni
Lungi dall'essere soltanto una barriera pi o meno selettiva, la
membrana plasmatica si modifica continuamente in modo dinamico e
interviene in molti processi essenziali per la vita cellulare. Abbiamo
gi parlato della sua struttura e della sua permeabilit alle sostanze in
soluzione; anche il passaggio del solvente, l'acqua, pone dei probiemi.
Particolari meccanismi, specialmente negli animali, consentono
a molecole o a particelle di grandi dimensioni di attraversare la
membrana plasmatica nell'uno o nell'altro senso; essa pu fungere inoltre
da zona di ancoraggio fra cellule vicine e pu essere sede di segnali di
riconoscimento o di recettori di messaggi provenienti dall'esterno.

1. Problemi osmotici
Quando una membrana separa fisicamente due compartimenti che contengono acqua
o una sostanza disciolta, pi concentrata da un lato che dall'altro, vi  la
tendenza a raggiungere un equilibrio. Se la membrana  impermeabile al soluto
ma lascia passare l'acqua, quest'ultima si sposta verso il compartimento con
concentrazione maggiore, provocando una diluizione in esso e un aumento di
concentrazione nell'altro: tutto si svolge come se il solvente cercasse di
rimediare allo squilibrio. Sono in gioco soltanto forze fisiche, ma questa
rappresentazione ingenua del fenomeno permette di prevedere
in quale direzione si sposter l'acqua. In un apparecchio detto osmometro
questo spostamento fa innalzare il liquido nel compartimento con maggiore
concentrazione, e la differenza di livello misura (in teoria) la differenza
di pressione osmotica fra due facce della membrana. Questo fenomeno  del
tutto generale, sia nel mondo fisico che nel mondo vivente.
Tutte le membrane cellulari, impermeabili a molte delle molecole in
soluzione, si comportano come quelle studiate dai fisici, anche se qui
le condizioni sono pi complesse. Le sostanze disciolte sono molto
numerose: alcune di esse hanno concentrazione maggiore all'interno
delle cellule, altre all'esterno, e il movimento dell'acqua risulta dalla
somma algebrica di tutte queste differenze. Quando l'ambiente ha la
stessa concentrazione osmotica globale del citoplasma,  detto isotonico
e gli scambi di acqua sono in equilibrio. Se  meno concentrato, 
detto ipotonico e una certa quantit di acqua penetra nella cellula:
questa, essendo uno spazio chiuso, si rigonfia e finirebbe per scoppiare se
nessun meccanismo si opponesse all'ingresso dell'acqua. Se invece
l'ambiente ha una concentrazione maggiore ( ipertonico) la cellula perde
acqua, il suo volume diminuisce e la membrana cellulare s'increspa.
Le cellule isolate dei mammiferi sono molto sensibili a queste differenze,
e per conservarle in vita bisogna mantenerle in un ambiente isotonico: in
questa regolazione ha un ruolo importante la pompa al sodio,
che espelle il sodio (Na+) insieme col cloro (Cl-). Se si paralizza
la pompa con uabaina, la cellula conserva un eccesso di Cl- e l'acqua
vi penetra, facendola rigonfiare.
Molti animali hanno sviluppato dei meccanismi complessi per mantenere
costante e isotonica la composizione dell'ambiente (sangue o liquido
di composizione analoga) in cui sono immerse le loro cellule; in altri, che
vivono nell'oceano, cellule e ambiente interno sono pi concentrati, cos
da essere isotonici rispetto all'acqua di mare. Per espellere l'acqua di cui
non possono impedire la penetrazione, i protozoi (animali unicellulari)
d'acqua dolce utilizzano uno o due vacuoli pulsanti, secondo la
procedura seguente. Nel citosol si formano delle piccolissime vescicole
acquose, isotoniche rispetto al citosol, che si fondono con un grande vacuolo
il cui volume aumenta a poco a poco. Mediante trasporti attivi attraverso la
membrana vengono portate verso il citosol gran parte delle sostanze
disciolte nel vacuolo; la composizione di quest'ultimo si avvicina a quella
dell'acqua dolce, e da una a due volte al minuto esso si apre verso
l'esterno svuotandosi quasi completamente, dopo di che il ciclo ricomincia.
 questo il meccanismo che si oppone al rigonfiamento osmotico: se infatti
si colloca la cellula in un ambiente pi concentrato, il vacuolo
s'ingrandisce pi lentamente e si svuota a intervalli di tempo pi lunghi.
D'altra parte i protozoi parassiti o d'acqua marina, che sono isotonici
rispetto al loro ambiente, non possiedono vacuoli.
Le cellule delle piante e i batteri vivono spesso in un ambiente ipotonico,
ma contrastano in altro modo i suoi effetti nocivi. La parete dei
batteri e quella cellulosica dei vegetali sono al tempo stesso permeabili
e rigide, e formano intorno alla cellula un involucro che le impedisce
di rigonfiarsi. In condizioni di equilibrio l'ingresso di acqua produce
all'interno una pressione idrostatica che compensa la pressione
osmotica (Se si elimina questa barriera (batteri a forma di L o gimnoplasti
vegetali)  necessario mantenere le cellule in ambiente isotonico); inoltre
una speciale membrana, il tonoplasto, delimita il
grande vacuolo acquoso delle cellule vegetali, che spesso occupa una
met o pi del volume totale, e in cui si riversano per trasporto attivo
numerose sostanze (glucidi, proteine, ioni, pigmenti, eccetera). Nel
vacuolo si accumulano, grazie a una pompa a protoni, degli ioni H+: poich
il suo contenuto acido  pi concentrato del citosol, vi penetra acqua,
il vacuolo si rigonfia e spinge il citoplasma verso la parete cellulosica.
Quasi tutte le cellule vegetali sono pertanto turgide, con una pressione
interna che pu raggiungere alcune decine di atmosfere.
Per contro, nessuna cellula vivente resiste a lungo in un ambiente
nettamente ipertonico (Nella salatura, che  il pi antico metodo per
impedire la putrefazione dei cibi, l'ambiente  fortemente ipertonico e in
esso batteri e muffe non riescono a svilupparsi. Solo alcuni archeobatteri,
detti alofili, vivono nelle salamoie concentrate.): in esso le cellule
vegetali si contraggono e si vede apparire tra la membrana e la parete
rigida uno spazio occupato dal liquido esterno (plasmolisi).

2. Endocitosi ed esocitosi: la digestione cellulare
L'endocitosi e l'esocitosi sono fenomeni molto diffusi: essi modificano
continuamente la superficie cellulare, che si rinnova con regolarit.
Nell'endocitosi una porzione di superficie cellulare penetra nel
citosol, trascinando con s una gocciolina del mezzo esterno; viceversa,
nell'esocitosi viene incorporata nella membrana la parete di una
vescicola spinosa o di un granulo di secrezione, il cui contenuto viene
proiettato all'esterno. Nel primo caso una piccola zona della membrana
viene tappezzata di clatrina dal lato del citoplasma, s'invagina in
una cavit che si richiude e forma nel citosol una vescicola spinosa
non pi grande di 150 nm, mentre i due strati lipidici della membrana
si ricongiungono. Nel secondo caso una vescicola spinosa diviene
tangente alla superficie della cellula e viene poi incorporata in essa: il
suo strato lipidico esterno e quello interno si fondono rispettivamente con
lo strato interno e con quello esterno dell'involucro cellulare. Perch
avvenga questa unione fra gli strati lipidici  necessario che tutta
l'acqua fra di essi sia eliminata, che venga fornita energia e probabilmente
che intervengano speciali proteine. Le vescicole spinose fanno la spola
fra la superficie cellulare e la regione di Golgi, dove le molecole
dalla parete vengono riciclate; in alcuni casi la membrana pu essere
completamente rinnovata in due ore. Questi processi contribuiscono
anche a spostare da un luogo all'altro delle parti di membrana, nel corso
di movimenti ameboidi o quando alcune sostanze distribuite su
tutta la superficie si concentrano in una piccolissima zona di essa, dando
l'impressione che la cellula indossi una specie di berretto (capping).
I suddetti meccanismi consentono di effettuare scambi con l'ambiente
esterno, trasferendo attraverso la membrana molecole di dimensioni
troppo grandi per la diffusione, o anche dei virus. Mediante la
pinocitosi (dal greco pinein, bere) una certa quantit di liquido
extracellulare penetra nel citoplasma; le vescicole cos formate si fondono
con un endosoma, che pu diventare un lisosoma se riceve dall'apparato
di Golgi gli enzimi idrolizzanti necessari. I nostri macrofagi, cellule
specializzate nella lotta contro ogni materiale indesiderabile,
purificano cos in poche ore una quantit di mezzo esterno pari al loro
volume. Viceversa, nell'esocitosi vengono trasportate all'esterno
molecole di grandi dimensioni provenienti dai granuli di secrezione la cui
parete tende a fondersi con la membrana: l'apertura in superficie 
sempre molto rapida e quasi esplosiva, e solo di rado viene captata
dalla fissazione del preparato. L'esocitosi delle vescicole spinose 
continua, mentre quella dei granuli di secrezione (accumulati nelle
cellule ghiandolari) dipende da un segnale di avviamento che spesso
consiste nella stimolazione di un recettore presente nella membrana
(vedi il successivo paragrafo); a tale stimolazione, eseguita da un
messaggero chimico esterno, fa seguito un innalzamento locale della
concentrazione del calcio. Ed  agganciandosi ad altri recettori che alcune
particelle virali provocano la formazione delle vescicole mediante le
quali passeranno nel citoplasma.
Questi fenomeni si svolgono per la maggior parte a scala submicroscopica
e non possono essere osservati al vivo col microscopio ottico;
la fagocitosi (dal greco phagein, mangiare)  invece ben visibile. In
essa viene inclusa nel citoplasma una particella solida - un batterio,
un grosso frammento o un'intera cellula - precedentemente agganciata
alla membrana, il che costituisce probabilmente un fattore scatenante.
Per lo pi la cellula emette degli pseudopodi, che si dispongono
intorno alla particella e la isolano formando un vacuolo pi grosso;
poich la citocalasina inibisce la fagocitosi,  probabile che anche
l'actina abbia un ruolo nel fenomeno. La membrana del vacuolo si
fonde poi con un lisosoma di cui gli enzimi digeriscono il contenuto,
riducendolo in molecole di piccole dimensioni che attraversano la
parete in direzione del citosol. Una parte dell'acqua fuoriesce, mentre gli
elementi non digeribili (carbonio, silicio, eccetera) rimangono nel vacuolo
ridotto, che si apre in superficie eliminando questi residui. La
digestione intracellulare ora descritta  tipica di molti protozoi; gli
animali che dispongono di organi specifici per la digestione conservano
questo processo in alcune cellule specializzate (macrofagi, eccetera) che
distruggono elementi estranei indesiderabili, cellule morte e sostanze di
rifiuto.

3. La membrana e i suoi rapporti con l'esterno
Un gran numero di terminazioni molecolari - proteiche, glucidiche
(spesso rigide) o miste - sporgono dalla superficie dello strato lipidico
esterno di ogni membrana plasmatica: viene cos attribuita a ogni
cellula una carta d'identit molecolare caratteristica.
Talvolta in una sola cellula animale vi sono migliaia di questi
recettori; alcuni di essi reagiscono con delle molecole attive
nell'ambiente, per esempio con degli ormoni, provocando sul lato interno
della membrana la produzione di un nucleotide ciclico (AMPc) o di un
altro intermediario, che mette in moto una serie di complicati processi
intracellulari.
Spesso la membrana entra in contatto con la superficie di altre cellule,
che vengono di volta in volta identificate come estranee, identiche o
complementari: la reazione a questa identificazione pu andare
dall'indifferenza all'uccisione o alla fusione. Ad esempio, in condizioni
favorevoli due protozoi della stessa specie e di sesso complementare
si fondono; se per sono dello stesso sesso o di specie differenti non
mostrano affinit. Il pistillo di molti fiori identifica la compatibilit
col granello di polline caduto casualmente su di esso, e solo in caso
positivo gli invia il segnale che ne consente la germinazione. Alcune
cellule immunitarie riconoscono altre cellule come estranee o cancerose
e diventano nei loro confronti cellule killer; e gli esempi potrebbero
continuare. Questi riconoscimenti cellulari, spesso complessi, implicano
degli influssi reciproci a cascata.
I rapporti con altre cellule possono tramutarsi in una vicinanza
permanente, con certe modifiche morfologiche tipiche. Pu trattarsi di un
solido ancoraggio dalla struttura complicata (desmosomi), o di una
parziale fusione fra gli strati lipidici esterni delle membrane, tale da
formare un muro impermeabile (giunzioni stagne) lungo un certo numero
di cellule. Pi singolari sono le associazioni che consentono un
passaggio di sostanze fra due cellule. Negli animali vi sono particolari
proteine che si dispongono attraverso i quattro strati lipidici delle due
membrane plasmatiche affiancate, formano un reticolo geometrico
(giunzioni lacunari o nessi) e lasciano passare, solo in certi momenti,
molecole o ioni che altrimenti avrebbero difficolt a diffondersi da
una cellula all'altra. Nelle piante, un sottilissimo canale (plasmodesma)
collega le membrane di due cellule vicine attraverso la parete
cellulosica, permettendo il passaggio di sostanze di dimensioni molto
piccole.

IX) La divisione cellulare
La propriet pi notevole degli esseri viventi  la capacit di
riprodurre esseri simili a loro; a livello cellulare questa propriet si
manifesta nella duplicazione di tutti i componenti e nella loro successiva
ripartizione al momento della scissione in due cellule figlie. Questo
meccanismo, che nei procarioti  semplice e spesso dura meno di
mezz'ora, diventa molto complesso nelle cellule di eucarioti. Ci non
 dovuto n alle loro maggiori dimensioni n all'esistenza di pi
compartimenti, ma al fatto che la corretta divisione del DNA, che spesso
negli eucarioti  da cento a mille volte pi abbondante, presenta due
difficolt. Anzitutto la duplicazione del DNA richiederebbe un tempo
enorme se dovesse svolgersi in un processo continuo da un estremo
all'altro della sua molecola filamentosa, che in ciascun nucleo raggiunge
a volte una lunghezza di parecchi metri; in secondo luogo questa lunghezza
renderebbe impossibile la separazione delle enormi molecole figlie,
aggrovigliate fra loro, al momento di trasferirsi in due
spazi diversi. Il DNA  diviso in un certo numero di segmenti, in
ciascuno dei quali la duplicazione avviene simultaneamente in pi punti;
questi segmenti si trasformano, prima della ripartizione, in strutture
corte e compatte, i cromosomi, di cui ciascuna cellula figlia ricever
l'esatto contingente grazie a un meccanismo complesso e preciso, la
mitosi. La presenza dei cromosomi e la mitosi sono i due aspetti pi
caratteristici della divisione cellulare negli eucarioti.

1. Il ciclo cellulare
Alcune cellule di organismi pluricellulari si dividono attivamente
nel corso della crescita, ma anche nei meristemi delle piante e
all'interno dei compartimenti capostipiti della maggior parte dei tessuti
degli animali adulti, al fine di garantire il rinnovo delle cellule
funzionali. Un buon esempio  dato dal midollo osseo rosso, in cui si
formano milioni di cellule che passeranno poi nel sangue, dove cesseranno
di moltiplicarsi. In generale le attivit specializzate sono poco
compatibili con quelle che portano alla divisione: le cellule che si
avviano a subire una mitosi vedono ridursi o annullarsi le loro funzioni
specifiche, e s'impegnano invece in una serie di fasi metaboliche che prende
il nome di ciclo cellulare. Esso va dalla fine di una mitosi alla fine di
quella successiva:  pi difficile identificarne l'inizio nel caso delle
cellule funzionali, che si dividono di rado. Solo la fine del ciclo - la
mitosi o divisione propriamente detta, che spesso dura meno di un'ora
 riconoscibile al microscopio. Nel corso della lunga fase precedente,
che pu durare dalle 10 alle 24 ore o anche pi, si svolgono un
gran numero di sintesi. Tutti i compartimenti, come pure la cellula nel
suo insieme, raddoppiano di volume. Il DNA e le sostanze ad esso
legate vengono prodotte solo in particolari momenti, il che consente di
distinguere quattro fasi: la fase G1, che  la meno conosciuta (G sta per
gap, che in inglese significa lacuna (nelle nostre conoscenze). Con analogo
simbolismo le cellule che non sono in ciclo sono dette  in G0) e ha una
durata variabile; la fase S di sintesi del DNA, di durata relativamente
costante per ciascun tipo di cellula; la fase G2, piuttosto breve; e la
mitosi (M).
La maggior parte dei tipi di cellula si dividono solo se l'ambiente contiene
uno specifico fattore di crescita, gi attivo a bassissima concentrazione.
Altre condizioni possono invece inibire la divisione: normalmente le cellule
di fegato adulto si riproducono pochissimo, ma se si eliminano due terzi
dell'organo un'ondata di mitosi ripristina in pochi giorni il volume iniziale;
si ritiene che il fegato stesso produca degli inibitori specifici (caloni)
che diventano molto diluiti quando la massa attiva diminuisce. Un altro
fattore frenante, l'inibizione di contatto reciproco, appare evidente in
coltura: le cellule si moltiplicano finch vi  posto disponibile sul fondo
del recipiente, ma quando arrivano a toccarsi la proliferazione si arresta,
anche in un ambiente nutritivo adeguato.
Le cellule cancerose sono divenute insensibili a queste inibizioni
regolatrici: un cancro s'ingrossa fino a uccidere l'organismo che ne 
portatore, e in coltura le cellule tumorali continuano a moltiplicarsi
finch ricevono nutrimento, anche se costrette a inerpicarsi le une sulle
altre per mancanza di spazio.
I meccanismi messi in moto nella fase G1 non sono stati identificati
con chiarezza; quando si fanno fondere due cellule, in una delle quali
quest'evoluzione ha gi avuto inizio, mentre nell'altra no, la prima la
induce anche nella seconda. Al termine della fase G1 l'accoppiamento
degli istoni con i fosfati e i radicali acetili (CH3CO-) subisce delle
modifiche, e compaiono gli enzimi che interverranno nella sintesi del DNA.
Durante la fase S la replicazione del DNA viene avviata in numerosissimi
punti d'inizio (50 volte pi numerosi che nei batteri, a parit di
lunghezza di DNA), da cui si dipartono due forcelle di verso
opposto, che divaricandosi formano due filamenti identici; queste
forcelle si congiungeranno con quelle provenienti dai punti d'inizio
vicini. Contemporaneamente nel citoplasma vengono sintetizzati degli
istoni che migrano verso il nucleo, dove si formano i nuovi filamenti
dei nucleosomi. Il processo ha inizio nei vari punti secondo una
sequenza specifica; per ultima viene riprodotta l'eterocromatina.
L'aspetto morfologico dei nuclei nella fase S (che nei mammiferi dura
all'incirca otto ore) non riflette questi processi, identificabili solo
mediante l'incorporazione di un precursore marcato, la timidina al trizio.
La produzione del DNA dei mitocondri o dei cloroplasti
non avviene in sincronia e prosegue durante tutto il ciclo.
Alla fine di questa sintesi la mitosi non pu ancora cominciare:
devono prima essere costruiti alcuni RNA e alcune proteine non ben
identificate, il che avviene nella fase G2; la velocit delle sintesi
cresce peraltro nel corso del ciclo, raggiungendo un massimo al termine
della G2.
La mitosi M  una fase metabolicamente poco attiva, in cui non
vengono costruiti n proteine, n RNA, n evidentemente DNA; spesso
la respirazione si attenua, perch la cellula ha gi accumulato l'ATP
che le sar necessario Tuttavia la mitosi  una fase essenziale, in cui
tutte le sostanze sintetizzate in precedenza vengono ripartite tra due
spazi distinti.
Non si sa bene con quali meccanismi siano concatenate fra loro le varie fasi.
Verso la fine della fase G1 la cellula passa per un punto critico, detto di
restrizione, a partire dal quale essa s'inserisce nel ciclo in modo
stereotipato.
Alcuni esperimenti - consistenti nell'iniettare del citoplasma di una
cellula-uovo in un'altra che si trova in un diverso stadio del ciclo,
oppure nel far fondere due cellule non sincrone - dimostrano l'esistenza
di parecchi fattori non ancora identificati. Nella fase S la cellula
contiene un fattore che obbliga un'altra cellula, che  ancora all'inizio
della fase G1, a cominciare la sintesi. Per contro, finch la fase S  in
corso  impedita ogni entrata in mitosi, anche verso la fine della fase G2.
Durante la mitosi il citoplasma provoca le modifiche del nucleo tipiche
di questa fase in cellule che si trovano in uno qualunque degli altri stadi,
e cos via.

2. Il film della mitosi
La ripartizione in quantit uguali del contenuto cellulare avviene in
modo approssimativo per la maggior parte dei costituenti, ma con
grande precisione per l'informazione nucleare; la descriveremo nei
particolari per una cellula vivente di mammifero in coltura a 37 gradi Celsius,
in cui il fenomeno dura meno di un'ora.
Nella profase la cromatina si condensa in grumi sempre pi visibili;
queste granulosit si allineano per poi trasformarsi in filamenti molto
sottili e aggrovigliati, i cromosomi, che aumentando di spessore diventano
anch'essi sempre meglio visibili. Ha inizio frattanto un'irradiazione
(aster) intorno ai centrioli, che si sono sdoppiati; le due coppie si
allontanano l'una dall'altra, dirigendosi verso i due poli del nucleo.
Fra di loro si forma un fuso (in realt dei fasci di microtubuli) che a
poco a poco si estende; se la cellula era distesa, ora tende a raccogliersi
su se stessa avvicinandosi alla forma sferica. Dopo circa un quarto
d'ora la membrana nucleare si dissolve improvvisamente e scompare;
quasi nello stesso momento il nucleolo si scioglie e svanisce. Ha termine
cos la profase.
All'inizio della prometafase il posto del nucleo  occupato dal gruppo
di cromosomi, che non  pi separato dal citoplasma; il fuso si
estende attraverso questa regione, in cui i cromosomi continuano ad
accorciarsi e a ispessirsi. Dopo una buona decina di minuti i cromosomi
si immobilizzano in una placca equatoriale perpendicolare all'asse
che congiunge i poli;  il momento in cui i cromosomi sono pi corti e
pi spessi, e in essi si scorgono una fessura longitudinale e una zona
un po' pi sottile ma non sfaldata, il centromero. Il fuso attraversa il
centro della placca equatoriale; i centromeri sono tangenti ad esso e le
braccia dei cromosomi si estendono verso l'esterno. Questa metafase
propriamente detta  piuttosto breve. La superficie cellulare comincia
a esplodere in bruschi rigonfiamenti, che vengono poi riassorbiti pi
lentamente verso l'interno; questo ribollimento diventer pi intenso
negli stadi seguenti, e risulta particolarmente vistoso nei film proiettati
a ritmo accelerato.
Poco tempo dopo essersi immobilizzati, e altrettanto improvvisamente,
i cromosomi si separano in due gruppi specularmente simmetrici
e sono attirati verso i poli. Ogni cromosoma si  diviso longitudinalmente
in due parti uguali pi sottili (cromatidi), precedentemente
separatesi in corrispondenza dei centromeri; in seguito i poli stessi si
allontanano e la cellula si allunga. In questa anafase, che non dura in
genere pi di 5-8 minuti, si ha un intenso ribollimento.
Dopo che i cromosomi anafasici (cromatidi) si sono riuniti a ventaglio
intorno a ciascun polo ha inizio la citodieresi, ossia la separazione
in due del citoplasma: la parte mediana della cellula si restringe nel
punto in cui si trovava la placca equatoriale. Durante questa telofase i
cromosomi si rigonfiano, diventano meno nitidamente visibili e
presentano, in sequenza inversa, gli stessi aspetti che avevano nella
profase. Ricompaiono la parete nucleare e poi i nucleoli; il citoplasma
continua a restringersi al centro e solo un sottile ponte, che presto si
spezzer, collega ancora le due cellule figlie. Gli organuli si ripartiscono
a caso da una parte o dall'altra a seconda del posto che occupavano nel
citoplasma, cessa il ribollimento periferico, i due citoplasmi si
discostano ancora e si distendono. Vi sono ora due cellule ben distinte: la
telofase  durata circa 20 minuti.
La presenza universale della mitosi  un fatto notevole. La ritroviamo
nella parete intestinale, nell'epidermide o nei grossi blastomeri
provenienti dall'uovo fecondato;  possibile studiarla nella radice del
giglio, nelle cellule nervose della cavalletta o nella coda della
salamandra. La mitosi  stata probabilmente una delle condizioni per la
comparsa delle prime cellule di eucarioti: essa si svolge nello stesso
modo in tutte queste cellule, anche se la sua durata e alcuni suoi aspetti
possono essere differenti.
Nelle piante superiori, gi prima della profase un gran numero di microtubuli
si accumulano in una striscia perinucleare, nel luogo in cui s former la
placca equatoriale. Queste cellule non hanno un centro, e il fuso nasce
sotto forma di due calotte da una parte e dall'altra del nucleo, al momento
della profase. Quando il fuso, durante la metafase, si estende attraverso
la regione nucleare, esso assume la forma di una botte tondeggiante con
basi piatte. Nella telofase esso sparisce in prossimit dei nuclei che si
vanno riformando, mentre si allarga nel punto in cui era situata la placca
equatoriale; in questo fragmoplasto vi sono delle vescicole che si allineano
fra i microtubuli del fuso per poi fondersi in una fessura che separa i due
spazi.
La mitosi dei protozoi presenta spesso aspetti pi sconcertanti: nella maggior
parte dei casi l'involucro nucleare si conserva e tutta l'evoluzione dei
cromosomi, piccoli e difficilmente visibili, avviene all'interno del nucleo.
Il fuso pu essere intra- o extranucleare, e in questo secondo caso non
entra in contatto con i cromosomi; alcune specie hanno una placca equatoriale
vera e propria, mentre in altre specie i cromosomi s'inseriscono
sulla faccia interna della membrana, dalla stessa parte. Dopo lo sfaldamento
essi sono distribuiti in due gruppi nel nucleo, che sar poi diviso in due dal
progressivo restringimento centrale del proprio involucro.

3. I cromosomi
Fra le strutture osservate durante la divisione le pi spettacolari
sono i cromosomi, che rappresentano la forma pi compatta di cromatina
e consentono la ripartizione di questa fra le cellule figlie. Messi in
fila l'uno dietro l'altro, i filamenti di cromatina gi disposti in eliche e
accorciati raggiungerebbero nei mammiferi una lunghezza di
parecchi centimetri, ossia una lunghezza ancora eccessiva. Per fornire
i cromosomi che noi vediamo la cromatina si arrotola sempre pi, formando
spire del secondo e poi del terzo ordine, cos che i filamenti si
fanno pi spessi e pi corti; la lunghezza totale dei cromosomi metafasici
 al massimo di un centinaio di micron. Altre osservazioni suggeriscono
la presenza di una specie di scheletro proteico individuale,
capace di conferire ai cromosomi la loro forma caratteristica; ci
spiegherebbe perch essi rimangono identici dopo le successive mitosi,
ma l'esistenza di questo supporto  controversa. Ad ogni modo, il
DNA non pu essere trascritto in questa forma condensata; da questo
punto di vista  come se durante la mitosi la cellula fosse priva di
nucleo, e una simile situazione non pu mai protrarsi. A partire dalla
telofase l'insieme si srotola, i filamenti di istoni del nucleo riprendono a
poco a poco l'aspetto che avevano nel nucleo cosiddetto interfasico, e
la trascrizione ricomincia. Le cavit del reticolo endoplasmico
circondano pi o meno completamente i cromosomi individuali, e si
riuniscono poi per ricostruire un involucro nucleare completo. Tutti i
cromosomi sono arrotolati nella stessa misura in un medesimo istante, il
che sembra dipendere dalle condizioni del citoplasma: se uno o pi
cromosomi sono separati dall'insieme la loro evoluzione 
strettamente parallela a quella dei due gruppi principali. Tuttavia
alcune zone dei cromosomi, gli organizzatori nucleolari, sono meno fitte
delle altre anche durante la metafase; sono questi i punti da cui
riprenderanno le sintesi di RNA, ricostituendo tutta una serie di piccoli
nucleoli che in seguito si fonderanno fra loro.
I cromosomi come appaiono nella profase si sono sdoppiati gi nella fase S,
anche se la loro sfaldatura longitudinale diventa visibile solo
nella metafase. Nelle immagini aggrovigliate visibili al microscopio
ottico (Qui il microscopio elettronico non  di grande utilit: con esso
non si pu osservare una cellula intera, ma solo sezioni sottilissime,
ciascuna delle quali comprende una piccola parte del volume cellulare e
contiene solo segmenti di cromosomi) i cromosomi individuali sono spesso
sovrapposti; una speciale tecnica consente di verificare che la forma e
il numero dei cromosomi individuali sono tipici di ciascuna specie. D'altra
parte la genetica mostra che le sequenze di DNA corrispondenti a una data
proteina (geni) sono sempre situate nello stesso punto sul medesimo
cromosoma: ci spiega la loro permanenza.
Per analizzare il cariotipo (insieme dei cromosomi di una cellula) si
fanno rigonfiare le cellule metafasiche in un ambiente ipotonico e si
comprime poi con precauzione l'insieme. I cromosomi sono disposti a V
oppure a X, con i due cromatidi uniti al centromero: la posizione pi o
meno centrale di quest'ultimo, la lunghezza dei bracci e
l'eventuale presenza di piccoli restringimenti secondati che isolano
dei satelliti a una estremit consentono di identificare ciascun cromosoma.
Con speciali tecniche  possibile mettere in evidenza, sempre nello stesso
punto, delle strisce trasversali pi colorate, dipendenti dalla
quantit relativa delle coppie di basi A-T e G-C nelle sequenze del DNA.
I cromosomi sono di solito qualche decina; com' noto, l'uomo ne
ha 46 (due in meno rispetto allo scimpanz o alla patata). Nella
stragrande maggioranza delle cellule, sia delle piante che degli animali
superiori, i cromosomi sono simili a due a due, e il numero di coppie 
indicato con n: nella specie umana n  quindi uguale a 23.
Una possibile eccezione  data dai due eterocromosomi, in cui si
manifesta una differenziazione sessuale: nei mammiferi i maschi hanno
una coppia XY, mentre le femmine hanno una coppia di cromosomi
identici XX (Il fatto che Y sia molto pi piccolo di X ha dato origine  a
qualche battuta sulla superiorit delle femmine. Ma nel nucleo interfasico
uno dei loro due cromosomi X  sempre condensato sotto forma di
eterocromatina non trascritta, la cromatina sessuale).
Lo studio del cariotipo  importante perch ogni modifica nel
numero o nella forma dei cromosomi indica un deficit o un eccesso di
informazioni ereditarie; entrambi i casi sono all'origine di anomalie
morfologiche e funzionali molto pi gravi di quelle dovute alle
mutazioni puntuali, perch interessano una porzione di DNA pi lunga.
Fra queste anomalie, una delle pi note nell'uomo  la sindrome di
Down (mongolismo), che implica varie malformazioni e un notevole deficit
mentale; essa  dovuta al fatto che il cromosoma 21, uno dei pi piccoli,
 presente in tre esemplari anzich in due. In altri casi  anormale il
numero degli eterocromosomi, anche qui con conseguenze patologiche; invece
il numero dei cromosomi pi grandi  sempre regolare, perch se ve ne fosse
uno in pi (o in meno) lo squilibrio sarebhe cos grave da rendere
impossibile la sopravvivenza dell'embrione fin dai primi stadi di vita.
Le cellule cancerose hanno spesso un numero di cromosomi irregolare e
instabile.
Una modifica del numero di cromosomi che non risulta sempre letale  la
poliploidia, in cui alcune cellule o alcuni individui hanno 3n o
4n cromosomi anzich 2n. Rara negli animali, la poliploidia  pi
frequente nelle piante, dove pu essere indotta sperimentalmente
mediante la colchicina, fornendo nuovi tipi, pi rigogliosi e di
sorprendente variet.

4. Il fuso e i movimenti dei cromosomi
La separazione dei cromatidi e la loro migrazione verso i poli sono
gli eventi principali della mitosi: in essi il fuso svolge un ruolo
predominante, chiarito finora solo in parte. Poco visibile al vivo e
difficilmente colorabile, esso costituisce un orientamento del citoplasma,
legato alla presenza di migliaia di microtubuli paralleli; al microscopio
ottico  visibile solo quest'orientamento generale, essendo i singoli
microtubuli troppo sottili.
Nelle cellule animali i centrioli si sdoppiano durante la fase S: i due
centrioli nuovi sono meno completi dei loro predecessori, perch solo
questi possiedono dei corpi satelliti a partire dai quali si organizzano i
microtubuli del fuso. I due centri non hanno altri ruoli, e una volta
iniziata la mitosi  possibile distruggerli con un sottile fascio laser senza
perturbare la mitosi stessa. Nelle piante superiori i centri mancano,
mentre sono essenziali i microtubuli e il loro aggancio al centromero
dei cromosomi; a cominciare dalla profase, la velocit con cui i microtubuli
vengono costruiti e distrutti aumenta di venti volte.
Le sostanze tossiche simili alla colchicina disperdono i microtubuli e quindi
il fuso; la mitosi si svolge senza difficolt fino alla metafase, ma rimane
poi bloccata per alcune ore, e la risalita anafasica non pu attuarsi. 
possibile peraltro, prima della mitosi, tagliare con un'irradiazione un
filamento di DNA; il cromosoma che ne deriva  diviso in due segmenti,
uno dei quali non  legato al centromero. L'anafase  normale, tranne
che per il segmento separato, che non viene attirato verso un polo e rimane
dov'era; nella telofase esso diventa un micronucleo, incluso in modo casuale
nell'una o nell'altra cellula figlia.
Al livello del centromero  visibile a lato di ciascun cromatide una
placca proteica trilaminare, il cinetocoro, in cui sono impiantati
perpendicolarmente dei microtubuli formanti una corona. Sarebbe troppo
semplice considerarli solo come cavi che attirano i cromosomi,
giacch si modificano continuamente: finch dura la metafase,
sempre nuova tubulina si insinua dalla parte del cinetocoro, mentre
all'altra estremit il tubulo si depolimerizza. Nell'anafase, forse in
seguito al brusco e transitorio innalzamento del tasso di calcio, la
tubulina si libera anche dalla parte del cromosoma, causando un
accorciamento dei tubuli e la risalita dei cromosomi. Durante il secondo
movimento dell'anafase (reciproco allontanamento dei poli) interviene
forse un'ATP-asi del tipo dineina; n l'actina n la miosina
hanno per un ruolo nei movimenti del fuso. Al termine della mitosi i
microtubuli si disgregano e la tubulina torna in soluzione nel citosol.

5. La separazione delle cellule figlie o citodieresi
La divisione del citoplasma o citodieresi fa seguito direttamente alla
mitosi cromosomica, ma costituisce un fenomeno completamente
diverso. Talvolta la citodieresi manca o  posticipata di molto, e in tal
caso si hanno cellule con due o pi nuclei (plasmodi, schizogonie di
alcuni protozoi). La separazione avviene sempre nel luogo gi occupato dalla
placca equatoriale; quando questa  decentrata, per esempio negli oociti,
si ottengono due cellule figlie di dimensioni molto diverse.
La superficie cellulare deve aumentare e la neoformazione dei suoi
costituenti si ha a quanto pare prima della mitosi. In tutte le cellule
animali l'actina e la miosina hanno un ruolo fondamentale nella
citodieresi: alcuni filamenti di actina si accumulano in fasci addossati alla
faccia interna della membrana plasmatica, nel punto in cui avverr il
restringimento, formando l'anello di costrizione che strangola il
citoplasma. Per parecchio tempo permane un istmo sempre pi sottile
che rinserra i restanti microtubuli del fuso. La citocalasina non
perturba la mitosi, ma produce cellule con due nuclei: essendo
immobilizzati i fasc d actina, il restringimento della cellula non pu
avvenire. La citodieresi si svolge in presenza di miosina, e non pu
aver luogo quando si aggiunge un inibitore.
Nelle piante il meccanismo  del tutto diverso. Dove c'era la placca
equatoriale, si allineano fra i microtubuli delle vescicole appiattite
provenienti dal reticolo endoplasmico, che poi si fondono, delimitando
una cavit continua: in essa le cellule accumuleranno poi la cellulosa
giunta dall'apparato di Golgi, che former la loro parete divisoria.

X) La riproduzione sessuata: meiosi e fecondazione
Tutte le cellule che derivano per semplice divisione da uno stesso
antenato, costituenti un cosiddetto clone, hanno ricevuto le stesse
molecole di DNA e quindi la stessa eredit genetica.  il caso di quelle
nate da un unico batterio, da un unico eucariote unicellulare o da una
cellula isolata messa in coltura, ma  anche il caso di tutte le cellule di
un organismo che discendono per mitosi da un uovo fecondato. La
loro informazione cambia solo se vi  stata una modifica accidentale,
e la quasi totalit di queste mutazioni sono neutre o nocive,
perch quasi tutte le specie viventi sono ben adattate all'ambiente in
cui vivono. Ma in periodi lunghissimi (I tempi in questione sono
lunghissimi rispetto alla vita di una cellula o di un organismo,
misurandosi in decine di migliaia, o meglio in milioni di anni) gli ambienti
finiscono col modificarsi in misura rilevante, e nelle nuove condizioni
ambientali alcune mutazioni, in precedenza neutre o anche dannose, potrebbero
rivelarsi favorevoli alla propagazione della stirpe in questione. Le
mutazioni, che possono verificarsi solo al momento di una sintesi del DNA,
sono rare, e quelle vantaggiose sono una frazione infinitesima del
totale; tuttavia esse costituiscono il principale meccanismo,
inevitabilmente molto lento, dell'evoluzione delle specie.
I procarioti si moltiplicano con velocit tale che le eventuali mutazioni
vantaggiose hanno buone possibilit di manifestarsi in tempo. In
24 ore un solo batterio pu avere in teoria pi di 10 elevato a 14 discendenti;
normalmente ogni sezione di DNA corrispondente a una proteina (ogni
gene) ha subito parecchi milioni di mutazioni. La maggior parte di
esse erano sfavorevoli, ma pu essercene stata qualcuna utile, come
talvolta si pu notare in colture di batteri eseguite in un ambiente di
cui  stata modificata la composizione. Per contro, nell'arco di 24 ore
vi sono al massimo tre fasi S nella discendenza di una cellula eucariote;
il numero di mutazioni  quindi pressoch nullo.
Le modificazioni vantaggiose sono in realt ancora meno frequenti
di quanto si  detto; una mutazione singola provoca di rado un vantaggio
considerevole, ma una serie di mutazioni A, B, C, eccetera, pu risultare
molto pi benefica. B da sola non ha alcun effetto e rischia di non
permanere nella popolazione interessata se A  assente; C  utile solo
se sono presenti A e B, eccetera. Nei procarioti in cui le mutazioni si
ripetono spesso, la successione vantaggiosa (A, B, C...) ha buone
possibilit di prodursi in un clone dopo un tempo ragionevole; se la
riproduzione degli organismi eucarioti fosse esclusivamente mitotica, i
ritardi diverrebbero cos grandi da impedire a queste specie di evolversi con
rapidit sufficiente per sopravvivere alle modificazioni, sia pure lente,
dell'ambiente. La riproduzione sessuata, caratteristica degli eucarioti,
accresce le possibilit che combinazioni vantaggiose di mutazioni
differenti, nate in stirpi separate, s'incontrino nello stesso individuo.
D'altra parte in un clone l'accumularsi degli errori di replicazione
rende a lungo andare sempre meno efficienti certe molecole funzionali.
La vitalit dei cloni diminuisce, le divisioni si distanziano nel tempo,
e alla fine i cloni degenerano: ci vale sia per gli esseri unicellulari,
sia per le cellule di mammiferi mantenute artificialmente in coltura.
Questa  anche la causa pi difficilmente evitabile (se non la pi
frequente) dell'invecchiamento e della morte negli individui pluricellulari;
per assicurare la permanenza delle stirpi  necessario che compaiano dei
cloni liberi dagli handicap accumulatisi ereditariamente.  questo
il ruolo assunto da un aspetto secondario della riproduzione sessuata.

1. La riproduzione sessuata
L'aspetto principale della riproduzione sessuata  la fecondazione,
ossia la fusione di due cellule particolari, i gameti, in una sola, lo
zigote (uovo fecondato). La fecondazione farebbe per raddoppiare a ogni
generazione la quantit di DNA e il numero dei cromosomi, se non
fosse esattamente compensata da un meccanismo di eliminazione della
met di questo materiale: ci si ottiene mediante due divisioni
particolari, che nel loro insieme costituiscono la meiosi. Durante il
ciclo riproduttivo i gameti con n cromosomi tutti diversi, aventi la quantit
minima di DNA caratteristica della specie, si fondono in uno zigote
con 2n cromosomi. Una cellula diploide (2n) derivata dallo zigote
subisce la meiosi, da cui hanno origine delle cellule aploidi (n) che
forniranno pi o meno rapidamente dei gameti, chiudendo cos il ciclo.
Nelle specie animali pi diffuse, delle divisioni multiple a
partire dallo zigote danno origine a un adulto diploide nel quale solo
le cellule germinali subiscono la meiosi; da esse provengono direttamente
i gameti. In molte specie vegetali, dalle alghe ai muschi e alle
felci, alcune cellule aploidi (spore) provenienti dalla meiosi si dividono
molte volte prima di formare i gameti, mentre lo zigote si moltiplica
di meno (o non si moltiplica affatto) prima della meiosi seguente:
in tal caso l'organismo visibile  composto da cellule aploidi.
Poich le anomalie comparse in una stirpe parentale non sono le
stesse che si presentano in un'altra, l'informazione genetica dell'una
pu compensare le carenze dell'altra; inoltre le stirpi germinali, i
gameti e i primi stadi embrionali sono oggetto di una selezione spietata,
che elimina la maggior parte degli elementi che sarebbero gravati da
tare ereditarie. Questo fenomeno fa s che la qualit genetica dei cloni
(individui) che sopravvivono sia, se non altro all'inizio della crescita,
la migliore possibile.
Ci soffermeremo pi a lungo sulla meiosi perch la riduzione del
numero di cromosomi mediante l'eliminazione di un esemplare di ciascuna
coppia implica un processo pi delicato e preciso che non la
messa in comune di due gruppi separati.

2. La meiosi
Le due divisioni che costituiscono la meiosi somigliano a prima vista
alle normali mitosi; ma vi sono delle differenze, che non sono le
stesse per la prima e per la seconda divisione meiotica.
Prima divisione meiotica. Avviene in cellule (spermatociti od oociti
primari negli animali) in cui la duplicazione del DNA  terminata e
quindi ogni cromosoma si  gi sdoppiato.
Nella profase, che  molto lunga, si distinguono vari stadi. Quando
compaiono, nello stadio detto leptotene, i cromosomi sono dei filamenti
lunghi e sottili appena visibili, con punti pi spessi, i cromomeri,
simili alle perle di una collana. La localizzazione e le dimensioni di
questi granuli, dovute a un arrotolamento precoce di alcune zone, sono
costanti e ben definite. Nello stadio successivo, detto zigotene (dal
greco zygun, congiungere) questi filamenti si accostano a due a due
su tutta la loro lunghezza in modo molto preciso e specifico: ogni
cromomero se ne trova di fronte un altro identico sul cromosoma parallelo,
e ci  la migliore dimostrazione del fatto che essi sono omologhi a
due a due. In seguito a questo appaiamento rimangono solo n gruppi
separati: fanno spesso eccezione gli eterocromosomi, che sono pi o
meno dissimili fra loro e non si appaiano, o lo fanno solo in modo
molto parziale. Nello stadio successivo, il pachitene, i cromosomi
diventano pi spessi e pi corti: in ciascuno di essi vi sono a quanto pare
due cromatidi paralleli.
Dopo che lo sfaldamento longitudinale  diventato visibile, i cromosomi
omologhi sembrano respingersi l'un l'altro (stadio detto diplotene);
ogni gruppo  formato allora distintamente da quattro cromatidi,
da cui il nome di tetradi. La separazione  accentuata soprattutto
al livello dei due centromeri, addotti ciascuno da uno dei due
cromosomi omologhi, ma  ostacolata dagli incroci fra i cromatidi.
Questi incroci (chiasmi) sono tanto pi numerosi (fino a 6 o a 8)
quanto pi sono lunghi i cromosomi: essi si scomporranno gradualmente
nel corso della diacinesi, allorch si raggiunge la massima contrazione
e le tetradi hanno la forma di un 8, di una Y o di una X. Questo stadio
corrisponde all'incirca alla fine di una normale profase, ed  solo a
questo punto che il nucleolo e l'involucro nucleare scompaiono.
Nella metafase i centromeri dei cromosomi omologhi si collocano
dai due lati della placca equatoriale; nell'anafase essi si allontanano,
trascinando verso i poli ciascuno due cromatidi accostati. Quando gli
eterocromosomi non si appaiano, spesso vengono montati prima della
parte principale, l'X da un lato e lo Y dall'altro. Il resto di questa
divisione non ha storia; ciascuno dei due citi secondari (citi II) da essa
derivati ha ricevuto n cromosomi doppi.
Seconda divisione meiotica. Ha durata minore e somiglia di pi a
una normale mitosi: vi  tuttavia una differenza essenziale, e cio che
non viene preceduta n accompagnata da sintesi di DNA. Essa ha inizio
dopo un breve periodo intercinetico; nella profase ricompaiono n
cromosomi doppi e i soli centromeri si scindono, trascinando ciascuno
un cromatidio verso un polo. Le due cellule provenienti da questa
divisione sono, negli animali, dei tidi (spermatidi od ootidi): un tidio
contiene un cromosoma di ciascuna coppia, e cio n cromosomi (con un
cromatide ciascuno); essi sono aploidi e diventeranno i gameti.
Rispetto alle normali mitosi vi sono tre differenze fondamentali,
dalle quali deriva tutto il resto; l'appaiamento e l'incrocio dei
cromosomi omologhi nella prima profase, la risalita anafasica dei cromosomi
doppi nella prima divisione e l'assenza di sintsi prima della seconda.
Il fatto che il DNA non si sdoppi non richiede spiegazioni: 
sufficiente constatarlo. La risalita dei cromosomi doppi  determinata
dalla posizione delle placche dei cinetocori. In una normale mitosi
esse sono situate, da una parte e dall'altra, sul centromero che collega
due cromatidi, e separano normalmente questi ultimi quando sono
attratti verso i poli opposti; ma quando vi sono quattro cromatidi e
quattro placche cinetocorali, due di esse - situate fianco a fianco - possono
legarsi tra loro e volgersi verso un polo, mentre le altre due sono
orientate verso l'altro polo. Ci spiega la risalita parallela di
due cromatidi di ciascun gruppo.
L'appaiamento  un fenomeno pi complesso.
L'appaiamento dei cromosomi e lo scambio di segmenti. Nella normale mitosi
non vi  alcuna attrazione fra cromosomi omologhi, situati a caso
sulla placca equatoriale; per contro, il loro appaiamento nella
profase della prima divisione meiotica  dovuto a una struttura presente
soprattutto durante il pachitene e visibile solo al microscopio
elettronico, il complesso sinaptonemale. Si tratta di un nastro proteico
largo circa 100 nm, formato da un asse mediano da cui si dipartono dei
filamenti perpendicolari, a somiglianza di una scala con un montante
centrale e due serie di pioli laterali. Le masse di cromatina densa
corrispondenti ai cromosomi omologhi si dispongono lungo i due margini
di questo nastro.
Questo complesso non si limita a svolgere un ruolo nell'appaiamento: nel
pachitene, che pu durare vari giorni, esso consente degli
scambi di segmenti fra cromatidi appaiati. Questi scambi, o crossing-over,
sono piuttosto frequenti e sono stati identificati per la prima volta
mediante esperimenti di genetica (Si comprende bene che la trasmissione
dell'informazione ereditaria, oggetto della genetica,  strettamente
legata alla sorte dei cromosomi, portatori delle sequenze di DNA,
durante la meiosi e la fecondazione. Il presente volumetto non pretende
di sostituirsi a un'introduzione alla genetica). La maggior parte dei
cromatidi ricevuti dalle cellule aploidi verso la fine della meiosi
non sono rimasti identici per tutta la loro lunghezza a quelli della
cellula diploide da cui provengono. Non  possibile osservare direttamente
gli scambi al microscopio, ma gli incroci caratteristici del diplotene e i
movimenti complessi che finiscono col separare fra loro i cromatidi di
una tetrade ne sono il risultato visibile. Ciascun crossing-over implica
il taglio di due filamenti cromatidici omologhi e il successivo
collegamento di ciascuna estremit libera all'altro filamento, situato
sul lato opposto del complesso; i tagli devono essere molto precisi, per
evitare che uno dei filamenti abbia delle parti in pi o in meno rispetto
all'altro. I processi in gioco sono probabilmente analoghi a quelli messi in
atto nella riparazione del DNA; vi hanno un ruolo importante i
noduli di ricombinazione, masse proteiche dense di circa 100 nm osservabili
in alcuni punti sul complesso sinaptonemale e formate probabilmente da
associazione di enzimi. Se questi noduli o l'intero complesso mancano,
oppure hanno un aspetto anomalo, l'appaiamento e gli scambi non avvengono;
le modalit di funzionamento dei noduli rimangono peraltro sconosciute.

3. La fecondazione: macrogameti e microgameti
I gameti che si fonderanno per formare uno zigote possono essere
uguali per aspetto e dimensioni: nei protozoi, in molte alghe e in molti
funghi non vi  tra loro alcuna differenza visibile, ma le cellule hanno
dei marcatori chimici riconoscibili che evitano errori. Tuttavia nella
maggior parte delle specie pluricellulari uno dei gameti  di grandi
dimensioni, provvisto di riserve nutritive e incapace di spostarsi da s
(macrogamete); quando deriva direttamente da una meiosi, una sola
delle quattro cellule possibili conserva tutte le sue riserve, che
nutriranno l'embrione all'inizio del suo sviluppo, mentre le altre tre
cellule scompaiono. Il microgamete  invece molto piccolo, privo di riserve
e mobile, ed  attirato chimicamente dal macrogamete.  facile riconoscere
in questa descrizione l'ovulo e lo spermatozoo. Un'analoga divisione
dei ruoli fra i gameti si ritrova nel regno vegetale. Il microgamete
 spesso dotato di flagelli e raggiunge il macrogamete nuotando in
un liquido; l'unica eccezione  costituita dai microgameti delle piante
con fiori e delle conifere.
In parecchie specie (piante monoiche, animali ermafroditi) lo stesso
individuo pu produrre entrambi i tipi di gameti, ma spesso barriere
meccaniche o chimiche (marcatori d'identificazione) impediscono
l'autofecondazione; mancano gli eterocromosomi. Quando i sessi
sono separati, spesso il fattore che determina il sesso  la presenza
dell'uno o dell'altro eterocromosoma in uno dei due gameti. Com'
noto, nei mammiferi maschi (compreso l'uomo) la separazione dei
cromosomi X e Y durante la prima divisione meiotica produce due tipi
di spermatozoi (portatori di X o di Y) che, unendosi al cromosoma X
dell'ovulo, daranno a seconda dei casi una femmina o un maschio.
In altri gruppi zoologici sono talvolta gli ovuli ad avere eterocromosomi
diversi.
Il dispendio energetico necessario per le sintesi  rilevante e il
numero dei gameti femminili, bench elevato,  sempre assai minore di
quello dei gameti maschili, che pu arrivare a varie centinaia di milioni;
di questi solo un'infima minoranza trover il proprio omologo.
Molti ovuli non raggiungono la maturit o non vengono fecondati, e
nella maggior parte dei casi lo sviluppo embrionale si blocca spontaneamente
poco tempo dopo la fecondazione: sono questi alcuni aspetti
della spietata selezione cellulare che accompagna ogni riproduzione sessuata.
In quasi tutti gli animali pluricellulari lo spermatozoo  costituito da
un piccolissimo nucleo estremamente compatto, da una parte intermedia
contenente dei mitocondri e da un lungo flagello; una volta che lo
spermatozoo  penetrato nell'ovulo, solo il suo nucleo vi avr un ruolo
attivo (Contrariamente a quanto si credeva, i suoi mitocondri non servono
al nuovo individuo). Il suo ingresso provoca spesso modifiche della
superficie dell'ovulo che impediscono ad altri spermatozoi di penetrare in
esso. Il nucleo dello spermatozoo si gonfia e finisce col somigliare a quello
del gamete femminile, che inizialmente era alcune centinaia di volte
pi voluminoso. Dopo un rapido sdoppiamento del loro DNA i due
nuclei, conservando ciascuno n cromosomi formati da due cromatidi,
si avvicinano ed entrano simultaneamente nella profase e poi nella
metafase. Si forma cos una placca equatoriale in cui i cromosomi di
entrambe le origini si raggruppano e si mescolano senza appaiarsi.
Nell'anafase ognuno di essi invia un cromatidio verso ciascun polo; il
seguito di questa mitosi  normale e d origine a due blastomeri diploidi,
prime cellule dell'embrione.
La produzione dei gameti si svolge spesso in maniera asimmetrica
nei due sessi.
Nei mammiferi maschi la meiosi comincia poco prima della pubert in milioni
di spermatociti I dei testicoli e continua per tutta la vita sessuale, spesso
con ritmo stagionale; le due divisioni meiotiche, che durano parecchie
settimane, si succedono senza intervalli e gli spermatidi si trasformano
in spermatozoi senza dividersi. Nelle femmine, la prima divisione meiotica
nelle ovaie ha inizio all'incirca alla nascita. Vi ritroviamo tutti gli stadi
della profase, ma la divisione propriamente detta non avviene e i nuclei
riprendono un aspetto intercinetico. Questi oociti primari cambiano poco
fino alla pubert, a parte il fatto che molti di essi scompaiono; durante
il periodo di attivit sessuale, in ogni ciclo dell'estro (o mestruale)
alcuni di essi (o uno solo) continuano a svilupparsi all'interno di un
follicolo, dove sono nutriti da altre cellule. Gli oociti si caricano
di riserve, anche se in quantit minore che negli altri vertebrati; il
diametro dell'ovulo raggiunge uno o due decimi di millimetro. Nella fase
finale la prima divisione meiotica si svolge con una certa velocit, ma 
molto disuguale in volume. La placca equatoriale  molto decentrata per la
presenza delle riserve, che rimangono tutte nell'oocita secondario; alla sua
superficie appare un primo globulo polare, che  semplicemente un nucleo
(che in seguito degenerer) circondato da un sottile involucro di
citoplasma. La seconda divisione meiotica ha inizio immediatamente dopo,
ma si blocca in corrispondenza della metafase e l'oocita II viene espulso
nelle vie genitali; esso si ferma a questo stadio e degenera a sua volta
dopo breve tempo se non incontra uno spermatozoo. La penetrazione di
quest'ultimo sblocca subito questa seconda metafase e la meiosi si conclude;
anche qui la divisione  molto disuguale e viene emesso un secondo globulo
polare. Solo quando questo processo  terminato ha inizio la fecondazione
propriamente detta.
Possiamo per trascurare queste circostanze secondarie e cercare di
cogliere il significato globale della riproduzione sessuata. ln ogni
coppia di cromosomi l'uno proviene dal genitore maschio e l'altro dal
genitore femmina; la meiosi non si  limitata a eliminare uno dei due,
ma ha fatto s che ogni gamete sia portatore di un assortimento originale.
 solo il caso a determinare verso quale polo si diriger ciascuno
dei due membri di una coppia di cromosomi (La trasmissione dei geni
postulati dalla genetica  identica, ovviamente, a quella qui descritta
per i cromosomi; questa concordanza ha per indotto a credere, all'inizio
del nostro secolo, che questi geni (di cui non si sapeva nulla) fossero
portati dai cromosomi); di conseguenza, fra gli n cromosomi addotti da un
gamete un numero pressappoco uguale proviene dai cromosomi paterni e materni
della generazione precedente a quella in cui si svolge la meiosi. Inoltre
la maggior parte di essi non sono rimasti identici a quegli antenati: in
seguito agli scambi essi sono costituiti da una giustapposizione di parti
di origine paterna e materna. La possibile diversit dei discendenti di una
stessa coppia  pressoch infinita; di per s (a parte le mutazioni) la
riproduzione sessuata non fa nascere nuove sequenze di DNA, ma rimescola con
grande efficacia l'insieme dei geni esistenti, ricavandone nuove
combinazioni che possono rivelarsi vantaggiose. Essa permette anche il
rilancio di ciascuna generazione con un materiale ereditario depurato il
pi possibile da tare incompatibili con una sopravvivenza prolungata.

XI) La differenziazione cellulare
Tutte le cellule di un eucariote unicellulare (protozoi o alghe
unicellulari, in 100.000 specie diverse), vivano esse isolate o in colonie,
sono all'incirca simili e funzionano allo stesso modo; ma nella maggior
parte degli eucarioti ogni individuo  formato da un gran numero
di cellule (da qualche decina a milioni di miliardi) spesso molto diverse
fra loro, anche se nate da un unico zigote per divisioni mitotiche
successive. I particolari strutturali di queste cellule e le molecole che
esse producono sono in parte dissimili; le cellule agiscono in modo
complementare, prestandosi reciproci servigi che contribuiscono alla
conservazione dell'intero organismo. La vita si manifesta cos a due
livelli: quello delle singole cellule e quello dell'organismo nel suo
insieme,
Quest'organizzazione pi elaborata richiede un numero molto maggiore
di informazioni ereditarie: gli eucarioti unicellulari hanno una
quantit di DNA per cellula dieci volte pi grande che non i procarioti,
mentre negli organismi pluricellulari la quantit  da cento a mille
volte maggiore. Pur non essendovi una relazione diretta fra la quantit di
DNA di una cellula e la quantit d'informazione ivi contenuta, questi
rapporti danno un'idea della complessit relativa dei vari organismi.
Vi  poi un'altra questione. A proposito dei procarioti abbiamo
accennato a certe modifiche, molto limitate, del loro comportamento
in dipendenza di condizioni esterne (forme a L, spore, repressori);
negli eucarioti la gamma di queste modifiche  incomparabilmente pi
ampia. Le cellule dello stomaco, dell'epidermide o del cervello non
hanno lo stesso aspetto n le stesse capacit, bench i rispettivi DNA,
identici, derivino da quello del medesimo zigote. Cos' che determina
questa differenziazione cellulare?
Prima di esaminare varie teorie, occorre definire brevemente le
principali fasi dello sviluppo embrionale negli animali pluricellulari,
fasi che sono a grandi linee analoghe (Diverso  il problema delle piante,
dove lo sviluppo  molto differente. I meristemi conservano la capacit
embrionale di formare tutti i tessuti della specie: in una coltura in vitro
 possibile riprodurre piante complete a partire da poche cellule).
Lo zigote, sferico e carico di riserve nutritive, si divide rapidamente una
o pi decine di volte. Durante questa segmentazione le dimensioni delle
cellule (blastomeri) si dimezzano a ogni divisione, cos che il volume
complessivo rimane costante; ne risulta una sfera cava, talvolta appiattita
(blastula), contenente alcune centinaia o migliaia di cellule che non
differiscono molto fra loro e non hanno ancora nessuna delle capacit
di quelle dell'adulto. Nella gastrulazione alcuni gruppi di cellule
superficiali penetrano in profondit, muovendosi a strati, e formano tre
foglietti primordiali (Le spugne, le meduse e i coralli ne hanno solo due)
le cui cellule si diversificano fra loro: l'ectoblasto (rivestimento esterno),
l'endoblasto (cavit digestive e annessi) e il mesoblasto (intermedio).
Ciascuno di questi foglietti dar origine a pi tessuti caratteristici: ad
esempio nei vertebrati le cellule dell'ectoblasto costituiranno l'epidermide
e i suoi annessi, ma anche il tessuto nervoso, mentre il mesoblasto 
l'antenato di tutto il tessuto connettivo, delle cellule sanguigne, dei
muscoli, delle ossa, eccetera. Salvo alcune eccezioni, le cellule di un
dato tessuto non cambieranno pi la loro appartenenza.
Un'ipotesi semplice sarebbe quella secondo cui lo zigote possiede
tutta l'informazione ereditaria della specie, ma durante lo sviluppo le
cellule che ne derivano perdono una qualche parte di questa informazione,
conservando solo quella relativa al tessuto a cui appartengono.
L'ipotesi non  esatta, ma il risultato degli esperimenti che hanno
permesso di scartarla  istruttivo.
Si distrugge per irradiazione il nucleo di un uovo di anfibio e lo si
sostituisce con un altro, prelevato da un girino natante: lo sviluppo
dell'uovo  normale fino allo stadio di blastula, ma poi si ferma. Se dalla
blastula si estrae un nucleo e lo si innesta in un secondo uovo denucleato,
si arriva ad una larva sviluppata, e talvolta perfino a un adulto.
Ci significa che un nucleo prelevato dall'intestino di un girino che gi
si nutre (o, in certi casi, di un adulto) contiene ancora tutta l'informazione
della specie e consente di costruire cellule nervose, sanguigne, eccetera.
Tuttavia quest'informazione non  immediatamente accessibile, e perch
diventi utilizzabile  necessario un passaggio attraverso
pi generazioni di citoplasmi embrionali.
L'informazione permane dunque in tutti i nuclei, e d'altra parte le
quantit di DNA e le sue sequenze sono rimaste identiche. Tuttavia
molti enzimi e molte altre proteine vengono costruiti solo in certi
momenti del ciclo vitale o in particolari organi: ad esempio, nel corso
della nostra vita vengono successivamente costruite tre diverse
emoglobine (la proteina rossa che trasporta l'ossigeno nel sangue). In ogni
istante il DNA viene trascritto solo per una parte piuttosto ridotta,
variabile da un tessuto all'altro.
Vi sono ora due problemi: come hanno origine queste differenze, e
in che modo viene modificato il funzionamento dei nuclei perch esse
si manifestino?
In risposta alla prima domanda, gli esperimenti sopra descritti suggeriscono
l'esistenza di un influsso del citoplasma, confermato dall'evoluzione
normale dell'embrione. Le riserve accumulate negli zigoti non
hanno solo una funzione nutritiva e non sono distribuite nell'uovo in
maniera uniforme: nelle specie in cui esse abbondano, le pesanti
piastrine vitelline (che formano ad esempio la parte principale del tuorlo
d'uovo) sono pi numerose presso il polo inferiore, mentre i mitocondri
e i ribosomi, pi leggeri, si concentrano presso il polo superiore.
Durante le prime divisioni di segmentazione, in cui viene sintetizzato
quasi soltanto il DNA, la composizione citoplasmica dei blastomeri si
differenzia a seconda dei posto che essi occupano. Le cellule pi
pesanti presentano un ritardo nella divisione e rimangono pi grandi;
nella gastrulazione alcune cellule ne influenzano altre, di composizione
e dimensioni diverse, inducendole a spostarsi e a sintetizzare a loro
volta particolari proteine (Questo ragionamento si basa soprattutto sullo
sviluppo dei vertebrati; la trasformazione delle cellule degli invertebrati
spesso  determinata molto prima (uova a mosaico).
Alcuni classici esperimenti sugli anfibi (gli organismi pi accessibili
e meglio conosciuti sotto questo riguardo) dimostrano questi influssi;
meccanismi analoghi esistono probabilmente in molte specie.
Un gruppo di cellule prelevato da una blastula, viene innestato in un'altra
blastula della stessa et: la maggior parte delle cellule seguono la sorte
del luogo in cui sono situate, ma un gruppo particolare (labbro dorsale del
blastoporo) non modifica il suo normale sviluppo. Inoltre le cellule che si
trovano in prossimit dell'innesto presentano un'evoluzione inattesa: intorno
al gruppo suddetto; dovunque esso sia stato inserito (ad esempio sulla parte
ventrale dell'embrione principale), si organizza un nuovo embrione, una specie
di gemello siamese. Le cellule di questo gruppo organizzatore emettono
un messaggio, probabilmente proteico, che influenza le altre, costringendole
a spostarsi e a diversificarsi in una data maniera. Sono stati anche descritti
effetti in cascata analoghi a questi, ma pi tardivi (induzioni).
Questi influssi reciproci successivi fra le cellule spiegano il progredire
della differenziazione; essi agiscono sui recettori delle membrane
mediante messaggeri chimici.
Per quanto riguarda la seconda domanda (che cosa accade all'interno dei
nuclei perch si giunga in un dato momento alla trascrizione e alla
traduzione in proteina di una certa sequenza di DNA anzich di un'altra?) ne
sappiamo invece molto meno. Sono stati identificati vari meccanismi che
modificano la trascrizione.
 stato dimostrato che differenze di taglio e permutazioni di giunzione
durante la formazione degli m-RNA possono provocare la sintesi di proteine
diverse aventi all'incirca la stessa funzione: ci consente fra l'altro la
straordinaria variet delle immunoglobuline (anticorpi) che intervengono
nei fenomeni immunitari.
Anche la posizione occupata da un segmento di DNA sui cromosomi pu avere
un ruolo nella sua attivazione.
In molti tumori si notano alcuni geni, detti oncogeni, in tutto simili a
sequenze che vengono trascritte normalmente durante lo sviluppo embrionale,
ma che sono poi disattivate. In questi tumori gli oncogeni sono stati
spostati in un altro punto del cariotipo (ed  proprio questo che permette
di individuarli): lontani dal loro ambiente abituale, dove in et adulta
vengono inibiti, essi si riavegliano e provocano una proliferazione
indiscriminata, rovinosa per l'organismo.
Pu anche accadere che l'inibizione o l'attivazione del DNA si
manifestino solo dopo un certo tempo.
Mediante vari procedimenti di partenogenesi sperimentale  possibile
provocare lo sviluppo di uova non fecondate al di fuori dell'organismo: in
alcune specie i risultati sono spettacolari, ma nei mammiferi la
segmentazione si ferma sempre allo stadio 8 oppure 16. Ci non  dovuto al
fatto che l'esperimento avviene in vitro, perch se l'uovo  fecondato lo
sviluppo va, com' noto, molto pi avanti: n  dovuto alla natura
aploide del nucleo, perch la crescita si blocca anche se si elimina il nucleo
femmina sostituendolo con due spermatozoi, oppure se si uniscono per
fusione due uova non fecondate, ricostituendo cos il numero normale di 2n
cromosomi. La porzione embrionale della placenta non appare se non vi sono
stati spermatozoi, e altri fenomeni dello sviluppo non si svolgono se manca
un nucleo nato da un ovulo: occorre che vi siano contemporaneamente cromosomi
del gamete maschile e di quello femminile. Per inciso, ci dimostra che nei
mammiferi  impossibile una vera e propria partenogenesi (un solo genitore
di un solo sesso).
Le sequenze di DNA in questione sono presenti sia nei cromosomi
provenienti dal genitore femmina che in quelli provenienti dal genitore
maschio (Gli eterocromosomi sono qui fuori causa; ad ogni modo, in un embrione
femmina manca il cromosoma Y). Anche dopo parecchie generazioni cellulari il
funzionamento di uno dei gruppi di cromosomi rimane diverso da quello
dell'altro gruppo: tutto avviene come se i cromosomi conservassero la
memoria di certe attivazioni (o inibizioni) attraverso una serie di
mitosi successive, e ci non facilita l'analisi.
Varie sostanze attivano sequenze particolari del DNA: alcuni ormoni
penetrano fino al nucleo e vi provocano la trascrizione di certi
messaggeri, e quindi la produzione di proteine, modificando in vario
modo il metabolismo. Sono state anche identificate una serie di proteine
regolatrici di geni, attive in quantit piccolissime, che riconoscono
una sequenza sul DNA e inibiscono - o al contrario favoriscono - la
trascrizione del segmento successivo. Forse questi meccanismi non
sono molto diversi, in linea di principio, dal modo di agire degli
operoni descritti nei procarioti.
Infine, come mai nel corso dello sviluppo queste stesse sostanze
direttrici compaiono proprio nel momento pi opportuno? Di recente
alcuni esperimenti spettacolari hanno dimostrato che esiste tutta una
gerarchia di geni regolatori, in cui quelli del primo ordine consentono di
agire a quelli del secondo ordine, e cos via.
Molti animali sono metamerizzati, cio formati da una serie di segmenti
(metameri) che hanno tutti lo stesso schema generale, ma alcuni dei quali
sono modificati in vario modo. Ci  visibile chiaramente negli
anellidi (vermi di terra) e negli insetti, mentre lo  meno nei vertebrati
adulti, pur essendo evidente durante il loro sviluppo. Si ha cos
una notevole economia, perch  sufficiente che all'informazione riguardante
la struttura generale dei segmenti si aggiunga l'istruzione ripetere X
volte, modificando per dal settimo al decimo segmento in questa maniera, a
partire dall'undicesimo in quest'altra, eccetera.
Una sene di singolari anomalie dello sviluppo sono state evidenziate nella
drosofila, animale da esperimento favorito dei genetisti. In un caso, sulla
testa si sviluppano al posto delle antenne due zampe di aspetto normale; in
un altro caso si sviluppa un terzo paio di ali, eccetera. La formazione di
tali strutture dipende da sequenze note del DNA, e quest'ultimo  regolare,
ma tutto accade come se il segmento portatore dell'anomalia
fosse situato in un altro punto dell'embrione. Questi geni, detti omeotici,
funzionano normalmente, sotto l'influsso dei geni regolatori gerarchicamente
pi elevati, solo quando risiedono all'indirizzo giusto; negli individui
anormali essi sono rimasti attivi in un segmento in cui non avrebbero dovuto
pi essere tali.
In vari geni omeotici  stata identificata una particolare sequenza di
circa 180 nucleotidi di lunghezza (omeobox), molto simile nei diversi geni
ma seguita ogni volta, ovviamente, da una porzione specifica; ebbene,
esistono nei vertebrati sequenze molto vicine agli omeobox delle drosofile,
anch'esse divise in segmenti (somiti), la cui differenziazione varier a
seconda della loro posizione nell'embrione.  stato facile a questo
punto postulare l'esistenza di geni omeotici in questi animali superiori
e nell'uomo.
Tuttavia ci non spiega perch alcuni geni siano attivati solo in certi
momenti; potrebbe darsi che la parte di DNA non trascritta abbia un
ruolo in questi meccanismi, oppure che certe parti del DNA ne influenzino
altre vicine.
La principale sfida che la biologia cellulare dovr affrontare nel
prossimo decennio riguarda appunto la differenziazione cellulare: chi
 il direttore d'orchestra che presiede alla trascrizione di questa o
quella sequenza di DNA nei diversi momenti della vita di un individuo e
nei diversi tessuti? In che modo quest'ordinamento dell'attivazione
dei geni viene mantenuto, e in che modo viene invece perturbato,
provocando le moltiplicazioni anarchiche tipiche dei tumori?
Un'altra questione, di natura quasi filosofica, consiste nello stabilire
se soltanto le molecole e i meccanismi generali osservati sia nelle
cellule di procariote che in quelle di eucariote siano in grado di sostenere
la vita, o se anche altre strutture potrebbero farlo: la risposta potr
venire solo dallo studio di altri pianeti.
FINE
