Procarioti ed eucarioti: quali sono le differenze di queste cellule?

Cellule eucariotiche e procariotiche

Tutti gli organismi viventi si possono differenziare in due gruppi a seconda della struttura fondamentale delle loro cellule: i procarioti e gli eucarioti. I procarioti includono batteri ed archea e sono costituiti da cellule antiche, piccole e semplici. Gli eucarioti comprendono alghe, protozoi, protisti e funghi e sono costituti da cellule più complesse.

Albero filogenetico dei tre domini principali
Figura 1 – Albero filogenetico rappresentante i 3 domini principali: batteri, archaea ed eucarioti.

Differenze tra cellula procariote ed eucariote

Il National Institute of Health (NIH) riporta che gli organismi procarioti si sono evoluti tra 3,8 e 3,9 miliardi di anni fa, mentre gli organismi eucarioti (piante e animali) si sono sviluppati circa 2,7 miliardi di anni fa.

Attualmente, vi sono diverse teorie riguardanti questa evoluzione. La teoria più accreditata è chiamata teoria endosimbiontica, formulata verso la fine degli anni Ottanta dalla genetista statunitense Lynn Margulis. Secondo questo modello, i mitocondri e i cloroplasti deriverebbero da antichi procarioti che si sono introdotti in cellule più grandi. Qui i procarioti avrebbero dato origine a un rapporto di simbiosi, ossia un rapporto vantaggioso, tra due organismi che vivono l’uno all’interno dell’altro.

Cosa hanno in comune la cellula eucariote e procariote?

Sebbene differenti, procarioti ed eucarioti hanno molto in comune e contengono molti degli stessi componenti:

  • Membrana citoplasmatica (o cellulare): tutte le cellule possiedono una barriera di permeabilità che separa l’interno della cellula, costituito dal citoplasma, dall’ambiente esterno;
  • Citoplasma: miscela acquosa di macromolecole come proteine, lipidi, acidi nucleici e polisaccaridi;
  • Ribosomi: organelli coinvolti nella sintesi delle proteine. Sebbene i ribosomi delle cellule eucariote siano più grandi, più complessi e legati da una membrana, in entrambi i tipi di cellule sono composti da due subunità: una più grande e una più piccola (chiamate 60S e 40S negli eucarioti e 50S e 30S nei procarioti);
  • Parete cellulare: posizionata all’esterno della membrana cellulare, costituisce uno strato molto più forte di quest’ultima conferendo resistenza strutturale alla cellula. La parete si trova in tutte le cellule delle piante e in molti microrganismi, mentre è raro trovarla nelle cellule animali.
Differenze e caratteristiche comuni tra cellula eucariote e cellula procariote
Figura 2 – Principali differenze tra cellula eucariote e procariote e caratteristiche comuni

In che cosa differiscono?

Nucleo/DNA

I procarioti hanno il nucleo? Le differenze tra cellule eucariote e procariote sono molteplici, ma la più importante riguarda il nucleo. Gli eucarioti possiedono un nucleo delimitato da una doppia membrana nucleare interrotta da pori che permettono sia il passaggio di ioni e macromolecole, sia l’interazione fra il nucleo e il citoplasma. La parte più attiva del nucleo, nella quale si trovano grandi quantità di proteine enzimatiche e acidi nucleici, necessari a “leggere” il codice genetico, è chiamata nucleolo.
Le cellule procariote, invece, non hanno un nucleo ma una regione chiamata nucleoide.

Nel nucleo e nel nucleoide si trova tutta la storia biologica dell’organismo a cui essa appartiene. Ogni informazione è codificata nella molecola del DNA: come nell’alfabeto Morse la successione di punti e linee trasmette un messaggio completo e articolato, così la successione degli elementi chimici che formano il DNA determina ogni caratteristica cellulare e, di conseguenza, dell’intero organismo.

Negli eucarioti, il materiale genetico del DNA è suddiviso in coppie di cromosomi, mentre il DNA che forma il nucleoide nei procarioti è, la maggior parte delle volte, presente in singola copia e circolare. Inoltre, molti procarioti contengono oltre al cromosoma, altri pezzi di DNA circolari, chiamati plasmidi. 

Infine, il genoma dell’organismo procariote per eccellenza, Escherichia coli, contiene 4288 geni; un numero 7 volte inferiore al numero di geni contenuti in una cellula eucariota umana. Quindi una differenza tra eucarioti e procarioti è sicuramente il nucleo.

Organizzazione cellulare

Organelli 

Una delle differenza tra le cellule dei procarioti e le cellule dei eucarioti è la presenza di organuli legati alla membrana negli eucarioti:

  • Mitocondri: ovvero le “centrali energetiche” della cellula. Forse derivati da batteri che hanno iniziato a “convivere” con le prime cellule nucleate della storia, i mitocondri sono delimitati da una doppia membrana che si flette all’interno formando creste e tubuli. Sulla membrana interna si trovano tutti gli enzimi respiratori, mentre nella matrice che riempie lo spazio interno si trovano le sostanze necessarie alla produzione di energia: zuccheri e grassi. Quindi i procarioti hanno i mitocondri? la risposta è assolutamente no.
  • Lisosomi: vescicole sferoidali delimitate da una membrana singola, che contengono un’alta concentrazione di enzimi digestivi. Servono a distruggere organelli in eccesso o danneggiati, o molecole inutilizzabili provenienti dall’interno della cellula o dall’esterno di questa;
  • Apparato di Golgi: organello di natura lipidica scoperto nel 1898 dall’italiano Camillo Golgi. L’apparato del Golgi immagazzina e rielabora proteine fino al momento del loro uso o fino alla loro espulsione dalla cellula. Le vescicole, infatti, possono confluire nella membrana di altri organelli e arricchirli del proprio contenuto, oppure possono fondersi con la membrana plasmatica ed espellere ciò che contengono;
  • Vacuoli: organello legato alla membrana che è presente principalmente nelle cellule vegetali e fungine, la cui funzione principale è deputata alla riserva cellulare.

Altre differenze tra cellula eucariote e procariote

  • Reticolo endoplasmatico: fitta rete di membrane doppie, ripiegate in varie forme che attraversa tutta la cellula. Alloggiati su queste membrane si trovano i complessi di enzimi che permettono specifiche reazioni biochimiche. Inoltre sulle superfici si assemblano i ribosomi. La loro presenza massiccia dà al reticolo endoplasmatico un aspetto “ruvido”: per contrasto, il reticolo endoplasmatico dove si trovano pochi o nessun ribosoma, e la produzione di proteine è bassa o assente, è detto “liscio”;
  • Idrogenosomi: alcuni organismi eucarioti sono anaerobi, non tollerano la presenza di O2, per questo motivo sono sprovvisti di mitocondri, ma contengono gli idrogenosomi. A questi organelli, per quanto simili ai mitocondri, mancano le creste e il ciclo dell’acido citrico. Gli organismi provvisti di idrogenosomi si basano su un metabolismo basato sulla fermentazione (come in Trichomonas ed altri protisti). La reazione biochimica principale riguarda l’ossidazione del piruvato in idrogeno (H2), anidride carbonica (CO2) e acetato;

Altre differenze cellulari

  • Cloroplasti: organelli contenenti clorofilla presenti in organismi fototrofi eucarioti, grazie a cui avviene la fotosintesi. Come i mitocondri, i cloroplasti possiedono una membrana esterna permeabile ed una membrana interna che circonda la matrice interna, chiamata stroma, contenente gli enzimi chiave del ciclo di Calvin. I cloroplasti fanno parte principalmente delle cellule vegetale e non delle cellule animali.
  • Dimensioni celluari: le cellule procariote hanno un diametro generalmente compreso fra 1 e 5 µm, le cellule eucariote invece hanno diametri compresi tra i 10 e 30 micrometri.
  • Pluricellularità: le cellule procariote sono sempre unicellulari e non si aggregano in strutture più numerose e complesse, le cellule eucariote invece si possono associare in strutture pluricellulari.
Inclusioni cellulari

Sebbene i procarioti siano sprovvisti di organelli, le loro cellule presentano spesso inclusioni visibili al microscopio che servono come riserve di energia, di carbonio o hanno funzioni speciali:

  • Poli-b-idrossibutirrato (PHB): sintetizzato dalle cellule (come Ralstonia eutrophus o Bacillus megaterium) in seguito ad un’elevata quantità di carbonio nella cellula. Si tratta di un lipide formato da unità di acido b-idrossibutirrato che, in seguito a polimerizzazione, si aggregano a formare granuli;
  • Glicogeno: polimero costituito da unità di glucosio, riserva di carbonio e energia simile al PHB;
  • Minerali di polifosfato, zolfo e carbonato: granuli di riserva costituiti da ioni fosfato possono essere direttamente utilizzati per la produzione di ATP. Molti procarioti Gram-negativi, invece, come i batteri solforosi possono ridurre composti solforosi. Questi batteri possono accumulare zolfo che può essere ossidato in solfato in caso di bisogno. Similarmente, alcuni cianobatteri formano minerali di carbonato sia sulla loro superficie esterna che interna (come Gleomargarita). Questo processo è noto come biomineralizzazione;
  • Magnetosomi: particelle intracellulari che formano catene costituite da magnetite. Esse impartiscono alla cellula un dipolo magnetico che è in grado di orientare passivamente la cellula e orientarla all’interno di un campo magnetico. I batteri che possiedono i magnetosomi possiedono la magnetotassi, processo secondo cui riescono a disporsi lungo le linee del campo magnetico terrestre.  

Citoscheletro

La grande taglia delle cellule eucariote è supportata da un’intelaiatura formata da una complessa rete di proteine fibrose che, sotto forma di filamenti, attraversa tutta la cellula dandole la forma caratteristica. Tipico delle cellule eucariote, svolge anche una funzione di guida dei movimenti degli organelli, e diventa fondamentale al momento della divisione cellulare. La rete del citoscheletro consiste di microtubuli, microfilamenti e filamenti intermedi.

Divisione cellulare

La divisione delle cellule eucariote avviene tramite due processi: mitosi e meiosi.

La mitosi (tipica del lievito che costituisce il lievito di birra, Saccharomyces cerevisiae) prevede la condensazione, divisione e la separazione dei cromosomi in due gruppi, ognuno separato nelle due cellule figlie.

La meiosi è il processo di conversione dello stato diploide (due sets di cromosomi) in uno stato aploide (un set di cromosomi). Essa consiste di due divisioni cellulari. Nella prima divisione meiotica i cromosomi omologhi segregano in due cellule figlie, cambiando lo stato genetico da diploide a aploide. La seconda divisione meiotica è sostanzialmente simile alla mitosi, in cui le due cellule aploidi si dividono formando un totale di quattro cellule aploidi. I procarioti si dividono, invece, per fissione binaria (binaria per esprimere il fatto che da una cellula se ne formano due). Il cromosoma procariotico si replica e viene legato in due parti diverse della membrana cellulare. In seguito alla formazione di un septum, che costringe la cellula a dividersi in due cellule figlie, i cromosomi sono separati. In seguito alla divisione cellulare (citocinesi) si formano quindi due cellule figlie identiche.

Leggi anche Cellule procariote ed eucariote: quali sono le differenze? e Procarioti vs eucarioti e la cellula come unità vitale per saperne di più.

Fonti

  • Madigan, Martinko, Bender, Buckley & Stahl, Brock Biology of Microorganisms, 14th edition, Pearson – link
  • Rigutti A., Atlante di Fisiologia Umana. Il nostro corpo in azione dalle molecole agli apparati più complessi, seconda edizione, Giunti.
  • Differenza cellula eucariote e procariote (articolo) – BioPills; cellula eucariote e procariote differenze (articolo) – chimicaonline
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Francesco Centorrino

Sono Francesco Centorrino, creatore ed amministratore di Microbiologia Italia, primo sito di divulgazione microbiologica in Italia. Sono laureato in biologia e molto appassionato di tecnologia, cinema, scienza e fantascienza. Sono Siciliano ma vivo e lavoro in Basilicata come analista di laboratorio microbiologico presso una nota azienda farmaceutica. Ho creato il portale di Microbiologia Italia per condividere conoscenza ed informazioni a chiunque fosse interessato a questa bellissima scienza. Potete trovare tutti i miei contatti al seguente link: https://linktr.ee/fcentorrino.

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