Tutta la parte vivente della cellula viene detta protoplasma: è una materia sui generis, chimicamente assai complessa, in cui si svolgono tutte quelle attività che valgono a caratterizzare il fenomeno della vita.
Per ciò, dire protoplasma è lo stesso che dire "materia vivente". La cellula è costituita essenzialmente da due parti: il citoplasma e il nucleo; quest'ultimo è. delimitato dal citoplasma, in cui è contenuto, da una sua propria membrana detta membrana nucleare. Tutto il corpo della cellula è delimitato dall'ambiente esterno dalla membrana cellulare o plasmatica. Le cellule vegetali (meno che in alcune piante inferiori) sono rivestite inoltre da una membrana rigida, non vivente, formata di cellulosa. Tale membrana, esterna dunque al corpo cellulare propriamente detto (che è sempre provvisto della sua membrana plasmatica ), presenta numerosi e sottilissimi fori che mettono tra loro in comunicazione le cellule di un tessuto. Inoltre, nel citoplasma delle cellule vegetali che svolgono attività di fotosintesi, vi sono numerosi cloroplasti che con-tengono la clorofilla. Abbiamo già detto che i batteri e le alghe azzurre hanno un equivalente di nucleo di carattere primitivo, sprovvisto di membrana, e che sono per ciò dei procarioti (cioè cellule con nucleo primitivo), da contrapporre a tutti gli altri organismi animali e vegetali che, possedendo nuclei morfologicamente organizzati e forniti di membrana, sono degli eucariotì. La forma della cellula è assai varia secondo il tipo di tessuto di cui essa fa parte; inoltre la cellula può presentare strutture specializzate che sono da porre in rapporto con particolari esigenze funzionali (es. neurofibrille nelle cellule nervose, miofibrille in quelle muscolari, ecc.
Le cellule vegetali, per l'esistenza dell'involucro rigido di cellulosa che le racchiude, hanno forma poliedrica definita. Anche ben definita, ma non altrettanto rigida, è la forma di alcuni tipi di cellule animali dei metazoi (cellule nervose, muscolari, epiteliali), mentre mutevolissime sono, di solito, le cellule libere del sangue dei vertebrati e di molti invertebrati (es. leucociti o globuli bianchi, linfociti, ecc.). Anche la dimensione, cioè la grandezza cellulare, varia non poco da tipo a tipo di cellula, pur essendo compresa di regola entro limiti di ordine microscopico. La cellula infatti, salvo eccezioni, non è visibile ad occhio nudo. Il suo studio richiede l'uso del microscopio e per misurarla si adotta il micron (che si indica con la lettera greca u.) che è uguale a un millesimo di millimetro: 1 micron = 0,001 mm. Il microscopio ottico è uno strumento che permette la visione diretta, con l'occhio, di oggetti piccoli più o meno fortemente ingranditi. I moderni microscopi composti permettono di osservare immagini dell'oggetto in studio ingrandite da 10 a 2.500 volte. Ad es., da una cellula di diametro intorno ai 7 micron (ad es. un eritrocita o globulo rosso del sangue umano) si ottiene, con un ingrandimento di 1000, un'immagine di 7 mm di diametro. Il microscopio ottico è formato di due sistemi di lenti: l'obiettivo che dà dell'oggetto un'immagine reale, capovolta ed ingrandita, e l'oculare che ingrandisce ulteriormente l'immagine fornita dall'obiettivo. L'obiettivo ha distanza focale cortissima ed è posto alla estremità inferiore del tubo del microscopio; per l'osservazione l'obiettivo viene abbassato sino a portarsi vicino all'oggetto, in modo che questo si trovi presso a poco nel suo piano focale. All'estremo superiore del tubo è posato l'oculare al quale l'osservatore avvicina l'occhio. Al di sotto del tavolino del microscopio v'è il condensatore che è costituito da un sistema di lenti che permettono di concentrare la luce sul preparato da osservare. La maggior parte delle cellule che formano il corpo dei Mammiferi ha dimensione compresa tra 6 e 30 μ; ci si riferisce a misure lineari; il volume si esprime in micron al cubo. Valori più elevati si riscontrano negli Anfibi, negli Insetti e specialmente nei Nematodi nei quali alcuni elementi cellulari raggiungono persino il diametro di circa due millimetri. Grandezza maggiore delle altre cellule presentano gli elementi nervosi (corpi cellulari dei neuroni) e le cellule ovo. La dimensione media delle cellule, che si aggira intorno a qualche decina di micron, è indipendente dalla mole corporea dell'organismo di cui fanno parte.
I nani e i giganti di una medesima
specie presentano, a parità di organi e di tessuti, dimensioni cellulari pressoché
identiche; e ciò vale, éntro certi limiti, anche per specie tra loro affini (legge
di Driesch della grandezza cellulare costante). Ciò porta di conseguenza che animali
di mole assai differente posseggono numero assai differente di cellule; ad es. le
cellule che compongono il corpo di un elefante sono assai più numerose, ma non sensibilmente
più grosse di quelle di un topo.
E' un corpo di forma definita, per lo più sferica, posto generalmente al centro della cellula e delimitato da una propria membrana detta membrana nucleare. La sua struttura è diversa secondo che esso si trovi in uno stato di apparente quiete (cosi detto nucleo a riposo, meglio nucleo intercinetico, per quanto diremo in seguito) oppure in divisione mitotica. Il nucleo a riposo che qui descriviamo ( ), è tutto delimitato dalla sua membrana e contiene un liquido o succo nucleare trasparente, in cui appare immersa e irregolarmente distribuita in forma di zolle e di filamenti una sostanza che vien detta cromatina per la sua facile colorabilità. è inoltre presente nel nucleo un corpuscolo sferico compatto, rifrangente: il nucleolo. Nel nucleo di talune cellule possono rinvenirsi due o anche più di due nucleoli, alcuni dei quali però sono dei falsi nucleoli. Il nucleo è indispensabile per la vita della cellula, la quale rappresenta per ciò un complesso nucleo-citoplasmatico funzionalmente inscindibile.
Citoplasma può definirsi tutto il protoplasma che racchiude il nucleo, e che costituisce di solito la parte preponderante della cellula. Per ciò è materia vivente, ma può contenere in determinati tipi di cellule vari materiali non viventi, quali sostanze di riserva (goccioline di grassi, glicogeno, amido nelle cellule vegetali ecc. ) e prodotti di elaborazione, come granuli di secrezione. Il citoplasma contiene varie strutture o organuli visibili già al microscopio ottico, ma che per il loro studio approfondito richiedono l'uso del microscopio elettronico: i mitocondri, corpicciuoli di varia forma (granulare, laminare, bastoncellare ) che contengono sistemi enzimatici e la cui principale funzione è quella di fornire alla cellula l'energia necessaria per le sue attività vitali; il centrosoma, quasi sempre presente nelle cellule animali (assente nelle cellule vegetali). La microscopia elettronica ha permesso di chiarire la vera struttura del citoplasma. La citologia classica, basata esclusivamente sullo studio della cellula col microscopio ottico, aveva formulato una nozione di " jaloplasma fondamentale " nel senso di una sorta di matrice omogenea del citoplasma in cui si riteneva che fossero contenuti, come degli inclusi, gli organuli configurati, quali mitocondri, centriolo, ecc. Oggi sappiamo che in tutta la massa del citoplasma esiste un sistema di sottilissime lamine, le citomembrane ( spesse una cinquantina di A°, cioè circa 1/200 di micron) che delimitano sottili spazi cavitari tra loro comunicanti: dunque, una complessa organizzazione tridimensionale, il reticolo endoplasmico, che risulta per cosi dire scavato entro una matrice citoplasmatica fondamentale. Aderenti alla superficie esterna delle citomembrane ( che sono delicate strutture molecolari formate da lipoproteine), oltre che sparsi nella matrice, esistono granuli del diam. di 200-300 A°, opachi ai raggi elettronici, detti ribosomi perché contenenti un particolare tipo di acido ribonucleico associato a proteine. Questi ribosomi sono presenti in qualsiasi organizzazione di protoplasma vivente, vale a dire in tutte le cellule animali e vegetali, persino nei più piccoli e semplici batteri. I ribosomi, infatti, presiedono alla sintesi delle proteine, un'attività generale e fondamentale della materia vivente, che si compie sotto il controllo genetico.
Nella matrice fondamentale del citoplasma sono contenuti gli organuli citoplasmatici: i mitocondri, i cloroplasti, il centrosoma. i mitocondri presentano al microscopio elettronico una struttura assai complessa. Essi hanno il valore di organuli cellulari entro i quali si compiono importanti processi biochimici, che sono in rapporto con la fase finale della respirazione cellulare. Un mitocondrio è un corpicciuolo tutto delimitato da una membrana lipoprotidica spessa una sessantina di micron. Verso l'interno, una seconda membrana, aderente a quella esterna, si ripiega variamente formando le creste mitocondriali. I mitocondri svolgono una funzione di importanza fondamentale per la vita della cellula. Essi, infatti, mediante un complesso apparato di enzimi di cui sono provveduti, recuperano energia contenuta negli alimenti e che si libera nei processi di ossidazione aerobia, per immagazzinarla in una complessa molecola che è l'adenosintrifosfato (ATP). Questa energia, accumulata nell"ATP in un legame fosforico "ad alta energia", verrà poi messa in libertà ed utilizzata dalla cellula per l'esercizio delle sue attività vitali (biosintesi, lavoro meccanico, trasporto di sostanze attraverso membrane citoplasmatiche, ecc. ). Per ciò l'ATP, che si forma principalmente nei mitocondri, costituisce una sorta di " combustibile " del protoplasma, e i mitocondri rivestono in certo senso significato di " centrali energetiche " della cellula. L'ATP è un composto formato da una base organica azotata, la adenina, che è legata ad una molecola di zucchero monosaccaride a 5 atomi di carbonio, il ribosio; al ribosio poi sono legati uno di seguito all'altro tre radicali dell'acido ortofosforico: di qui il nome di adenosintrifosfato dato alla sostanza. Perdendo l'ultimo cioè il terzo gruppo fosforico, l'ATP libera una elevata quantità di energia (che viene utilizzata nei processi metabolici della cellula) e diventa ADP, cioè adenosindifosfato. I composti che contengono una base organica azotata legata ad uno zucchero pentoso e poi a uno o più gruppi fosforici si denominano nucleotidi.