Appunti esame citologia ed istologia

Studia la funzione e la struttura della cellula (l’unità fondamentale della materia)

Teoria cellulare di Schwann e Schleiden

Teoria cellulare di Schwann e Schleiden: 1) tutti gli organismi sono composti da cellule; 2) la cellula è l’unità organizzativa di base della materia vivente; 3) ogni cellula deriva da una cellula preesistente (Virchow).

La vita terrestre è iniziata 3,5/3,8 miliardi di anni fa. Con le mutazioni del DNA i discendenti hanno preso a divergere. A un certo punto una cellula eucariotica ancestrale ha inglobato un batterio con metabolismo ossidativo ed è iniziata una simbiosi. Questa cellula ha dato vita a cellule animali con mitocondri. La cellula primitiva che invece ha inglobato un batterio fotosintetico ha dato vita alla cellula vegetale con mitocondri e cloroplasti.

La materia

La materia comprende:

• Componenti organici → Glucidi (1%); lipidi (2-3%); protidi (20%); acidi nucleici (1-1,5%).
• Componenti inorganici → Acqua (60%); sali minerali (1%).

Protoplasma = soluzione acquosa di sali minerali e molecole organiche.

Legami chimici: forti (ionico e covalente) e deboli (interazioni idrofobiche e idrogeno).

Polimerizzazione = insorgenza e stazionamento di cariche elettriche in zone di una molecola biologica.

Idrofilia = compatibilità della molecola biologica con il mezzo acquoso.

Acqua

• Dipolo magnetico.
• Solvente biologico per eccellenza.
• Prodotto ionico a 25° [H⁺] [OH⁻] = 10^-14.
• Solvatazione.
• Agente di stabilizzazione (può formare legami a idrogeno → stato solido, stato aeriforme).
• Elevato calore specifico.
• Mezzo di trasporto.
• Mezzo di regolazione termica.

Glucidi

Glucidi (C+H+O). Sono sostanze di sostegno e fonte di energia. Si dividono in:

• Monosaccaridi → hanno 3/7 atomi di C (possono assumere struttura ciclica) e si dividono in pentosi (ribosio e desossiribosio) ed esosi (glucosio, galattosio, fruttosio).
• Quando l’ossidrile semiacetalico o semichetalico di un monosaccaride si lega a un gruppo alcolico di un altro monosaccaride si forma un legame O-glucosidico.
• Oligosaccaridi → hanno 2/10 monosaccaridi. Maltosio, lattosio, saccarosio.
• Polisaccaridi → si distinguono in omopolisaccaridi (amido, glicogeno, cellulosa) ed eteropolisaccaridi (acido ialuronico, eparina).

Mucopolisaccaridi: GAG, glicosaminoglicani. Sono composti da catene di unità disaccaridiche che si ripetono e uno dei due zuccheri è un aminozucchero. Sono idrofili, trattengono l’acqua e sono fondamentali per la struttura e la funzione di molti tessuti.

Mucoproteine: proteoglicani (molecole più grandi delle glicoproteine) = GAG 95% + proteine 5%.

Glicoproteine: oligosaccaridi + proteine. Sono la componente essenziale del glicocalice e delle membrane plasmatiche.

Lipidi

Lipidi. Sono insolubili in acqua. Si dividono in semplici apolari (comprendono cere, esteri degli steroli, gliceridi, oli e grassi) e complessi anfipatici:

• In base alla natura del residuo idrofilico si dividono in fosfolipidi e glicolipidi.
• In base alla natura del residuo idrofobico si dividono in sfingolipidi e fosfogliceridi.

In acqua formano monolayer, bilayer e micelle.

Macromolecole

• Proteine → aminoacidi → 20.
• Acidi nucleici → nucleotidi → 4.

Proteine

Proteine. Possono essere semplici (gruppo proteico) e coniugate (gruppo proteico + gruppo prostetico).

Gli aminoacidi sono apolari (no affinità per acqua), polari neutri, basici, acidi.

Funzioni:

• Enzimi.
• Anticorpi.
• Deposito.
• Trasporto.
• Ormonali.
• Recettoriali.
• Contrattili.
• Strutturali.

Le proteine possono denaturarsi e rinaturarsi. Gli agenti denaturanti sono sia fisici (calore e radiazioni ionizzanti) sia chimici (pH, alta concentrazione urea).

Struttura primaria → è data dalla sequenza degli aminoacidi, che si legano con il legame peptidico covalente (richiede energia e l’intervento di enzimi) β-cheratina.

Struttura secondaria → si tratta di legami a idrogeno. Si distinguono la β-struttura (più rigida e meno frequente. I gruppi R sporgono sotto e sopra) e l’α-elica (più frequente. I gruppi R sporgono lateralmente).

Struttura terziaria → è data sia da legami deboli sia da legami forti e corrisponde alla struttura tridimensionale della proteina.

Struttura quaternaria → più subunità proteiche si uniscono tra loro per svolgere meglio una funzione (sinergismo). Es. emoglobina.

Enzimi

Enzimi. Il metabolismo comprende reazioni endoergoniche anaboliche e reazioni esoergoniche cataboliche. Le reazioni, per avvenire, necessitano di enzimi che sono catalizzatori biologici e abbassano l’energia di attivazione. Esistono 2 meccanismi di azione:

E + S ↔ ES → P + E; E + P ↔ ES → E + S.

Gli enzimi sono specifici e possono entrare in gioco anche cofattori e coenzimi. La velocità con cui un enzima catalizza una reazione è influenzata dalla temperatura e dal pH ed è espressa dalla costante di Michaelis Km → più Km è piccola più è elevata l’affinità dell’enzima per il substrato.

L’enzima può avere più siti attivi e questo comporta la cinetica di saturazione → all’aumentare della concentrazione del substrato i prodotti d’azione aumentano fino alla saturazione.

La cellula economizza tutto infatti può:

• Inattivare o attivare il primo enzima a seguito di un eccesso o di una mancanza di prodotto finale (regolazione a feedback).
• Se il prodotto finale non serve la cellula non sintetizza gli enzimi.
• Compartimentazione delle vie metaboliche.

Acidi nucleici

Acidi nucleici. DNA (contiene l’informazione) e RNA (interviene nell’espressione dell’informazione). Sono polimeri di nucleotidi = base azotata + acido fosforico + zucchero pentoso, legami covalenti.

Le basi sono le purine A-G (2 legami a idrogeno) e le pirimidine C-T-U (3 legami a idrogeno).

%A = %T; %G = %C complementarità delle basi.

A + G = T + C.

Nucleoside → legame N-glicosidico tra il carbonio 1 dello zucchero e la base azotata.

Nucleotide → legame fosfodiesterico tra il carbonio in posizione 5’ dello zucchero e il gruppo fosforico.

DNA

Struttura primaria → è data dalla sequenza dei nucleotidi.

Struttura secondaria → corrisponde alla disposizione spaziale. La struttura tridimensionale più comune è la conformazione B: doppia elica formata da due catene polinucleotidiche avvolte a spirale con andamento destrorso. I filamenti complementari decorrono in direzione antiparallela.

Diametro 2 nm; 10 basi a giro; passo 3,4 nm.

La doppia elica presenta un solco maggiore e un solco minore.

Il modello di duplicazione del DNA è semiconservativo.

Codice genetico (universale, degenerato, ridondante) = correlazione esistente tra ciascun aminoacido e una tripletta determinata di nucleotidi (codoni). I 4 nucleotidi, presi 3 alla volta, formano 64 combinazioni differenti fra loro → più che sufficienti per codificare i 20 aminoacidi.

Gli aminoacidi vengono codificati da più triplette, ma ogni tripletta è specifica per un solo aminoacido.

Codoni di stop → UAA, UGA, UAG.

Gene = tratto di DNA che contiene l’informazione per l’intera proteina.

Genoma = totalità del DNA contenuto in un organismo.

Funzioni DNA:

• Reduplica se stesso.
• Trascrive la sua informazione su molecole di mRNA che, a loro volta, vengono tradotte in proteine.

RNA

RNA. Sono a singolo filamento ma non sempre, hanno vita limitata e non sono in grado di reduplicarsi. Esistono vari tipi di RNA:

• mRNA → moltissimi.
• tRNA → 45 tipi.
• rRNA → 3/4 tipi.
• scRNA → piccoli RNA citoplasmatici implicati nello smistamento delle proteine.
• snRNA → piccoli RNA nucleari implicati nella maturazione dell’mRNA.
• miRNA → micro RNA implicati nella regolazione dell’espressione genica.

tRNA

tRNA. Hanno una struttura a trifoglio con anse alternate a doppia elica.

La specificità degli aminoacidi è data da un enzima che lavora insieme al D loop: l’aminoacil-tRNA sintetasi. Gli aminoacidi impegnati nella sintesi di una proteina devono essere attivati. L’attivazione è sostenuta dall’idrolisi di ATP ma necessita l’intervento dell’enzima sopracitato. Questo enzima ha 3 siti di legame:

• Sito 1 → accoglie l’ansa D.
• Sito 2 → accoglie l’adenina.
• Sito 3 → accoglie l’aminoacido.

L’adenina si lega al sito 2 e l’aminoacido si lega al sito 3. Aminoacido e adenina formano il complesso aminoacido-AMP. Il sito 1 viene occupato dall’ansa D. Il tRNA ha a 3’ la tripletta CCA: l’adenina dell’aminoacido scaccia l’adenina dell’AMP per interagire con l’aminoacido.

rRNA e ribosomi

rRNA. Ribosomi = proteine + rRNA. Sono gli organelli principali coinvolti nella sintesi proteica e possono essere liberi o adesi alla membrana. Si trovano anche nei mitocondri e nei cloroplasti.

Poliribosoma = ribosomi associati allo stesso mRNA.

I ribosomi hanno una subunità maggiore e una subunità minore, che si uniscono solo quando il ribosoma si associa con una molecola di tRNA e inizia la traduzione.

La metionina è il primo aminoacido di qualsiasi catena polipeptidica.

Sintesi proteica:

• Inizio → la subunità minore si lega all’mRNA, il MET-tRNA, con anticodone UAC, complementare a quello dell’mRNA AUG, si trova nel sito P e le due subunità si legano formando un ribosoma funzionale.
• Allungamento → gli aminoacidi si legano uno ad uno e un secondo complesso tRNA-aminoacido entra nel sito A e si forma un legame tra l’aminoacido nel sito P e l’aminoacido nel sito A. Il tRNA nel sito P viene rilasciato e viene occupato dal complesso tRNA-aminoacido che si trovava nel sito A. A questo punto il sito A accoglie un nuovo complesso tRNA-aminoacido. Il processo si ripete più volte permettendo alla catena polipeptidica di allungarsi.
• Termine → avviene grazie ai codoni di stop che staccano la catena polipeptidica dal sito P. Le proteine neosintetizzate assumono spontaneamente la loro struttura e alcune subiscono ritocchi.

Virus

Virus 100-300 nm. Sono formati da un solo acido nucleico. Si distinguono desossiribovirus e ribovirus. Si distinguono anche in base alla forma: cubica, elicoidale, complessa. Il genoma è racchiuso dentro un capside e talvolta è presente anche il peplos o pericapside. Sono endoparassiti obbligati.

Esistono 2 meccanismi di penetrazione:

• Penetrazione dell’intera particella virale.
• Penetrazione del solo genoma.

Una volta penetrato il virus può scegliere tra ciclo litico (replicazione immediata del genoma) o ciclo lisogeno.

Procarioti

Procarioti 0,5-0,8 µm. Sono organismi unicellulari privi di S.M.I. e non hanno nucleo. Hanno una membrana plasmatica e una parete cellulare rigida. Presentano un nucleoide, ossia un singolo filamento di DNA “nudo” (senza proteine). Nel citoplasma ci sono ribosomi. Si riproducono per scissione.

Mesosoma = pliche di membrana dove alloggiano gli enzimi della fosforilazione ossidativa.

La parete è fatta da mureina. La presenza o meno della mureina ci permette di distinguere i batteri in gram positivi (viola) e gram negativi (rossi).

In base alla forma si dividono in cocchi, spirochete, bacilli. Possono presentare flagelli costituiti da flagellina.

Eucarioti

Eucarioti 5 µm-8 cm. Sono organismi sia unicellulari sia pluricellulari.

Plurinuclearità:

• Sincizio = numerose cellule si fondono tra loro.
• Plasmodio = numerose cellule si dividono.

Hanno S.M.I. e si distingue un nucleo. Il DNA è lineare e polirepliconico ed è associato a proteine. Presentano ribosomi.

Giulio Bizzozero, 1800 → divise le cellule in labili, stabili, perenni.

Legge di Driesch → cellule omologhe di individui della stessa specie o di specie affini hanno grandezza pressoché costante (le cellule di un topo non sono più piccole di quelle di un elefante).

Tutte le cellule di cui è composto l’organismo prendono origine dallo zigote e acquisiscono la loro forma definitiva dopo il differenziamento cellulare.

Legge di Hertwig → l’organismo è organizzato in cellule per adeguare la superficie di scambio. In cellule dello stesso tipo il rapporto nucleo/citoplasma è costante: quando la massa del citoplasma aumenta la cellula tenderà a dividersi.

Esiste anche una relazione tra il volume cellulare e la quantità di DNA contenuta nel nucleo.

Analisi e allestimento dei campioni

Analisi morfologica → si avvale dei microscopi e ha un approccio conservativo.

Analisi biochimica e funzionale → ha un approccio distruttivo.

Allestimento dei campioni:

• Fissazione → preserva la cellula dall’alterazione post mortem. Esistono fissatori chimici (che coagulano o che non coagulano le proteine) e fissatori fisici (congelamento e rapido riscaldamento).
• Disidratazione.
• Inclusione → in paraffina per dare maggiore consistenza al materiale in esame.
• Sezionamento → microtomo.
• Colorazioni istologiche → possono essere dirette o sostantivate e indirette o aggiuntive o per mordenzatura. Possono essere semplici (1 solo colorante) e combinate, naturali o artificiali. La combinazione più frequente è l’ematossilina-eosina.

Ematossilina → ha affinità per DNA, RNA e alcune proteine → molecole cariche negativamente.

Eosina → ha affinità per le proteine del citosol → molecole cariche positivamente.

Risoluzione e microscopi

Risoluzione dell’occhio: 0,2 mm…200 µm.

Risoluzione del microscopio ottico: 0,2 µm…200 nm.

Risoluzione del microscopio elettronico: 0,2 nm…2 Angstroms.

Microscopio ottico: è basato sull’interazione tra un raggio luminoso e il campione in esame.

• A contrasto di fase.
• A luce polarizzata.
• Interferenziale di Nomarski.
• A fluorescenza: la fluorescenza è la proprietà di alcune sostanze di assorbire radiazioni ultraviolette ed emettere radiazioni visibili. La fluorescenza può essere naturale e secondaria. Quando il preparato viene eccitato dall’alto si ha epifluorescenza, quando il preparato viene eccitato dal basso si ha ipofluorescenza.
• Confocale: analizza un piano per volta e permette di ricostruire con il computer l’immagine tridimensionale. La tecnica FRAP misura la mobilità molecolare e la tecnica FRET studia le interazioni molecolari.

Microscopio elettronico: il campione in esame viene colpito da un fascio di elettroni.

• A trasmissione: non si può analizzare materiale vivente, il preparato deve essere molto sottile, le lenti sono magnetiche. Maggiore potere di risoluzione.
• A scansione: produce immagini 3D, il preparato è meno sottile rispetto al preparato per il microscopio a trasmissione. Minore potere di risoluzione.

Membrana plasmatica

Membrana plasmatica 5-10 nm. I costituenti sono: lipidi, proteine, glucidi. Bilayer fosfolipidico.

Lipidi della membrana

I più abbondanti sono i fosfolipidi e i fosfogliceridi. Il fosfato carico negativamente può essere esterificato con la colina per formare la fosfatidicolina, che è il fosfolipide più abbondante della membrana.

Gli sfingolipidi derivano dalla sfingosina. La sfingomielina è il più abbondante degli sfingolipidi.

Quando un carboidrato si lega alla sfingosina si ottengono i glicolipidi (particolarmente presenti nella cellula nervosa). Il più semplice è il glucosilceramide.

Il colesterolo è un lipide semplice con 4 anelli condensati. Si inserisce tra le code degli acidi grassi influenzando così la permeabilità della membrana.

Proteine della membrana

Proteine. La tecnica freeze etching ha permesso di osservare una faccia A e una faccia B. Queste facce presentano delle protuberanze che sono proteine.

• Proteine integrali o intrinseche o transmembrana anfipatiche.
• Proteine periferiche o estrinseche.
• Proteine ancorate non attraversano la struttura lipidica.

La membrana è caratterizzata da:

• Discontinuità: le proteine intrinseche interrompono più volte la struttura lipidica.
• Fluidità: i lipidi diffondono lateralmente all’interno del proprio strato. Esistono anche movimenti flip-flop.
• Asimmetria: i costituenti della membrana sono distribuiti asimmetricamente e sono localizzati in maniera diversa. Regioni ricche in sfingolipidi e colesterolo.

Zattere lipidiche = regioni ricche in sfingolipidi e colesterolo.

Sotto la membrana c’è una corteccia data da una rete di microfilamenti che danno rinforzo.

Glucidi e glicocalice

Glucidi. Sono situati solo nel foglietto esterno e vanno a costituire il glicocalice.

Funzioni del glicocalice:

• Protezione.
• Filtro molecolare.
• Conferisce cariche elettriche di superficie.
• Microspugna.
• Riconoscimento e adesività.
• Recettoriale.

Funzioni e trasporti della membrana

Funzioni della membrana:

• Trasporto di sostanze.
• Di relazione.
• Divisione cellulare.

La membrana è selettivamente permeabile → il passaggio di sostanze è mediato da proteine.

Trasporto attivo → contro gradiente di concentrazione, richiede ATP.

• Pompe calcio: trasportano il calcio fuori dalla cellula o nel REL per mantenere bassa la concentrazione nel citoplasma.
• Pompe protoniche: trasportano protoni nei lisosomi per mantenere basso il pH.
• Pompe sodio-potassio: differenza di potenziale -70 mV.

Trasporto passivo → secondo gradiente di concentrazione, non richiede ATP.

• Diffusione semplice: passano ossigeno, anidride carbonica, urea, etanolo.
• Diffusione facilitata: è mediata da trasportatori (uniporto, simporto, antiporto) e proteine canale (acquaporine e canali ionici). Es. canale per il sodio: il sodio è solvatato ma è più piccolo del potassio e passa; canale per il potassio: il sodio resta solvatato ma il potassio perde una molecola d’acqua.
• Osmosi: l’acqua attraversa la membrana cellulare passando da una soluzione ipotonica a una ipertonica (più concentrata). Il passaggio è mediato da acquaporine e può avvenire sia per diffusione semplice sia per diffusione facilitata.

Reticolo endoplasmatico

Reticolo endoplasmatico.

RER. È formato da cisterne appiattite e presenta numerosi ribosomi a contatto con delle riboforine.

Funzioni:

• Sintesi proteica.

Meccanismo di indirizzamento all’RE: