Appunti di Citologia

Citologia e istologia

Dispensa a cura di Alessio Lavorgna 2020-2021 Prof.ssa Imperatore.

Citologia

Citologia: scienza che studia la struttura e le funzioni delle cellule animali e vegetali.

La comunicazione cellulare

Le cellule devono comunicare con le cellule circostanti, alla base c’è il mantenimento dell’omeostasi; le cellule ricevono le informazioni dall’ambiente circostante la cellula, costituito da cellule e matrice extracellulare, queste informazioni vengono usate per i singoli ‘’aggiustamenti’’.

Il comportamento delle singole cellule deve essere sintonizzato in modo da rispondere alle necessità dell’intero organismo; la sintonizzazione avviene attraverso le molecole segnale che agiscono sui recettori, proteine associate alla membrana; il legame delle molecole segnale al proprio recettore induce una serie di risposte intracellulari.

I primi messaggeri sono quelli che attivano la trasduzione, ovvero la risposta cellulare, qui c’è la produzione di secondi messaggeri che vanno ad agire sugli altri meccanismi.

Esistono due tipi di molecole segnale, quelle che penetrano nella cellula e quelle che si legano al recettore esterno, in qualsiasi caso c’è la produzione di secondi messaggeri.

Le diverse molecole segnale interagiscono con la membrana cellulare, questa è la barriera di interscambio della cellula con lo spazio extracellulare.

La membrana è alla base della vita, permette infatti di creare ambienti separati con composizioni diverse ma garantisce anche gli scambi necessari alla cellula, infatti il doppio strato fosfolipidico della membrana plasmatica regola il passaggio delle molecole; inoltre è la sede di ricezione di informazioni che modulano la funzionalità della cellula stessa grazie alla presenza dei recettori che determinano una serie di risposte biochimiche.

Tutto è garantito dalla struttura di questa membrana composta da un doppio strato fosfolipidico, ovvero molecole anfipatiche, dotate di teste polari idrofile rivolte all’esterno del doppio strato e code apolari idrofobe rivolte all’interno del doppio strato; la tendenza ad autoassemblarsi in acqua gli conferisce anche la capacità di autoripararsi inoltre la coesività spontanea di questi lipidi è alla base di dinamiche di membrana fondamentali per la cellula.

Molto importante per le membrane è la fluidità, ovvero di comportarsi come un liquido bidimensionale, ad esempio, cambiare forma molto velocemente in risposta ai cambiamenti della cellula; la fluidità è influenzata da:

• Caratteristiche delle code alifatiche dei fosfolipidi.
• Contenuto in colesterolo: mantiene la compattezza della membrana e aumenta la fluidità, questo grazie al fatto che si trova all’interno dello strato fosfolipidico e limita la loro capacità di impacchettamento.

Il colesterolo esercita quindi un ruolo stabilizzante e tamponante sulla membrana.

Caratteristica della membrana sono le proteine che conferiscono funzioni specifiche in base a ciò che catalizzano e alle loro attività enzimatiche; inoltre la presenza di diverse proteine, recettori, ci permettono di riconoscere un tipo cellulare.

Le proteine in membrana si dividono in proteine intrinseche, integrali di membrana, proteine estrinseche, periferiche, e le proteine ancorate ai lipidi.

Proteine che sporgono sul lato esterno della membrana sono spesso legate a catene di carboidrati a formare le glicoproteine le quali permettono di identificare le cellule, es. globuli rossi e gruppi sanguigni; i carboidrati possono fungere da sito di riconoscimento perché sono presenti sul lato esterno, a formare il glicocalice; questo si lega poi a proteine formando le glicoproteine e ai lipidi, formando i glicolipidi.

Tipicamente i carboidrati associati a proteine sono ramificati questo perché, con la ramificazione i carboidrati possono creare strutture molto variabili per questo il glicocalice è deputato al riconoscimento cellulare.

Altra funzione è il riconoscimento del contatto.

Le proteine di membrana possono svolgere numerose attività.

Abbiamo già detto che la cellula riceve informazioni attraverso molecole segnale per mantenere l’omeostasi, le molecole segnale si legano ai recettori, integrando e coordinando tutte le funzioni delle diverse cellule.

Il legame inizia una serie di reazioni intracellulari.

La molecola segnale agisce a diverse distanze, in questi casi le cellule producono una molecola segnale extracellulare riconosciuta da una cellula bersaglio per mezzo di un recettore, che produce una serie di segnali; il legame provoca molto spesso un cambiamento conformazionale del recettore che instaura la cascata di segnali chiamata trasduzione che porta alla risposta cellulare.

In base alla distanza d’azione distinguiamo 4 tipi di segnalazione:

• Segnalazione endocrina: segnalazione a distanza; le cellule segnalatrici rilasciano ormoni che agiscono su cellule bersaglio lontane passando attraverso il sangue o attraverso il liquido interstiziale; questo tipo di segnalazione è generalmente lento.
• Segnalazione paracrina: locale; le molecole segnale, mediatori o regolatori locali, non entrano in circolo ma agiscono a livello locale.
• Segnalazione autocrina: auto-segnalazione; la stessa cellula agisce sia da segnalatrice che da bersaglio.
• Segnalazione per contatto: la molecola segnale non è secreta ma resta in membrana e sporgendo interagisce con il recettore della cellula adiacente, quindi le cellule hanno contatto diretto.

Le risposte possono essere lente o veloci e dipendono dalla velocità della trasduzione.

La segnalazione cellulare

I recettori si sono evoluti per mediare la trasduzione; sono divisi in:

Recettori di membrana

La maggior parte delle molecole è grossa e idrofila quindi non può entrare all’interno della cellula, per questo si usano dei recettori localizzati sulla superficie che presentano un dominio extracellulare che si lega alle molecole segnale; nella maggior parte dei casi si induce una modifica attivando una sequenza di eventi che portano alla formazione di secondi messaggeri o all’attivazione delle proteine di segnalazione.

Ci sono 2 principali vie di trasduzione:

1. La segnalazione può essere attivata dall’interazione recettore-effettore che catalizza la formazione dei messaggeri secondari scatenando la cascata.
2. C’è il reclutamento di una proteina segnale intracellulare.

Indipendentemente da quale sia il tipo di metodo le proteine agiscono a cascata.

I segnali della cascata arrivano poi alla proteina bersaglio causando la risposta cellulare.

Le proteine coinvolte sono molto spesso chinasi e fosfatasi che catalizzano la fosforilazione e defosforilazione di altre proteine.

Si distinguono 3 classi di recettori di membrana.

Recettori accoppiati a proteine G

Sono la famiglia più grande di recettori, mediano le risposte di molte molecole e funzionano tutti con lo stesso meccanismo di base, differiscono solo nel tipo di effettore.

Hanno una struttura simile con 7 domini transmembrana con 2 estremità, la N-terminale esterna e la C-terminale interna.

All’esterno troviamo il sito di legame per le molecole segnale mentre tra la 5°/6° ansa interna troviamo la porzione che interagisce con la proteina G.

Il legame della molecola segnale induce un cambiamento conformazionale del recettore che può attivare la proteina G.

Proteina G: sono interruttori molecolari, il loro stato è determinato dal legame con il GDP/GTP; , , Sono di 4 tipi: ; ciascuno specifico per un gruppo, di recettori, essi hanno però struttura simile costituiti da 3 sub-unità α, β e γ; la α possiede il recettore per il GTP che viene idrolizzato in GDP causando una modifica conformazionale nel recettore, quando il GDP viene rilasciato c’è un ulteriore cambio di conformazione che stacca α da βγ che funzionano come un complesso; quando non c’è nessun recettore associato si ricombinano, ritornando alla forma trinomica.

Sia α-GTP che βγ possono interagire con proteine bersaglio attivandole o disattivandole, in alcuni casi regolano due processi differenti.

I principali effettori sono: l’adenilato ciclasi che sintetizza l’AMP ciclico, la fosfolipasi C che sintetizza inositolo trifosfato e il diacilglicerolo e i canali ionici a controllo di ligando.

Recettori che attivano l’adenilato ciclasi

L’adenilato ciclasi, effettore, converte l’ATP in AMP ciclico, cAMP, quando l’adenilato ciclasi si lega a α-GTP di una proteina c’è un aumento del secondo messaggero cAMP; quando invece si lega a c’è una diminuzione di cAMP che attiva un enzima, la proteina chinasi cAMP-dipendente, PKA, che regola molte proteine bersaglio.

Recettori che attivano la fosfolipasi C

Alcune molecole, soprattutto ormoni, regolano la concentrazione di calcio legandosi a proteine che attiva la fosfolipasi C-β; la fosfolipasi scinde il 2 fosfatidilinositolo-4,5-bifosfato in DAG, diacilglicerolo, e IP 3, inositolo-1,4,5-trisfosfato, che funzionano da secondi messaggeri.

L’IP diffonde nel citosol legandosi ad un canale del calcio 3 attivato da ligando localizzato sulla membrana del reticolo endoplasmatico, questo canale fa entrare calcio nel citosol, anche gli ioni calcio fungono da secondi messaggeri attivando molte proteine calcio dipendenti.

Il DAG resta in membrana dove attiva una chinasi che si trasferisce ad una PKC, proteina chinasi C, questa per attivarsi ha bisogno di ioni calcio, legame con l’IP 3.

Recettori che regolano direttamente canali ionici

Qui non c’è bisogno di secondi messaggeri per la maggior parte dei casi.

C’è il legame ad un recettore, questo attiva una proteina G; il complesso βγ interagisce direttamente con il dominio citoplasmatico dei canali ionici, inducendone apertura/chiusura.

Recettori accoppiati a enzimi

I recettori accoppiati a enzimi sono proteine transmembrana il dominio extracellulare per il legame con il ligando e dominio citosolico con attività enzimatica, o che forma un complesso enzimatico.

Esistono 2 famiglie di recettori ad attività enzimatica.

Recettori ad attività tirosina chinasica

• Ad attività tirosina chinasica: il dominio citosolico è capace di autofosforilarsi su residui di tirosina, questi si agganciano alle varie proteine citosoliche.
• Associati a tirosina chinasi: si associano a proteine ad azione enzimatica, tirosina chinasi, dato che non hanno potere autofosforilante.

Recettori ad attività serina/treosina chinasi

Possono autofosforilarsi sia su serina che su treosina, inoltre fosforilano specifiche proteine effettrici che trasmettono il segnale.

La classe maggiormente presente negli animali è quella dei recettori ad attività tirosina chinasica.

Generalmente sono formati da una catena polipeptidica con un segmento transmembrana e una parte citosolica ad attività chinasica sulla quale avvengono le fosforilazioni.

Il legame provoca, di solito, l’associazione di 2 recettori in un dimero, le code del dimero si fosforilano a vicenda e su ogni residuo fosforilato sarà agganciata una proteina per la segnalazione intracellulare che segnaleranno attraverso vie multiple.

Alcune di queste proteine saranno fosforilate e attivate, di segnalazione, altre fungono da adattatori.

La terminazione avviene in seguito alla defosforilazione da parte dell’enzima proteina tirosina fosfatasi.

Recettori intracellulari

Questi recettori sono in grado di legarsi alle molecole che riescono ad entrare nella cellula, es. ormoni, si trovano localizzati nel citosol o nella membrana del nucleo.

I recettori sono diversi per ogni ormone e dopo il legame vanno incontro ad una modifica che permette di inibire/attivare la trascrizione.

Il loro funzionamento è praticamente identico a quello dei recettori di membrana.

Interazione cellulare

La comunicazione non dipende solo dai recettori, alla base della struttura e della funzione dei tessuti c’è l’interazione fisica tra le cellule.

L’interazione può essere di 2 tipi: cellula – cellula o matrice – cellula.

La matrice è secreta direttamente dalle cellule ed è composta principalmente da collagene ed elastina immerse in una matrice amorfa.

L’adesione è mediata da proteine CAM, molecole di adesione cellulare, ovvero proteine che definiscono le interazioni adesive, inoltre c’è il rinforzo e la stabilizzazione da parte del citoscheletro.

Tutte queste interazioni determinano il mantenimento della forma e della struttura; possono essere di vario tipo: omofile, cellule dello stesso tipo, o eterofile, cellule diverse.

Abbiamo 2 classi di CAM:

• Calcio-dipendenti: responsabili dei processi di adesione cellula-cellula.
• Selectine: glicoproteine di membrana che riconoscono e legano oligosaccaridi.
• Caderine: glicoproteine disposte sulla membrana cellulare, formano dimeri paralleli.

La porzione cellulare è formata da 5 domini simili collegati da siti di legame per il calcio, il legame con il calcio mantiene la struttura rigida; la forza del legame dipende anche dalla partecipazione del citoscheletro legato attraverso delle proteine adattatrici, es. catenine.

Importante delle caderine è che sono tessuto specifiche.

• Calcio-indipendenti: responsabili dei processi di adesione matrice-cellula.
• IgCAM: glicoproteine della famiglia delle immunoglobuline, organizzate in una struttura altamente ripiegata, sono solitamente eterogenee.

Giunzioni cellula-cellula

Le cellule stabiliscono interazioni stabili grazie alla formazione di complessi giunzionali tra cellule, questi sono altamente dinamici.

Tutte le giunzioni contengono proteine adesive che mediano l’interazione tra cellule adiacenti, filamenti del citoscheletro che stabilizzano e conferiscono resistenza e proteine di ancoraggio che connettono gli altri elementi.

1. Giunzioni occludenti, tight junctions TJ

Formano una fascia continua saldando fisicamente le membrane in modo da impedire il passaggio extracellulare di molecole.

Formano una barriera selettiva nei confronti dell’assorbimento, intestino, impediscono la disidratazione, pelle, aiutano nella formazione della barriera ematoencefalica, vasi del cervello, e impediscono il diffondersi dell’urina, vescica.

Le proteine transmembrana coinvolte sono: occludine e claudine che si legano a proteine adattatrici, le ZO-1, ZO-2, ZO-3, e a loro volta al citoscheletro; altre sono le JAM, MarvelD3 e la Tricellulina, importante negli ‘’angoli’’ tra 3 cellule adiacenti.

2. Giunzioni aderenti, adherens j. AJ

Formano una fascia continua non adesa, c’è uno spazio interstiziale tra le due membrane.

Partecipano alla regolazione della permeabilità e favoriscono lo scorrimento delle superfici durante la morfogenesi.

Sono composte da 2 sub-complessi: complesso caderine/catenine e complesso nectine/afadine.

Le nectine sono proteine di adesione transmembrana calcio-indipendenti che si collegano attraverso l’afadina.

1 giunzione occludente al citoscheletro actinico 2 giunzione aderente.

3. Desmosomi

Sono una sottoclasse delle giunzioni aderenti, connettono in modo forte le cellule contribuendo all’integrità strutturale e permettendogli di lavorare come una singola unità funzionale resistendo allo stress meccanico.

Le proteine adesive caratteristiche sono le desmogleine e le desmocolline che si associano connettendo le due membrane; dal lato citoplasmatico troviamo le proteine della placca di adesione che collegano altre caderine al citoscheletro.

I componenti della placca sono le placoglobine e le placofiline che si associano ai filamenti intermedi tramite la 3 desmosoma desmoplachina.

4. Giunzioni comunicanti, gap j.

Formano canali di comunicazione tra 2 cellule che possono scambiarsi ioni e piccole molecole.

Sono costituite da connessine che formano 2 emicanali, ognuno sporge dalla membrana e si uniscono a formare un vero canale, il connessone.

Accoppiano le cellule dal punto di vista elettrico e metabolico.

5. Plasmodesmi

Connettono direttamente i citoplasmi, sono dei canali connessi da una struttura più sottile il desmotubulo in continuità con gli elementi del 4 gap reticolo endoplasmatico.

Giunzioni matrice-cellula

Molecole chiave sono le integrine: glicoproteine costituite da due sub-unità, α e β; entrambe presentano una porzione extracellulare glicosilata, i domini extracellulari agiscono per formare un sito di legame specifico, la specificità è data dalla sub-unità α.

1. Emidesmosomi

Giunzioni di ancoraggio che garantiscono l’adesione stabile tra cellula e matrice.

La struttura è caratterizzata dalla presenza di una placca densa costituita da proteine plachine, tra cui plectina e BP230, che collegano i filamenti intermedi a 2 proteine integrina α6β4 e BP180 a loro volta legate alla membrana basale da laminina 5.

Gli emidesmosomi creano dei punti di saldatura che contribuiscono a distribuire lo stress meccanico su tutto il foglietto epiteliale e tessuto connettivo.

2. Adesioni focali

Mediano l’attacco alla matrice di cellule migranti, sono quindi transitorie.

Le proteine sono costituite da fasci di filamenti di actina legati da α-actinina e tropomiosina.

L’associazione di actina con miosina II può generare trazioni molto forti.

Queste adesioni si sviluppano da un raggruppamento di integrine, il complesso focale.

Altra funzione è la segnalazione dall’esterno della cellula verso l’interno e viceversa; i domini sono associati mediante proteine adattatrici a proteine chinasi, il legame attiva le integrine e innescano la segnalazione.

Il citoscheletro

Struttura essenziale per la vita e l’attività de.