Appunti di Citologia

Citologia

Gli elementi biogeni sono tutti quegli elementi che costituiscono la materia organica, che a sua volta è fatta al 98% dagli elementi primari (carbonio, idrogeno, azoto e ossigeno), a cui si aggiungono in percentuali molto piccole, cioè 1,9%, altri elementi tra cui il fosforo, il calcio, il magnesio, il cloro, il potassio, lo zolfo e il sodio e altri elementi ancora più piccoli (0,1%), che sono gli elementi oligodinamici, cioè il rame, il ferro, l’alluminio, lo zinco, il selenio e lo iodio e sono elementi che intervengono nella funzionalità, quindi sono presenti in piccola quantità ma sono fondamentali affinché le varie molecole organiche o le varie strutture possano funzionare.

Quindi tutta la sostanza di cui è formata la materia organica, contiene questi elementi; quando si parla di materia organica, si fa riferimento alle 4 categorie principali che sono: le proteine, gli zuccheri, i lipidi e gli acidi nucleici. Questi elementi rientrano in quelli che sono composti organici. Ovviamente a questi composti organici si aggiungono quelli che sono i composti inorganici e che sono costituiti dall’acqua, un elemento assolutamente fondamentale e dai sali minerali, che intervengono nella formazione e funzionalità delle varie molecole. Quindi sostanzialmente gli elementi biogeni si organizzano a formare due classi: i composti organici e i composti inorganici.

Insieme i composti organici e quelli inorganici vanno a costituire il protoplasma e si distribuiscono in percentuali differenti:

• L’acqua ovviamente è la componente più abbondante (85%)
• Le proteine (10%)
• Lipidi (2%)
• RNA (0,7%)
• DNA (0,4%)
• Altre organiche (zuccheri) 0,4%
• Altre inorganiche (1,5%)

Acqua

Sappiamo che l’acqua è costituita da idrogeno e ossigeno e viene definita come un dipolo elettrico perché la nube elettronica (la carica negativa) si distribuisce più verso l’ossigeno rispetto agli idrogeni che hanno una carica positiva. Questa distribuzione delle cariche leggermente spostate fa sì che questa molecola costituisca quello che si chiama dipolo elettrico, quest’organizzazione serve alle molecole di acqua per formare legami sia tra di loro, quindi legami tra molecola d’acqua, e sia tra molecole di acqua e altre molecole organiche, perché l’acqua è fondamentale sia nei processi di sintesi e sia nei processi di lisi (rottura) di alcuni legami nell’ambito delle molecole organiche.

L’acqua varia negli organismi in funzione della specie, dell’età e del tessuto; vedremo che ci sono tessuti dove la percentuale di acqua è più importante e altri dove invece è più ridotta. L’acqua può avere origine: endogena, quella che noi introduciamo attraverso l’alimentazione, ed esogena, che viene formata dal metabolismo. L’acqua può essere: di riempimento (acqua libera) oppure di idratazione (molecole di acqua legate ad altre molecole organiche).

L’acqua è importante dal punto di vista biologico perché è alla base di numerosi processi:

• Rappresenta la fase disperdente del sistema colloidale protoplasmatico, cioè dove si disperdono le varie molecole
• È fondamentale per l’idratazione nei legami con le molecole organiche e molto spesso determina la stabilizzazione di quelle molecole organiche
• È veicolo nel sangue, serve sia per assunzione di sostanze o eliminazione di sostanze di scarto attraverso le urine e sia per trasportare sostanze, gas, nutrienti e ormoni, i quali sono glicoproteine che servono a far sì che l’intero metabolismo di un corpo funzioni in modo corretto. Sono prodotti dal sangue e nello specifico sono prodotti da ghiandole endocrine, diverse dalle ghiandole esocrine. La differenza tra queste due ghiandole è che quella esocrina secerne il proprio secreto e lo riversa o direttamente all’esterno (esempio: ghiandole sudoripare, ghiandole sebacee), oppure lo riversa in cavità comunicanti con l’esterno, mentre quella endocrina produce prevalentemente ormoni che vengono riversati nel sangue
• Ha un elevato calore specifico quindi permette di mantenere stabile la nostra temperatura corporea, che si aggira intorno ai 37°
• Ha un’elevata tensione superficiale che contribuisce alla forma cellulare, che viene determinata anche da una struttura chiamata citoscheletro, molto spesso però le cellule tendono a modificare la propria forma: ci sono alcune cellule, macrofagi, che hanno la funzione di degradare e intervengono molto spesso nei processi infiammatori e succede che attiva il nostro sistema immunitario e il sangue trasporta: i globuli bianchi, i linfociti, che sono quelli che poi introducono gli anticorpi, che inattivano i virus e dopodiché arrivano i macrofagi che fagocitano il tutto e lo digeriscono. I macrofagi devono avere la possibilità di spostarsi nelle varie zone del nostro organismo e lo fanno cambiando forma (emettendo dei prolungamenti cellulari, gli pseudopodi) e questi movimenti sono garantiti dalla presenza di acqua e quindi dalla variazione della composizione del citoplasma che consente alla cellula di muoversi e di mantenere la forma
• È il medium di numerose reazioni metaboliche

Sali minerali

I sali minerali invece sono presenti nel nostro organismo in percentuale molto bassa e anche loro possono essere presenti come ioni liberi oppure in altri casi sotto forma di composti poco solubili o insolubili (idrossiapatite) e sono presenti all’interno del citoplasma. Gli ioni liberi sono essenziali per lo svolgimento di determinate funzioni, ad esempio durante il processo di contrazione muscolare ci sono due proteine contatili (actina e miosina) che interagiscono tra di loro grazie alla presenza di ATP (rappresenta il motore di energia) e in presenza di ioni calcio. Un altro esempio è durante la sintesi proteica, dove l’unione delle due subunità dei ribosomi per attivare il processo di traduzione avviene in presenza di ioni magnesio.

Gli ioni si dividono in anioni e cationi; gli anioni principali sono:

• Cl¯ cloruro (regolazione permeabilità membrana). Vedremo che la membrana plasmatica, che circonda le cellule, ha un suo potenziale e prevede due formule: il potenziale adiposo e il potenziale d’azione, quest’ultimo insorge per esempio durante la trasmissione dell’impulso nervoso, che altro non è che un’onda di depolarizzazione della membrana plasmatica, che si trasmette lungo l’assone. Quando si ha questo potenziale d’azione si ha un’inversione di concentrazione di ioni, che cambiano da una parte all’altra della membrana, determinando l’insorgenza di questo potenziale
• S4¯¯ solfato (cheratina)
• HP4¯¯ fosfato (ossa). Il tessuto osseo è un tessuto fortemente mineralizzato, cioè la sostanza extracellulare, dove le cellule del tessuto osseo sono presenti, a differenza di tutti gli altri tessuti, è una sostanza mineralizzata e questa mineralizzazione deriva dalla deposizione di sali e fosfato di calcio
• HC3¯¯ bicarbonato (trasporto C2, equilibrio acido/base). Gran parte dell’anidride carbonica viene trasportata nel sangue disciolta sotto forma di bicarbonato

I cationi principali sono:

• Na+ e K+ (regolazione permeabilità membrana) e sono anche gli ioni che insieme allo ione cloruro sono responsabili dell’insorgenza del potenziale d’azione
• Ca++, coinvolto nella contrazione muscolare, eccitabilità, cioè la trasmissione dell’impulso nervoso partendo da una cellula nervosa ad un’altra cellula. La contrazione può essere volontaria o involontaria: quando è volontaria, per trasmettere l’impulso nervoso alla cellula muscolare, in modo tale che lei possa attivare il processo di contrazione, dove è coinvolto il calcio, perché facilita, insieme agli altri ioni, la liberazione di neurotrasmettitori (molecole prodotte dalle cellule nervose)
• Mg++ (ossa)

I sali minerali contribuiscono a regolare 3 equilibri fondamentali per la vita:

• Equilibrio osmotico: che riguarda la quantità di solvente legata alla concentrazione dei sali. Noi siamo formati per la maggior parte da acqua, che non potrà entrare e uscire in maniera indiscriminata dalla cellula: se questo avvenisse con variazioni repentine causerebbe dei danni alla cellula, perché se entrasse troppa acqua, la cellula si rigonfierebbe fino a scoppiare, al contrario se uscisse troppa acqua la cellula potrebbe raggrinzirsi e perdere la propria funzionalità. È necessario che a livello cellulare venga mantenuto sempre l’equilibro osmotico, quindi una determinata concentrazione di acqua che entra ed esce dalla cellula in modo tale da mantenere costante la concentrazione di acqua all’interno. Questo ingresso e uscita di acqua viene regolato da un processo che si chiama osmosi, ovvero un passaggio di acqua attraverso la membrana che avviene sulla base delle diverse concentrazioni delle due soluzioni che sono separate dalla membrana. Immaginiamo di avere un Baker, che separiamo da una membrana semipermeabile, e riempiamo le sue soluzioni a concentrazioni differenti (concentrazione= percentuale di soluto, quindi le molecole presenti nella soluzione). Per stabilire l’equilibrio osmotico tra le due soluzioni, quindi per portarle ad una stessa concentrazione, si deve spostare l’acqua, che si sposterà da zone meno concentrate (poco soluto) a zone a concentrazione maggiore (più soluto). Quando si deve stabilire un equilibrio, il soluto si sposta al contrario, cioè da una zona a contrazione maggiore verso una zona a concentrazione minore: l’acqua invece si sposta in maniera opposta, perché va a diluire la soluzione più concentrata in modo tale da portarla alla stessa concentrazione della soluzione meno concentrata. La pressione osmotica è la pressione che serve a bloccare il passaggio di acqua da una soluzione all’altra, questo significa che all’interno di ogni elemento cellulare c’è una determinata concentrazione di soluto che indica una determinata pressione osmotica, per cui la cellula né si rigonfia né si raggrinzisce ma mantiene la sua forma costante. Quando subentrano condizioni che tendono a variare quella pressione osmotica, la cellula subisce alterazioni: una cellula messa in un ambiente ipotonico (a concentrazione minore) tende a rigonfiarsi, mentre messa in un ambiente ipertonico (concentrazione maggiore) tende a raggrinzirsi. Il soluto all’interno della cellula sarà costituito dalle molecole organiche oppure dagli ioni
• Equilibrio acido/base: riguarda la componente ionica e dipende dalla dissociazione dei sali. La concentrazione degli ioni idrogeno è indicata dal pH, che varia da una scala che va da 0 a 14: da 0 fino a 7 il pH è acido, a 7 è un pH neutro e da valori superiori a 7 fino a 14 è un pH basico. A livello della cellula, il valore del pH fisiologico è 7.2-7.4. Gli ioni derivano da sali che si dissociano in un ambiente acquoso e questi ioni hanno una loro concentrazione: l’equilibrio acido-base riguarda gli ioni h+, tutti gli altri ioni determinano quello che si chiama equilibrio ionico
• Equilibrio ionico: è determinato dalla concentrazione dei diversi ioni (cationi, anioni), che ha valori differenti tra l’interno e l’esterno della cellula. Ad esempio gli ioni Na+ e Cl- sono più concentrati all’esterno della cellula, invece quelli K+ e gli anioni non diffusibili (non passano attraverso la membrana, ma per poter passare lo fanno attraverso dei canali ionici, cioè spazi all’interno della membrana delimitati da proteine) verso l’interno. Questa differenza di concentrazione tra anioni e cationi viene mantenuta costante grazie all’apertura e chiusura di canali di membrana e grazie alla presenza di pompe ioniche. I canali favoriscono il passaggio di Na+ e K+ secondo gradiente e che possono essere chiusi o aperti; quelli per il K+ sono quasi sempre chiusi, quelli per il Na+ a riposo sono chiusi. Quando i canali sodio si aprono, successivamente al flusso di Na+, si ha inversione del potenziale di azione

Carboidrati

Sono composti organici formati da carbonio, idrogeno e ossigeno, dove H e O sono presenti nella proporzione di 2:1, come nell’acqua. Nella foto stiamo vedendo l’esempio di uno zucchero formato da 6 atomi di carbonio ed è lo zucchero più comune, il glucosio, che è la molecola fondamentale che interviene nel metabolismo mitocondriale per la formazione dell’ATP ed è la forma più semplice che viene metabolizzata a livello del nostro organismo. A questi carboni, che abbiamo detto essere 6, si legano poi l’ossigeno sotto forma di gruppi OH, oppure l’idrogeno (H). Quindi ogni carbonio, che può formare 4 legami, qui forma 2 legami con gli altri carboni successivi e gli altri 2 con l’idrogeno (H) e il gruppo OH. In questo caso abbiamo uno zucchero monosaccaride formato da 6 atomi di carbonio, però ci sono anche zuccheri più semplici:

• Triosi, a tre atomi di C
• Pentosi, a cinque atomi di C, che sono il ribosio (e desossiribosio), che intervengono nella molecola del nucleotide degli acidi nucleici
• Esosi, a 6 atomi di C e sono: il glucosio, il fruttosio, il galattosio e il mannosio

Sono tutti monosaccaridi, rappresentano la molecola base, anche se con un numero variabile di atomi di C. I carboidrati si classificano in:

• Monosaccaridi: zuccheri semplici di formula CnH2nOn e sono derivati aldeidici (-CHO) o chetonici (=CO) di alcoli polivalenti. Gli alcoli sono delle molecole costituite da carboni e gruppi OH, ovvero i gruppi ossidrilici. Quando un gruppo ossidrilico viene sostituito da un gruppo aldeidico, allora è un derivato aldeidico di un alcol polivalente. Quando viene, invece, sostituito da un gruppo chetonico allora è un derivato chetonico di un alcol polivalente. I monosaccaridi possono legarsi tra di loro e quando succede che 2 si legano, lo fanno sostanzialmente attraverso i gruppi OH. Quando i gruppi OH di due monosaccaridi si legano tra di loro, viene liberata una molecola di acqua e i due monosaccaridi rimangono legati attraverso l’ossigeno che rimane. Quindi uno dei due gruppi OH cede l’idrogeno, l’altro cede l’idrogeno e l’ossigeno e rimangono legati attraverso l’ossigeno. Questo tipo di legame fa sì che i due monosaccaridi rimangano legati fra di loro, si chiama legame di condensazione ed è un legame che prevede l’unione di due monosaccaridi attraverso l’eliminazione di una molecola di acqua. Molto spesso troviamo una lettera davanti (per esempio D-glucosio), quella lettera rappresenta gli isomeri del glucosio, che non sono altro che un diverso orientamento nel legame dei gruppi ossidrilici e dei gruppi aldeidici. Nell’alpha-D-glucosio e nel beta-D-glucosio c’è un’inversione nell’orientamento del glucosio. Queste forme isometriche sono importanti perché quando noi leghiamo le molecole tra di loro, non le leghiamo sempre in maniera lineare; nelle glicoproteine quelle catene oligosaccaridiche spesso sono ramificate, così come anche nei monosaccaridi c’è una catena lineare che poi si ramifica. Per quanto riguarda i monosaccaridi pentosi, troviamo il ribosio e il desossiribosio, che differiscono per un gruppo OH a livello del carbonio-2 (desossiribosio ha un gruppo OH in meno) e sono degli zuccheri pentosi a 5 atomi di carbonio, che fanno parte degli zuccheri che costituiscono i nucleotidi, cioè l’unità di base delle molecole del DNA o RNA; il ribosio lo troviamo nel RNA e il desossiribosio nel DNA
• Disaccaridi: quando unisco due monosaccaridi.
• Oligosaccaridi: catene lineari che derivano dalla condensazione di n monomeri (da 2 a 14) con l’eliminazione di n-1 molecole di acqua. Il lattosio, per esempio, è data dall’unione del glucosio con il galattosio, il saccarosio deriva dall’unione del glucosio con fruttosio e il maltosio deriva dall’unione del glucosio con il glucosio
• Polisaccaridi: quando si legano più di 14 monosaccaridi
  • Omopolisaccaridi: (Glicogeno, Amido, Cellulosa…): catene fatte tutte dallo stesso monosaccaride. Sono polisaccaridi formati da monomeri uguali, il più comune è il glicogeno: (omopolimero del glucosio, la sua molecola è fortemente ramificata poiché sono coinvolti carboni differenti) il glucosio= è un monosaccaride a 6 atomi di carbonio. Il glicogeno rappresenta la forma di accumulo di energetico della cellula (es: ATP ha bisogno di glicogeno). Gli zuccheri accumulati durante l’alimentazione, quindi in eccesso che non vengono metabolizzati, vengono accumulati sotto forma di polimero che prende il nome di glicogeno. Il glicogeno si accumula prevalentemente nel fegato (con funzione di riserva), oppure nelle fibre muscolari (fibre muscolari sono cellule costantemente sottoposte ai processi di contrazione, la quale avviene in presenza di ATP e calcio). L’accumulo di glucosio sotto forma di glicogeno evita problemi di iperosmocità (rigonfiamento) intracellulare. Questo stesso polimero è presente nelle cellule vegetali e prende il nome di amido (omopolimero di riserva all’interno della cellula vegetale) è un omopolisaccaride del glucosio e può presentarsi in 2 forme: lineare o ramificata. Rappresenta la forma di accumulo di (energia) glucosio nelle cellule vegetali. Poi c’è la cellulosa: (lo stesso omopolimero del glucosio, è il componente principale della parete delle cellule vegetali)
  • Eteropolisaccaridi: (Glicosamminoglicani o GAG): catene fatte da monosaccaridi diversi. Gli eteropolisaccaridi sono formati dalla successione (o ripetizione) di un disaccaride (1 coppia di zuccheri) che si ripetono lungo l’intero polimero, dove uno zucchero è uno zucchero neutro (ovvero un monosaccaride), mentre l’altro è uno zucchero acido o l’esosammina derivato (ovvero l’acido esuronico). Negli eterosaccaridi c’è la ripetizione