Basi cellulari della medicina

Basi cellulari della medicina

Anno di corso 2015/16

Università di medicina e chirurgia
San Luigi Gonzaga di Orbassano

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Sommario

• Struttura e architettura della cellula e dei compartimenti intracellulari............................... 3
• Compartimenti della cellula ................................................................................................................... 12
• Trasporto di ioni e molecole attraverso le membrane ................................................................... 19
• Conversione di energia .............................................................................................................................. 28
• Comunicazione intercellulare: trasduzione dei segnali ................................................................. 32
• Il citoscheletro ........................................................................................................................................... 44
• Rigenerazione dei compartimenti cellulari ......................................................................................... 60
• Processi di endocitosi e fagocitosi ........................................................................................................ 74
• Adesione intercellulae e cellula-substrato ........................................................................................ 77
• Duplicazione cellulare e controllo del ciclo cellulare ................................................................... 82
• La morte cellulare ..................................................................................................................................... 89
• Il differenziamento cellulare ................................................................................................................. 93

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La cellula

Struttura e architettura della cellula e dei compartimenti intracellulari

Varietà morfologica delle cellule eucariotiche

La cellula eucariotica ha una morfologia variabile: le cellule umane non sono tutte uguali, sono simili e uguali solo nella struttura di base. I fibroblasti, quando vengono isolati su una piastra di plastica tendono ad aderire per formare strutture allungate. I leucociti hanno anch’essi una forma allungata, ma la loro morfologia può variare. La forma che le cellule assumono varia in base alla loro funzione; i neuroni hanno un assone molto lungo, in cui la membrana plasmatica origina dal nucleo, si allunga e arriva in basso dove trova ramificazioni della membrana stessa, ramificazioni che possono anche esserci dall’altro lato della cellula. I neuroni formano interazioni con altre cellule (neuroni o altri tipi di cellule). Il linfocita è una cellula relativamente piccola, ma non così più piccola del neurone (che sembra molto più grande perché la membrana si estende, ma il suo volume in assenza completa di ossigeno è in realtà molto minore); il neurone è il doppio o il triplo del linfocita, non di più. Cellule sono anche gli occhi, in cui ci sono più cellule, dalle quali deriva la forma degli occhi. Le cellule uovo generalmente sono più grandi, anche perché le cellule uovo vanno incontro a divisioni cellulari e in questo modo diventano sempre più piccole.

La cellula eucariotica

Tutte le cellule eucariotiche sono formate da una serie di compartimenti, circondati da membrana. Tutte le cellule eucariotiche, dal protozoo più semplice a quella umana, hanno stessa struttura, stessi compartimenti; le uniche differenze riguardano le cellule vegetali, le quali hanno anche un altro compartimento, quello dei cloroplasti, assente nelle cellule animali.

Differisce dalla cellula procariotica (batteri); le nostre conoscenze derivano dallo studio di organismi più semplici (per esempio lo studio su proteine, DNA ecc. è avvenuto sui batteri, chiamati organismi modello, come l’e.coli, su cui sono stati effettuati studi di DNA, come duplicazione, replicazione ecc.). Sul sito dell’NIH si trovano gli organismi modello accettati a livello mondiale. I procarioti differiscono per vari aspetti:

• Dimensione: in media sono più piccoli (ma ci sono alcuni che sono più grandi di alcune cellule umane). In media il batterio è grande 1 micron, ma ce ne sono alcuni che arrivano anche a 10 µm, dimensione media degli eucarioti, i quali arrivano fino a 100 µm.
• Morfologia più semplice.
• Mancano dei compartimenti intercellulari.
• Assenza di citoscheletro nei procarioti, ma nei procarioti esistono alcune proteine che assomigliano sia all’actina che alla tubulina che possono andare incontro a polimerizzazione (si può quindi parlare di citoscheletro rudimentale).
• Quando la cellula si divide dà origine all’apparato mitotico, che serve per la separazione dei cromosomi. Questa struttura manca nei procarioti, benché anche in questi ci sia la separazione del cromosoma (ce n’è solo uno di forma circolare) che dà origine a due cellule figlie procariotiche.
• Il genoma dei procarioti è in media molto più piccolo rispetto agli eucarioti (fino a 10 alla 10 kilobasi); i genomi più grandi, negli eucarioti, appartengono a certi vegetali, ma non ai mammiferi. Inoltre il genoma dei procarioti è formato da un’unica molecola circolare, mentre negli eucarioti è formato da più molecole lineari di DNA associate a istoni (assenti nei procarioti); nel DNA le estremità 5’ 3’ (assenti nei procarioti, essendo il genoma circolare) sono protette contro le esonucleasi attraverso i telomeri. Ci sono una serie di proteine che aderiscono al DNA e a cui il DNA si lega: queste sono gli istoni; una volta che il DNA è avvolto intorno agli istoni forma i nucleosomi; quando i singoli nucleosomi aderiscono l’uno con l’altro iniziano a vedersi i cromosomi, uniti a livello del centromero (sono visibili nella metafase-anafase, quando i nucleosomi sono condensati tra di loro). Tutti gli istoni iniziano con l’H; l’H1 permette la condensazione dei cromosomi. Ci sono 3 proteine legate al DNA che regolano la duplicazione, che possono essere presenti anche nei procarioti.
• Una buona parte delle proteine nelle cellule eucariotiche sono glicosilate, cioè portano catene di zucchero, che possono essere singoli zuccheri o molteplici condensati. Queste proteine (glicoproteine) mancano nei procarioti.
• I procarioti hanno una variabilità maggiore degli eucarioti: alcuni procarioti sono in grado di fissare l’azoto (cioè di trasformare l’azoto atmosferico in ammoniaca e nitrati, che sono la base delle proteine), competenza estranea agli eucarioti: la fissazione dell’azoto è propria solo dei cianobatteri, spesso associati a piante, le quali assorbono l’azoto e in questo modo possono lavorarlo in processi poi utili al nostro organismo. Il processo di fotosintesi per trasformare CO2 in zuccheri è propria di alcuni batteri e di cellule vegetali, non delle cellule eucariotiche animali. Ci sono alcuni meccanismi di trasporto usati nella nutrizione: alcuni batteri sintetizzano azoto, altri lo trasportano all’interno, così come fanno per il maltosio e il galattosio; questo processo è comune anche degli eucarioti. Gli eucarioti tuttavia svolgono anche processi di endo/fagocitosi, che non è propria dei procarioti in quanto questi non hanno membrana interna/nucleare.
• Gli eucarioti si distinguono in protozoi (unicellulari) e metazoi (pluricellulari); nei metazoi abbiamo la formazione di organismi pluricellulari dove le cellule si differenziano e specializzano in funzioni diverse. Nei procarioti non abbiamo pluricellularità e c’è al contrario un differenziamento molto limitato. I metazoi invece si differenziano nella forma, nella struttura, nel tipo di proteine che vengono sintetizzate e nella funzione.
• I protozoi possono vivere in ambienti molto diversi per temperatura (molto alte, come i batteri che vivono nei vulcani, o molto basse) per condizioni (livelli di pH nei quali l’eucariote non può sopravvivere; sono batteri acidofili o basofili); i procarioti sono molto più adattati all’ambiente esterno. Fenomeni più o meno catastrofici portano alla distruzione di eucarioti, con la sopravvivenza dei procarioti. Questa caratteristica si definisce biotopo.
• Membrana nucleare: procarion fa riferimento alla membrana del nucleo: non hanno una membrana (eucarion: membrana nucleare perfetta). Spesso si parla di nucleoide: il DNA, essendo una struttura formata da un’unica molecola avvolta su sé stessa dà origine a una specie di nucleo, ma non c’è nessuna membrana nucleare. Ci possono essere dei compartimenti transitori: la membrana plasmatica che circonda l’intero batterio (la membrana plasmatica è diversa dalla parete cellulare, formata da lipopolisaccaridi, più rigida e che manca nelle cellule animali ma è presente in quelle vegetali) può dare origine ad alcuni settori nel momento in cui si ripiega all’interno, ma ciò accade solo per brevi periodi (invaginazioni). Molti batteri hanno un flagello che permette al batterio di muoversi. Oltre al flagello possono esserci lateralmente delle cilia che permettono anch’esse il movimento del batterio stesso. La forma del batterio può variare e il loro nome deriva da questa forma (es. tutti quelli circolari sono stati chiamati cocchi, poi in base al tipo di specie viene cambiata la parte iniziale del nome; quelli di forma allungata sono chiamati coli, ma è così anche il virione del colera; i microplasmi sono cellule piccolissime; batteri di forma allungata o spiralizzata, come il treponema palidum).

I virus non sono considerati cellule perché non hanno vita autonoma: i procarioti possono duplicarsi in modo autonomo, i virus invece devono infettare cellule procariotiche o eucariotiche, quindi non sono considerati vitali al 100%. Manca la membrana, i compartimenti, sono in genere molto più piccoli (in media sono più piccoli di 0.2 µm, ma esistono anche virus “giganti”, che inizialmente sono stati scambiati per batteri). Hanno un capside proteico, al cui interno c’è una molecola di DNA e a volte una di RNA (si parla di virus a DNA e virus a RNA); i virus a RNA (o retrovirus, come quello dell’HIV) per duplicarsi trasformano la molecola di RNA in DNA, dal quale riforma RNA per produrre proteine. Hanno proteine proprie, ma sono dipendenti da cellule vegetali, animali o da batteri (i virus che vivono nei batteri sono i batteriofagi); una caratteristica è che i virus che vivono nelle cellule vegetali stanno solo in quelle e raramente possono 4 infettare un’altra specie. I virus giganti (mimi-virus, mama-virus e pandoravirus che arriva fino a 1 µm) sono per lo più parassiti di acque dolci o marine, non si sa se arrechino malattie a livello umano (http://en.wikipedia.org/wiki/Mamavirus, Mimivirus in acathamoeba polyfaga, Pubmed).

Membrana plasmatica

Le cellule eucariotiche hanno una membrana non rigida ma plastica, che può avere dei prolungamenti, cambiando così la propria morfologia. I prolungamenti possono essere:

• Filopodi, di lunghezza variabile, in cui il diametro è molto limitato: il citoscheletro dell’actina polimerizza dall’interno verso l’esterno.
• Se oltre a polimerizzare verso l’esterno l’actina polimerizza verso altri filamenti si forma un reticolo di actina, quindi la membrana viene spostata verso l’esterno non più con singoli filopodi ma con pseudopodi.

Le cellule eucariotiche posseggono compartimenti al proprio interno; i compartimenti non sono camere stagne e infatti ognuno dei compartimenti ha una funzione particolare, e per poter svolgere questa funzione ha bisogno di condizioni fisiche particolari, di enzimi, di substrati. I compartimenti hanno quindi la funzione di delimitare una regione all’interno della cellula, ma hanno soprattutto la funzione di mettere in relazione quel compartimento con quelli circostanti. Ogni compartimento svolge singole funzioni e perché svolga queste funzioni deve avere un ambiente chimico-fisico ottimale e un corredo particolare di enzimi. Questo comporta che la membrana abbia particolari caratteristiche:

• Deve mantenere la struttura stabile in un ambiente acquoso interno ed esterno.
• Deve essere permeabile in modo selettivo a ioni e substrati: non può essere generalizzata.
• I compartimenti devono poter comunicare tra loro: così come la cellula comunica con l’ambiente esterno, così deve poterlo fare al suo interno, affinché ogni compartimento sappia ciò che fa l’altro.
• Deve autorigenerarsi: la cellula e i compartimenti hanno una vita media, le proteine possono durare ore, i lipidi sono un po’ più stabili, ma la membrana non può generarsi dal nulla: deriva da una membrana preesistente, quindi la membrana si accresce per poi dividersi.

I compartimenti hanno elementi in comune, hanno la stessa struttura di base: tutte le membrane (non solo quella plasmatica) hanno un‘impalcatura lipidica (fosfolipidi) che garantisce la proprietà di essere stabile in H2O: i lipidi sono idrofobici. Le membrane hanno uno spessore di circa 5 nm di media, di cui 2 nm sono lo spazio intermedio più chiaro; questo spazio è formato da code lipidiche lineari che si proiettano verso l’interno, mentre le regioni più scure sono le regioni più esterne dove ci sono i gruppi idrofilici (gruppi fosfato). Nel momento in cui i due strati vengono separati l’uno dall’altro si vede una struttura omogenea e dei globuli sopra di essa: la parte omogenea sono i fosfolipidi, mentre i globuli sono le proteine, che sono immerse nel doppio strato fosfolipidico, esse possono uscire, attraversare questo stato ma non sono omogenee. La membrana è fluida e plastica: siamo in un ambiente acquoso e quindi la sua fluidità è la capacità di cambiare forma, dovuta all’ambiente esterno [video membrana e laser]; se non c’è ricovery vuol dire che quella parte di membrana era rigida (se il citoscheletro lega le proteine, nel momento in cui le proteine sono trattate con il laser, queste non possono più muoversi passivamente).

Fosfolipidi

La struttura di base delle membrane è fatta da fosfolipidi; tutti i lipidi delle membrane biologiche sono formati con una struttura simile: due catene aciliche, cioè lunghe catene che sono collegate in alto con un legame carbossilico tra la catena acilica e una molecola di glicerolo (CH2, se fosse glicerolo isolato sarebbe CH2OHCHOHCH2OH); il glicerolo modificato a seguito del legame con le catene aciliche ha il primo OH che è servito per formare il legame carbossilico tra il COOH terminale di un acido grasso (catena acilica ricorda l’acido grasso e tutti gli acidi grassi hanno un terminale COOH); il gruppo COOH serve quindi per formare il 5 legame tra la catena acilica e il glicerolo. Quando due catene aciliche sono collegate al glicerolo e il terzo carbonio del glicerolo porta legato un fosfato si ha l’acido fosfatidico, la base di tutti i fosfolipidi delle membrane. È sufficiente che l’O del fosfato sia modificato per aggiunta di un’altra catena per avere i fosfolipidi in senso stretto; in base a cosa si sostituisce al gruppo R si avranno diversi tipi di fosfolipidi.

Esempio di acidi grassi sono l’acido oleico (olio di oliva), l’acido palmidico (olio di palma)… tutti gli acidi grassi sono formati da lunghe catene idrocarburiche di misura variabile che hanno un gruppo COOH. Quando l’acido grasso è legato alla molecola di glicerolo allora è una catena acilica, mantiene il doppio legame ed essendo legato tutta la regione è idrofobica (l’unica regione idrofilica è la zona COOH che quindi può interagire con l’acqua, ma nel caso dei fosfolipidi anche questa regione non interagisce con l’acqua). Gli acidi grassi si dividono in saturi (no doppi legami tra atomi di carbonio) e insaturi (doppio legame tra C). La presenza di doppi legami all’interno della catena acilica fa sì che l’acido grasso in quel punto non sia più lineare: all’interno della membrana plasmatica crea dunque una regione dove c’è minore rigidità e ciò si riflette sull’intera membrana (la membrana diventa più rigida alle basse temperature, alle alte temperature diventa più instabile). A livello del glicerolo, l’unica regione non idrofobica è il fosfato o ciò che è legato al fosfato (etanolamina, serina, colina o inositolo). Senza i gruppi fosfato l’inositolo, pur essendo neutro, è idrofilico, mentre serina, etanolamina e colina hanno carica (-,+,+) quindi possono interagire con l’acqua. Quindi una membrana plasmatica formata da queste strutture avrà catene aciliche idrofobiche e una regione esterna idrofilica.

La molecola di acqua ha la caratteristica di essere un dipolo: le molecole di acqua hanno tutte una leggera carica negativa e una leggera carica positiva, quindi le molecole di acqua interagiscono tra di loro formando ponti H. Le cellule sono piene di acqua e sono immerse in ambiente acquoso. Le molecole idrofiliche sono solubili in acqua (formano legami elettrostatici di tipo ionico, legami H); molecole idrofobiche sono insolubili in acqua (non possono formare interazioni elettrostatiche); molecole anfipatiche hanno regioni idrofiliche e regioni idrofobiche.

Fosfolipidi immersi in acqua possono dare luogo a micelle, cioè piccole goccioline formate da molecole anfipatiche (tipo fosfolipidi) immerse in acqua; questo è dovuto al fatto che regioni idrofobiche tendono a espellere acqua e a stare all’interno, mentre regioni idrofiliche interagiscono con l’acqua e stanno all’esterno. Questa struttura non può crescere all’infinito: c’è una concentrazione critica al di sotto della quale non si può formare questa struttura rotondeggiante e una concentrazione critica micellare al di sopra della quale la micella si forma spontaneamente. Quando la concentrazione critica è al di sopra della concentrazione critica micellare si possono formare i doppi strati lipidici: nel doppio strato lipidico entrambi gli