Citologia e Istologia

Citologia e istologia

Il nucleo

È un organello che caratterizza in modo esclusivo la cellula eucariotica: mentre nei procarioti il materiale genetico è disperso nel citoplasma, negli eucarioti questo è confinato in un territorio da un sistema membranoso (nucleo).

Funzioni

• Duplicazione del DNA
• Trascrizione
• Processamento degli RNA
• Riparo del DNA

Nei preparati istologici, se si vuole evidenziare il nucleo, poiché il DNA è acido, si colora con coloranti basici. In particolare, si colorano: in rosso, con la reazione di Feulgen (evidenzia solo DNA, non RNA), o in viola, con l’ematossilina-eosina (l’ematossilina evidenzia tutto il contenuto acido, quindi sia DNA che RNA), in rosa viene colorato il citoplasma (eosina, che è un colorante acido).

Struttura del nucleo

• Cellule mononucleate: presentano un solo nucleo (es. linfociti).
• Cellule plurinucleate: si dividono in plasmodi, cellule formate da mitosi multiple, non seguite da citodieresi (es. sincizi, che si formano in seguito alla fusione di più cellule mononucleate (es. fibra muscolare scheletrica, osteoclasto)).
• Cellule anucleate: non presentano il nucleo (es. globulo rosso).

Forme

• Sferica (linfocita), a ferro di cavallo (monocita), plurilobata (granulocita neutrofilo), bilobata (eosinofilo), ovoidale (cellula epiteliale), schiacciato (cellula dell’endotelio).

Organizzazione del nucleo

Partendo dall’esterno, il nucleo della cellula eucariota presenta un involucro nucleare (un complesso di membrane), che al suo interno presenta: i nucleoli, il nucleoscheletro e il nucleoplasma.

Involucro nucleare

• È un sistema di membrane, costituito da membrane nucleari, lamine nucleari e complesso del poro.
  • Membrana: formata da due membrane, una interna e una esterna. Tra queste c’è uno spazio chiamato cisterna perinucleare, che è in continuità con le cisterne del RER, così come la membrana esterna stessa. Infatti, la membrana è esternamente rivestita da tanti ribosomi.
  • Lamina: la membrana interna poggia sulla lamina che è un insieme di filamenti costituiti da proteine della famiglia delle lamine. Ha le seguenti funzioni:
    • Supporto dell’involucro nucleare
    • Interazione con l’eterocromatina, con le proteine della membrana nucleare interna e con le proteine del complesso del poro
    • Coinvolta nei processi di dissoluzione/ricostituzione dell’involucro nucleare (ciclo cellulare).
  • Complesso del poro: costituiscono i pori nucleari, che permettono il passaggio di sostanze dal nucleo al citoplasma o viceversa. Ogni poro è formato da una struttura a canestro, chiamata complesso del poro. Questo è costituito dalle proteine appartenenti alla famiglia delle nucleoporine, che rappresentano le subunità colonnari. Le nucleoporine attraversano la membrana. Esistono poi due anelli, uno sul versante esterno e uno su quello interno. Un terzo anello è posto nello spazio perinucleare e ancora il poro alle membrane. Dal versante citosolico e dal versante nucleare partono rispettivamente dei filamenti. La loro funzione è quella di regolare il passaggio di materiale tra il citoplasma e il nucleo. Ioni, metaboliti e piccole macromolecole possono diffondere passivamente, mentre le macromolecole più grandi richiedono l’utilizzo di GTP. Questi processi avvengono poiché il nucleo ha bisogno di istoni, DNA e RNA polimerasi e fattori di trascrizione che vengono trascritte nel citoplasma, e al contrario deve rilasciare all’esterno mRNA, tRNA e ribosomi.

Nucleolo

Compartimento di maggiori dimensioni, non è delimitato da una membrana e forma e dimensioni possono variare da cellula a cellula in base alla sua attività metabolica. Infatti, nel nucleolo avviene la biogenesi dei ribosomi, quindi se una cellula ha un’attività di sintesi proteica molto elevata, ha nucleolo più grande. È costituito da due subunità: fibrillare e granulare.

• Funzioni: biogenesi dei ribosomi, coordinamento della risposta cellulare allo stress.
  • Pars fibrillare: rappresenta il DNA contenente i geni per la trascrizione di molecole di RNA e proteine che costituiranno ribosomi (parte più scura).
  • Pars granulare: contiene i precursori dei ribosomi citoplasmatici, ed è quindi costituita principalmente da rRNA e proteine ribosomiali (parte più chiara).

Biogenesi dei ribosomi

Prevede l’assemblaggio di 4 rRNA (18S–5,8S–28S–5S) e diverse proteine ribosomiali. La biogenesi ha inizio con il precursore RNA45S, il gene RNA45S è presente in molte copie organizzate in tandem, nelle cosiddette “regioni organizzatrici del nucleolo”. Queste regioni si trovano su 5 coppie di diversi cromosomi, che nella punta presentano le regioni tandem. I dieci cromosomi creano delle anse (che contengono i geni che ci servono), permettendo alle regioni organizzatrici di disporsi completamente all’interno del nucleolo. Durante la trascrizione dell’RNA45S ad opera dell’RNA polimerasi 1 si formano i cosiddetti cistroni ribosomiali (a forma di albero di Natale rovesciato): i tratti verticali sono DNA in tandem, i tratti di DNA liberi prendono il nome di spacers e non sono trascritti, i pezzi laterali (fibrille laterali) sono il risultato della trascrizione. Appena formato, l’RNA45S si stacca dall’RNA polimerasi e si associa a delle proteine creando un granulo 80S, che viene rimaneggiato dando luogo a due subunità 18S e 32S (subunità piccola e grande dei ribosomi). La subunità 18S è contenuta in un granulo minore di 40S, che si lega ad altre proteine ed è pronto per formare la subunità ribosomiale minore. La parte dei 32S si divide in 28S e 5,8S che andranno a comporre insieme ad altre proteine un granulo da 60S, che a questo punto può uscire nel citoplasma ed è pronto. L’RNA polimerasi 3 trascrive l’rRNA 5S che si inserisce nel granulo da 80S, arrivando dal citoplasma.

Matrice nucleare

È simile al citoscheletro, ha la capacità di contrarsi ed espandersi, la sua principale funzione è quella di mantenere il volume e la forma del nucleo, ed è inoltre coinvolta nei cambiamenti che subisce la cellula nelle fasi del ciclo cellulare (es. spiralizzazione/despiralizzazione del DNA).

Nucleoplasma

È composto principalmente da cromatina, ovvero un complesso formato da DNA, proteine istoniche e non istoniche. La cromatina esiste in due forme:

• Eucromatina: poco condensata, trascrivibile, poco colorabile, è presente in grandi quantità nelle cellule che hanno molta attività di sintesi proteica (es. neuroni o epatociti).
• Eterocromatina: condensata, molto colorabile, temporaneamente o permanentemente non trascritta. È facilmente osservabile in cellule che non sintetizzano attivamente proteine o che ne sintetizzano poche (es. linfocita).

Condensazione della cromatina

1. Il filamento di DNA si avvolge attorno a delle strutture dette ottameri istonici (ognuno formato da otto istoni), che essendo basiche hanno una forte attrazione verso il DNA e viceversa. Il complesso formato dal DNA e da un ottamero istonico prende il nome di nucleosoma. I tratti di DNA che collegano due nucleosomi sono detti linker.
2. L’istone H1 va a legare i DNA linker tra di loro, compattando così il filo di perle.
3. La fibra di cromatina forma delle anse, aumentando sempre di più il compattamento.
4. Il compattamento prosegue finché non si è formato il cromosoma completo.

Gli istoni hanno una funzione strutturale, perché sono parte dei nucleosomi e una funzione regolatoria, perché gli H1 sono responsabili della compattazione e quindi regolano la trascrizione. Il DNA nucleare si presenta sotto forma di molecola filamentosa associata a delle proteine, e dopo la completa compattazione abbiamo i cromosomi. Ciascun cromosoma è doppio, costituto da due fibre identiche chiamate cromatidi, che sono uniti tra di loro dal centromero. Le estremità dei cromosomi sono dette telomeri.

Proliferazione cellulare

È un processo che caratterizza in particolar modo la fase di sviluppo embrionale e di maturazione dell’organismo adulto. Il periodo che intercorre tra l’origine di una nuova cellula e il momento in cui si divide costituisce il ciclo vitale cellulare. Nell’organismo adulto si hanno cellule che sono andate incontro ad un profondo differenziamento e non sono più in grado di dividersi: queste cellule vengono dette perenni (es. neuroni o cellule muscolari cardiache). Esistono anche le cellule stabili: possono entrare in una fase di quiescenza (detta anche G0), in cui è inattiva l’attività sintetica, ma in seguito a particolari stimoli possono rientrare nel ciclo e dividersi (es. linfociti, epatociti).

Il ciclo cellulare

Si divide nelle seguenti fasi:

1. G1: trascrizione e sintesi proteica, il volume aumenta, i cromosomi sono sotto forma di cromosomi interfasici monocromatici, non ancora separati.
2. S: duplicazione del DNA.
3. G2: preparazione alla divisione, ogni cromosoma è presente in due copie identiche chiamate cromatidi fratelli (cromosomi interfasici dicromatidici).

Queste tre fasi sono racchiuse nella cosiddetta interfase, in cui la cellula si prepara ad un’eventuale divisione, il nucleo è sferico e i cromosomi non sono distinguibili.

4. M: divisione cellulare

Membrana plasmatica e trasporti

La cellula eucariotica è formata dalla membrana plasmatica, dal nucleo con il suo doppio involucro nucleare, dal citoplasma e i suoi organelli. Esiste una notevole eterogeneità della cellula eucariotica per forme e dimensioni, in media le cellule umane hanno dimensioni comprese tra i 20 µm e i 30 µm, ma esistono cellule molto piccole come i globuli rossi (7 µm) e cellule molto grandi come le cellule uovo mature (200 µm) mentre alcune cellule sono piatte (es. cellule endoteliali dei capillari), cubiche, cilindriche o fusiformi, altre ancora presentano prolungamenti (es. cellule nervose). Le funzioni diverse che le cellule svolgono sono condizionate dall’ambiente in cui si trovano, tutte le cellule contengono lo stesso DNA ma si differenziano le une dalle altre per inattivazione o attivazione di determinati geni.

Struttura della membrana plasmatica

La membrana plasmatica, detta anche plasmalemma, è un sottile involucro che delimita la cellula, ha una costituzione chimica simile a quella della membrana degli organelli interni della cellula, e questo ne permette la comunicazione grazie alla formazione di vescicole.

• Funzioni:
  • Separare ambiente intracellulare-extracellulare e permettere gli scambi di materiale e informazioni
  • Controllare la moltiplicazione della cellula
  • Controllare le interazioni con le altre cellule e con la matrice
• Struttura:
  • Bilayer fosfolipidico all’interno del quale sono affondate proteine
  • Lipidi e proteine possono muoversi lateralmente nel piano della membrana (eccezioni > legami specifici con citoscheletro)
  • Le membrane stesse sono flessibili e sono in grado di cambiare forma
• Composizione chimica:
  • Lipidi coniugati (40-80%): formano un doppio strato
  • Proteine globulari (20-60%) intrinseche ed estrinseche
  • Carboidrati (2-10%): coniugati ai lipidi (glicolipidi) o alle proteine (glicoproteine)

Lipidi

I lipidi semplici sono completamente insolubili in acqua per la presenza di lunghe catene di idrocarburi, quelli della membrana non sono lipidi semplici ma coniugati con un qualcosa di solubile, il complesso è una molecola anfipatica quindi presenta un'estremità idrofila polare (teste) e un'estremità idrofobica apolare (code) perciò si viene a formare il doppio strato, che separa due ambienti acquosi. La membrana plasmatica osservata al microscopio avrà un aspetto trilaminare (testa code testa).

I lipidi coniugati più rappresentati sono i fosfolipidi formati da glicerolo legato a 2 acidi grassi e a un gruppo fosforico a sua volta legato a una base azotata. Le basi azotate possono essere: la colina a formare fosfatidicolina, la serina a formare fosfatidilserina, l’etanolammina a formare fosfatidil-etanolammina e l’inositolo fosfatidilinositolo, a seconda del tipo di base azotata sono più presenti verso l’esterno o l’interno della membrana. In membrana ci sono anche gli sfingolipidi che hanno la sfingosina al posto del glicerolo.

Gli acidi grassi delle code possono presentare dei doppi legami C-C insaturi che determinano i ripiegamenti di una delle due code, importanti perché sono coinvolti nella fluidità della membrana e creano degli spazi dove si colloca il colesterolo.

Il secondo tipo di lipidi presenti nella membrana sono gli steroli, in particolar modo il colesterolo è una molecola lipidica steroide che presenta un gruppo ossidrilico (OH) e quindi ha caratteristiche anfipatiche (gruppo ossidrilico nella testa e il resto nella coda). Ad alte temperature il colesterolo inibisce il movimento dei fosfolipidi riducendo la fluidità mentre alle basse temperature l'effetto è opposto.

Il terzo tipo di lipidi in membrana sono i glicolipidi, lipidi coniugati con una porzione zuccherina, presenti sulla porzione del doppio strato che affaccia verso la matrice extracellulare. Dalla presenza dei lipidi la membrana acquisisce tre fondamentali proprietà:

• La fluidità della membrana è importante per la sua funzione e dipende dall'entità dell'impacchettamento delle code idrofobe e dal numero e dalla lunghezza dei doppi legami insaturi e dalla lunghezza delle code dei fosfolipidi. Maggiore insaturazione e minor lunghezza, maggiore fluidità, perché più lunghe sono le catene più interagiscono fra loro. La membrana deve essere fluida perché favorisce le interazioni, facilita la distribuzione dei lipidi e di proteine di membrana e permette di fondere molecole.
• La mobilità della membrana è data dal fatto che i lipidi sono infatti in grado di muoversi lungo un piano laterale o occasionalmente tramite migrazioni trasversali (movimenti flip-flop), in particolare quest’ultimo movimento utilizza energia ed è catalizzato da enzimi chiamati traslocasi. La flippasi permette lo spostamento dall’esterno verso l’interno di fosfatidilserina e fosfatidiletanolammina, la floppasi permette il movimento dall’interno verso l’esterno di sfingolipidi e fosfatidilcolina e la scramblasi media un movimento bilaterale dei vari lipidi. Il cambiamento della disposizione dei vari lipidi può in casi particolari generare un segnale, ad esempio se viene esposta all’esterno la fosfatidilserina la cellula sta andando in apoptosi.
• La distribuzione dei fosfolipidi non è omogenea fra il lato esterno (strato e), ricco di fosfatidilcolina e sfingomielina, e interno (strato p) ricco di fosfatidiletanolamina e fosfatidilserina, il colesterolo è ugualmente presente nei due strati e inoltre lo spessore della membrana non è uguale lungo tutta la cellula ma esistono zone con accumulo maggiore di lipidi in particolare di colesterolo e sfingolipidi, che possono contenere proteine, chiamate zattere lipidiche o raft, che hanno funzione di:
  • Reclutamento di complessi proteici coinvolti nei processi di aggancio e fusione di membrane
  • Riconoscimento specifico tra cellule
  • Formazione di sinapsi immunologica
  • Dimerizzazione di recettori per la trasduzione del segnale
  • Reclutamento di molecole necessarie alla trasduzione del segnale da parte di recettori di membrana

Proteine di membrana

1. Intrinseche o integrali: possono inserirsi nel doppio strato o parzialmente o totalmente (transmembranarie).
2. Estrinseche o periferiche: si appoggiano sul doppio strato senza inserirsi, possono trovarsi sul versante interno o su quello esterno.

Le proteine di membrana hanno funzioni diverse:

• Trasporto di molecole all'interno e all'esterno della cellula
• Formazione di legami con molecole della matrice o del citoplasma
• Recettori in grado di riconoscere ligandi (soprattutto sistema immunitario)
• Funzione enzimatica

Le proteine possono muoversi lateralmente, e la loro mobilità dipende da: interazione proteina e proteina, proteina e lipidi, proteine ed elementi citoscheletro o proteine e matrice. Le proteine GPI-Linked, sono associate alle zattere lipidiche, ancorate al foglietto esterno della membrana tramite GPI, sono estraibili grazie ad un enzima detto fosfolipasi trasducono segnali all’interno della cellula tramite l’uso di recettori.

Oligosaccaridi o glucidi

Associati o a proteine (glicoproteine 90%) o a lipidi (glicolipidi 10%). I carboidrati sono presenti solo sulla parte extracitoplasmatica della membrana cellulare mentre per quanto riguarda le membrane degli organelli, gli oligosaccaridi si trovare nel versante del lume. L'insieme dei residui zuccherini è detto glicocalice (glicoproteine + glicolipidi) ed è responsabile di:

• Fenomeni di adesione fra le cellule e riconoscimenti self e non self (ligando o non ligando) → gli oligosaccaridi forniscono a ciascun tipo cellulare un determinato marker di identificazione.
• Rapporti con la matrice extracellulare.

I gruppi sanguigni sono determinati da una diversa composizione degli zuccheri legati a lipidi. La presenza e anche il tipo di zuccheri determinano la funzione della cellula. Gli zuccheri sono anche implicati nel movimento delle cellule da un compartimento all'altro, quelle del sistema immunitario possono migrare dal sangue periferico ai tessuti dove sta avvenendo un'infezione da parte di un patogeno.

Trasporti

Il trasporto delle sostanze attraverso la membrana si può svolgere con diverse modalità e questo dipende dal tipo di molecola da trasportare. Per quanto riguarda le piccole molecole esistono tre modalità.

Diffusione semplice

• Avviene spontaneamente
• Non comporta un dispendio energetico
• Permette il passaggio di una sostanza seguendo il gradiente di concentrazione