Citologia - intero corso

Citologia: una dispensa per il XXI secolo

<<Giuro solennemente di non avere buone intenzioni.>>

[Università degli Studi di Brescia, corso di Medicina e Chirurgia, 1° Anno]

[Gentilmente (ma non gratuitamente!) offerta da Italo Biasiotto]

Indice

Indice: cos’è la cellula, teoria cellulare; 05-Come PAG: 01- Indice + Una citazione introduttiva; 02-Citologia: si studiano le cellule; 10-Digressione propedeutica sugli anticorpi; 14-Una breve parte sulla citofluorometria; 15-I tipi di cellule; 16-La membrana cellulare e le sue proteine; 20-Il trasporto (attivo, passivo, etc…); 23-Il Glicocalice; 24-Sistemi membranosi e di comunicazione; 29-Endocitosi, Esocitosi, gemmazione etc…; 34-Il sistema membranoso Interno (REL, RER, Golgi, Lisosomi); 44-Perossisomi ed altre poche robe; 52-I Mitocondri; 57-Il Nucleo; 66-Extra.

Introduzione

Introduzione: sul perché di una dispensa, ovvero “sul male necessario del riassumere”.

<<Spirito arguto può diventare falsa sostanza. La concisione, seppur brillante e utile alla memoria, non può evidentemente rendere giustizia a tutti i fatti di una situazione complessa. In questo caso per essere brevi devi o semplificare o omettere. Due atti che giovano a farti capire meglio, ma che spesso ti fan capire quello che è sbagliato; infatti tu riuscirai a intendere solo le nozioni che pulitamente ti annuncia il riassuntore, e non la realtà, vasta e ramificata, da cui arbitrariamente si sono astratte quelle nozioni. Ma la vite è breve e la conoscenza infinita, e nessuno ha tempo per tutto. In pratica noi siamo di solito costretti a scegliere fra un’esposizione indebitamente scorcia e… il nulla. Riassumere dunque è un male necessario, e compito del riassuntore è fare bene, per quanto possibile, un lavoro che, seppur intrinsecamente è cattivo, è pur sempre meglio che niente. Egli deve saper semplificare, ma senza giungere alla falsificazione. Deve saper cogliere i punti essenziali d’una situazione, ma senza ignorare troppo gli altri aspetti significativi della realtà. In questo modo egli può riuscire a esporre, non certo tutta la verità (perché la verità tutta intera, su tutti o quasi gli argomenti di importanza, non è compatibile con la concisione), ma almeno assai più delle mezze verità i dei quarti di verità che sono sempre stati moneta spicciola corrente del pensiero.>>

[Aldous Huxley, Ritorno al Mondo Nuovo; Prefazione]

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Citologia

Cos’è la cellula, teoria cellulare, introduzione alla sua struttura

∆ Cos’è la cellula, teoria cellulare, introduzione alla sua struttura.

La cellula è la più piccola unità in grado di svolgere tutte le attività che qualificano un organismo vivente. Si tratta del più piccolo sistema biologico che si può qualificare come “vivo”.

Le descrizioni dei componenti della cellula che seguiranno hanno come nodo principale l’interazione che le diverse cellule compiono tra di loro o nei confronti dell’ambiente esterno attraverso queste stesse strutture.

L’insieme di teorie scientifiche che descrivono le funzioni della cellula prende il nome di teoria cellulare, la sua elaborazione è stata portata avanti, perlomeno agli inizi, (tra la fine degli anni ’30 e gli anni ‘80 del 1800) da scienziati quali Matthias Schleiden, Theodor Schwann, Rudolf Virchow ed August Weismann. Le osservazioni portate avanti da questi scienziati si possono condensare come segue:

• Le cellule rappresentano l’unità vivente fondamentale di funzione e di organizzazione di tutti gli organismi.
• Le cellule derivano tutte da altre cellule, ovvero una cellula può formarsi solo per divisione di una cellula preesistente.
• Da questo si può ragionevolmente dedurre che tutte le cellule viventi hanno un antenato originario comune.

Questo ci porta a dire che ciò che si verifica in natura è che le cellule risultano possedere strutture morfologicamente simili al loro interno, e questo va dal batterio al mammut. Questo ci porta a dire che nelle cellule, l’organizzazione strutturale è cruciale. Tanto questa quanto le sue dimensioni ridotte sono per la cellula proprietà critiche che permettono di mantenere l’equilibrio nell’ambiente intracellulare di modo che i processi biochimici si svolgano correttamente. Affinché tale equilibrio possa essere mantenuto, i contenuti interni alla cellula devono essere separati dall’ambiente esterno.

In tal senso interviene la membrana plasmatica, la quale è una membrana di superficie strutturalmente distinta che circonda tutte le cellule. Rendendo l’interno della cellula un compartimento chiuso (isolato), la membrana plasmatica permette che la composizione chimica della cellula sia alquanto differente da quella dell’ambiente esterno. La membrana plasmatica ha delle proprietà tali per cui svolge la funzione di barriera selettiva (ovvero permette il passaggio di certe sostanze dall’esterno verso l’interno, ma lo vieta ad altre) tra l’ambiente cellulare interno e quello esterno. Questo fa sì che gli scambi con l’ambiente esterno siano accuratamente controllati e permettano alla cellula di accumulare quelle specifiche sostanze di cui necessita per compiere le reazioni biochimiche.

Le cellule possiedono generalmente delle strutture interne, note come organuli, specializzate nello svolgere attività metaboliche. La maggior parte degli organuli presenti nelle cellule eucariotiche (ovvero quelle che possiedono un nucleo ben isolato e definito) sono formati da uno e o più compartimenti circondati da membrana e sono in grado di autoregolare i propri ritmi (e il proprio ambiente) a seconda delle funzioni più o meno specifiche che devono svolgere.

Le dimensioni cellulari hanno un limite

∆ Le dimensioni cellulari hanno un limite

Le dimensioni cellulari sono estremamente variabili, tuttavia, la maggior parte di queste si trovano in un ordine microscopico, vale a dire che per misurarle ci sia avvale di unità di misura ed ordini di grandezza molto piccoli. Se l’unità di misura del S.I. (Sistema Internazionale dei pesi e delle misure) per quel che riguarda le lunghezze è il metro, (m) nel caso delle cellule ci si avvale solitamente del micrometro (μm) pari cioè a 10^ (-6) m. In ogni caso, il micrometro si rivela comunque troppo grande per misurare i componenti interni della cellula, perciò si usa il nanometro (nm) che corrisponde ad una lunghezza di 10^ (-9) m. Esistono però anche cellule dalle dimensioni consistenti se vogliamo, poiché per esempio la cellula uovo umana è visibile a occhio nudo, così come l’uovo di rana o di uccelli. Ma perché verrebbe da chiedersi, in genere la maggior parte delle cellule è così piccola? Se si considera ciò che una cellula deve fare per mantenere l’omeostasi (ovvero l’equilibrio termo-chimico del proprio ambiente interno) e crescere, si possono facilmente capire le ragioni delle sue ridotte dimensioni.

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Una cellula deve assumere nutrimento e altri materiali e deve liberarsi dei prodotti di rifiuto generati dalle reazioni metaboliche. Ricordiamo che tutto ciò che entra/esce dalla cellula deve passare attraverso la membrana plasmatica. La membrana plasmatica contiene strutture (“canali” o “pompe”) specializzate per un trasporto selettivo e tempestivo dei materiali che vi passano attraverso. Questo significa che la membrana plasmatica deve essere abbastanza grande, rispetto al volume cellulare, da rispondere alle necessità di regolazione del passaggio di materiale. Ciò significa che un fattore critico nel determinare le dimensioni di una cellula è il rapporto tra la sua area superficiale ed il suo volume.

È evidente che, esponenzialmente parlando, il volume di una cellula aumenta più in fretta della sua superficie (cioè dell’area della membrana plasmatica) e questo pone intrinsecamente un limite alle dimensioni della cellula. Questo limite va sotto la dicitura di “dimensioni critiche”. Se si superassero le dimensioni critiche, le numerose molecole necessarie alla cellula per svolgere le sue funzioni non potrebbero essere trasportate al suo interno con velocità adeguate. E d’altro canto, la cellula non sarebbe in grado di regolare le varie concentrazioni ioniche o di trasportare all’esterno efficientemente i materiali di rifiuto.

Per “controllare” o “influenzare favorevolmente” questo rapporto così limitante, vengono messe in atto, da parte di alcune cellule, delle variazioni di forma. Infatti, non tutte le cellule sono sferiche o hanno forma cubica, e l’assunzione di forme diverse crea dei rapporti superf/vol favorevoli. Ad esempio, molte cellule vegetali sono lunghe e sottili, oppure le cellule epiteliali dell’intestino tenue hanno delle estroflessioni (ripiegamenti verso l’esterno) della membrana dette microvilli, che aumentano notevolmente la superficie utilizzata per l’assorbimento di materiali (detta superficie di contatto). [Questo è già un primo accenno al fatto che c’è un’indissolubile corrispondenza e compenetrazione tra Struttura e Funzione, centrale in tutta la biologia]

Infine, come avevamo già accennato, un altro motivo delle dimensioni ridotte delle cellule è che le molecole, una volta all’interno, devono essere trasportate in siti specifici dove vengono poi trasformate ed utilizzate. Poiché le cellule sono di piccole dimensioni, le distanze percorse dentro la cellula sono relativamente brevi. Pertanto, le molecole sono rapidamente disponibili per l’utilizzo. In questo frangente sarebbe utile introdurre cosa intendiamo per “Coefficiente di sedimentazione”, giacché in seguito ritroverete l’unità di misura Sveberg piuttosto spesso: tanto vale sappiate da subito a cosa ci si riferisce.

Coefficiente di sedimentazione

_Coefficiente di sedimentazione:

Il coefficiente di sedimentazione misura il rapporto tra la velocità di sedimentazione di un corpo ideale (di forma sferica) e quella del corpo in esame, a parità di condizioni di riferimento ed è espresso con un’unità di misura (non compresa nel SI) denominata Svedberg [SUE(G)BERG]. Questo coefficiente esprime in pratica il rapporto tra la velocità limite di sedimentazione data dalla legge di Stokes e la velocità misurata in condizioni identiche. [Aripeta… Però ‘sti cazzi!] In date condizioni fisiche di Temperatura, Pressione, Viscosità di mezzo, il Coef-di–Sed è influenzato soprattutto dalla forma del corpo che sedimenta potremmo preventivamente asserire che una sfera decanterà con velocità diversa da una lamina sottile ma anche da altri fattori, quali la concentrazione di particelle decantanti nel mezzo.

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_Da notare: Il Coef-di-Sed dei ribosomi presenti nei mitocondri è molto diverso da quello della classica cellula eucariota, ed è addirittura simile a quello della cellula procariota (60 S), tant’è che è di 55 S. Piccole differenze:

• Ribosomi eucarioti: 80 S→ 60S + 40S (somma delle superfici delle 2 sub-unità)

Le nostre archeologiche e filologiche fonti propongono qui due definizioni di “decantare”:

1 [“Ah, ecco quello che la gente spesso si dimentica di fare con me!” penserete.]

_Decantare: Celebrare con molte lodi, spesso in modo eccessivo; esaltare, magnificare.

_Decantare: La decantazione è un metodo di separazione di miscugli eterogenei che sfrutta la forza di gravità. Essa consiste nel lasciar depositare il solido sul fondo del recipiente finché il liquido sovrastante non risulti limpido.

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• Ribosomi procarioti: 60S→50S + 30S

Come si studiano le cellule: il microscopio (1)

∆ Come si studiano le cellule: il microscopio (1)

Il Microscopio è uno dei più importanti strumenti utilizzabili per lo studio della struttura cellulare.

La storia del microscopio, curiosamente parlando, è legata a doppio filo quella della cellula. Nel 1655, Robert Hooke (primo “inventore” del microscopio, assieme probabilmente a Galileo), nel suo libro “Micrographia” descrisse con tanto di disegni, ciò che aveva riscontrato esaminando un pezzo di sughero. Egli scelse il termine cellula perché la struttura gli ricordò le piccole stanze abitate in quel periodo dai monaci.

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Hooke tuttavia osservò soltanto cellule morte. Gli succedette Antoine van Leeuwenhoek, il quale riuscì a vedere cellule viventi, quali batteri, protisti, cellule ematiche e spermatiche. Costui era un mercante, e non possedeva una solida preparazione scientifica. Comunque, condivise le sue scoperte con gli scienziati della Royal Society di Londra, cosicché all’interno della comunità scientifica poté aprirsi un campo di dibattito e ricerca sul mondo microscopico. (Questo sì che è progresso)

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Sfortunatamente, Leeuwenhoek non divulgò le tecniche con cui aveva costruito il suo microscopio a ingrandimento X200, e passarono più di 100 anni prima che i microscopi in circolazione permettessero uno studio focalizzato ed approfondito delle cellule.

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Il Microscopio ottico, il tipo più utilizzato, consiste in un tubo con lenti di vetro a ciascuna estremità. Dal momento che contiene diverse lenti, si dice anche “composto”.

Interessante notare come nella comunità scientifica, il “nome” attribuito alle varie molecole/organismi scoperti sia completamente arbitrario e totalmente sottomesso alle circostanze storiche del tempo della scoperta. Raccontò Giuseppina De Petro in un suo recente corso, che una particolare molecola era stata chiamata con il nome di un dolce danese solo perché la sua scoperta era stata fatta quando lei era in Danimarca.

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Questo fatto è anch’esso interessante perché rivela come una delle radici del progresso scientifico, quando c’è, stia nella “condivisione di informazioni”, un bene preziosissimo. A tal proposito, mi sento di consigliarvi un video di RickDufer intitolato “In Difesa del Capitalismo” (1/3): [https://www.youtube.com/watch?v=QWBskzSjclY]

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A riprova di quanto dicevo nella nota sovrastante, la “non-divulgazione” (“non condivisione di informazioni”) sul microscopio ha ritardato lo stesso sviluppo scientifico della microscopia.

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La luce visibile passa sia attraverso il campione da osservare che attraverso le lenti. La luce viene rifratta dalle lenti ingrandendo l’immagine. Le immagini ottenute con i microscopi ottici si chiamano “micrografie ottiche”.

Sono 2 le proprietà alla base dell’efficienza di un microscopio: (1) Ingrandimento e (2) Potere risolutivo.

• L’ingrandimento corrisponde al rapporto tra le dimensioni dell’immagine vista e le dimensioni effettive dell’oggetto. Il M.O. (Microscopio Ottico) non riesce ad ingrandire un oggetto più di 2000 volte.
• La risoluzione, o potere risolutivo, è la capacità del microscopio di distinguere anche i più piccoli dettagli di un’immagine. È definita come la distanza minima alla quale due punti appaiono chiari e distinti invece di confondersi e sembrare uno solo.

Il potere risolutivo dipende dalla qualità delle lenti e dalla lunghezza d’onda della sorgente luminosa. Quando la lunghezza d’onda diminuisce, la risoluzione aumenta. La luce visibile utilizzata dal M.O. ha lunghezze d’onda che vanno da 400 nm (violetto) a 700 nm (rosso), questo limita la risoluzione de M.O. a dettagli non più piccoli di circa 0, 2 μm.

P.S. Narra Silvia Parolini che un tempo le migliori lenti per microscopio fossero tedesche, prodotte dalla Zeiss.

Come si studiano le cellule: la preparazione di un vetrino

∆ Come si studiano le cellule: La preparazione di un vetrino

La preparazione del tessuto da analizzare è una fase importantissima dello studio cellulare e sub-cellulare. (Sempre Parolini narra che un vetrino ben preparato può durare anche 30-40 anni!)

Le fasi della preparazione dei vetrini per un’analisi tissutale possono essere così suddivise: (1) Fissazione, (2) Disidratazione, (3) Diafanizzazione, (4) Inclusione, (5) Sezionamento/Taglio, (6) Montaggio, (7) Colorazione. [questo intero processo, narra Parolini, pare prenda talvolta anche un’intera settimana]

• Fissazione: Per prevenirne la decomposizione, i tessuti destinati all'analisi microscopica vengono trattati tramite un processo chiamato fissazione. Questa può essere chimica o fisica. _Prende un tempo che va dalle 2 alle 10 o talvolta 24 ore [Secondo la Parolini. Se questo corrisponda a verità però, non mi è dato di saperlo]. Tramite la fissazione si riesce a ritardare, quando non a impedire, i processi di decomposizione, e a questo scopo i tessuti appena prelevati vengono trattati con composti chimici quali alcoli e aldeidi. La fissazione Chimica è preferita in generale per la produzione di vetrini e per la conservazione dei tessuti. _Nel caso di fissazione Chimica si utilizza la paraformaldeide (al 4%), è l’agente più utilizzato, si tratta [dicono] di formalina tamponata. Sono usati anche acido acetico, alcol [?], liquido di Bouin. Ricordiamo che la formalina è la più semplice delle aldeidi, ha formula bruta CH₂O, mentre la paraformaldeide è il più piccolo poliossimetilene. È un poliacetale. Riassumendo e precisando al tempo stesso, possiamo dire che le sostanze più usate per la fissazione sono: Liquido di Bouin, Formalina Tamponata, Acido Acetico, Paraformaldeide al 4% in soluzione fisiologica e paraffina. Precisa Parolini che la questione importante riguardo a questi fissativi sta nella loro forza di penetrazione: se il fissativo è troppo aggressivo nel suo legarsi al tessuto si rischia che penetrando, cioè operi delle modifiche che compromettono l’osservazione. crei delle s