Citologia, Istologia

Indice

• 1 La cellula 3
• 1.1 Composizione della materia vivente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
• 1.2 Morfologia della cellula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
• 1.3 Organuli e inclusi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
• 1.4 Struttura organuli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
• 1.4.1 Membrana plasmatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
• 1.4.2 Modello del mosaico fluido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
• 1.5 Permeabilità di membrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
• 2 Specializzazioni di superficie 17
• 2.1 Principali specializzazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
• 2.1.1 Giunzioni di superficie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
• 2.1.2 Zonule occludenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
• 2.1.3 Giunzioni aderenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
• 2.1.4 Giunzione nexus o gap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
• 3 Struttura del citoplasma 25
• 3.1 Ribosomi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
• 3.2 Organuli membranosi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
• 3.2.1 Reticolo endoplasmatico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
• 3.2.2 Apparato di Golgi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
• 3.2.3 Lisosomi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
• 3.2.4 Perossisomi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
• 3.2.5 Mitocondri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
• 3.3 Respirazione cellulare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
• 3.4 Citoscheletro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
• 3.4.1 Centriolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
• 3.4.2 Ciglia vibratili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
• 3.4.3 Flagello . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
• 3.5 Inclusi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
• 4 Il nucleo 59
• 4.1 Componenti morfologici di un nucleo durante la fase di intercinesi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
• 4.2 Cromatina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
• 4.3 Nucleolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
• 5 Ciclo cellulare 69
• 5.1 Cellule staminali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
• 5.2 Mitosi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
• 5.3 Apoptosi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

1

Parte I

Appunti di citologia

2

Capitolo 1

La cellula

15/10/2019

Citologia è lo studio della cellula. Etimologia del termine: letteralmente, dal latino, questo termine vuol dire “celletta” e trae la radice storica dalle immagini che furono disegnate dai primi citologi della fine del Seicento e del Settecento, i quali, grazie alle scoperte di ottica di Galileo Galilei, ebbero per la prima volta a disposizione degli strumenti, detti microscopi, che consentirono di superare il limite fisico di sensibilità dell’occhio umano. Esistono, infatti, delle leggi della fisica che dicono che nessun dettaglio può essere visto con una lunghezza d’onda, che serve a formare l’immagine, inadeguata alle sue dimensioni. Quindi con l’occhio umano, anche il più acuto, non era possibile discriminare dettagli delle dimensioni della gran parte delle cellule.

È vero che esistono delle cellule di grandissime dimensioni, per fare un esempio la cellula uovo, la quale ha un diametro di circa 0,2-0,3 mm e ricade nell’ambito dimensionale che è possibile discernere con l’occhio, senza l’ausilio di microscopi. Ma la maggior parte delle cellule sono di un ordine di grandezza al di sotto di queste dimensioni “colossali”, quindi nulla si sapeva della struttura cellulare della materia vivente fino all’avvento dei primi microscopi.

Per ragioni tecniche, i primi tessuti a essere studiati col microscopio ottico di allora furono i tessuti vegetali. Le cellule vegetali sono particolari, poiché ognuna di esse è racchiusa in una capsula di cellulosa, detta “parete”, che ne demarca in modo netto i confini. Quindi quando questo scienziato, si chiamava Robert Hooke, mise l’occhio al microscopio e ingrandì il dettaglio del tessuto generale, vide questa immagine, che ci fa vedere numerosi spazi vuoti racchiusi all’interno di una scatola. Da questo aspetto peculiare, Hooke dedusse che i tessuti erano composti da unità elementari molto piccole, ognuna delle quali abitava uno spazio confinato e riservato, una sorta di celletta, tant’è che coniò il termine “cellula”, tramandatosi ai giorni nostri.

Le analisi successive hanno consentito di chiarire meglio gli aspetti biologici del concetto di cellula e ci hanno fatto comprendere che la singola cellula è la più piccola entità di un organismo più o meno complesso, la quale però è in grado di esplicare tutte le funzioni proprie dei viventi, che se ridotte all’essenza sono:

• Metabolismo: l’insieme di reazioni chimiche che, all’interno di una cellula, si svolgono per mantenere la sua integrità strutturale.

Il metabolismo si divide in due branche:

• Il catabolismo in cui molecole complesse vengono smantellate in molecole semplici e la scissione dei legami libera energia che la cellula può in buona parte accumulare per spenderla successivamente.
• L’anabolismo in cui molecole semplici, i cosiddetti precursori, vengono concatenati tramite legami chimici per formare molecole complesse con dispendio energetico. Quindi il catabolismo predispone la riserva energetica per l’anabolismo e durante questo processo vengono costruite le macromolecole che costituiscono l’impalcatura della cellula e, soffermandosi a un livello multicellulare, l’impalcatura dei tessuti e apparati.
• L’irritabilità: ciascun individuo è inserito in un microambiente dal quale trae informazioni indispensabili per la sopravvivenza.

Ad esempio, anche il più semplice delle cellule viventi, i batteri, sanno reagire al microambiente che li circonda, per cui se aumenta la temperatura al di sopra della soglia di tossicità, se hanno la possibilità di muoversi, si allontanano; viceversa se in un punto del microambiente c’è una sorgente di nutrimento, i batteri che possono farlo si muovono verso questa, reagendo allo stimolo in modo appropriato all’integrabilità della cellula stessa.

• Movimento: con ciò s’intende il movimento attivo e non il movimento casuale, dato dai movimenti dei fluidi del microambiente, il cosiddetto Browniano, che casualmente determina lo spostamento nei fluidi delle particelle.

Nel corso dell’evoluzione, infatti, in tutte le cellule si sono sviluppati dei sistemi motori che si potrebbero fare equivalere al nostro sistema scheletrico. In particolare si sono affermate due proteine motorie, l’actina e la miosina, 3 le stesse che costituiscono il grosso della muscolatura, le quali, interagendo tra loro con dispendio di energia, possono far muovere attivamente una cellula.

Ecco, ad esempio, che una cellula della difesa può spostarsi nel tessuto fino a raggiungere un focolaio di infezione dove entra in azione e, sempre grazie a dei movimenti specifici, aggredisce i batteri, li tira dentro di sé e li distrugge con i propri sistemi di difesa. Si tratta di un sistema integrato che implica automaticamente che la cellula si possa muovere nell’ambiente che la circonda e possa muovere parti interne che la costituiscono.

• Riproduzione: ogni cellula tramite il fenomeno noto come mitosi, o cariocinesi o divisione cellulare, è in grado di originare da una cellula precursore due cellule figlie, secondo un meccanismo di riproduzione asessuata, che implica la conservazione dell’integrità del genoma tra cellula progenitrice e cellule figlie.

Spesso si parla di cellule staminali: nel concetto di staminalità è proprio insito il fatto che le cellule possono riprodursi. Infatti la cellula staminale è il progenitore ancestrale da cui traggono origine tutte le cellule differenziate che formano tessuti, organi...

Cellula procariote

Le più semplici delle cellule sono quelle procariotiche, dal greco procarios, che vuol dire “dal nucleo ancestrale” (con nucleo si intende la sede dove è contenuto il genoma).

Esse hanno un nucleo ancestrale, di fatto assente e il loro genoma è sparso all’interno della cellula, che contiene le macromolecole e che costituisce il citoplasma. Il tutto è racchiuso da una o membrana plasmatica plasmalemma che va a demarcare l’ambiente interno da quello extracellulare, in modo tale che questi due compartimenti possano mantenere una composizione anche molto diversa e funzionale alle varie esplicazioni biologiche della cellula. Essa non ha una struttura di sostegno interna al citoplasma, quindi per mantenere la propria forma deve dotarsi di una corazza esterna, la cosiddetta parete dei batteri (bersaglio dell’azione tossica degli antibiotici).

Cellula eucariote

Sono quelle degli organismi cellulari più evoluti, quelle che sono risultate idonee per la loro complessità evolutiva a sviluppare gli organismi pluricellulari.

Protozoi: organismi unicellulari eucarioti; Metazoi: organismi pluricellulari.

La cellula eucariotica sia dei protozoi sia dei metazoi è un sistema molto più complesso di quello precedente. Innanzitutto possiede un distretto interno ben demarcato e identificabile, che è il nucleo (eu karios= nucleo fatto bene). Qui si concentra il DNA che forma il genoma e sarà proprio la struttura di confine che è il nucleo che medierà gli scambi di informazione tra genoma e citoplasma, laddove l’informazione del genoma viene estrinsecata in macromolecole specifiche (mRNA). Il citoplasma è una struttura enormemente più complicata in un eucariota rispetto un procariota e le macromolecole del citoplasma, anziché essere disposte quasi a caso nel volume a disposizione, si organizzano a formare delle strutture subcellulari definite genericamente organuli, inclusi. o organelli, e Quindi tutte le strutture che rientrano nel citoplasma ricadano in una di queste due categorie: organuli, da un lato, e inclusi, dall’altro.

*Organuli (o organelli) = letteralmente “piccoli organi”. Così come i diversi organi del corpo si spartiscono le funzioni vitali, ugualmente gli organuli di una cellula si spartiscono le funzioni vitali della cellula e i compiti che la cellula deve svolgere per il metabolismo, l’irritabilità, il movimento e la riproduzione.

Per cui le macromolecole sparse nel citoplasma sono di pertinenza dei singoli organuli, ove sono spazialmente montate con quelle finalizzate allo svolgimento di una funzione precisa per svolgere al meglio quella data funzione.

Il citoplasma di una cellula eucariote può essere visto come una “Società organizzata” dove ogni organulo ha il suo compito ben preciso: nel nucleo vi è il progettista, il DNA, il tenutario dell’informazione necessaria per la costituzione della cellula, il quale fa un progetto, una copia di se stesso, e la passa a una persona che è la metà di lui, l’mRNA, il quale trova nel citoplasma gli operai specializzandi che sanno interpretare il progetto e farne un manufatto, i ribosomi. E poi le centrali elettriche, i mitocondri; gli organuli deputati allo smantellamento delle componenti usuranti della cellula, i lisosomi; lo smistatore di tutte le macromolecole che vengono prodotte e che devono trovare la giusta collocazione nel citoplasma, l’Apparato di Golgi; il sistema di delimitazione col microambiente, la membrana plasmatica...

Quindi la diversa composizione macromolecolare degli organuli fa sì che ogni organulo sia in grado di svolgere al meglio la funzione al quale esso è preposto. 4

1.1 Composizione della materia vivente

Una delle prime cose che è stata fatta nella prima metà dell’Ottocento, non appena si è cercato di capire cosa fossero le cellule, è stato quello di analizzare da un punto di vista chimico. L’analisi chimica della materia cellulare ha consentito di vedere che per ben il 40% la massa di un tessuto è formata da acqua.

→ È cruciale l’acqua, perché ha una struttura chimica propria di un dipolo quindi ha un δ+ di carica dal lato dei due idrogeni e un δ- di carica dal lato dell’ossigeno. Di conseguenza le molecole d’acqua tendono ad orientarsi da sé: lo dimostra il fatto che, sottraendo energia da un volume d’acqua, le molecole si orientano e, quando l’energia non è più sufficiente a mantenere il movimento reciproco delle singole molecole, queste si orientano a formare degli esagoni che sono i cristalli del ghiaccio.

Questa proprietà microelettrica dell’acqua è cruciale affinché le macromolecole di cui è composta le cellula assumano e mantengano la loro corretta conformazione.

Ad esempio, questo concetto è estremamente importante se si considerino l’enzima e il substrato. L’enzima è una proteina: le proteine sono macromolecole che presentano una forma tridimensionale estremamente precisa e definibile, inoltre tutte le proteine uguali hanno la stessa forma. Gli enzimi, in una delle parti della loro superficie, un po’ come la serratura di una chiave, hanno una forma tridimensionale che si adatta in modo adatto e selettivo ad un’altra molecola, che è il suo preciso substrato: quando il substrato si incastra nell’enzima determina che le molecole d’acqua in prossimità dell’enzima e del substrato giungono in vicinanza, interagiscono fra loro, per cui legami chimici che li uniscono possono essere disfatti, oppure legami chimici che ancora non esistono tra atomi vicini possono essere formati. Quindi un enzima è tale perché ha una solo se quella forma è mantenuta. La ben precisa forma spaziale e funziona incastrandosi al proprio substrato forma dell’enzima è condizionata dal fatto che questo è immerso nell’acqua e saranno proprio le interazioni fra i suoi atomi e quelli delle molecole d’acqua circostanti a modellare la proteina enzima nella giusta forma.

Senza acqua non c’è vita, perché senza di essa le macromolecole non hanno la forma adatta per svolgere le funzioni vitali. Non a caso le più recenti teorie sulla nascita della vita, pongono le prime forme di vita all’interno dei cosiddetti camini vulcanici, delle bocche da cui, per l’energia geotermica sprigionata dalle spinte delle dorsali della deriva dei continenti, usciva dell’acqua, e questa energia ha creato in un ambiente acquoso le prime molecole. Queste poi, unitesi fra di loro secondo un processo evolutivo di selezione hanno dato origine a tutta l’impalcatura alla base delle cellule più ancestrali.

Il restante 60% della massa della cellula, il cosiddetto “peso secco” è spartito tra le diverse macro e micromolecole che formano la molecola stessa.

Il grosso del peso è di spettanza delle macromolecole che si possono suddividere in quattro diverse specie chimiche fondamentali:

• Proteine Sono le più abbondanti macromolecole: da sole assumono circa il 60%.
• Acidi nucleici 20% Rappresentati da DNA e RNA.
• Lipidi 15%
• Saccaridi o glicidi o idrati di carbonio 5%.

A queste molecole di complessità maggiore, vanno aggiunte le micromolecole organiche che sono i precursori di quelle più grandi:

• Nucleotidi, ovvero i monomeri degli acidi nucleici;
• Amminoacidi, monomeri delle proteine;
• Monosaccaridi, monomeri di zuccheri più complessi (disaccaridi e polisaccaridi);
• Acidi grassi e glicerolo, che sono i monomeri di gran parte dei lipidi;

Oltre alle molecole, nel peso secco si pone anche una quota ponderalmente trascurabile (ordine di decimo percentuale), ma funzionalmente molto importante, di ioni, cioè atomi ionizzati (Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Ca²⁺, Cl^-, Zn⁺, ...).

I più abbondanti sono Na⁺ e K⁺, cui sono demandati tutti i fenomeni elettrici che la cellula utilizza per l’irritabilità per essere in grado di risentire e rispondere agli stimoli che provengono dal microambiente.

Un altro ione importante è Ca²⁺ che forma la componente più abbondante del tessuto osseo, indispensabile per conferire alle ossa le peculiari caratteristiche di durezza e resistenza meccanica. Il calcio si ritrova nella sua forma ionica anche come innesco per l’attività contrattile: l’actina e la miosina non funzionano se non hanno un avvio operato dallo ione calcio. 5

Lo ione Fe²⁺ è indispensabile perché, essendo un metallo di transizione, per cui i suoi orbitali esterni possono ossida