Appunti di Biologia cellulare

Biologia cellulare

Anno accademico 2021-2022

Una singola cellula costituisce l’organismo unicellulare ed è l’unità per costituire l’organismo pluricellulare. È quindi l’unità strutturale e funzionale di qualsiasi organismo vivente. È una singola entità in grado di riprodurre sé stessa e crea copie identiche di sé.

Le cellule dell’epidermide, tessuto della cute, si riproducono spesso. Ogni 20 giorni vi è la citomorfosi cornea, che è il processo per cui dallo strato più basale le cellule iniziano a svolgere la mitosi, e le nuove cellule si insinuano negli strati sovrastanti fino ad arrivare all’ultimo strato dove vi sono le cellule più vecchie che si staccano, compiendo l’esfoliazione.

Altre cellule che vengono cambiate periodicamente sono le cellule del sangue, i globuli rossi, che sono cellule senza nucleo. Infatti le cellule senza nucleo non possono durare a lungo e quindi periodicamente si rinnovano. I globuli rossi perdono il nucleo perché hanno l’esigenza di fare spazio all’emoglobina, che lega l’ossigeno che viene portato a tutti i tessuti, dove cede l’ossigeno ed acquista l’anidride carbonica.

Cellule invece che si riproducono molto lentamente sono le cellule epatiche, se per un intervento chirurgico viene asportata una porzione di fegato, gli epatociti riproducono sé stessi andando a ripristinare la popolazione di cellule eliminate.

Le cellule nervose invece non si riproducono.

In un embrione in via di sviluppo però tutte le cellule dei vari tessuti si riproducono, soprattutto nelle prime fasi quando c’è un’organogenesi e poi un differenziamento cellulare.

Prima della nascita tra le dita delle mani e dei piedi vi sono delle membrane, ma prima della nascita le cellule di queste membrane vanno incontro ad apoptosi programmata, e quindi il bambino nasce senza queste membrane.

Le cellule muscolari non si riproducono periodicamente, ma ad esempio a livello del tessuto muscolare scheletrico ci sono le cellule satellite, cioè cellule staminali che in caso di danno vengono attivate per riparare il danno. Le cellule staminali sono cellule molto importanti che sono presenti soprattutto nelle prime fasi di sviluppo dell’embrione prima che una determinata popolazione cellulare prenda una via ben definita di differenziamento e alla fine di quel percorso non può più tornare indietro.

Una cellula proviene sempre da un’altra cellula preesistente. L’uomo è un organismo pluricellulare che deriva da un’unica cellula chiamata zigote, l’unica cellula totipotente in grado di regolare la formazione di qualsiasi tessuto all’interno di un nuovo organismo. La cellula staminale non è totipotente ma pluripotente, cioè mentre lo zigote nel suo DNA all’inizio ha tutte le informazioni perché man mano che la divisione aumenta le cellule che derivano sono sempre meno potenti nel regolare lo sviluppo di un organismo, la cellula staminale invece non può dare vita ad un nuovo organismo.

Man mano che la cellula prosegue in questa via e va incontro a differenziamento perde tante capacità. Si riduce la possibilità di informazioni man mano che le cellule diventano sempre più specializzate.

Gamete e fecondazione

Gamete cellula uovo sulla quale sono visibili un gran numero di spermatozoi, ma solo uno feconderà la cellula uovo mentre tutti gli altri verranno scollati/staccati, perché c’è un meccanismo di riconoscimento e di legame per far sì che il nucleo del gamete maschile entri nel citoplasma di quella cellula.

La cellula uovo è molto più grande dello spermatozoo perché biologicamente è dalla cellula uovo che dipende lo sviluppo del nuovo organismo. Es. nell’uovo di gallina la cellula uovo è il tuorlo, sul quale vi è una piccola macchiolina che corrisponde al nucleo, mentre tutto il resto è sostanza nutritizia per il futuro pulcino.

All’inizio del novecento l’embriologo Lillie definì i gameti come singole cellule, cellula uovo e spermatozoo, però entrambe sul punto di morte perché se lo spermatozoo non feconda la cellula uovo entrambe verranno eliminate. Ma la loro unione dà origine ad un individuo ringiovanito, lo zigote che andando incontro alle varie tappe di sviluppo porteranno ad un nuovo individuo.

Cellula uovo sottoposta a fecondazione in vitro

Molti inquinanti ambientali interferiscono con la fertilità, questo è un problema che interessa molti organismi viventi che vivono in ambiente. Molti composti con un’azione di perturbatori endocrini, che vanno quindi ad interferire con l’azione degli ormoni, interferiscono con la fertilità.

I policlorobifenili ritrovati nei ghiacciai dell’Antartide, che non vengono utilizzati in Antartide ma invece nel mondo antropizzato, e questi composti portati da correnti e accumulati a livello del ghiaccio hanno portato problemi anche agli orsi polari, tra i quali è stata individuata una femminilizzazione o una mascolinizzazione più accentuata nei sessi opposti.

I policlorobifenili sono banditi nella produzione dagli anni 70, ma sono inquinanti persistenti, e cioè inquinanti che persistono nell’ambiente e si accumulano nella frazione grassa degli organismi, quindi nei tessuti adiposi, ma anche nel latte materno che viene quindi utilizzato per nutrire la prole. Sono i due pronuclei, uno maschile ed uno femminile. Quindi patrimonio genetico di 23.

Morfologia cellulare

La cellula nervosa è formata da un corpo cellulare, delle ramificazioni che sono i dendriti e da un lungo assone. I dendriti captano segnali dall’ambiente esterno, elaborato a livello del corpo cellulare e la risposta si propaga lungo l’assone per poter rilasciare dei neurotrasmettitori.

L’immagine istologica non mostra una cellula sola ma una particolare tipologia di cellule organizzate tra di loro.

Il patrimonio genetico d’informazione si trova nella molecola di DNA, costituito da due filamenti che sono avvolti ad elica, immaginando di poter srotolare la molecola di DNA si presenta con una struttura molto semplice definita ‘scala a pioli’, costituita quindi da due strutture portanti che sono fatte da zucchero e gruppo fosfato e all’interno ci sono le basi azotate dove si trovano le informazioni.

Quindi a seconda delle basi azotate che si prendono in considerazione si possono avere messaggi diversi, e questo messaggio che via via che lo sviluppo procede viene letto in un modo diverso determina il differenziamento delle cellule.

Gli organismi unicellulari sono degli organismi capaci di riprodursi e possono vivere in condizioni molto estreme e possono quindi adattarsi a condizioni estreme.

Cellule

I procarioti sono definiti organismi unicellulari ma sono in grado di creare dei biofilm ossia delle associazioni di batteri che creano una pellicola e grazie alla presenza delle estroflessioni chiamate pili aderiscono producendo delle secrezioni, i biofilm possono essere composti da più ceppi batterici.

Organismi eucariotici che appartengono ai protisti, ai funghi, alle piante e a quelli animali. L’organizzazione della cellula eucariotica è caratterizzata dalla presenza di membrane, come la membrana plasmatica che delimita uno spazio che contiene il citoplasma e tutti gli organuli ed inoltre crea una barriera infatti viene definita una barriera semipermeabile, da una parte protegge ciò che si trova all’interno della cellula dall’ambiente extracellulare ma allo stesso tempo deve permettere a delle molecole di entrare e a certe molecole di uscire.

Il passaggio può essere una semplice diffusione, i gas passano attraverso la membrana plasmatica delle cellule, poiché gli scambi di CO2 e di ossigeno devono avvenire in modo efficiente e veloce, altre molecole invece come ad esempio il glucosio sono troppo grandi per poter attraversare un doppio strato fosfolipidico, serviranno quindi dei determinati carrier, cioè proteine transmembrana che creano dei varchi controllati all’interno della membrana plasmatica.

Tanti xenobiotici, cioè molecole che sono indesiderabili per le cellule perché su di esse possono agire in modo negativo determinando tossicità, queste a volte mimando per la loro composizione chimica il comportamento di molecole biologiche importanti riescono ad entrare. Il citoplasma è una matrice intracellulare che caratterizza la cellula stessa ed ha una composizione ricca in acqua.

La cellula è composta da tanti comparti delimitati da specifiche membrane, il comparto che occupa buona parte del citoplasma della cellula è il nucleo. Esso è circondato da una doppia parete, che viene chiamata involucro nucleare oppure cisterna perinucleare (no membrana nucleare), le estremità della parete nucleare interna e della parete nucleare esterna sono in continuità tra di loro, il sottile spazio tra le due pareti dà ragione al termine cisterna perinucleare.

All’interno del nucleo vi è la matrice nucleare dove sono disperse le molecole di DNA, che sono più o meno compattate. Vi è poi il nucleolo che non è delimitato da nessuna membrana ma costituisce una regione del nucleo che al microscopio elettronico a trasmissione si definisce elettrondensa (le immagini del microscopio elettronico sono in bianco e nero perché esso funziona tramite un fascio di elettroni che viaggia nel vuoto mentre il microscopio ottico funziona per mezzo della luce), il nucleolo risulta quindi un grigio molto più scuro rispetto al nucleoplasma circostante, nel nucleolo si concentrano le molecole di DNA che contengono i geni indispensabili per la sintesi del RNA ribosomiale, vi sono inoltre specifiche proteine che complessandosi all’RNA ribosomiale formano le singole subunità ribosomiali.

A livello della cisterna nucleare vi sono poi delle interruzioni, chiamati pori dove le singole subunità ribosomiali escono. In tutto il resto del nucleoplasma le molecole di DNA si duplicheranno se la cellula deve dividersi oppure trascriveranno i T-RNA e gli RNA messaggeri, che sintetizzati nel nucleoplasma lavoreranno nel citoplasma, quindi lasceranno il nucleo passando per i pori nucleari. I pori nucleari non sono punti di passaggio libero, ciò che entra e ciò che esce dai pori è controllato.

La regione del citoplasma è riempita da strutture membranose, le più voluminose sono i mitocondri, le centrali energetiche della cellula. Le regioni colorate in giallo sono definite come piatti impilati, è l’apparato di Golgi, indispensabile per la sintesi nucleica.

La maggior parte di questo citoplasma è occupata poi da un insieme di membrane che vanno a costituire quello che è definito insieme all’apparato di Golgi, il sistema endomembranoso, formato quindi dai reticoli e dall’apparato di Golgi, per quanto riguarda i reticoli si parla di: reticolo endoplasmatico liscio e reticolo endoplasmatico rugoso.

Liscio perché non presenta nulla sul lato citoplasmatico della membrana e quindi all’osservazione con il microscopio ottico appare liscio, ed è sede di sintesi dei lipidi oppure il sito di detossificazione poiché biotrasforma l’alcool, i farmaci o altre molecole indesiderate in metaboliti idrofilici che vengono eliminati poi con le urine mentre quello rugoso, è detto così perché sono adesi ribosomi, ed è quindi sede di sintesi proteica.

Quando si abusa di alcool a livello degli epatociti nel fegato ci sarà un reticolo endoplasmatico liscio molto sviluppato, a lungo andare le cellule epatiche entrano in sofferenza e si viene a formare quello che viene definito fegato steatosico, cioè negli epatociti del fegato il citoplasma presenta delle gocce lipidiche, e questo riduce notevolmente la funzionalità delle cellule epatica.

Altre molecole che si possono introdurre nell’organismo attraverso la dieta o respirando gli inquinanti ambientali sono molecole idrofobiche, come ad esempio il benzopirene, è uno dei composti di scarto rilasciato dai gas nell’ambiente per combustione di una macchina, ma questa molecola viene introdotta nell’organismo anche mangiando carne alla brace. Il benzopirene è un idrocarburo policiclico aromatico idrofobico che si accumula e rimane nei lipidi, non viene eliminato e a furia di accumularsi porta tossicità.

Però il nostro organismo attraverso i meccanismi enzimatici di biotrasformazione che si trovano sul reticolo endoplasmatico liscio fan sì che il benzopirene venga biotrasformato e reso molto più idrofilico, infatti si formano dei metaboliti intermedi che l’organismo elimina con le urine. Il benzopirene viene definito un composto procarcinogeno e accumulato a livello delle cellule può portare tossicità man mano che si accumula.

I metaboliti che si formano sono altamente reattivi con il DNA e se questi metaboliti entrano in contatto con il DNA si innescano dei processi di cancerogenesi. Nella maggior parte delle volte durante questi processi di eliminazione si formano dei metaboliti che sono molto più reattivi con le nostre macromolecole biologiche rispetto alla molecola di partenza.

Le vescicole presenti nel citoplasma hanno il compito di mettere in comunicazione tutti quei comparti che sono delimitati da membrane.

Il citoscheletro è una componente proteica che conferisce forma alla cellula e particolarmente i microtubuli servono da binario per le vescicole, perché le vescicole che gemmano per esempio dall’apparato di Golgi sono caricate da una proteina che cammina sui microtubuli permette di distribuirsi e raggiungere quella particolare regione della cellula in modo preciso senza errori.

Il sistema endomembranoso è un insieme di membrane che compartimentalizzano il citoplasma di una cellula eucariotica animale e vanno a costituire apparato di Golgi, i reticoli liscio e rugoso e le vescicole.

Quindi il sistema endomembranoso è costituito dall’apparato di Golgi, dai reticoli e vescicole.

• Cellula eucariotica 10-100 um (cellula eucariotica animale 10-30 um, con eccezione per la cellula uovo 100 um e il globulo rosso 7,5 um).
• Cellula procariote 1-5 um.

Teoria endosimbiotica: un’ipotetica cellula eucariotica ancestrale animale non era in grado di sfruttare la presenza di ossigeno circostante per produrre energia, perciò ha fagocitato una cellula procariotica che invece era in grado di farlo, dando origine ai mitocondri.

I mitocondri presentano due membrane, la membrana più esterna è quella della cellula ancestrale che ha inglobato mentre quella più interna è quella della cellula procariotica, quindi la presenza di una duplice membrana può supportare questa teoria della fagocitosi.

All’interno dei mitocondri vi è una molecola di DNA a forma circolare, così come le cellule procariotiche, se c’è DNA vuol dire che i mitocondri sono in grado di effettuare sintesi proteica e vengono definiti organelli in grado di sintetizzare in parte le proteine di cui hanno bisogno. Se c’è DNA in una molecola ci sono ribosomi, infatti sono presenti nella matrice interna dei mitocondri, ma non sono ribosomi della stessa dimensione che si trovano nel citoplasma ma sono più piccoli come quelli delle cellule procariotiche. Tutte queste sono evidenze che supportano questa teoria.

Quando una cellula duplica sé stessa e dà origine a due cellule figlie attraverso il processo della mitosi, le due cellule figlie devono essere esattamente identiche alla cellula madre per morfologia e funzione, hanno una grandezza limitata e la forma e la dimensione della cellula sono imposte dalla superficie, che è data dalla superficie della membrana plasmatica che delimita e una membrana che delimita il volume.

Dato che non è possibile aumentare in modo esagerato la dimensione della membrana la cellula risolve questa esigenza creando delle estroflessioni che vengono definite digitiformi, che sono i microvilli.

I microvilli sono espansioni digitiformi della regione apicale della membrana plasmatica di un enterocita sostenute dal citoscheletro e più in particolare da microfilamenti di actina, che mantengono espanse queste porzioni di membrana plasmatica.

Ad esempio nel lume intestinale vi sono molecole di glucosio che vengono portate all’interno della cellula enterocita, e dato che l’epitelio non è vascolarizzato superano la regione basale della cellula ed entrano nel tessuto connettivo ricco di capillari, e il sangue trasporta glucosio nel resto del corpo.

Le giunzioni occludenti bloccano il passaggio delle molecole tra cellula e cellula. Tuttavia esistono degli xenobiotici che danneggiano queste giunzioni, andando quindi a modificare la morfologia dell’epitelio e di conseguenza la sua funzionalità.

Se si introducono nanoparticelle a livello di intestino possono crearsi uno spazio e superare la membrana plasmatica, altre invece possono danneggiare queste giunzioni creando uno spazio paracellulare.

Tra una cellula e l’altra vi è il tessuto connettivo propriamente detto costituito da fibroblasti, cellule estremamente attive che producono i componenti della matrice.

Rapporto nucleo/citoplasma 1:2.

La cellula evidenziata è una cellula caliciforme mucipara, la sua regione apicale è infarcita di granuli di mucinogeno, che verranno esocitati nell’ambiente luminale dell’intestino dove incontrando l’acqua diventa muco che si deposita sui microvilli creando una protezione dal chimo che dallo stomaco transita nell’intestino.

Le cellule possono avere forma e dimensione diverse ma condividono la medesima organizzazione interna (eccezioni: i globuli rossi non hanno nucleo, le cellule muscolari