Citologia

Citologia e istologia prima lezione

Definizione di citologia e istologia

Citologia deriva dal greco kytos, contenitore e logos, discorso. Con il termine "contenitore" si intende il confine della cellula.

Istologia deriva dal greco istos, tela e logos, discorso. Con il termine "tela" si indica il discorso sui tessuti.

Cos'è la cellula?

La cellula è l'unità funzionale e strutturale degli esseri viventi. Quando parliamo della cellula in sé, parliamo di modelli, poiché sono ipotesi degli scienziati che hanno condotto degli studi sulla cellula. Una cellula non è solo l'immagine che noi vediamo, è ben altro. La cellula è formata dal citoplasma (meno visibile, poiché evidenziato con colori chiari) e dal nucleo (più visibile poiché viene evidenziato con colori scuri); bisogna, però, subito ricordare che i colori che noi vediamo nella cellula non sono i veri colori della cellula, bensì vengono utilizzati per evidenziare le diverse parti da studiare. Il tutto, quindi, sembra essere una falsificazione della realtà, un modo per mettere in evidenza alcune caratteristiche della cellula.

Dove si colloca nell'organizzazione ideologica la cellula?

Sono diversi i livelli di organizzazione biologica:

• 1° livello di organizzazione della materia vivente è l'atomo: la più piccola unità di un elemento chimico, composto da elettroni, protoni e neutroni. Gli atomi si aggregano e danno vita alle molecole.
• Le molecole possono formare le macromolecole, e le macromolecole danno vita alla cellula. (Si passa dalla chimica alla biologia).
• Più cellule costituiscono un altro livello di organizzazione, ossia quello dei tessuti: gruppo di cellule caratterizzate da struttura e funzioni comuni.
• I tessuti si organizzano per formare gli organi: insieme di tessuti organizzati per lo svolgimento di funzioni speciali.
• Gli organi formano il sistema di organi: insieme di diversi organi che lavorano insieme per svolgere delle funzioni complesse.
• Il sistema forma l'organismo: individuo singolo; gli individui delle specie complesse contengono sistemi di organi.
• Più organismi formano le popolazioni: insieme di organismi che appartengono alla stessa specie che vivono in una determinata area.
• Più popolazioni formano la comunità: popolazioni che interagiscono in una determinata area.
• A seguire abbiamo gli ecosistemi: comprende lo studio del rapporto tra i viventi e l'ambiente.
• Infine dobbiamo parlare della biosfera: porzione della crosta terrestre, mari, oceani e laghi, tutti elementi fisici nei quali sono presenti organismi viventi.

Tipologie cellulari

Attualmente noi conosciamo due tipologie cellulari:

• Procarioti (dal greco pro, prima e káryon, nucleo = prima del nucleo)
• Eucarioti (dal greco eu, vero e káryon, nucleo = vero nucleo)

I precursori di ambedue queste tipologie cellulari erano cellule semplici, probabilmente simili ai procarioti.

Cosa sappiamo della sua origine?

Si parla dell'evoluzione chimica della cellula: a partire dalle sostanze chimiche si sarebbero prodotte delle cellule. Oggi l'ipotesi dell'evoluzione chimica del sistema è un dato a favore dell'evoluzione chimica della cellula. Si parla, però, anche di ipotesi secondo cui l'evoluzione chimica non sarebbe andata così. Un dato a favore di tale pensiero è l'esperimento effettuato da Miller e Urey nel 1953: conferma sperimentale dell'ipotesi di evoluzione chimica e prebiotica di Oparin.

Esperimento di Miller e Urey

I due scienziati realizzarono un esperimento servendosi di un'ampolla di vetro. All'interno posero i gas che secondo il loro punto di vista costituivano l'atmosfera, ossia idrogeno, metano, ammoniaca, e in più ci doveva essere del vapore acqueo. Per far sì che in questa miscela ci fosse vapore acqueo (H₂O allo stato di vapore), progettarono questo alambicco nel quale l'acqua veniva fatta evaporare (sottoposta ad una fiamma) e il vapore acqueo andava a miscelarsi con i gas sopra citati. Attraverso questi 4 elementi si sarebbero formate le molecole biologiche; tuttavia era necessaria l'energia. Sopposero, dunque, questi gas a scariche elettriche che permisero ai due di raccogliere l'acqua contenente gli amminoacidi e altre sostanze di base formatesi durante il processo.

Origine delle macromolecole e delle cellule

Questi dati sulla possibile origine delle macromolecole e delle cellule è andato avanti fino ai nostri giorni. Nel 2015 si dice che è possibile riprodurre e fabbricare in laboratorio non solo degli amminoacidi, ma anche altri pezzi di base (come zuccheri). Questi scienziati suggeriscono (e realizzano) in laboratorio che l'energia che mette insieme le molecole dell'universo primordiale è quella del sole e non quella dei fulmini. Protoni e alta energia che mimano il vento solare vengono sparati contro una molecola, quella del formammide. Vento solare e formammide, insieme alla polvere di meteoriti (condriti) che funzionano da catalizzatori formano: Aminoacidi, Acidi carbossilici, Basi azotate, Zuccheri, Nucleosidi (da cui si generano i nucleotidi).

La membrana plasmatica

Una cellula deve essere circoscritta da un confine che noi chiamiamo membrana plasmatica -> il confine che si trova tra l'ambiente intracellulare e l'ambiente esterno, non solo limita nello spazio la cellula, ma è l'unico modo che ha la cellula per avere contatto con l'ambiente esterno, oltre a stabilire l'identità della cellula. La membrana plasmatica è formata dalla maggior parte di fosfolipidi.

I fosfolipidi

I fosfolipidi hanno una forma cilindrica (nello spazio i loro atomi sono disposti in maniera tale da essere racchiusi in un cilindro) e la pendenza naturale dei cilindri è quella di mettersi in doppio strato. Il doppio strato lipidico che costituisce le nostre membrane sembra essere un fatto naturale. La natura chimica dei fosfolipidi: sono molecole che presentano una parte idrofilica: fronteggia l'ambiente acquoso; la parte idrofobica: evita l'ambiente acquoso.

Teoria della cellula RNA

Stabilito il confine della cellula, la membrana plasmatica deve trasmettere i caratteri della cellula ad una cellula figlia, pertanto questa membrana potrebbe aver racchiuso il materiale genetico. Un'ipotesi formulata negli anni '80 suggerisce che le prime cellule erano cellule che avevano come materiale ereditario l'RNA (e non il DNA), infatti si parla di mondo RNA: una molecola di RNA che veniva racchiusa in questo doppio strato lipidico che si era formato per tendenza naturale dei fosfolipidi.

Metabolismo delle prime cellule

Tale cellula ebbe il bisogno di sfruttare energia, e quindi realizzare un metabolismo. Sempre secondo ipotesi, probabilmente le prime cellule erano anaerobie (producevano energia in assenza di O₂). Da queste prime cellule si sono evolute cellule fotosintetiche, processo che utilizza l'energia del sole (viene immagazzinata attraverso dei legami chimici) per produrre glucosio e O₂. La presenza di O₂ ha sconvolto tutto. Secondo alcuni l'ossigeno è una molecola fortemente reattiva e i primi organismi che non ci hanno mai avuto a che fare o sono scappati o si sono adattati. La presenza di O₂, dunque, ha condotto all'evoluzione di cellule aerobie (che utilizzano l'O₂ per produrre energia).

Quando è successo?

L'analisi di alcune rocce australiane ha portato alla scoperta di reperti di vita cellulare primitiva. I microfossili (fossili di cellule) trovati sulle rocce risalirebbero a circa 3,4 miliardi di anni fa. È stato pertanto ipotizzato che la vita sulla Terra sia nata più di 4 miliardi di anni fa. Queste prime cellule non utilizzavano ossigeno, ma producevano energia metabolizzando lo zolfo. Le prime forme di vita erano di tipo anaerobio perché l'atmosfera era priva di ossigeno. Alcune cellule primitive, le cellule fotosintetiche, hanno poi messo in atto processi che hanno condotto alla produzione di ossigeno, come dimostrano le strisce rosse evidente nelle rocce australiane, contenenti ossido di ferro e databili a circa 2,5 miliardi di anni fa. (Noi abbiamo stratificazioni progressive dei minerali, pertanto con l'ossigeno sono cambiate determinati aspetti delle rocce (sono più rosse ad esempio)).

Ossigeno nell'atmosfera

Più recentemente (2013) è stata formulata un'ipotesi secondo cui l'ossigeno era presente sull'atmosfera terrestre a partire da 3 miliardi di anni fa. Le cellule che producevano ossigeno erano probabilmente assimilabili alle odierne alghe azzurre o cianobatteri, batteri capaci di produrre energia attraverso la fotosintesi. Queste cellule hanno prodotto energia chimica (glucosio) utilizzando la fotosintesi, e nel corso di milioni di anni un'atmosfera che prima presentava una determinata composizione (ammoniaca etc.) si è evoluta aggiungendo l'ossigeno.

Scoperta delle cellule

Quando e per merito di chi abbiamo compreso che gli organismi sono costituiti da cellule? La scoperta risale al 1800. La scoperta delle cellule è precedente, ma solo grazie a due scienziati oggi abbiamo la consapevolezza che tutti gli esseri viventi sono formati da cellule. Matthias Schleiden (si concentrò sul mondo vegetale) affermò che tutte le piante sono formate da cellule. Mentre Theodor Schwann estese tale teoria anche al mondo animale, sostenendo che tutti gli animali e piante sono costituiti da cellule.

Teoria cellulare

Nella seconda metà del '800, Rudolf Virchow (1858) formulò la teoria cellulare, che afferma che tutti gli organismi viventi sono composti da una o più cellule derivanti da cellule preesistenti. C'è dunque una catena di esistenza che si propaga da circa 3,5 miliardi di anni fa fino ai giorni nostri. C'è anche una frase latina che esplica tale teoria: Omnis cellula e cellula -> Ogni cellula nasce da un'altra cellula.

I punti fondamentali della teoria cellulare sono i seguenti:

• Tutti gli esseri viventi sono formati da una o più cellule.
• Ogni cellula nasce da una preesistente.
• Tutte le reazioni chimiche di un organismo avvengono all'interno o sulla superficie delle sue cellule.
• Le cellule contengono le informazioni ereditarie per vivere e riprodursi e tali informazioni vengono trasmesse alle cellule figlie.

Metabolismo della cellula

Il metabolismo della cellula avviene all'interno o sopra di essa (interessa interamente la cellula). Secondo alcuni esiste un organismo comune che lega tutti, da questo organismo comune sarebbe derivato il mondo dei procarioti ed eucarioti. Questa teoria cellulare prima di essere formulata ha dato tanti problemi.

Studio delle cellule

Come si possono studiare, dunque, le cellule? La strada che conduce alla teoria cellulare inizia con l'invenzione del primo microscopio. Utilizzando diversi tipi di microscopio possiamo vedere le cellule in maniera diversa. Anthony Van Leeuwenhoek costruì il primo microscopio semplice attraverso cui si potevano ingrandire gli oggetti attraverso l'uso di una lente. Nel caso del microscopio semplice era impiegata una sola lente biconvessa, questa lente veniva tenuta da due lastre metalliche, una sopra e una sotto. L'oggetto veniva collocato al di sopra di questa lente; Leeuwenhoek, infatti, osservò gocce d'acqua (intravedendo degli organismi che nuotavano) e insetti.

Microscopio composto di Galileo Galilei

Il microscopio composto di Galileo Galilei (1564-1642), un "occhialino per vedere le cose minime". Non consentiva una buona illuminazione dell'oggetto. Galileo, infatti, raccomandava di usarlo «in aria molto serena e lucida, e meglio è al sole medesimo». Viene considerato composto poiché aveva installato tre lenti che cooperavano. Giovanni Faber, amico di Galileo, lo chiamò microscopio: [dal greco mikrós (piccolo) e scopeo (vedo)].

Osservazioni di Hooke

Successivamente Hooke attraverso il microscopio composto osservò le cellule. Il suo campione di partenza fu il sughero, ne prese un pezzetto, fece delle sezioni sottilissime e lo pose sotto queste lenti con la luce. Vide una ripetizione, un assetto periodico di strutture che assomigliavano a quelle di un alveare, e per questo Hooke definì questa serie di cellette cellula (piccole celle). In realtà non stava osservando le cellule, bensì la parete cellulare. Il sughero, infatti, è ciò che rimane delle cellule vegetali; la cellula non ci sta più. Tuttavia fu comunque una grande scoperta che aprì le strade ad osservazioni più attente.

Microscopio ottico moderno

Il tedesco Carl Zeiss nel 1857 costruisce il primo microscopio ottico moderno. Tra i microscopi moderni ne esistono alcuni dove gli obiettivi sono montati sopra il piano di lavoro, mentre altri presentano l'obiettivo al di sotto del piano di lavoro attraverso cui è possibile vedere le cellule da sotto. L'ingrandimento è un puro fatto di natura geometrica: l'immagine prodotta dall'obiettivo è di dimensioni tanto maggiori dell'oggetto quanto più la lente si avvicina all'oggetto. Tale processo ha un rischio: perdere la risoluzione. Consiste nella capacità di rendere distinti i dettagli più minuti dell'oggetto ed è determinata dall'apertura del fascio di luce che entra nell'obiettivo, oltre che dalla qualità delle lenti (l'oculare ha in genere scarso effetto sulla risoluzione del microscopio).

Potere di risoluzione

Diventa, dunque, importante il potere di risoluzione: il potere che ha uno strumento di cui dispongo di farmi distinguere due punti che sono vicini. Le unità di misura sono molto importanti. Quant'è il potere di risoluzione dei nostri occhi? Fino a che distanza siamo in grado di apprezzare utilizzando la nostra vista? L'ordine è quello del millimetro. Il potere della risoluzione dell'occhio è quello del millimetro. Il microscopio ottico ha un potere di risoluzione dell'ordine dei micron: 10^-6 (un milionesimo di metro). Si arriva a 0,2 μm. Esistono dei microscopi il cui potere di risoluzione arriva ai nanometri (miliardesimo di metro): questi sono i microscopi elettronici. Arrivano a distinguere oggetti separati da solo 0,2 nanometri, quindi il potere di risoluzione elettronico è di tre ordini di grandezza maggiore (rispetto a quello ottico).

Armstrong e altre unità di misura

Bisogna ricordare anche l'Armstrong: 10^-10. È importante perché le distanze atomiche sono date da questa misura. Per vedere le cellule che strumento devo utilizzare? IL MICROSCOPIO OTTICO.

Progettazione del microscopio elettronico

Tra il 1930 e il 1934 viene progettato e realizzato, per opera di Ernst Ruska e collaboratori, anche il microscopio elettronico: al posto della luce visibile si utilizza un fascio di elettroni e le comuni lenti sono sostituite da lenti magnetiche.

Microscopi e loro utilizzo

• Se devo osservare e distinguere gli organelli bisogna usare quelli elettrici, anche se ci sono organelli (nucleo) che possono essere visti anche con quelli ottici. Per le molecole viene usato quello elettrico. I microscopi vengono scelti a seconda di ciò che voglio analizzare.
• Un microscopio di questo tipo viene considerato a trasmissione poiché vediamo le cellule in sezione. Esiste un microscopio elettronico anche a scansione: è uno strumento che permette di vedere le superfici della cellula, quindi otteniamo un'immagine 3D.

Microscopio ottico fluorescente

Ci sono poi altri microscopi che utilizzano e mettono in evidenza molecole fluorescenti. Non si spara sull'oggetto la luce visibile, ma appropriate lunghezze d'onda che vanno ad eccitare molecole fluorescenti, pertanto vediamo vari colori a seconda della molecola fluorescente usata per vedere una parte.

Osservazioni cellulari

Il linfocita lo vedo con un nucleo grandissimo, è una cellula truccata, il viola e il rosa mettono in risalto il nucleo. Lo possiamo vedere con il microscopio ottico, nel nucleo non c'è l'omogeneità, zone che trattengono il fascio o che lo attraversano. Sulla superficie ci sono delle protuberanze che sono molto importanti. 3 immagini che mi danno informazioni diverse.

Differenze tra cellule procarioti ed eucarioti

• Cellula procariote o batterica: probabilmente somiglia alla cellula precursore di tutte le cellule.
• Cellula eucariote: è la cellula tipica degli organismi sia unicellulari che pluricellulari. Ciò che distingue essenzialmente la cellula eucariote da quella procariote è la presenza di un sistema membranoso interno che suddivide in vari compartimenti l'interno della cellula. Si parla di compartimentalizzazione!

Organizzazione interna della cellula

All'interno sono presenti degli organelli, e ogni organello deve svolgere un compito ben preciso. Questa cooperazione permette alla cellula di diventare più grande rispetto alla procariote, ma soprattutto permette a questo sistema di essere complesso. Nella cellula eucariote ci sta uno spazio nucleare limitato da un involucro nucleare. La membrana plasmatica è presente in entrambe le tipologie cellulari. Il materiale genetico è presente in entrambe. Nel caso della procariote si trova nel citoplasma, non è confinato nel nucleo. Non è sparso nel citoplasma, avrà dei vincoli, in una zona che si chiama nucleoide.

Studi sulla cellula

Molti studi che hanno permesso di ampliare le conoscenze delle cellule sono derivati dall'utilizzo di organismi. È a partire da questi organismi che gli studi sono stati realizzati. La cellula procariote: l'organismo tipo che ha permesso di ricavare le informazioni più importanti è lo steritacoli.

Composizione della cellula

Se scomponiamo la cellula nei suoi elementi principali troviamo che quattro sono le macromolecole che costituiscono l'impalcatura e che assicurano la funzionalità delle cellule: le proteine, gli acidi nucleici, i lipidi e i carboidrati (oligo- e polisaccaridi). Per capire come tali macromolecole vengono costruite e qual è la base della loro funzionalità bisogna comprendere le caratteristiche degli atomi da cui sono formate e le caratteristiche dell'acqua in cui la vita è nata e continua a svilupparsi.

Chimica della vita

Tali macromolecole, infatti, sono costituite da atomi, e la chimica della vita è quella del carbonio. Le nostre macromolecole sono composte maggiormente dal carbonio, insieme a idrogeno, ossigeno, azoto, zolfo. Altri importanti: calcio, potassio, magnesio, ferro.

Struttura dell'atomo

L'atomo è costituito da particelle subatomiche che ne condizionano il comportamento: protoni.