Citologia

Citologia e istologia

Citologia

La citologia studia la struttura e la funzione delle cellule, intese come entità morfologiche e fisiologiche fondamentali per gli organismi viventi, studiando quindi la natura e la funzione dei singoli costituenti all'interno di essa.

Istologia

L'istologia, strettamente collegata alla citologia, si occupa di descrivere la struttura e la funzione delle cellule nei tessuti. Un tessuto è un insieme di cellule che devono avere delle caratteristiche morfologiche e proprietà simili, che si mettono insieme grazie a strutture chiamate giunzioni cellulari. Ad esempio, gli epiteli di rivestimento hanno cellule tutte più o meno della stessa forma, con la funzione di rivestire una superficie esterna come la cute o una superficie interna di un organo cavo (epitelio intestinale). A loro volta, i tessuti si mettono insieme per dare origine a organi specifici, ovvero insiemi di tessuti localizzati in una specifica zona anatomica (es: rene, fegato e cuore sono fatti da diversi tipi di tessuti). L'apparato è un gruppo di organi associati anatomicamente e funzionalmente, come l'apparato digerente.

Teoria cellulare

La teoria cellulare, messa in piedi da Schwann, Schleiden e Virchow, afferma che:

• Tutti gli organismi viventi sono composti da una o più cellule (organismi monocellulari o pluricellulari).
• La cellula rappresenta l'unità fondamentale della vita, quindi è la più piccola entità dotata di tutte le proprietà della materia vivente.
• Ogni cellula ha origine dalla divisione di una cellula precedente.

Si ritiene che la vita abbia avuto origine circa 3,9 miliardi di anni fa (la cellula primordiale). I primi eucarioti con metabolismo ossidativo hanno avuto origine più tardi (2,5 miliardi di anni fa), quindi la cellula primordiale era simile a un organismo procariote. Gli organismi attualmente presenti si dividono in due grossi domini: procarioti (sempre monocellulari) ed eucarioti. Secondo diversi evoluzionisti, questi due domini hanno origine da un'unica cellula progenitrice comune e successivamente si sono diversificati in archeobatteri ed eubatteri (o più semplicemente batteri).

Gli eucarioti sono divisi in: protisti (monocellulari), funghi, piante, animali (pluricellulari).

Differenze tra procarioti ed eucarioti

I procarioti non possiedono un vero nucleo a differenza degli eucarioti e non hanno sviluppato tutti gli organelli invece presenti negli eucarioti (sistema di membrane interne che lo rendono molto più complesso). Dal punto di vista morfologico, un procariote può avere forme meno diversificate di un eucariote: mentre un procariote può essere più o meno sferico, a bastoncello o spiralato, un eucariote può assumere moltissime forme. Per quanto riguarda i batteri, le dimensioni possono variare tra 0,5-8 micrometri.

Gli archeobatteri hanno la capacità di vivere in condizioni insolite, spesso estreme, simili a quelle in cui è nata la cellula primordiale. Per esempio, gli archeobatteri alofili hanno bisogno di alte concentrazioni di sale per vivere, oppure termofili, che crescono a temperature elevate; altri riescono a vivere senza ossigeno e produrre metano. Gli eubatteri sono fondamentali per l'ecologia della Terra, anche se alcuni causano malattie di grande rilevanza (come il microbatterium responsabile della tubercolosi), mentre esistono batteri che sono importanti per l'organismo umano (come l'Escherichia coli) che però possono diventare patogeni se fuoriescono dalla zona in cui sono necessari.

Le differenze tra archeobatteri ed eubatteri sono che gli archeobatteri sono più simili agli eucarioti per quanto riguarda i processi di replicazione, trascrizione e traduzione, mentre sono più simili agli eubatteri per quanto riguarda la conversione dell'energia e il metabolismo, avendo quindi caratteristiche intermedie.

Schema di un procariote

Un batterio è formato da una struttura più esterna chiamata parete cellulare, costituita da polisaccaridi (zuccheri), mentre più internamente abbiamo la membrana plasmatica, lipoproteica e molto simile a quella eucariotica. All'interno, c'è il citoplasma, che non contiene un nucleo vero e proprio né organelli delimitati da membrane, ma contiene un nucleoide (DNA di un batterio, formato da una doppia elica di DNA circolare aggrovigliata), ribosomi (luogo in cui vengono trascritte le proteine). Non abbiamo quindi separazione tra ciò che avviene nel 'nucleo' rispetto a ciò che avviene nel citoplasma; c'è un citosol in cui avvengono tutti i processi.

Organizzazione degli eucarioti

Gli eucarioti comprendono organismi evolutivamente avanzati e sono costituiti da cellule con un citoplasma compartimentato, suddiviso in diverse parti grazie alla presenza di uno sviluppato sistema membranoso: oltre ad avere la membrana plasmatica che ricopre la cellula, abbiamo altre membrane all'interno del citoplasma che delimitano sottocompartimenti, detti organelli, ognuno avente la propria funzione, contenente enzimi particolari e particolari meccanismi che lo contraddistinguono. Queste membrane determinano l'evoluzione degli eucarioti. Ricordiamoci dei protisti, ovvero gli eucarioti monocellulari.

Le cellule eucariotiche possono avere forme e dimensioni molto diversificate, da pochi micron fino ai 100 micron, e in extremis alcune cellule uovo di alcune specie raggiungono qualche centimetro. Per quanto riguarda le forme, pensiamo ai globuli rossi e globuli bianchi, o ai neuroni.

Contrasto tra procarioti ed eucarioti

Nonostante i batteri non posseggano un citoscheletro, possono presentare strutture con analoghe funzioni di movimento, come per esempio il flagello.

Riproduzione dei procarioti

La riproduzione dei procarioti può avvenire in diversi modi:

• Scissione binaria: il più comune, si parte da una singola cellula e si ha la divisione in 2 cellule uguali.
• Gemmazione: produzione di cellule più piccole da una cellula madre (da una cellula più grande si staccano dei piccoli componenti di membrana contenenti parte del citoplasma che poi cresceranno).
• Ricombinazione genetica (che può avvenire anche nei procarioti): genera una notevole varietà genetica e comporta scambio di materiale genetico tra due cellule diverse.

I lieviti sono degli eucarioti unicellulari semplici (non protisti) che sono molto importanti per la comunità umana, coinvolti in processi di fermentazione e degradazione di resti vegetali e animali.

I virus

I virus non sono vere e proprie cellule: mentre eucarioti e procarioti sono caratterizzati da meccanismi che gli consentono di essere autonomi, i virus sono privi di vita autonoma, privi di nucleo e sono tra i 20-400 nm. I virus sono stati visibili infatti solo con l'invenzione, negli anni '30, del microscopio elettronico a trasmissione. Il virus è quindi obbligato al parassitismo obbligato: per sopravvivere deve entrare in contatto con una cellula e utilizzare questo ospite e i suoi macchinari genetici e di replicazione. Al di fuori dell'ospite sono inerti, non hanno un proprio apparato per la sintesi proteica, hanno solo o RNA o DNA. Da qui la classificazione di virus a RNA o virus a DNA.

L'acido nucleico è generalmente ricoperto da un involucro proteico detto capside, che ha anche la funzione di penetrazione all'interno della cellula. Il capside è suddiviso in subunità (capsomeri) e può essere talvolta a sua volta ricoperto da un involucro lipoproteico, che in realtà rappresenta un frammento del plasmalemma della cellula infettata. Un esempio di un virus capace di infettare un batterio è un batteriofago. I virus possono essere anche classificati in base al metodo di penetrazione nella cellula ospite: in alcuni casi i virus possono totalmente penetrare dentro la cellula, altre volte (come nel caso del batteriofago) entra solo il genoma virale che, sfruttando il meccanismo di replicazione della cellula, duplica nuovi virus e provoca la lisi della cellula e la propagazione del virus. Esempio del batteriofago T2: ingresso che prevede una sorta di siringa che inietta (sistema ad iniezione) il materiale all'interno. Una testa proteica contenente il genoma, una coda spiralizzata e strutture che permettono al virus di agganciarsi alla membrana plasmatica del batterio.

Dimensione della cellula

Le cellule sono sotto il potere di risoluzione dell'occhio umano (0,1 mm), una tipica cellula animale ha un diametro di circa 10-20 micrometri. Con un microscopio ottico riusciamo a distinguere le cellule di un determinato tessuto perché riconosciamo la membrana e a livello di organelli possiamo vedere il nucleo, il nucleolo, mentre i mitocondri sono vicini al limite di risoluzione del microscopio ottico (0,1 micrometro) quindi riusciamo a intravederne la presenza. Il microscopio elettronico ha un limite di risoluzione di 1 Å (ångstrom = 10^-10), quindi siamo in grado di vedere i virus, i ribosomi, una proteina globulare, gli atomi. Il primo microscopio consente la formulazione della teoria cellulare ed è stato inventato da Robert Hooke nel 1665, che riuscì a osservare sezioni di sughero.

Gli organismi pluricellulari possono presentare una grande varietà di forme e dimensioni cellulari e varia anche il numero specifico di cellule da specie a specie. La variabilità della forma delle cellule è strettamente legata alla funzionalità della cellula stessa all'interno dell'organismo (pensiamo ai neuroni, spermatozoi, ovuli, fibre muscolari). Durante una fase dello sviluppo possiamo anche vedere un cambio morfologico della cellula causato per il differenziamento cellulare, un processo che parte dall'embrione. Esistono elementi cellulari che presentano una forma propria immutabile (cellule nervose e ossee nell'adulto) o elementi cellulari che possiedono una forma mutevole (elementi migranti del sangue e del connettivo). Cambiano anche quindi le dimensioni: linfocita = 8 micrometri, cellula uovo = 150 micrometri; i neuroni hanno corpo di decine di micron (fino a 100) ma i prolungamenti possono avere lunghezze che si aggirano al metro.

Le cellule eucariotiche animali sono simili alle cellule eucariotiche vegetali. La differenza sostanziale tra le due è la presenza nella cellula vegetale della parete cellulare oltre alla membrana plasmatica. Abbiamo organelli molto simili (apparato di Golgi, reticolo endoplasmatico ruvido, mitocondri), altri diversi come i cloroplasti nella cellula vegetale, e il vacuolo.

Le cellule non sono isolate dall'ambiente extracellulare ma devono essere in grado di scambiare sostanze con l'ambiente esterno e questo scambio è garantito e regolato dalla giusta superficie di scambio. Ci deve essere quindi un giusto rapporto superficie/volume. Un organismo con un'unica cellula più grande ha in realtà molta meno superficie di scambio rispetto a un organismo costituito da più cellule piccole (infatti i mammiferi hanno cellule molto più piccole e un metabolismo più veloce rispetto per esempio agli anfibi). La formula di Hertwig ci dice che ogni organismo ha un rapporto volume nucleo/volume citoplasma costante per quell'organismo. Il rapporto può essere mantenuto costante grazie al processo di divisione cellulare: quando il rapporto aumenta, la cellula si divide. Se abbiamo un volume del citoplasma troppo grande, il nucleo non è più in grado di gestire il quantitativo di materiale genetico e viceversa. Le divisioni cellulari sono molto più consistenti in un organismo in fase di sviluppo rispetto a un individuo adulto, in cui inoltre le cellule sono ormai a uno stadio di differenziamento avanzato.

Il contenuto del nostro DNA nel nucleo non è uguale in tutti gli organismi: nei mammiferi è circa 7 pg, negli anfibi varia da 2,3-200 pg. Questo non ci dice che un anfibio è più evoluto o complesso di un mammifero!

Ipotesi sull'origine della prima cellula eucariotica

Abbiamo due teorie principali sull'origine della prima cellula eucariotica:

• Teoria della fusione: secondo cui un archeobatterio e un eubatterio si siano fusi insieme mettendo in comune il loro materiale genetico e, in seguito, questa protocellula avrebbe inglobato un ulteriore batterio che si sarebbe trasformato in un protomitocondrio.
• Teoria dell'inglobamento: secondo cui un archeobatterio avrebbe inglobato un eubatterio e questo si sarebbe trasformato in un mitocondrio.

I mitocondri infatti tendono ad avere molte caratteristiche simili ai batteri.

Gli eucarioti pluricellulari in genere presentano insiemi di cellule che formano tessuti, mantenendo la loro individualità. Ci sono però alcuni casi in cui questa individualità viene meno: ci sono situazioni in cui abbiamo un'unica struttura fatta da tanti nuclei dentro lo stesso citoplasma. I casi sono due:

• Sincizio: che si forma da tante singole cellule precursori che si mettono insieme e fondono, cosicché i nuclei rimangono nello stesso citoplasma (es: fibra muscolare striata scheletrica).
• Plasmodio: diversi nuclei sono andati incontro a divisione nucleare, ma a questa non è seguita la divisione citoplasmatica (es: megacariociti che danno origine alle piastrine).

La chimica della vita

La chimica della vita si basa principalmente sui composti del carbonio, quindi sulla chimica organica. Le cellule sono al 70% costituite da acqua, quindi la vita dipende da reazioni chimiche in soluzione acquosa. Gli organismi viventi non sono composti da tutti i quasi 100 elementi presenti in natura, infatti quelli più presenti sono: carbonio, idrogeno (H), ossigeno (O), azoto (N). Esistono anche composti inorganici, in particolare ioni come calcio (Ca), magnesio (Mg), sodio (Na) e potassio (K) e sali minerali. In totale, la composizione chimica media di una cellula eucariotica conta circa 40 elementi chimici. Gli elementi plastici primari (C, O, H, N) sono circa il 97% del peso secco di una cellula e subito dopo seguono zolfo (S) e fosforo (P). Abbiamo poi piccole percentuali di sali inorganici dissociati divisi in ioni positivi (CATIONI) come K⁺, Ca⁺⁺, Na⁺, Mg⁺⁺, o in ioni negativi (ANIONI) come Cl^-, CO₃^2- (carbonati), PO₄^3- (fosfati), SO₄^2- (solfati). In piccole tracce (oligoelementi) troviamo anche: Mn, Fe, Cu, Mo, I, Ba, Se, Al. Considerando il protoplasma (materia vivente) abbiamo:

• Componente inorganica: 75-85% di acqua, 1% di sali dissociabili.
• Componente organica: 1% glucidi (zuccheri), 2-3% lipidi, 10-20% protidi, 1-1.5% acidi nucleici, vitamine ecc.

L'acqua: due atomi di idrogeno legati a un atomo di ossigeno con legame covalente molto forte di 104,5° costanti. I due legami sono altamente polari poiché in realtà l'ossigeno ha una forte attrazione per gli elettroni, mentre l'idrogeno no. Di conseguenza, c'è una distribuzione ineguale degli elettroni di legame in una molecola d'acqua con una preponderanza di carica positiva sui due idrogeni e di carica negativa sull'atomo di ossigeno. Questo genera una regione elettronegativa sugli idrogeni e una regione elettropositiva sul lato dell'ossigeno. Questo rende polare la molecola e quindi possibili le interazioni con altre molecole.

Legami a idrogeno

Tra diverse molecole d'acqua si formano i legami a idrogeno che sono dei legami leggermente più deboli rispetto ai legami covalenti presi singolarmente. Tuttavia, se abbiamo tanti legami a idrogeno tra le diverse molecole d'acqua, avremo comunque un sistema stabile e l'insieme crea un legame molto forte. Si instaura tra l'atomo di ossigeno di una molecola e un atomo di idrogeno dell'altra. La forma della molecola d'acqua, la sua natura polare e quindi la formazione di legami a idrogeno tra molecole d'acqua o con altre sostanze sono la causa delle insolite proprietà dell'acqua: una rigida struttura cristallina in cui ogni molecola forma 4 legami a idrogeno con 4 molecole circostanti. Le molecole allo stato solido però non sono così strettamente legate come lo sono nello stato liquido: per questo il ghiaccio è meno denso dell'acqua. Le proprietà dell'acqua sono:

• L'acqua è liquida nell'intervallo di temperatura in cui avvengono tutti i più importanti processi biologici.
• L'acqua ha una capacità termica alta rispetto a quella della terra e dell'atmosfera, quindi le grandi masse d'acqua assorbono e cedono grandi quantità di calore con piccole variazioni di temperatura: il clima delle regioni circostanti è più temperato.
• L'acqua ha elevata tensione superficiale: alcuni piccoli organismi 'camminano' sull'acqua.
• Il carattere dipolare conferisce proprietà di solvatazione che porta a sciogliere facilmente i sali inorganici, creando contatto con molecole inorganiche.