Citologia e istologia

Membrana plasmatica

Struttura che circonda la cellula separando lo spazio extracellulare da quello intracellulare; negli eucarioti sono presenti membrane cellulari interne che rivestono alcuni compartimenti cellulari, dette citomembrane.

Questa struttura presenta uno spessore di 10 nm e viene usata per diversi processi, riceve informazioni trasmettendole all’interno della cellula, regola gli scambi di materiale tra i due ambienti e svolge funzioni motorie.

Le membrane sono costituite da 2 principali elementi, lipidi e proteine.

Lipidi

I più abbondanti sono i fosfolipidi, formati da glicerolo, acido grasso e gruppo fosfato, presentando una testa idrofilica e due code idrofobiche, essendo molecole anfipatiche.

Molecole simili sono gli sfingolipidi, formati da sfingosina e acido grasso, meno abbondanti rispetto alle prime.

La terza componente lipidica è rappresentata dal colesterolo, e i suoi derivati, quasi completamente idrofobica, tranne per il gruppo-OH.

I lipidi immersi in acqua si dispongono in modo tale da formare due strutture specifiche, micelle, strutture a palla che presentano le regioni idrofiliche rivolte verso l’esterno e le regioni idrofobiche racchiuse dentro la palla, e le vescicole, struttura tipica della membrana.

Le vescicole, compresa la membrana, sono formate da due strati lipidici, principalmente fosfolipidi, con le regioni idrofiliche rivolte verso gli ambienti acquosi, intra- ed extra-cellulare, mentre le regioni idrofobiche sono rivolte verso l’ambiente interno ai due strati, o foglietti.

Modello confermato tramite studi condotti sui globuli rossi, estraendo i lipidi dalle cellule e posizionandole sul pelo dell’acqua, formando un solo strato, si notò che la quantità di lipidi era quasi doppia rispetto alla superficie esterna delle cellule usate, inoltre i globuli rossi non presentano citomembrane, a causa di un’assenza degli organuli.

Proteine

Le proteine presenti nella membrana plasmatica vengono classificate in base alla loro posizione rispetto ai foglietti lipidici, divise in:

• Intrinseche, immerse in uno dei foglietti, o in tutte e due attraversando completamente la membrana, definendole transmembrana.
• Estrinseche, appoggiate sulla regione idrofilica o attaccate a proteine intrinseche.
• Ancorate, legate alla membrana tramite lipidi, inseriti nella membrana tra i fosfolipidi.

Le proteine intrinseche sono immerse nella membrana grazie a residui amminoacidici idrofobici, che generano un poro acquoso perfetto per il passaggio di determinate sostanze idrosolubili.

Modello della membrana

Il primo modello proposto descriveva la membrana con l’aggiunta di due foglietti esterni, di natura proteica, che ricoprivano quelli lipidici, definito modello a sandwich, studi successivi hanno smentito questo modello, avanzando una seconda teoria, il modello a mosaico fluido, descrivendo la membrana tramite 3 caratteristiche.

• Discontinuo, grazie alle proteine immerse la struttura lipidica viene interrotta, altrimenti continua.
• Fluido, principalmente dato dai lipidi, possono spostarsi lateralmente ma anche ruotare su sé stesso e le code del lipide si possono flettere, talvolta può accadere anche il flip-flop, i lipidi si spostano nell’altro strato, tramite l’uso degli enzimi flippasi.

La fluidità della membrana o di sue parti viene influenzata da diversi aspetti, le code possono essere più o meno lunghe e avere legami singoli o doppi, nel secondo caso si genera una piega che causa un aumento dell’ingombro sterico, provocando una diminuzione della fluidità.

Anche il colesterolo partecipa, diminuisce la fluidità ad alte temperature mentre la mantiene a basse temperature, essendo un modulatore.

• Asimmetria, aspetto dato non solo dai lipidi ma anche da proteine e glucidi, osservando la composizione delle singole regioni e dei due foglietti, anche processi come la glicosilazione aumenta la complessità strutturale.

Trasporto attraverso la membrana

La membrana viene definita come struttura semipermeabile, perché coinvolta nella regolazione del trasporto di materiali da un ambiente all’altro.

Un principale metodo di trasporto è la diffusione semplice o passiva, il materiale attraversa il doppio strato fosfolipidico, metodo usato da diversi elementi come piccole molecole idrofobiche, ad esempio O2 o CO2, e piccole quantità di acqua.

La diffusione semplice è un processo che permette il trasporto di materiale secondo gradiente di concentrazione, trasportando gli elementi da un ambiente ad alta concentrazione, a un ambiente a bassa concentrazione, processo che non richiede energia e proteine specifiche.

Un secondo metodo di trasporto è la diffusione facilitata, processo che avviene secondo gradiente di concentrazione e senza l’uso di energia, il processo però è facilitato dall’uso di proteine di membrana, come proteine canali o trasportatori.

Le proteine canali sono delle proteine che al loro interno hanno un canale specifico a uno o pochi ioni, con l’apertura dei canali si genera un flusso ionico con una specifica direzione, generata non solo dalle concentrazioni tra i due ambienti, ma anche dalle cariche che presentano ioni e ambienti, seguendo il gradiente elettrico.

Una seconda classe di proteine di trasporto sono i trasportatori, o proteine carrier, usate per trasportare secondo gradiente determinate molecole, queste strutture possono dividersi in:

• Uniporto, proteina che trasporta una sola specie molecolare in una determinata direzione.
• Cotrasporto, proteina che trasporta due specie molecolari contemporaneamente, una molecola e uno ione, spostate verso la stessa direzione, ottenendo i sinporto, o in direzioni opposte, definendo gli antiporto.

L’ultimo tipo di trasporto è quello attivo, processo che coinvolge non solo specifiche proteine di membrana ma avviene anche grazie al consumo di energia, sottoforma di ATP, trasportando gli elementi, in questo caso ioni, contro gradiente di concentrazione e contro gradiente elettrico.

Queste proteine sono dette pompe proteiche, specifiche a determinati ioni, come pompe calcio o pompe protoniche, trasportano ioni H⁺.

Organuli

La cellula eucariotica si distingue da quella procariotica per la presenza, nel citoplasma, di differenti regioni detti organuli, specializzati in particolari funzioni, formando il sistema endomembranoso.

Alcuni di questi, come il reticolo endoplasmatico, l’apparato di Golgi e i lisosomi, si uniscono in un sistema detto via secretoria, sistema in cui le molecole vanno sequenzialmente dall’uno all’altro.

Tutti questi compartimenti presentano la stessa origine e comunicano tra di loro attraverso la formazione di vescicole, usando come via di comunicazione il trasporto vescicolare.

Lo spazio extracellulare e l’ambiente interno degli organuli originariamente erano identici, poi questi ultimi vennero modificati, definendoli spazi topologicamente equivalenti.

Con il procedere dell’evoluzione c’è stata un’invaginazione della membrana citoplasmatica e questa è andata a creare l’involucro nucleare, da questo poi hanno poi avuto origine le cavità che costituiscono il RE, mentre lisosomi ed endosomi derivano sempre da un’invaginazione della membrana.

Reticolo endoplasmatico

È una rete tridimensionale di tubuli e cisterne in continuità tra loro, formato da tre regioni distinte dal punto di vista funzionale e strutturale.

Il reticolo endoplasmatico nucleare è la regione associata a proteine nucleali, come le lamine che formano la lamina nucleare, associata a sua volta alla cromatina.

Il reticolo endoplasmatico rugoso è formato da cisterne appiattite arricchite da ribosomi presenti sulla superficie, coinvolti nei processi di sintesi proteica, sviluppata nelle cellule a secrezione sierosa, coinvolto in diversi processi:

• Sintesi di proteine destinate ai compartimenti appartenenti al sistema endomembranoso.
• Modificazioni post-traduzionali, come glicosilazione.
• Formazione strutture terziarie e quaternarie, tramite processo di folding.
• Processi di controllo nella forma delle proteine, se si ottengono proteine errate queste vengono mandate al proteasoma, idrolizzandole.

Il reticolo endoplasmatico liscio è caratterizzato dall’assenza di ribosomi, costituito da tubuli lisci, sviluppato in diverse specie cellulari, come cellule epatiche e muscolari, svolge diverse funzioni:

• Sintesi lipidi di membrana e steroidei.
• Deposito di calcio.
• Degradazione del glicogeno.
• Processi di detossificazione tramite idrossilazione, aggiunta di gruppi ossidrilici a molecole rendendole idrofiliche.

Indirizzamento proteico

Le proteine arrivano con un meccanismo di indirizzamento di tipo co-traduzionale, una volta entrate non usciranno dall’organulo, ma proseguiranno verso il Golgi, per poi spostarsi verso la membrana plasmatica o verso i lisosomi, attuando la via secretoria.

Il meccanismo di indirizzamento prevede che durante la traduzione venga esposta una sequenza segnale, presente all’estremità N-terminale, essa viene riconosciuta e si lega a una nucleoproteina detta SRP, formata da RNA e proteine.

L’interazione tra sequenza segnale e SRP provoca l’interruzione della sintesi proteica e trasporta il ribosoma sulla superficie del RER, qui l’SRP interagisce con un recettore del reticolo, posizionato vicino a un secondo recettore per ribosomi e a un traslocatore.

In seguito, si ha la ripresa della sintesi proteica, grazie al traslocatore la catena polipeptidica entra nel lume del RE dove verrà rilasciata a fine sintesi, per poi subire processi di modifica post-traduzionale come l’eliminazione della sequenza segnale.

Anche le proteine di membrana vengono trasportate con lo stesso processo, in questo caso presentano una seconda sequenza segnale detta sequenza di ancoraggio, formata da AA idrofobici, blocca il processo di entrata all’interno del RE.

Apparato di Golgi

Proteine e lipidi dal RE passano all’apparato di Golgi, organulo formato da una serie di cisterne appiattite e impilate le une sulle altre, struttura usata per smistare le molecole in tutta la cellula tramite l’uso di vescicole.

Il movimento delle molecole nelle cisterne ha una polarità, avviene partendo dalle cisterne più vicine al RER e passano sequenzialmente verso le cisterne più vicine alla membrana, distinguendo 3 regioni, cis, intermedie e trans.

È presente una quarta regione detta Golgi network, formata dalle estremità delle cisterne e dalle vescicole che si formano in queste estremità.

Oltre a processi di indirizzamento, il Golgi è coinvolto in alcune modifiche post-traduzionali come la glicosilazione, l’attaccatura di catene saccaridiche su residui amminoacidici che arrivano dal RER, in quest’ultimo viene attaccato un oligosaccaride e quando la proteina entra nel Golgi vengono persi alcuni residui e ne vengono attaccati altri.

Glicosilazione

Ogni cisterna è formata da sistemi membranosi chiusi al cui interno sono presenti enzimi usati per maturare ulteriormente le proteine, come enzimi coinvolti nella glicosilazione.

In generale si ha la modifica delle catene oligosaccaridiche eliminando o aggiungendo carboidrati, per questo esistono due tipi di glicosilazione, tipo N processo che inizia nel RE e finisce nel Golgi, e tipo O, processo che inizia e finisce nel Golgi.

Le cisterne del Golgi vanno a sintetizzare anche i glicosaminoglicani, utili per la sintesi di proteoglicani.

Esistono due teorie che spiegano come proteine e lipidi riescano a passare da una cisterna all’altra, nella prima queste molecole si muovono dall’una all’altra cisterna tramite vescicole, nella seconda si considerano le cisterne come sistemi che maturano nel tempo trasformandosi nella cisterna successiva, quest’ultima teoria è la più credibile.

Lisosomi

Sono organuli vescicolari al cui interno si trovano diversi enzimi idrolitici che operano in modo ottimale in ambienti acidi, è sede della digestione cellulare con la funzione di scindere le sostanze introdotte, ricavandone composti utili alla cellula.

Ha anche lo scopo di degradare microrganismi o cellule danneggiate introdotte tramite fagocitosi, o di eliminare strutture cellulari.

Tutti gli enzimi idrolitici che usano acqua per rompere legami, come proteasi, lipasi o nucleasi, necessitano di un pH acido, 5, per la loro attività funzionale, per questo il lume viene continuamente acidificato tramite l’introduzione di H⁺ grazie pompe protoniche, consumando energia.

La membrana dei lisosomi è caratterizzata dalla presenza di abbondante glicosilazione delle proteine di membrana, sistema di protezione verso attacchi da parte degli enzimi del lume.

Un ulteriore sistema di protezione è dato dall’attivazione degli enzimi solamente in ambiente acido, eventuali riversamenti del contenuto lisosomiale porterebbe a un’auto-digestione della cellula, scongiurato unicamente dall’ambiente neutro del citoplasma.

Indirizzamento proteico

Gli enzimi lisosomiali sono caratterizzati dalla presenza di marcatori specifici, il mannosio 6-fosfato, formato in due fasi, il mannosio si lega alla proteina e a sua volta viene legato dall’N-acetilglucosaminafosfato, successivamente viene eliminato l’N-acetilglucosamina.

Processo che avviene nel Golgi, il fosfato impedisce la rimozione del mannosio a cui è legato.

In seguito, il mannosio 6-fosfato viene riconosciuto da un recettore del Golgi, inglobando le proteine in una vescicola, questa si fonderà poi con un endosoma tardivo formando prima un’endolisosoma e in seguito un lisosoma maturo.

Citoplasma

Soluzione colloidale e con viscosità variabile, formata principalmente da acqua, al cui interno sono disciolte diverse molecole come RNA, proteine e carboidrati, inoltre sono presenti i ribosomi liberi.

Inclusioni citoplasmatiche

Nel citoplasma sono presenti regioni di accumulo di sostanze specifiche, non sono dei veri organuli perché non vengono circondate da membrane, sono regioni caratterizzate da un’abbondante quantità di determinate sostanze, come:

• Glicogeno, presente soprattutto in cellule epatiche e muscolari.
• Lipidi, immagazzinati sottoforma di trigliceridi, presente in tutte le cellule in forma di gocciola lipidica, circondate da una struttura proteica di vimentina.
• Pigmenti, sostanze colorate prodotte dalle cellule, tipici esempi sono la melanina e le lipofuscina, con l’età si accumulano formando macchie più scure sulla pelle.
• Cristalli, sali cristallini come i cristalli di Reinke, presenti nelle cellule interstiziali e nelle cellule di Leydig.

Traffico vescicolare

La cellula è sede di un intenso traffico di vescicole, formate tramite meccanismi di introflessione o estroflessione della membrana coinvolta, trasportando poi il materiale inglobato verso la membrana bersaglio.

Esistono due principali vie di trasporto, l’endocitosi, processo in cui la vescicola originata dalla membrana, ingloba materiale presente nell’ambiente esterno e lo trasporta all’interno della cellula, e l’esocitosi, processo contrario in cui il materiale inglobato da una vescicola originaria di una delle citomembrane viene rilasciato nell’ambiente esterno.

Il processo che porta alla formazione delle vescicole è detto gemmazione, durante il processo viene mantenuto l’orientamento di fosfolipidi e proteine di membrana; quindi, le proteine che erano contenute nel lume della struttura che ha dato origine alla vescicola vengono rilasciate poi nel lume della struttura bersaglio.

Gemmazione

Le vescicole si originano partendo da una fossetta di invaginazione, definite fossette rivestite, grazie a un rivestimento proteico, in seguito, diventano sempre più profonde, mantenendo il rivestimento, fino al distacco con la membrana donatrice, ottenendo una vescicola rivestita, per poi perderlo.

Il rivestimento proteico viene formato dall’uso di una delle tre famiglie, clatrina, COP1 e COP2, a seconda della via di trasporto che le vescicole affronteranno.

Il rivestimento, ad esempio di clatrina, viene creato in seguito al legame tra molecola da trasportare, o carico, e recettore specifico, questo causa l’attivazione della clatrina tramite l’uso di un intermedio, dette adaptine.

Il legame recettore-carico, inoltre, attiva il reclutamento dei recettori, i recettori dello stesso tipo presenti nelle aree circostanti si attivano e si diffondono verso l’area della membrana in cui si formerà la fossetta.

Il distacco della vescicola rivestita avviene tramite l’uso di una proteina secondaria, dinamina, dotata di attività GTPasica, questa si avvolge attorno alla base della vescicola e causa il restringimento creando un collo e il distacco della vescicola, che perderà il rivestimento definendola nuda.

Smistamento

Le vescicole devono essere smistate al corretto compartimento in base al loro contenuto, essenziale per la funzionalità della cellula, il processo avviene tramite l’uso delle proteine SNARE.

Oltre a fornire specificità nell’indirizzamento, contribuiscono anche alla fusione della membrana della vescicola con quella del bersaglio.

Esistono numerose tipologie di SNARE in serie di coppie complementari, le SNARE della vescicola, vSNARE, e le SNARE del bersaglio o target, tSNARE, esse si legano solamente alle vSNARE complementari.

Traffico vescicolare tra RE e Golgi

Dal RER si verifica una continua gemmazione di