Citologia e istologia

Citologia: cellule

La cellula è l’unità organizzativa di base dell’organismo. Dal punto di vista morfologico sono diverse e svolgono funzioni differenti in base a dove si trovano.

Un esempio di cellula del sistema nervoso è il neurone, formato dai dendriti e dall’assone; esso è capace di trasmettere i segnali.

La cellula muscolare invece contiene più nuclei ed è importante per la contrazione muscolare, ha una forma allungata e leggermente appiattita.

Le cellule più numerose del sangue sono i globuli rossi che contengono emoglobina e grazie ad essi trasportano O2 e CO2.

Una cellula ghiandolare invece rilascia il secreto all'esterno o all'interno dell'organismo. Le cellule di tipo immunitario invece difendono l'organismo e si trovano all'interno del sangue.

Composizione generale di tutte le cellule

Tutte le cellule sono definite dalla membrana plasmatica o cellulare capace di segnare il confine tra l'ambiente intra ed extracellulare.

Nella cellula si possono definire due compartimenti fondamentali: il citoplasma e il nucleo.

Il citoplasma può essere a sua volta suddiviso in una parte fluida, il citosol, in formazioni definite organuli immersi nel citosol, che possono essere o meno delimitati da membrana, e nel citoscheletro.

Gli organuli principali sono il REL e RER, ci sono poi i mitocondri e l'apparato del Golgi che solitamente è molto vicino al reticolo, i lisosomi che servono per degradare, grazie agli enzimi, sostanze che devono essere degradate, abbiamo poi le vescicole secretorie e perossisomi.

Alcune cellule possono avere ciglia, lunghe estroflessioni della membrana che possiamo ritrovare nelle cellule della trachea, e microvilli, che servono per l’assorbimento; infatti, li ritroviamo nelle cellule dell'apparato digerente.

Membrana cellulare o plasmatica

Divide l'interno della cellula dall'ambiente esterno. Non è una parete rigida ma anzi regola il passaggio di sostanze tra l'interno e l'esterno della cellula. Se c'è un danno nella membrana molto spesso la cellula muore perché si altera l'equilibrio.

È formata da un doppio strato fosfolipidico detto bilayer lipidico. Un fosfolipide ha una testa idrofila verso l'esterno e una testa idrofila verso l'interno. Sulla membrana troviamo anche delle proteine che vanno a posizionarsi nel doppio strato fosfolipidico.

Le proteine si dividono in:

• Proteine integrali di membrana che si estendono su tutta la componente della membrana, chiamate anche transmembrana, e possono attraversare la membrana più volte.
• Proteine periferiche che attraversano la membrana solo parzialmente.

La funzione delle proteine è fondamentale per il ruolo della membrana plasmatica.

Le proteine transmembrana possono essere associate a quelle periferiche andando a formare una struttura più complessa.

Le proteine oltre ad essere classificate in base alla loro posizione nella membrana sono anche classificate in base alla loro funzione:

• Proteine trasportatori di membrana.
• Proteine strutturali.
• Enzimi di membrana.

I trasportatori di membrana si possono dividere in proteine carrier e proteine canale. Le proteine carrier sono addette al trasporto delle sostanze.

Le proteine canale si dividono in canali aperti o a cancello perché queste ultime si aprono quando la cellula ottiene segnali meccanici, chimici o elettrici, chiamati voltaggio dipendenti.

Le proteine strutturali si trovano in giunzioni cellulari che mettono a contatto le cellule vicine e adiacenti, oppure nel citoscheletro che è formato da proteine capaci di dare forma alla cellula oppure anche cambiare forma alla cellula durante la divisione cellulare.

Gli enzimi di membrana regolano l'attività metabolica.

Tipo di trasporto nelle membrane

Le funzioni del trasporto di membrana sono: assunzione di sostanze nutrienti essenziali, glucosio, regolazione di concentrazioni ioniche, eliminazione dei prodotti metabolici di rifiuto.

Il trasporto passivo avviene senza un dispendio di energia e possiamo avere una diffusione semplice, che avviene senza l'aiuto di proteine, e la diffusione facilitata, che avviene grazie all'aiuto di proteine.

• Diffusione semplice: passano solo molecole piccole, idrofobiche o molecole piccole polari e senza carica netta, H2O. Si tratta di una permeabilità selettiva. La velocità di attraversamento di una membrana biologica dipende dalla grandezza di un soluto, dalla sua permeabilità nei lipidi e dalla sua carica elettrica.
• Diffusione facilitata: avviene con proteine trasportatrici come proteine carrier o canale.

Le proteine carrier presentano un sito di legame dove si lega il soluto da trasportare; queste proteine cambiano la propria conformazione per portare la sostanza all'esterno o all'interno, con grandi molecole idrosolubili. Le proteine carrier possono trasportare una sola sostanza, uniporto, oppure due sostanze nella stessa direzione, simporto, o in direzione opposta, antiporto.

Le proteine canale non legano la sostanza ma creano un poro idrofilo per estrarre la sostanza; passano soprattutto ioni che non attraversano mai il doppio strato lipidico a causa della loro carica.

Le proteine sono formate da catene di amminoacidi.

Il trasporto attivo avviene con dispendio di energia: il processo endoergonico, nonostante sia sfavorevole in termini di energia, ha funzioni molto importanti e lavora insieme al trasporto passivo.

Caratteristiche dei canali ionici

Sono proteine integrali, costituite da catene di amminoacidi che attraversano più volte la membrana a formare un poro idrofilo. Il diametro di questi canali è limitato e il passaggio è riservato all’acqua, agli ioni e molecole molto piccole come l’urea.

Hanno un filtro di selettività che dipende dalla dimensione e dalla carica della proteina: se il canale è rivestito da amminoacidi con una determinata carica, gli ioni con carica simile saranno respinti mentre quelli con carica opposta saranno attratti.

Hanno velocità elevate ed hanno un controllo di apertura e sono dei canali passivi: gli ioni carichi si spostano secondo gradiente elettrochimico.

Il gradiente elettrochimico è la diversa disposizione di ioni tra interno ed esterno della membrana. Ci sono perciò cariche e concentrazioni differenti nei due lati della membrana.

Gradiente elettrochimico = Differenza di concentrazione + differenza di potenziale tra i due lati della membrana. Le membrane plasmatiche hanno una differenza di potenziale elettrico, in condizioni di riposo, con la parte interna caricata negativamente e la parte esterna positivamente.

I canali possono essere aperti, sono sempre aperti permettendo agli ioni di muoversi dentro e fuori attraverso la membrana senza limitazione, o a cancello, sono solitamente chiusi e possiedono un meccanismo che ne regola l’apertura; ciò permette loro di regolare il movimento degli ioni.

• Canali ligando dipendenti o a controllo chimico: il cancello lega l’elemento chimico e avviene l'apertura del canale. Appartengono a questa classe i recettori per i neurotrasmettitori: es. acetilcolina apre i canali per Na+ e K+ a livello della sinapsi neuromuscolare, inducendo un cambiamento conformazionale.
• Canali ionici voltaggio dipendenti o a controllo elettrico: il canale si apre per degli effetti elettrici.
• Canali ionici a controllo meccanico: alcuni canali ionici rispondono a stimoli meccanici come il calore, responsabili delle sensazioni termiche, alla deformazione meccanica della membrana, stiramento neuromuscolare, al suono, percezione uditiva.

La specie chimica è la specie che si lega al canale, a quel punto la proteina si apre e la sostanza può passare, solitamente ioni. La specie chimica, quindi, non è la sostanza che passa ma è solo la specie capace di far aprire il cancello.

Trasporto attivo

Quando la diffusione di un soluto avviene contro il gradiente di concentrazione o, se ioni carichi si spostano contro il gradiente elettrochimico, si ha il trasporto attivo.

Il trasporto avviene attraverso proteine trasportatrici, e non canali, che sono accoppiate ad una fonte di energia metabolica, come l’idrolisi dell’ATP. Il trasporto attivo è un movimento contro gradiente mediato da proteine. Il trasporto attivo è termodinamicamente sfavorevole, endoergonico, e si verifica solo quando è accoppiato ad un processo esoergonico, idrolisi ATP.

Le proteine trasportatrici coinvolte devono sia trasferire i soluti, che accoppiare il trasferimento ad una reazione che cede energia. Il trasporto attivo ha tre principali funzioni nelle cellule e negli organi:

• Rende possibile l’assorbimento di sostanze nutritive dall’ambiente anche quando le loro concentrazioni sono basse rispetto a quelle dentro le cellule.
• Permette la rimozione di sostanze metaboliche di rifiuto quando la loro concentrazione all’esterno è più alta che nella cellula.
• Consente alla cellula di mantenere le concentrazioni intracellulari di ioni specifici, tra cui K+, Na+, Ca2+ e H+ in una situazione di non equilibrio: in questo modo si bilancia l’effetto del trasporto passivo, che tende a eguagliare le concentrazioni di soluti.

I vettori che mediano il trasporto attivo sono detti pompe o trasportatori ionici. Le pompe ioniche sono i vettori essenziali per il trasporto attivo poiché lavorano contro gradiente. Le pompe sono sempre strutture proteiche e vengono anch'esse chiamate trasportatori ionici.

Esse funzionano grazie all’idrolisi di ATP poiché libera energia, necessaria per il trasporto. Il compito principale delle pompe ioniche è quello di generare gradienti di concentrazione transmembrana che vengono poi utilizzati dai canali ionici per generare dei segnali elettrici, potenziali d’azione.

• Trasporto attivo primario, diretto: l’ATP si lega direttamente al trasportatore fornendo l’energia necessaria per il trasporto.
• Trasporto attivo secondario, indiretto: il trasporto di una sostanza contro gradiente è accoppiato al trasporto di una sostanza che si muove lungo gradiente. In questo caso il trasporto attivo si coniuga con il trasporto passivo.

Esocitosi ed endocitosi

L'esocitosi e l'endocitosi sono due processi che riguardano il trasporto attivo e sono fondamentali per regolare gli scambi tra ambiente intra ed extracellulare.

L'esocitosi è il trasporto di sostanze dall'interno della cellula verso l'esterno grazie alle vescicole che hanno la stessa composizione della membrana e al loro interno contengono sostanze da espellere. La vescicola si sposta e si fonde con la membrana plasmatica fino ad uscire. Le vescicole possono trasportare sia neurotrasmettitori da un neurone all'altro e da neurone a cellula muscolare o anche sostanze di scarto.

Nell'endocitosi la membrana forma delle invaginazioni che si distaccano diventando una vescicola e portano sostanze dall'esterno verso l'interno della cellula. Le vescicole possono contenere anche materiale lipidico.

Citoscheletro

Il citoscheletro è l'insieme di proteine che formano una rete all'interno della cellula in cui sono disposti gli organuli cellulari. Il citoscheletro, quindi, crea delle interconnessioni tra gli organuli, è fondamentale anche per il movimento delle vescicole, endo/esocitosi.

Il citoscheletro è più o meno abbondante nelle varie cellule, esso è formato da:

• Filamenti intermedi.
• Microtubuli.
• Microfilamenti.

I microfilamenti sono composti principalmente dall'actina: l'actina è distribuita nelle cellule a ridosso della membrana plasmatica e ci sono diversi tipi di actina in base alla cellula, cambia la sequenza di amminoacidi.

Questo microfilamento è formato da monomeri di actina, i vari monomeri formano l'interofilamento, prima c'è l'attivazione del monomero, poi la nucleazione. I microfilamenti di actina sono un doppio filamento avvolto ad elica.

I microfilamenti sono coinvolti nel movimento degli organuli e ancorano il citoscheletro alle proteine integrali della membrana stabilizzandole. Nelle cellule muscolari l'actina è associata alla tropomiosina e alla troponina, essenziali per la contrazione muscolare.

I filamenti intermedi sono di differenti tipi ma la caratteristica principale è quella di essere cellulo-specifici, ovvero hanno funzioni specifiche e li ritroviamo solo in alcuni tipi di cellule, per esempio i neurofilamenti sono nei neuroni, le cheratine nei tessuti epiteliali, le lamine nell’involucro nucleare.

Stabilizzano la posizione degli organuli nel citoplasma e facilitano il trasporto di molecole nel citosol. I microtubuli hanno una struttura avvolta a spirale e sono formati da due molecole: la beta tubulina e l'alfa tubulina. Esse sono eterodimeri, sono l'unità di base del microtubulo.

I microtubuli sono formati da cilindri cavi che sono costituiti da più unità di base, eterodimero. Questi eterodimeri che si ripetono costituiscono il microtubulo. Il microtubulo è formato da 13 protofilamenti formati dall'alternanza di alfa e beta tubulina; quando abbiamo questi 13 protofilamenti essi si rigirano su di essi e vanno a formare il cilindro cavo.

I microtubuli rappresentano una rete di sostegno per gli organuli e costituiscono il fuso mitotico. I microtubuli lavorano in presenza di GTP, mentre l'actina in presenza di ATP. Sono fondamentali per le vescicole.

Sono i principali costituenti di ciglia e flagelli.

Le ciglia sono formate da coppie di microtubuli disposti in modo circolare più una coppia di microtubuli disposti al centro, 9 copie periferiche più una centrale. Sono estroflessioni cilindriche allungate della membrana plasmatica. Oscillano ritmicamente permettendo il movimento continuo di fluidi e secrezioni presenti nella superficie cellulare.

Svolgono un ruolo importante nell’epitelio che riveste le vie respiratorie, respingono verso la laringe il muco che ha intrappolato particelle solide di pulviscolo.

I flagelli somigliano alle ciglia ma sono più lunghi, sono presenti negli spermatozoi e hanno la funzione di far muovere le cellule nel fluido in cui sono contenute.

I microvilli sono estroflessioni della membrana plasmatica per aumentare la superficie assorbente.

Il citosol è una soluzione acquosa in cui sono immerse delle macromolecole; in esso si trova il citoscheletro e i vari organuli.

I mitocondri sono organuli membranosi e sono in quantità variabile rispetto alla natura della cellula. Hanno una doppia membrana: la membrana mitocondriale interna, si ripiega su sé stessa andando a formare le creste mitocondriali e delimita la matrice mitocondriale, e la membrana mitocondriale esterna, delimita lo spazio intermembrana.

Sulle membrane ci sono i lipidi, un lipide fondamentale tipico del mitocondrio è la cardiolipina che si trova al 90% sulla membrana interna e al 10% su quella esterna. La membrana del mitocondrio è molto simile a quella plasmatica ma differisce per la presenza di questo lipide.

I mitocondri sono fondamentali per la produzione di energia ATP e sono responsabili della morte cellulare programmata. I mitocondri contengono una batteria di enzimi e di coenzimi che, coordinando la loro azione, operano le trasformazioni energetiche cellulari.

Dal punto di vista fisiologico i mitocondri sono degli apparati la cui funzione è quella di recuperare l'energia contenuta negli alimenti, per mezzo di un ciclo biosintetico detto "Ciclo di Krebs" e della "Catena respiratoria". Per mezzo della fosforilazione, l'energia recuperata viene conservata come ATP.

La glicolisi è degradazione degli zuccheri nel citosol e formazione del piruvato, seguito poi da vari processi come il ciclo di Krebs.