Citologia ed istologia

Citologia e istologia

La citologia è volta allo studio della cellula e delle sue componenti dette organelli o organuli, nonché delle sue funzioni e comportamenti. La cellula è l'unità morfo-funzionale di ogni organismo: si tratta della più piccola e "semplice" struttura che può essere definita. Esistono, infatti, organismi unicellulari come i batteri ed alcune alghe, e organismi pluricellulari ben più complessi. L'associazione di cellule in strutture più complesse quali i tessuti, tipici ad esempio dell'uomo, è studiata nell'istologia.

Cellule procariotiche ed eucariotiche

Procarioti

Le cellule procariotiche sono cellule prive di nucleo, note come batteri. La cellula batterica è grande in genere di 0,1-1 micron. In base alla forma i batteri si distinguono in cocchi (sferici), bacilli (a bastoncello), spirilli (a spirale), vibrioni (a virgola), spirochete (più curve). I batteri sono delimitati da una membrana plasmatica, il citoplasma non è suddiviso in compartimenti delimitati da membrane interne e al di sopra della membrana c'è una parete cellulare, la quale in seguito alla cosiddetta colorazione di Gram risulta colorata in blu, nel caso dei Gram+, o in rosso, nel caso dei Gram-.

• Gram+: parete cellulare formata da peptidoglicani (polimero composto da una catena di N-Acetilglucosamina e di acido N-acetil muramico). Nei Gram+ si producono le esotossine di natura proteica e sono termolabili, cioè si distruggono con il calore.
• Gram-: parete cellulare molto sottile, collegata alla membrana di lipoproteine. Nei Gram- si producono sia le esotossine che le endotossine di natura lipidica.

La membrana plasmatica presenta un'introflessione detta mesosoma, a cui è legato il nucleoide costituito da DNA nudo (privo di proteine strutturali). In comune con gli eucarioti, i procarioti hanno i ribosomi, sede della sintesi proteica, che hanno differente struttura e sono classificati quindi come ribosomi 70s (coefficiente di sedimentazione). I batteri si riproducono per scissione del citoplasma dopo la duplicazione del cromosoma batterico. Hanno un ruolo fondamentale nei lieviti, nella formazione dei derivati del latte e fermentazioni alcoliche per trattare le acque fognarie.

Eucarioti

Le cellule eucariotiche sono cellule dotate di nucleo; possono essere organismi unicellulari, o più spesso, strutture pluricellulari. Hanno un nucleo proprio e una serie di organelli che si trovano all'interno del citoplasma con funzioni e strutture diverse tra di loro, ma ogni organello è delimitato da una propria membrana. La differenza che intercorre tra una cellula eucariotica animale e una di tipo vegetale consiste innanzitutto nella dimensione, infatti una cellula vegetale è più grande di una animale, ma alcuni contenuti citoplasmatici sono differenti.

Il nucleo è presente in entrambi i tipi di cellule, rivestito da una membrana con pori che permettono lo scambio di sostanze tra nucleo e citoplasma. Troviamo inoltre dei sistemi di membrane, ovvero delle strutture con funzioni ben specifiche, come il reticolo endoplasmatico, il quale può essere liscio, o rugoso se presenta ribosomi sulla sua superficie. I mitocondri, che sono molto numerosi, sono la sede di produzione di energia di cui si serve la cellula.

I virus

Sono agenti infettivi la cui dimensione va da 20 a 400 nanometri, quindi impossibili da vedere con il microscopio ottico, infatti è necessario quello elettronico. Sono costituiti da DNA o RNA racchiuso in un involucro proteico, il capside (il coronavirus, ad esempio, evoluto dal virus influenzale, è un virus ad RNA). La forma del capside, spesso complessa, varia da un tipo di virus all'altro; sono parassiti cellulari, spesso patogeni. Si distinguono in virus rivestiti da membrana, e virus non rivestiti da membrana.

Il loro potere viene esplicato quando entrano all'interno di una cellula e iniziano ad usare i sistemi cellulari per replicare numerosissime volte il loro materiale genetico, usando i nucleotidi della cellula ospite ed inducendo la sintesi di alcune proteine che servono alla replicazione del capside. La replicazione delle unità avviene nel giro di pochissime ore (12-48h), e quindi anche i sintomi che ne conseguono iniziano a manifestarsi dopo lo stesso lasso di tempo. I meccanismi di replicazione di un virus sono principalmente due:

• Ciclo litico: il virus entra nella cellula e la induce a sintetizzare il suo acido nucleico e le proteine del capside per produrre un numero altissimo di copie di se stesso, tanto da superare la portata della cellula che sottoposta a stress si rompe, muore e rilascia il virus da essa moltiplicato che può infettare altre cellule.
• Ciclo lisogeno: il virus immette il suo materiale genetico nella cellula, ma quest'ultima non lo replica, e viene pertanto detta non permissiva. Il DNA/RNA si integra nella cellula generando una mutazione che si trasmetterà alle cellule figlie.

Composizione chimica della cellula

La cellula ha una composizione chimica ben definita: essa è composta principalmente di acqua, ma sono anche altri gli elementi che la costituiscono, come acqua (80%), proteine (15%), lipidi (2.5%), glucidi (1%), acidi nucleici (1%), sali minerali (0,5%).

Gli elementi della tavola periodica quali idrogeno, carbonio, azoto, ossigeno, fosforo e zolfo costituiscono, aggregandosi, i 4 capisaldi che formano la cellula, ovvero proteine, lipidi, glucidi e acidi nucleici; altri elementi come il sodio, magnesio, potassio, calcio, ferro, cobalto, rame, zinco, cloro e manganese sono presenti nella cellula eucariotica animale, ma in maniera marginale. Anche se non sono fondamentali per la costituzione degli elementi fondamentali della cellula, sono importantissimi perché alcune reazioni avvengano. Il calcio ad esempio è importantissimo per la contrazione muscolare, e anche alcune reazioni chimiche avvengono proprio in presenza di calcio.

Acqua

L'acqua è presente negli organismi viventi in una percentuale variabile dal 70% all'85%, ed è ritrovabile in tre stati in natura: stato liquido, solido e gassoso. Inoltre è il solvente di sali ed altre molecole idrosolubili ed il mezzo disperdente dei colloidi cellulari, proprio perché tutte le reazioni chimiche, metaboliche e funzionali avvengono in ambiente acquoso. A causa del suo calore specifico è un ottimo sistema termostatico, cioè è in grado di trattenere la temperatura e di non dissiparla.

Grazie ai legami che si stabiliscono tra idrogeno e ossigeno (i due elementi che compongono l'acqua per mezzo di un legame chiamato a idrogeno), la molecola d'acqua assume una forma triangolare, e quando l'idrogeno di una molecola d'acqua si lega all'ossigeno di un'altra molecola d'acqua, si crea un reticolo. Nell'acqua allo stato liquido, i legami a idrogeno si formano e si distruggono, infatti l'acqua liquida non ha un proprio volume, ma assume il volume del contenitore nel quale viene inserita, proprio perché i legami a idrogeno non sono forti, pertanto le molecole d'acqua non sono rigidamente legate.

Si può trovare, in una cellula, acqua libera (che viene accumulata ad esempio nei vacuoli fungendo da riserva, e può essere ceduta in condizioni di disidratazione) oppure legata (ovvero quella unita alle macromolecole elettrostaticamente. Non viene ceduta anche in condizioni di disidratazione e la sua asportazione comporta la morte cellulare).

Gli ioni e le molecole polari (sodio oppure alcool etilico) legano l'acqua mediante interazioni elettriche, pertanto sono dette sostanze idrofiliche (il suffisso filico, vuol dire che ha affinità, in questo caso con l'acqua; contrariamente, il suffisso fobico vuol dire che non ha affinità). Sono solubili in acqua in quanto gli ioni o le molecole superficiali vengono circondati da molecole d'acqua, passando pertanto in soluzione. Le molecole che contengono prevalentemente legami non polari non interagiscono con l'acqua e pertanto sono dette sostanze idrofobiche o apolari. Risultano insolubili in acqua, la quale forma attorno a ciascuna molecola idrofobica una sorta di gabbia. In acqua le molecole idrofobiche tendono ad aggregarsi insieme (interazione idrofobica) per ridurre al minimo la superficie di contatto con l'acqua.

Il valore di pH (- log concentrazione degli ioni H⁺) è un parametro che misura, tramite degli strumenti (come il pH-metro, oppure in maniera meno accurata, la cartina al tornasole che in base alla colorazione che assume indica il valore di pH) la concentrazione di ioni nell'acqua. Nell'acqua 7 è il valore di pH che corrisponde alla neutralità; più aumenta il valore, più l'acqua sarà alcalina, quindi più basica; valori al di sotto del 7 invece conferiscono acidità all'acqua. Il valore di pH è importantissimo perché nella cellula alcune reazioni chimiche possono avvenire ad un dato valore di pH ben specifico.

Macromolecole

Si tratta di molecole organiche con struttura ben definita stabile e specifica, non sempre rigida, che è riprodotta da una generazione all'altra con una precisione assoluta. Le macromolecole comprendono proteine, acidi nucleici, glucidi o carboidrati e lipidi (i lipidi non si associano a formare macromolecole ma complessi molecolari). Si chiamano macromolecole le catene costituite da unità molecolari relativamente semplici, le unità monomeriche – amminoacidi per le proteine, nucleotidi per gli acidi nucleici, esosi e pentosi per gli zuccheri, acidi grassi per i lipidi.

Le macromolecole sono polimeri, costituiti cioè da unità monomeriche differenti (4 nucleotidi per gli acidi nucleici; 20 amminoacidi per le proteine; diversi tipi di zuccheri esosi o pentosi per i glucidi; diversi tipi di acidi grassi per i lipidi). Esistono, tuttavia, macromolecole, costituite dalla stessa unità monomerica quali l'amido (il monomero è il maltosio), il glicogeno (l'unità monomerica è il glucosio). La struttura degli eteropolimeri (vengono chiamati così ad indicare la diversità di ogni tipo di molecola) presenta vari livelli di complessità (struttura 1a, 2a, 3a e 4a), ciascuno biologicamente significativo. La denaturazione altera l'impalcatura degli eteropolimeri con la perdita delle loro funzioni.

• Amminoacidi: unità monomeriche delle proteine, i più importanti, ovvero quelli che compongono le proteine, sono 20, e le combinazioni formano diversi tipi di proteine.
• Nucleotidi: unità monomeriche degli acidi nucleici.
• Zuccheri: possono essere di tipo esoso o di tipo pentoso, e costituiscono i glucidi (le molecole di zuccheri esosi formano un esagono; le molecole di pentosi formano un pentagono).
• Acidi Grassi: unità monomeriche dei lipidi.

Carboidrati

I carboidrati (o glucidi) sono chiamati in questo modo sulla base della loro composizione chimica, cioè sono idrati di carbonio (formula generale C_n(H₂O)_n). Sono soprattutto di origine vegetale come risultato dell'attività fotosintetica delle piante, in quanto la cellula animale non è in grado di sintetizzarle proprio perché sono il risultato dell'attività fotosintetica che porta le piante a trasformare l'acqua e l'anidride carbonica in zuccheri semplici. Costituiscono la fonte più ricca dell'energia chimica necessaria al metabolismo cellulare. I glucidi semplici (monosaccaridi) hanno da tre a sette atomi di carbonio: a tre atomi, triosi; a cinque, pentosi; a sei, esosi, a sette eptosi).

Allo stato di grossi polimeri (polisaccaridi) contribuiscono alla struttura e alla funzionalità cellulare ed extracellulare, ad esempio il glicocalice cellulare, la parete cellulare (cellulosa) delle cellule vegetali. Classifichiamo i carboidrati in base agli atomi di carbonio che contengono (diosi, pentosi, triosi). In particolar modo, due zuccheri pentosi, quali il Ribosio e il Desossiribosio, sono zuccheri semplici che entrano in gioco nella struttura del nucleotide, unità morfo-funzionale degli acidi nucleici. Essi si differenziano solo per la presenza nel Ribosio di una molecola di ossigeno. Annoveriamo tra i più comuni degli esosi, il Glucosio che costituisce il principale substrato che usiamo per il nostro metabolismo. Anch'esso può essere presente sotto forma di destrogiro e di levogiro, e la sua formula è C₆H₁₂O₆.

La composizione dei carboidrati consiste in Carbonio, Idrogeno e Ossigeno, e solitamente essi hanno ruolo di accumulo di energia, ma possono assolvere anche ad altre funzioni (strutturale o di riconoscimento). In base alla loro struttura si distinguono in:

• Monosaccaridi: sono i più semplici (unità morfo-funzionale dei carboidrati); sono composti da un gruppo alcolico primario, uno secondario e da un gruppo carbonilico aldeidico o chetonico: se il gruppo carbonilico del monosaccaride è aldeidico, il carboidrato è detto aldeide, viceversa viene detto chetone.
• Oligosaccaridi: più monosaccaridi possono assemblarsi a formare una catena più complessa: un oligosaccaride è una catena di 2-20 monosaccaridi. Solitamente sono associati a proteine formando delle glicoproteine.
• Polisaccaridi: catene di più di 20 monosaccaridi e sono distinguibili in omopolisaccaridi (se composti dallo stesso monosaccaride) o eteropolisaccaridi (se composti da diversi monosaccaridi). A loro volta possono essere a catena lineare o ramificata.

Lipidi

I lipidi non formano macromolecole, ma si aggregano formando dei complessi che possono costituire una molecola bipolare, cioè una molecola che può avere un polo idrofilo e un altro idrofobo, e che prende il nome di molecola anfipatica. Proprio perché costituiti da almeno un polo idrofobo, i lipidi non sono solubili in acqua, bensì sono solubili nei solventi organici come gli alcoli o gli eteri. I lipidi presenti come elementi strutturali nelle cellule sono i fosfolipidi e gli steroidi che possono essere semplici (cioè costituiti da acidi grassi + alcool come i gliceridi e gli steroidi) o complessi (cioè contengono anche acido fosforico o una base azotata o uno zucchero; sono rappresentati da fosfatidi, sfingomieline, glicolipidi).

Gli acidi grassi sono l'unità monomerica dei lipidi, e consistono in lunghe catene di carbonio, che presentano dei gruppi CH₂ perché ogni carbonio deve avere 4 legami (2 con gli idrogeni, 1 con un carbonio e 1 con un ulteriore carbonio). Possono essere saturi o insaturi: negli acidi grassi insaturi, ad un certo punto della catena si trova un doppio legame, per cui in quel punto non c'è il gruppo CH₂, ma un gruppo CHCH, che sostituisce un idrogeno da una parte, e un altro idrogeno dall'altra. Gli acidi grassi non si trovano mai liberi.

• Trigliceridi: sono lipidi costituiti da 3 acidi grassi legati ad una molecola di glicerolo: i tre acidi grassi possono essere tutti e tre saturi, oppure due saturi e uno insaturo.
• Fosfolipidi: lunga catena di acidi grassi che si unisce ad un alcol. I fosfolipidi hanno la capacità di impacchettarsi tra di loro e giocano un ruolo fondamentale nella membrana plasmatica, la quale è formata da un doppio strato fosfolipidico. Il fosfolipide è una molecola anfipatica, che se messa in una soluzione acquosa, porta alla formazione di micelle, cioè delle strutture modificate che si chiudono esponendo all'acqua la parte polare, e tenendo al suo interno la parte polare.
• Steroidi: sono una categoria di piccoli lipidi che derivano tutti dal colesterolo, che è un costituente tipico di tutte le membrane delle cellule eucariotiche. Gli estrogeni sono definiti femminilizzanti, mentre gli androgeni sono definiti mascolinizzanti.

Proteine

Le proteine sono macromolecole fondamentali; esistono e ne vengono scoperte sempre di nuove, infatti in una cellula è possibile trovare anche 10-20mila proteine, e sono classificabili nelle loro funzioni:

• Enzimi: proteine globulari che aumentano la velocità e guidano alcune reazioni metaboliche.
• Proteine filamentose: con una struttura filamentosa, costituiscono il citoscheletro.
• Ormoni: non esistono solo ormoni di natura lipidica, ma anche di natura proteica.
• Attivatori genici: regolano le funzioni di alcune sequenze geniche.
• Fattori di crescita: fattori che servono all'accrescimento della cellula.
• Recettoriali o Carrier: selezionano ciò che entra ed esce dalla cellula.
• Contrattili: sono alla base della motilità cellulare, tissutale, di organo e organismo, e regolano appunto la loro motilità.
• Motrici: sono alla base del traffico vescicolare intracellulare.
• Anticorpi: hanno un ruolo chiave nella risposta immunitaria specifica e la loro produzione, che avviene in larga parte a seguito del processo di maturazione dei linfociti B in plasmacellule secernenti.

Ciascuna proteina ha una struttura unica, preordinata (struttura nativa) che è alla base della specificità e selettività dell'interazione con le altre molecole. Se denaturate (perdita della struttura nativa), le proteine diventano biologicamente inattive. Le proteine sono composte da delle unità chiamate amminoacidi, molecole organiche biofunzionali che presentano un carbonio centrale a cui sono legati quattro gruppi: un gruppo carbossilico (-COOH), un gruppo amminico (NH₂), un idrogeno e un gruppo R (radicale), che distingue un amminoacido da un altro e cambia la polarità della molecola, pertanto gli amminoacidi si suddividono in: apolari, polari neutri e polari carichi. In natura ci sono tantissimi amminoacidi, ma quelli che prendono parte alla formazione delle proteine sono 20; i due gruppi funzionali di ciascun amminoacido sono legati allo stesso atomo di carbonio (carbonio chirale), noto come carbonio alpha e sono per questo detti alpha-amminoacidi. Gli amminoacidi si legano tra di loro tramite dei legami chiamati peptidici.