Riassunto esame Citologia e istologia, Prof. Colombo Anita, libro consigliato Biologia cellulare e molecolare, Karp

Citologia e istologia

SCIENZE BIOLOGICHE @ UNIMIB PROF. A. COLOMBO

–

Introduzione alla cellula ........................................................................................... 3

PROPRIETA’ FONDAMENTALI DELLE CELLULE ................................................................................. 3

MORFOLOGIA DELLA CELLULA PROCARIOTE ED EUCARIOTE ....................................................... 4

GERARCHIA E COMPLESSITA’ DELL’ORGANIZZAZIONE BIOLOGICA .............................................. 6

STRUMENTI PER STUDIARE LE CELLULE ........................................................................................... 9

Le macromolecole .................................................................................................. 12

CARATTERISTICHE DEI POLIMERI BIOLOGICI ................................................................................. 12

ACIDI NUCLEICI .................................................................................................................................. 14

PROTEINE ............................................................................................................................................ 19

CARBOIDRATI ..................................................................................................................................... 28

LIPIDI .................................................................................................................................................... 34

Le membrane biologiche ........................................................................................ 41

FUNZIONI DELLE MEMBRANE .......................................................................................................... 41

IL DOPPIO STRATO FOSFOLIPIDICO ................................................................................................. 43

LE PROTEINE DI MEMBRANA ............................................................................................................ 47

DOMINIO DI MEMBRANA E POLARITA’ CELLULARE ....................................................................... 51

Trasporto di membrana ........................................................................................... 53

PERMEABILITA’ SELETTIVA DELLA MEMBRANA .............................................................................. 53

TRASPORTO DI IONI ........................................................................................................................... 55

TRASPORTO ATTIVO ........................................................................................................................... 60

Sistema endomembranoso .................................................................................... 65

RETICOLO ENDOPLASMATICO ......................................................................................................... 65

SINTESI E SMISTAMENTO DELLE PROTEINE .................................................................................... 69

L’APPARATO / COMPLESSO DI GOLGI .............................................................................................. 75

LA GLICOSILAZIONE E IL TRAFFICO VESCICOLARE....................................................................... 76

ESOCITOSI, ENDOCITOSI E FAGOCITOSI ......................................................................................... 79

Il citoscheletro ........................................................................................................ 84

FILAMENTI INTERMEDI ...................................................................................................................... 85

MICROTUBULI ..................................................................................................................................... 87

MICROFILAMENTI DI ACTINA ............................................................................................................ 92

Le giunzioni cellulari ............................................................................................... 96

PROPRIETA’ DELLE GIUNZIONI ......................................................................................................... 96

CLASSIFICAZIONE DELLE GIUNZIONI CELLULARI ......................................................................... 97

Nucleo e cenni sul DNA ........................................................................................ 102

INVOLUCRO NUCLEARE .................................................................................................................. 102

IL NUCLEOPLASMA E LA LAMINA NUCLEARE .............................................................................. 105

DAL DNA ALLA CROMATINA ............................................................................................................ 106

IL NUCLEOLO .................................................................................................................................... 108

SINTESI DELLE PROTEINE ............................................................................................................... 109

DUPLICAZIONE DEL DNA ................................................................................................................ 113

Il mitocondrio ........................................................................................................ 114

L’ORGANIZZAZIONE DEL MITOCONDRIO ...................................................................................... 115

IL MITOCONDRIO COME ORGANELLO SEMIAUTONOMO ........................................................... 116

La riproduzione cellulare ...................................................................................... 119

CICLO CELLULARE ........................................................................................................................... 119

FASE M: MITOSI E CITOCINESI ........................................................................................................ 121

LA MEIOSI .......................................................................................................................................... 123

Laboratorio di istologia ......................................................................................... 126

IL MICROSCOPIO OTTICO ............................................................................................................... 126

ALLESTIMENTO DI PREPARATI ISTOLOGICI ................................................................................... 127

ORGANI CAVI E PARENCHIMATOSI ................................................................................................ 129

TESSUTI EPITELIALI .......................................................................................................................... 131

I TESSUTI A FUNZIONE TROFO-MECCANICA ................................................................................ 140

I TESSUTI MUSCOLARI ..................................................................................................................... 151

Introduzione alla cellula

La base della citologia è definita dai principi della teoria cellulare:

1. Tutti gli organismi sono composti da una o più cellule.

2. La cellula è l’unità strutturale e funzionale della vita.

Strutturale = le cellule formano associazioni (es.: muscoli, scheletro…).

o Funzionale = le associazioni hanno funzioni specifiche (es.: il muscolo che si conttrae e

o permette alla mia mano di scrivere).

3. Le cellule possono avere origine solo per divisione di cellule preesistenti.

Elemento fondamentale per garantire la continuità della vita.

o Singola entità che si riproduce per creare copie identiche di se stessa; ogni organismo è

o generato da una cellula madre che si divide (es.: nel caso dell’uomo lo zigote che si divide

nei blastomeri). Le copie identiche iniziano i processi differenziativi.

La morfologia crea una struttura, che innesca una funzione; tutte le cellule di organismi viventi sono

morfologicamente e funzionalmente diverse. È importante che tutto avvenga correttamente, altrimenti

vengono causati problemi agli organismi es.: i tumori = sono delle cellule “impazzite” che si moltiplicano

→

molto velocemente e causano le metastasi.

PROPRIETA’ FONDAMENTALI DELLE CELLULE

Le cellule sono le più piccole entità viventi, e possono essere rimosse dall’organismo e poste in coltura (in

vitro, esempio importante: cellule HeLa), a crescere e riprodursi; muoiono se malttrattate = proprietà di

base della vita.

Alcune proprietà importanti:

1. Programma genetico e mezzi per utilizzarlo gli organismi si evolvono seguendo l’informazione

→

genetica depositata nei geni (formati da DNA); la struttura del genoma permette variazioni geniche

(mutazioni) per la differenziazione degli organismi. Ciò sta alla base dell’evoluzione.

2. Riproduzione avviene per divisione = una cellula madre divide il suo contenuto in due cellule

→

“figlie”; moltiplicandosi gli organismi, si moltiplicano le cellule. Il materiale genetico viene diviso

prima della divisione e distribuito.

3. Acquisizione e utilizzo di energia l’energia per i processi vitali viene dal sole, e viene assorbita

→

dalle cellule fotosintetiche che la trasformano in energia chimica (nei carboidrati). L’energia

chimica arriva alle cellule animali come glucosio, poi demolito, immagazzinato (ATP) e riutilizzato.

4. Svolgimento di reazioni chimiche anche nei batteri ne avvengono moltissime, e richiedono

→

enzimi che ne aumentano la velocità; compongono il metabolismo cellulare.

5. Attività meccaniche partendo da modifiche delle proteine motore, le cellule possono svolgere

→

spostamenti di materiali, cambi di conformazione delle strutture, e possono anche spostarsi loro

stesse.

6. Risposte agli stimoli alcune hanno risposte vistose, altre meno e sono rivestite da recettori che

→

legandosi a sostanze dell’ambiente suscitano risposte nelle cellule bersaglio (es.: duplicazione,

spostamenti, apoptosi…).

7. Auto-regolazione le cellule sono robuste = protette da ciò che è pericoloso per loro da circuiti

→

a feedback che le riportano al loro stato di efficienza. Ciò richiede l’uso di energia e meccanismi di

regolazione; la cui informazione sta negli acidi nucleici ed è regolata da proteine.

8. Evoluzione non si sa bene come siano nate le cellule (probabilmente da un’unica cellula

→

chiamata ultimo antenato comune universale), ma si sa come si evolvono processo continuo

→

che modifica le loro proprietà.

Complessità e organizzazione

Le cellule sono strutture complesse, composte da tante parti che si trovano in precise posizioni (livelli); le

parti stesse sono formate da strutture complesse e prevedibili. Non sono tollerati errori nel mantenimento

della struttura e viene esercitato un controllo stretto e rapido su interazioni tra parti e attività cellulare.

Molti aspetti fondamentali delle cellule sono praticamente identici in organismi molto diversi (es.: un uomo

e un gatto = macroscopicamente diversi, ma molte delle loro strutture cellulari sono similissime).

→

ESEMPIO: cellule epiteliali dell’intestino strettamente vicine tra loro.

- Estremità apicale (verso il lume) = rivestita di microvilli che facilitano l’assorbimento di nutrienti. I

microvilli contengono uno scheletro di filamenti, a loro volta composti da file di actina.

- Estremità basale = presenti molti mitocondri che forniscono energia necessaria per i processi di

trasporto. I mitocondri sono composti da proteine e da un enzima di sintesi di ATP.

Non tutti gli organismi viventi hanno la stessa complessità un organismo unicellulare è diverso da uno

→

pluricellulare nella gestione della struttura e delle sue regole.

MORFOLOGIA DELLA CELLULA PROCARIOTE ED EUCARIOTE

Le cellule possono avere complessità diverse; si differenziano in procariotiche ed eucariotiche sulla base

di dimensioni e organuli.

Le due hanno anche somiglianze, probabilmente perchè le eucariotiche si sono evolute dalle procariotiche

es.: linguaggio genetico, vie metaboliche, caratteristiche strutturali (membrana plasmatica, parete

→

cellulare…).

Cellule procariotiche

Strutturalmente più semplici e molto più piccole; la cellula

stessa è un organismo capace di riprodursi (tutte le forme di

batteri).

- Delimitata da una membrana e da una parete.

- Regione nucleare con materiale genetico = nucleoide,

che non è separato dal citoplasma da una membrana

(pro-carion = “prima del nucleo”).

- Piccolo contenuto di materiale genetico abbastanza per codificare poche migliaia di proteine;

→

presente come singola molecola circolare di DNA “nudo” e libero.

- Citoplasma privo di strutture membranose (ad eccezione dei cianobatteri).

- Sistema di comunicazione intracellulare non complesso, principalmente per diffusione.

- Citoscheletro e ribosomi molto semplici e piccoli.

- Duplicazione semplice del DNA con crescita di membrana cellulare e sua separazione. Maggior

parte delle cellule asessuate, ma alcuni fanno la coniugazione = passaggio di DNA da una cellula

ad un’altra (temporaneo); capaci però di incorporare DNA estraneo da fuori.

- Meccanismi di locomozione semplici movimento rotatorio del flagello.

→

- Vivono in comunità (biofilm), capaci di svolgere diverse attività.

- Sono metabolicamente avanzate e riescono a proliferare anche in ambienti estremi.

Sono divisi in due domini = Archea e Bacteria, di cui gli Archea sono molto più simili agli eucarioti.

1. Archea = vivono in ambienti estremi possono essere metanogeni (sintetizzano metano), alofili

→

e acidofili (vivono in alta salinità / acidità, in luoghi come il Mar Morto), e termofili tra cui gli

ipertermofili (vivono a temperature molto alte, e nelle sorgenti termali sui fondi oceanici).

2. Bacteria = comprendono tutti gli altri tipi di procarioti comprendono i microplasmi, che sono i

→

più piccoli organismi viventi e vivono ovunque. I più complessi sono i cianobatteri, con strutture

membranose per svolgere la fotosintesi (simili alle cellule vegetali); possono anche fissare l’azoto

e ridurlo perchè venga usato per sintesi di composti organici..

Cellule eucariotiche

Strutturalmente più complesse, hanno dimensioni maggiori delle procariotiche ed è importante tenere in

considerazione la collocazione dei componenti e i loro rapporti di misura (comprendono tutti gli altri tipi di

organismi).

- Sono delimitate da una membrana plasmatica, e quelle vegetali hanno una parete cellulare (non

quelle animali).

- Regione nucleare con materiale genetico = nucleo, delimitato dall’involucro nucleare (eu-carion

= “vero nucleo”).

- Contenuto di materiale genetico di almeno un ordine di grandezza superiore ai procarioti; presente

sotto forma di molecola lineare di DNA, associata a proteine che formano la cromatina (es.: una

cellula umana ha 46 molecole di DNA).

- Citoplasma con poco citosol perchè pieno di strutture molto diverse, delimitate da membrane →

mitocondri, reticolo endoplasmatico, complessi del Golgi, varie vescicole + vacuolo, cloroplasti

(nelle cellule vegetali). Le membrane dividono il citoplasma in compartimenti.

- Le membrane citoplasmatiche permettono trasporti di membrana complessi.

- Presenti strutture non delimitate da membrane, per il movimento e il supporto della cellula

(citoscheletro).

- Ribosomi per la sintesi di proteine.

- Duplicazione per mitosi con condensazione del DNA e formazione del fuso mitotico, che permette

alle cellule figlie di ottenere uguale quantità di materiale genetico.

- Alcune possiedono flagelli molto complessi.

- Per il metabolismo gli servono sostanze diverse e complesse, spesso sintetizzate dagli stessi

batteri.

GERARCHIA E COMPLESSITA’ DELL’ORGANIZZAZIONE BIOLOGICA

Le cellule più complesse sono gli organismi unicellulari, capaci di riprodursi e vivere in autonomia (es.:

cellule del lievito). Altri organismi sono pluricellulari e molte cellule specializzate svolgono le funzioni al

loro interno formate dal differenziamento.

→

Le conoscenze che abbiamo oggi vengono dall’utilizzo di alcuni organismi unicellulari e pluricellulari come

organismi modello per una ricerca più approfondita delle funzionalità degli organismi = biologia di sintesi.

È un aspetto che viene molto controllato per la tutela degli organismi, ma che permette di mantenete la

complessità anatomica giusta (le cellule in coltura si usano ma permettono di analizzare solo un aspetto,

non di considerare l’insieme). →

ESEMPI: modelli sperimentali lievito (Saccaromices cerevisiae), moscerino della frutta (Drosophila

melanogaster), tigerfish (Danio rerio)…

Dal differenziamento, le cellule diventano morfologicamente diverse pur mantenendo una base simile a

seconda del tipo (animali o vegetali) specializzazione cellulare per svolgere funzioni specifiche.

→

ESEMPIO: lo zigote umano è la prima cellula di ogni embrione, e unica cellula

→

totipotente che in embriogenesi forma le cellule pluripotenti che prendono poi

vie differenziative diverse.

È formato da due gameti maschile e femminile = singole cellule in punto di morte

che con la loro unione formano un individuo ringiovanito da cui riparte la vita.

Cellula uovo = dimensioni maggiori che crescono in sviluppo.

➔ Spermatozoo = è di dimensioni minori per garantire il successo riproduttivo; prodotti in numero

➔ maggiore. I processi di sviluppo sono sbilanciati perchè la cellula uovo dona allo

zigote mitocondri e determinanti morfogenetici, molecole responsabili del

differenziamento sviluppo più lento per prepararsi alla fecondazione.

→

Nello zigote vedo ancora i pro-nuclei dei gameti, che si fondono dopo la

fecondazione; si vedono anche I tre globuli polari (cellule uovo che non

sono maturate e vengono eliminate).

Fuso il nucleo = 23 coppie di cromosomi trascrivibili per il regolamento delle popolazioni di cellule lo

→

zigote si differenzia in 250 tipi di cellule con funzioni diverse; ciò dipende dalla posizione che la cellula ha

nell’embr