Istologia, Citologia, Embriologia

Microscopi e metodi di colorazione

Microscopi

Microscopio ottico: Per tessuti e cellule, si usano coloranti.

Microscopio elettronico: Per organuli, si vedono immagini bidimensionali e tridimensionali.

Affinità tintoriale

Le strutture appartenenti alla cellula permettono il legame con dei coloranti per migliorare la visualizzazione, ematossilina (viola), eosina (rosa).

Basofilia: Il nucleo che contiene acidi nucleici è carico negativamente e si lega con coloranti acidi.

Acidofilia: Alcune proteine citoplasmatiche si legano a coloranti basici. Il citoplasma è acidofilo o basofilo in base agli organuli che contiene, quindi alla funzione della cellula.

La colorazione PAS (periodic acid Schiff) è usata per colorare molecole zuccherine, color magenta.

Citologia

Caratteristiche della cellula

Una cellula, per essere definita tale, deve avere 4 caratteristiche:

• Metabolismo;
• Irritabilità, ovvero deve saper rispondere agli stimoli esterni ed adeguarsi a questi;
• Movimento, almeno durante la differenziazione, poi si bloccano nella posizione che devono assumere;
• Riproduzione, non tutte in realtà, alcune restano in fase G0.

Forma e dimensione delle cellule

La forma delle cellule rispecchia la loro funzione: epitelio cellule geometriche che si incastrano per formare una lamina, eritrocita disco biconcavo, neurone diramazioni per creare reti di comunicazione. Dimensione, tra i 4 e 30 micrometri, testa spermatozoo 4 μm, cellula uovo 150 μm.

Componenti della cellula

All'interno della cellula si trovano:

• Ialoplasma, sostanza gelatinosa;
• Organuli, elementi che si trovano in tutti i tipi di cellula;
• Inclusi, molecole che popolano solo alcuni tipi di cellule (glicogeno, gocce lipidiche, granuli di secreto).

Membrana citoplasmatica

Struttura della membrana

La cellula è isolata dall’ambiente esterno mediante la membrana citoplasmatica, formata da:

• Doppio strato fosfolipidico (colesterolo che concorre alla sua fluidità);
• Proteine che possono attraversare il doppio strato fosfolipidico ed essere definite transmembrana, oppure proteine che non attraversano lo strato e sono estrinseche;
• Zuccheri, che si legano a lipidi formando glicolipidi, o a proteine formando glicoproteine, e si trovano solo sul versante extracellulare, esterno della membrana, non verso il citoplasma.

Glicocalice

Nel loro complesso, questi zuccheri formano il glicocalice, struttura fondamentale che assolve a diverse funzioni tra cui:

• Negli eritrociti il glicocalice possiede acido sialico, carico negativamente, e permette agli eritrociti di respingersi a vicenda e impedire che si aggreghino e impediscano il flusso sanguigno.
• I gruppi sanguigni dipendono dagli zuccheri presenti nel glicocalice degli eritrociti;
• Nell’urotelio (epitelio della vescica) permette alle cellule che sono a diretto contatto con l’urina di difendersi, creando uno strato che si interpone tra la cellula e l’urina;
• Nell’intestino il glicocalice degli enterociti è popolato da enzimi necessari per scindere le molecole complesse in molecole più semplici per essere assorbite.

Trasporto di membrana

Permette lo scambio tra ambiente extra e intra cellulare.

Trasporto passivo

• Diffusione semplice, tipica dei gas o di molecole liposolubili;
• Diffusione facilitata, ioni utilizzano canali ionici o trasportatori che si attivano sotto alcuni stimoli (voltaggio dipendenti legato alla differenza di potenziale tra i due lati della membrana, ligando dipendenti, a controllo meccanico la membrana si distende).

Trasporto attivo

Contro gradiente, con dispendio di ATP.

• Le macromolecole si muovono attraverso la membrana secondo tre meccanismi e devono sempre essere racchiuse dentro una membrana:
• Esocitosi, da alcuni organuli si formano piccole vescicole che tendono a risalire verso la membrana, quando la raggiungono, la membrana della vescicola si fonde con la membrana plasmatica e il contenuto si riversa nell’ambiente extracellulare. Questo meccanismo si definisce esocitosi costitutiva e tutte le cellule possono farlo.
• Esocitosi regolata, le vescicole non vanno da sole verso la membrana ma si fermano nel citoplasma ed hanno bisogno di uno stimolo per spostarsi, ad esempio nell’epitelio ghiandolare. L’esocitosi rilascia sostanze libere fuori dalla cellula.
• Gemmazione, avviene sia a livello della membrana ma anche degli organuli, prevede che ciò che esce sia avvolto da una membrana che proviene da una protrusione della membrana plasmatica.

Endocitosi

• Clatrina indipendente (pinocitosi), si serve della Caveolina, proteina di membrana che produce la vescicola che internalizza la sostanza extracellulare, si parla di Macropinocitosi quando il processo riguarda gran parte della membrana e la vescicola internata è molto grande. La cellula internalizza un fluido in cui sono disciolte molecole sconosciute alla cellula.
• Clatrina dipendente, la cellula sa cosa c'è dentro la vescicola, in questo caso perché la membrana esprime recettori specifici per la molecola da internare. Il recettore si esprime, il ligando si lega al recettore, la Clatrina si lega al recettore sul versante intracellulare e trascina giù la sostanza rivestita dalla vescicola; ad un certo punto la Clatrina si stacca e torna in membrana lasciando la vescicola "nuda" che si fonde con l’endosoma precoce; la proteina si stacca dal suo recettore che torna nella membrana.

Formazione di lisosomi

La proteina dall’endosoma precoce viene racchiusa in una vescicola a formare i corpi multi-vescicolari che si addentrano ancora nella cellula e incontrano l’endosoma tardivo che contiene vescicole di protoni e proteine acide (enzimi): gli enzimi smantellano le proteine internalizzate in aminoacidi. A partire dall’endosoma tardivo si creano i lisosomi, organuli a pH acido che contengono enzimi e proteine che si stanno disgregando in molecole più semplici; alla fine del processo, dei lisosomi restano i corpi residui (sacchi della spazzatura) che possono contenere lipofuscine, sostanze lipidiche non ulteriormente scindibili.

Fagocitosi

• Specifica, tipica solo di alcune cellule come i macrofagi che attuano il riconoscimento tramite le Opsonine che colorano la molecola da eliminare. La cellula produce degli pseudopodi, protrusioni che permettono di avvolgere il batterio come delle braccia e permettono di portarlo all'interno della cellula avvolgendolo in una membrana.
• Aspecifica, meccanismo meno chiaro, può essere fatta da diverse cellule secondo un meccanismo elettrostatico per cui la cellula sente un’attrazione elettrica e internalizza le molecole.

Organuli

Ribosomi

I ribosomi sono costituiti da una subunità maggiore e una subunità minore, organuli amembranosi, costituiti da proteine e RNA ribosomiale. Si occupano della traduzione dell’mRNA per produrre proteine: acidi nucleici → amminoacidi.

• Poliribosomi liberi, producono proteine che restano nel citoplasma, proteine nucleari o mitocondriali (il nucleo e i mitocondri hanno i pori per farle passare) proteine estrinseche del versante intracellulare della membrana.
• Adesi al RE che diventa così RER.

Reticolo endoplasmatico

Organulo membranoso costituito da strutture che si anastomizzano a formare spazi interni. Se sono presenti i ribosomi sulla sua superficie si dice Ruvido, altrimenti Liscio, si trovano comunque in contiguità tra loro.

• Ruvido, formato da tubuli, cisterne e vescicole anastomizzati tra loro, sul versante citoplasmatico si trovano i ribosomi adesi. È in continuità con il nucleo, ovvero la membrana nucleare esterna è una grossa cisterna del RER.
• Liscio, è una continuazione del ruvido, non ci sono i ribosomi, il suo volume è ridotto rispetto al ruvido quindi non contiene le cisterne ma è un’anastomosi di soli tubuli e vescicole. Tuttavia, in alcune cellule come quelle a secrezione endocrina e lipidica, è invece molto sviluppato. Serve alla produzione di lipidi, glicogenolisi e detossificazione nel fegato.

Eccezione: nelle cellule muscolari striate scheletriche è molto esteso e prende il nome di Reticolo Sarcoplasmatico e funge da accumulo di ioni Calcio.

Traduzione proteica

La traduzione avviene sempre a partire da ribosomi liberi: l’mRNA (formato da nucleotidi) esce dal nucleo, viene riconosciuto dai ribosomi citoplasmatici che ricongiungono le loro due subunità inglobando l’mRNA; in base a quale amminoacido viene prodotto per primo, la traduzione continuerà nel citoplasma oppure il ribosoma raggiungerà il RER e vi aderirà. Nello specifico, se l’amminoacido prodotto è particolare, una proteina, la SRP (signal recognition particular) lo riconosce e vi si attacca interrompendo la traduzione. Sul RER ci sono recettori per la SRP, quindi il ribosoma si attacca al RER in corrispondenza di un canale, la SRP si stacca e riparte la traduzione. La proteina prodotta può restare libera all’interno del lume del RER oppure restare in parte intrappolata nella membrana del RER. Le proteine prodotte possono poi essere liberate mediante vescicole e raggiungere la membrana plasmatica (dopo aver attraversato il Golgi) oppure restare adese alla membrana e diventare proteine intrinseche od estrinseche del versante extracellulare.

Apparato di Golgi

Si occupa del rimaneggiamento post-traduzionale delle proteine, prodotte dai ribosomi. È un organulo membranoso organizzato in cisterne (8/10) appiattite nella zona centrale e slargate alle estremità che si impilano le une sulle altre. Si trova tra il RER da cui riceve le vescicole con le proteine, e la membrana plasmatica: la porzione che guarda al RER è la faccia Cis, la porzione che guarda la membrana è la faccia Trans, in mezzo il compartimento Intermedio. Solitamente il Golgi è paranucleare, tranne nei neuroni che è perinucleare, ovvero vi sta attorno.

Le cisterne sono fatte di membrana, che ha un certo tempo di vita, poi si rinnova. Dal RER arrivano delle vescicole che si fondono tra di loro e formano le cisterne: le cisterne più nuove, quelle del Cis formano il CGN Cis Golgi Network, quelle più vecchie, del versante Trans formano il TGN Trans Golgi Network sono quelle che si disgregano. Dal Cis al Trans le cisterne maturano; man mano che le cisterne maturano e risalgono la pila, le proteine al loro interno subiscono le modificazioni post-traduzionali: glicosilazione, fosforilazione, sintesi dei GAG glicosaminoglicani tranne ialuronico. Le cisterne del TGN si disgregano in vescicole che portano le proteine alla membrana plasmatica, tranne quelle che contengono le proteine enzimatiche responsabili delle modificazioni proteiche che vengono riportate al CGN.

Altra funzione del Golgi è il turn-over della membrana plasmatica, apporta nuova membrana attraverso le vescicole.

Mitocondrio

È un organulo membranoso, a forma bastoncellare talvolta sferica, di dimensioni piuttosto importanti. Ha due membrane: una interna più estesa (ripiegata, introflessa in pieghe dette creste mitocondriali), ed una esterna. Tra le due membrane si crea la camera mitocondriale esterna, all’interno della membrana interna si trova la camera mitocondriale interna riempita di una sostanza gelatinosa detta matrice mitocondriale. La membrana interna è più sottile, costituita da fosfolipidi ma non colesterolo, e da proteine della catena respiratoria che permettono al mitocondrio di produrre ATP. La membrana esterna è più spessa e presenta dei pori, costituita da poche proteine, fosfolipidi incluso colesterolo. Alcune zone della membrana esterna interagiscono con il REL e con altri mitocondri. Le creste possono essere a forma di lamelle, disposte parallelamente o trasversalmente rispetto all’asse maggiore del mitocondrio, o tubulari spesso nei mitocondri sferici tipici delle cellule a metabolismo steroideo.

Nella camera mitocondriale interna, nella matrice mitocondriale, troviamo immersi DNA circolare, mRNA, tRNA e rRNA, ribosomi, accumuli di Calcio e Magnesio. Le molecole del DNA sono diverse e in diverse forme, questo fenomeno si chiama eteroplasmia. Il DNA del mitocondrio è molto codificante e il mitocondrio è in grado di prodursi da solo le proteine di cui ha bisogno. Il DNA mitocondriale è di origine materna perché i mitocondri provengono solo dalla cellula uovo. Inoltre, i mitocondri interagiscono tra loro e possono fondersi o dar luogo al meccanismo della fissione (sdoppiarsi in due). Esistono cellule senza mitocondri, ad esempio gli eritrociti che non hanno bisogno di energia né per gli scambi gassosi né per muoversi poiché vengono trasportati dal torrente sanguigno. Funzioni: sintesi di ATP, ossidazione di acidi grassi, sintesi di fosfolipidi e di ormoni steroidei, accumulo di Ca e Mg.

Membrana plasmatica, REL e mitocondrio interagiscono tra loro sostanzialmente nello scambio di ioni Calcio.

Citoscheletro

È un organulo amembranoso, una struttura complessa di elementi filamentosi con diverse dimensioni e funzioni, in ordine crescente: microfilamenti, filamenti intermedi, microtubuli.

• I microfilamenti si dispongono a livello corticale, sotto la membrana; sono costituiti da actina. I monomeri di Actina polimerizzano l’uno con l’altro con una rotazione di 166 gradi, dando l’illusione di una doppia catena, in realtà è un filo unico. Per polimerizzare serve energia: se usa ATP o ADP il filamento è più o meno stabile. Ha due estremità, una positiva in cui è più frequente la polimerizzazione, e una negativa in cui avviene più spesso la depolimerizzazione, è importante che avvengano con la stessa velocità per mantenere la lunghezza.
• I filamenti intermedi si occupano del mantenimento della forma cellulare; sono tessuto-specifici, le proteine che li compongono dipendono dal tipo di cellula; si trovano anche nel nucleo a cui conferiscono la forma, in questo caso sono sempre costituiti da lamine in tutti i nucleoscheletri tranne nell’eritrocita che non ha nucleo. Sono stabili, ovvero una volta che i monomeri si sono polimerizzati in tetrameri, rimangono tali per tutta la vita della cellula.
• I microtubuli garantiscono la possibilità di spostare elementi da una parte all’altra della cellula. È formato da tubulina (α, β e γ), α e β tubulina si associano a formare un dimero che si polimerizza con un altro dimero in presenza di energia, la γ tubulina funge da stampo, ovvero si dispone e sopra di essa si dispongono i dimeri. Al centro sono cavi, la tubulina si dispone intorno, con 13 tubuline di circonferenza, in elica. MAP (microtubular associated proteine) sono proteine che si associano alla tubulina per garantire la stabilità dei microtubuli, tra queste la proteina Tau, responsabile della malattia di Alzheimer perché crea grovigli che riducono la stabilità dei microtubuli e interferiscono con la distribuzione dei neurotrasmettitori.

MTOC

Al centro della cellula si trova il MTOC (centro di organizzazione microtubulare) che aiuta i microtubuli nella polimerizzazione, da qui parte l’innesco alla polimerizzazione, quindi l’estremità minus è rivolta al centrosoma, una regione centrale della cellula, che contiene due centrioli perpendicolari tra loro, formando il più importante MTOC. Questo garantisce che i microtubuli siano disposti in direzione centrifuga, dando una direzione di movimento alle sostanze che si muovono su di essi mediante le proteine che fungono da camion e si muovono solo in una direzione: le chinesine vanno dal centro alla periferia, le dineine viceversa.

Nucleo

Ciclo cellulare

Ogni cellula va incontro ad un ciclo cellulare che consta di due fasi importanti: fase S di replicazione del DNA, fase M o di mitosi ovvero di divisione; tra queste ci sono le fasi G1 e G2 che fungono da check point, da controllo che tutto sia andato bene. Il ciclo cellulare è quindi il tempo che intercorre tra due mitosi, per la maggior parte del tempo del ciclo cellulare la cellula non si divide ma resta in interfase durante la quale troviamo un nucleo con della cromatina, durante la mitosi, invece, l’involucro cellulare si dissolve, la cromatina si condensa e forma i cromosomi.

Struttura e funzione del nucleo

Il nucleo generalmente segue la forma della cellula, seppur sempre di forma sferica, talvolta più o meno allungata; a volte però ha forma molto irregolare. Solitamente la cellula è mononucleata, ma può essere priva di nucleo come l’eritrocita che lo perde nelle sue fasi di differenziamento. Possono essere anche plurinucleate, secondo due meccanismi:

• Plasmodiale: Una cellula mononucleata va incontro a mitosi, divide il materiale genetico ma non svolge la citodieresi, quindi ottengo due nuclei in una sola cellula, esempio cellule a ombrello dell’urotelio.
• Sinciziale: Più cellule mononucleate si fondono insieme per formare un’unica struttura con più nuclei; elemento non si parla più di cellula ma di elemento, esempio le fibre muscolari striate scheletriche e l’osteoclasto.

Involucro nucleare

Il nucleo è separato dal citoplasma mediante l’involucro nucleare, composto da due membrane, una esterna che proviene dal RER ed è in continuità con esso quindi presenta i ribosomi, e una interna, appannaggio del nucleo, quindi è la membrana vera e propria; tra queste due si trovano dei pori nucleari rivestiti di proteine che permettono ai pori di rimanere pervi. È presente un nucleoscheletro che permette di mantenere la forma.

Contenuto del nucleo

All’interno troviamo una matrice che contiene il materiale genetico corredato di informazioni necessarie per la vita della cellula.