Appunti Citologia e istologia

VENTESIMA LEZIONE: 13/11/2023

L’ultima lezione abbiamo visto la trasmissione dell’impulso nervoso lungo gli

assoni a partire dal singolo pirenoforo e oggi vediamo cosa avviene

all’estremità dell’assone.

L’impulso nervoso è trasmesso da cellula a cellula a livello di siti

specializzati di contatto: le sinapsi. La maggior parte

dei neuroni nei mammiferi instaura delle sinapsi di

tipo chimico, ovvero collegamenti di trasporto

dell’impulso nervoso che non presentano un vero e

proprio contatto, ma è più semplice definirlo come una

stretta vicinanza tra membrane che può portare al

trasporto dell’informazione; altri tipi di sinapsi

instaurano invece un vero e proprio contatto diretto

tra citoplasmi di cellule nervose adiacenti e queste

vengono definite sinapsi elettriche (o di tipo

elettrico).

Parlando sempre delle sinapsi chimiche, esse funzionano attraverso bottoni

sinaptici, ovvero i siti che maggiormente si avvicinano alla cellula (nervosa,

secernente, muscolare o sensoriale che essa sia) a cui deve essere trasmesso

l’impulso. Nel bottone sinaptico vi sono tantissime vescicole sinaptiche,

delimitate da membrana e contenenti una sostanza liquida chiamato

neurotrasmettitore; esse si ammassano nel terminale del bottone sinaptico,

il quale si trova molto vicino alla membrana di un’altra cellula (lo spazio interno

tra le 2 cellule si chiama

fessura sinaptica ed è

largo circa 20-50 nm), e

trasmettono la

variazione di potenziale

(potenziale d’azione)

proprio grazie ai

neurotrasmettitori.

Quando il segnale

elettrico arriva al livello della membrana pre-sinaptica del bottone sinaptico

(ovvero la membrana della cellula che fornisce l’impulso), cominciano ad aprirsi

dei canali a controllo voltaico (canali per gli ioni Ca ), facendo così entrare

2+

dall’esterno degli ioni Ca (essi riescono ad entrare facilmente proprio grazie al

2+

fatto che esternamente la concentrazione è di tre ordini di grandezza più

grande dell’interno). Grazie quindi a questo spostamento di ioni, le vescicole

sinaptiche riescono a fondere la loro membrana con quella del bottone

sinaptico (membrana pre-sinaptica) e le molecole di neurotrasmettitore

vengono dunque esocitate ed espulse nella fessura sinaptica. A questo punto,

nella membrana post-sinaptica (membrana della cellula che riceverà

l’impulso) sono presenti dei recettori in grado di rilevare il neurotrasmettitore e

di attivare delle proteine di trasporto a controllo di ligando, le quali si aprono

istantaneamente e avviano la depolarizzazione, ovvero l’ingresso di ioni nella

membrana post-sinaptica e la trasmissione del potenziale d’azione. Alla fine, il

neurotrasmettitore si scollega dalla proteina di trasporto a controllo di ligando e

può essere rimosso dalla fessura sinaptica in 3 maniere: esso può diffondere

all’esterno della fessura grazie all’intervento degli astrociti (usando un

gradiente di concentrazione), può essere riassorbito per pinocitosi dal bottone

sinaptico e stipato come vescicola oppure può essere idrolizzato attraverso

degli enzimi localizzati sulla fessura sinaptica.

Esistono 2 tipi principali di neurotrasmettitori:

- NEUROTRASMETTITORI ECCITATORI: questi neurotrasmettitori sono in

grado di depolarizzare la cellula post-sinaptica (attivano la cellula

nervosa, fanno contrarre la cellula muscolare o secernere liquido la

cellula secernente) e di esempi abbiamo l’acetilcolina e il glutammato.

I loro recettori sono canali cationici (Na , K , Ca ) controllati da ligando;

+ + 2+

- NEUROTRASMETTITORI INIBITORI: questi neurotrasmettitori sono in

grado di iperpolarizzare la cellula post-sinaptica, abbassando la

probabilità che nella cellula post-sinaptica si generi un potenziale

d’azione (controllano e abbassano l’attività di cellule nervose, muscolari

e secernenti) e di esempi abbiamo l’acido e la

-amminobutirrico

glicina.

Una sinapsi abbastanza comune è la giunzione o

sinapsi neuromuscolare o placca motrice,

ovvero una sinapsi chimica specializzata che si

stabilisce tra un neurone e una cellula muscolare

striata scheletrica. In questo tipo di sinapsi è

visibile l’assone che sfiocca in molteplici

terminali assonici, con tanto di bottoni sinaptici e

collegamenti utili per la trasmissione della

variazione di potenziale.

Il recettore dell’acetilcolina, presente in questo tipo di giunzioni, è una

struttura che tiene aperto il canale (facendo in particolare entrare Na ) finché

+

la concentrazione del neurotrasmettitore non si è sufficientemente abbassata

per idrolisi da parte dell’enzima acetilcolinesterasi, posto nello spazio

intersinaptico della giunzione neuromuscolare. Alcuni insetticidi si basano

proprio sull’attivare permanentemente l’acetilcolinesterasi, obbligando la

cellula muscolare ad una continua contrazione e impedendo così la

respirazione cellulare.

SISTEMA DI ENDOMEMBRANE

La sintesi di quasi tutte le proteine inizia sui ribosomi del citosol; il loro destino

successivo dipende dalla loro sequenza amminoacidica, che può contenere

segnali di smistamento, i quali indicano dove quella particolare proteina

dovrà essere posizionata al fine di compiere il suo compito all’interno della

cellula, in grado di dirigere il trasporto di tali proteine in organelli o membrane

specifiche. I segnali di smistamento sono, a loro volta, riconosciuti in maniera

specifica da recettori di smistamento complementare. C’è da dire però

che la maggior parte delle proteine neosintetizzate non ha alcun segnale di

smistamento e quindi rimane permanentemente nel citosol, completando

dunque il suo intero percorso di vita all’interno del liquido citosolico.

Le proteine che presentano un segnale di smistamento per il nucleo o per vari

organelli interni della cellula, ovvero mitocondri, perossisomi, cloroplasti e altri

plastidi, vengono completamente sintetizzate dai ribosomi citosolici assieme a

quelle che non hanno segnale, mentre quelle che hanno dei segnali di

smistamento differenti vengono trasportate durante la loro sintetizzazione

verso il reticolo endoplasmatico ruvido e posizionate (a concludere la loro

sintetizzazione) nelle cisterne di questa struttura intracellulare. Finita la

sintetizzazione, le proteine vengono impacchettate in vescicole che fuoriescono

dalle cisterne del RER e si dirigono verso l’apparato di Golgi, il quale

modificherà le proteine per il tipo di compito che avranno e, sempre per

gemmazione, le invierà verso la loro destinazione finale. Questa ultima

destinazione può essere direttamente l’apparato di Golgi, la matrice

extracellulare (trasportate da vescicole di secrezione), enzimi (trasportati

dai lisosomi, organelli digestivi delle cellule animali) e altre proteine che si

inseriranno poi nella membrana plasmatica. Le vescicole che manderanno

proteine verso l’esterno della membrana si fonderanno poi con la membrana

plasmatica della cellula stessa.

TUTTE LE PROTEINE PRESENTI NEL NUCLEO SONO TUTTE SINTETIZZATE DAI

RIBOSOMI E DAI POLIROBOSOMI CITOSOLICI.

Le proteine che possiedono un segnale di smistamento sono trasportate alla

loro destinazione attraverso 3 differenti meccanismi:

1-TRASPORTO ATTRAVERSO PORI NUCLEARI

I pori nucleari funzionano come barriere selettive

che permettono il trasporto attivo di macromolecole

specifiche dal citosol esterno al liquido interno al

nucleo, senza ostacolare la diffusione semplice di

molecole più piccole (≤ 20-25 KDa). La quantità di

pori nucleari presenti nella cellula varia in base al

tipo di organismo e al tipo di metabolismo che in

quel preciso momento la cellula possiede (se è

quiescente potrebbe avere pochi pori nucleari,

mentre se è attiva metabolicamente potrebbe

averne molti di più). Le 2 membrane nucleari

(esterna e interna) hanno uno spazio tra le 2

chiamato spazio perinucleare ed esso è

direttamente connesso con le cisterne del RER (sarebbe più giusto dire che il

reticolo endoplasmatico ruvido è

direttamente connesso con la

membrana nucleare esterna, a

cui sono legati diversi ribosomi).

A ridosso della membrana nucleare interna si trova la lamina nucleare,

struttura citoscheletrica formata da un reticolo di strutture filamentose presenti

nella superficie interna della membrana luminale del nucleo.

Nel poro si trova il complesso del poro nucleare (NPC), ovvero varie

proteine di diverso tipo che si dispongono a simmetria ottamerica. Queste

proteine sono chiamate colonnari, le quali si dispongono perpendicolarmente

alla membrana e delimitano il poro; a queste si collegano altre proteine di tipo

globulare, che si associano al versante o citosolico o nucleare del poro, e altre

ancora di ancoraggio, le quali agganciano il complesso del poro nucleare alla

membrana. Dalle proteine citosoliche globulari si allungano altre proteine

fibrose che formano delle fibrille, le quali ondeggiano nel citosol, da quelle

globulari del nucleoplasma invece fuoriescono

altre proteine che non si muovono e sono

bloccate da una struttura ad anello (il

cosiddetto canestro). Tra il centro

trasportatore, il quale regola il trasporto

attivo delle macromolecole attraverso il poro

nucleare, e il perimetro del poro ci sono sottili

canali idrofili sempre aperti attraverso cui

diffondono liberamente piccole molecole.

La lamina nucleare, ovvero un reticolo

bidimensionale che contribuisce sia al sostegno dell’involucro nucleare sia

all’organizzazione e distribuzione della cromatina (territori cromosomici), è

formata da delle lamìne nucleari, ovvero delle particolari proteine

citoscheletriche appartenenti al gruppo V dei filamenti intermedi, e contiene

diverse proteine integrali che causano interazioni utili al fine di svolgere

quelle funzioni, citate sopra, che normalmente la lamina nucleare deve portare

a termine.

Nelle cellule animali, ciascun complesso del poro nucleare ha un diametro

esterno di circa 120 nm, una massa molecolare stimata di circa 125 milioni di

Da ed è composto da circa 30 proteine diverse chiamate nucleoporine,

presenti in copie multiple e disposte in una perfetta

simmetria ottagonale.

All’interno del poro ci sono delle maglie formate da

catene polipeptidiche chiamate reticolo o groviglio di

maglie, in grado di impedire a determinate

macromolecole di grosse dimensione di entrare all’interno

del nucleo (i canali idrofili interni si formano proprio tra le

maglie di questo groviglio). Le maglie si possono dilatare

quando devono essere trasportate attivamente particolari

strutture molecolari. Per diffusione semplice possono

passare solo molecole idrosolubili che non abbiano una

massa maggiore ai 20-25 KDa.

Sono trasportate attivamente dal citosol al nucleo proteine istoniche e

non istoniche, proteine per la sintetizzazione, trascrizione, riparazione

e regolazione del DNA, mentre vengono fatti fuoriuscire tutti i tipi di

RNA (mRNA, tRNA e rRNA).

Questi tipi di trasporto sono tutti di tipologia attiva e solo per quanto riguarda

alcuni nucleosidi, molecole piccole e acqua vi è una diffusione semplice. Il

recettore di importazione nucleare citosolico (importina) si lega al segnale di

localizzazione nucleare sulla proteina destinata al nucleo, il

complesso è guidato attraverso il poro dalle fibrille

citosoliche e il recettore con la proteina da importare

penetra nel nucleo, rilascia la proteina e poi torna nel

citoplasma. Questo tipo di processo consuma energia

(processo endoergonico) che è fornita dall’idrolisi di GTP

in GDP, catalizzata da una proteina chiamata Ran. Le

fibrille del poro che si muovono riescono ad incanalare il

complesso di importina e proteina, il groviglio si dilata e

permette l’entrata del complesso. Dopo aver fatto entrare

la proteina, l’importina riacquisisce un gruppo fosfato

(diventa di nuovo RanGTP e il tutto fa sganciare la proteina

dall’importina) e fuoriesce da un altro poro. Le esportine

invece svolgono lo stesso identico processo, solo che loro

reagendo con RanGTP acquisiscono la proteina, mentre

reagendo con RanGDP la rilasciano e ne permettono la

fuoriuscita dal nucleo.

Le grosse strutture che passano attraverso i complessi del

poro lo fanno senza variare la loro conformazione durante il viaggio.

2-TRASPORTO TRANSMEMBRANA CON TRASLOCATORI PROTEICI

Per entrare nel RER, nei mitocondri, nei perossisomi e

nei plastidi delle cellule vegetali attraverso

traslocatori proteici, le proteine devono cambiare

conformazione e distendersi, per poi riprendere la

loro conformazione nativa una volta raggiunta la

destinazione finale. Organelli in cui le proteine devono

essere trasferite in questo modo

sono i mitocondri: grazie al loro

genoma autonomo, i

mitocondri, assieme ai cloroplasti

e ai plastidi delle cellule vegetali,

sono in grado di sintetizzare circa

l’1% delle loro proteine (il restante 99% è sintetizzato nel

citosol e poi importato in questi organuli). Il mitocondrio di

per sé possiede 2 membrane, una esterna, più

permeabile, e una interna, più selettiva, e uno spazio tra

le 2 (intermembrana). I precursori delle proteine

mitocondriali non si ripiegano nelle loro strutture native

dopo essere stati sintetizzati nel citosol, ma rimangono distesi grazie

all’interazione con proteine chaperone (famiglia Hsp70) e con proteine

specifiche per i precursori mitocondriali, che si legano alle loro sequenze

segnale.

VENTUNESIMA LEZIONE: 14/11/2023 �

MITOCONDRI

Stavamo parlando di come vengono trasportate le proteine all’interno dei

mitocondri. I mitocondri hanno tutti gli enzimi necessari per la replicazione,

la trascrizione e la traduzione del loro DNA e quindi possono riprodurre l’1%

delle loro proteine, il restante quantitativo viene riprodotto dal resto

dell’organismo. Al fine di far entrare le catene polipeptidiche nei mitocondri, le

proteine chaperone citosoliche

modificano la proteina rendendola lineare e

collegandola ad un recettore associato al

traslocatore esterno di membrana,

chiamato anche TOM. Quando il

traslocatore sulla membrana esterna si

trasferisce sulla membrana al fine di essere

in corrispondenza di un traslocatore della

membrana interna, il traslocatore interno,

chiamato TIM23, crea un sito di contatto

con il traslocatore esterno e fa fluire

all’interno della matrice mitocondriale la

proteina interessata con la sequenza

amminoacidica di smistamento, ovvero la

sequenza che indicava il punto in cui quella

specifica proteina doveva recarsi nella

cellula. All’interno della matrice mitocondriale poi la proteina riprenderà la sua

conformazione nativa grazie alle Hsp70 e Hsp60 e perderà la sequenza di

smistamento. La traslocazione delle proteine attraverso la membrana

mitocondriale è mediata da complessi proteici multisubunità detti canali di

traslocazione: qua si parla di TOM e di TIM, ma non sono le uniche proteine

che intervengono nel trasporto delle proteine all’interno e all’esterno

dell’organello mitocondriale, ve ne sono molte altre. Inoltre, in base a dove

dovranno svolgere la loro funzione, le proteine vengono traslocate da diverse

strutture di trasporto (traslocatori) presenti sulla membrana intracellulare.

RETICOLO ENDOPLASMATICO RE

Il reticolo endoplasmatico rappresenta il

sistema di endomembrane più esteso delle cellule

eucariotiche, costituito da 2 componenti continue

l’una nell’altra e che varia di dimensioni a seconda del tipo di cellula. Le 2

effettive parti sono:

RETICOLO ENDOPLASMATICO RUVIDO: un reticolo costituito da una

serie di cisterne appiattite collegate le une alle altre (in realtà la porzione

più interna di queste cisterne è in continuità con la membrana nucleare

esterna) e sulle sue membrane sono associati ribosomi e poliribosomi

(collegati sempre grazie alla subunità maggiore, quella minore è sempre

rivolta verso il citosol).

- RETICOLO ENDOPLASMATICO LISCIO: un reticolo in continuità,

come già detto, con il RER, sempre costituito da piccole cisterne

appiattite, ma assente di tutti i ribosomi che invece sono presenti

sull’altra parte del reticolo endoplasmatico.

RETICOLO ENDOPLASMATICO LISCIO

Le principali funzioni del REL riguardano:

- SINTESI DEI FOSFOLIPIDI: esso

sintetizza i fosfolipidi delle

membrane biologiche di tutta la

cellula, creati da particolari enzimi

presenti nella membrana come

proteine integrali del REL e

distribuiti (i fosfolipidi) attraverso

vescicole che aumentano la

grandezza della membrana plasmatica e intracellulare (tranne la

propria membrana, la quale viene sintetizzata dal RER);

- SINTESI DEL COLESTEROLO: il quale viene principalmente

sintetizzato in epatociti;

- SINTESTI DEGLI ORMONI STEROIDEI: svolta da cellule endocrine

delle ghiandole surrenali (cortisolo) e delle gonadi (testosterone nei

testicoli ed estrogeni nelle ovaie);

- DETOSSIFICAZIONE DELLE SOSTANZE NOCIVE (per esempio alcol,

farmaci, droghe, insetticidi ed inquinanti): nel quale vengono eliminate

queste sostanze mediante reazione di idrossilazione, sempre negli

epatociti;

- METABOLISMO DEI CARBOIDRATI: azione che avviene soprattutto

sempre negli epatociti e in cui avviene la degradazione del glicogeno

(o ovviamente la sua formazione nel caso si ha del glicogeno in

eccesso);

- IMMAGAZZINAMENTO DEL CALCIO: azione svolta nelle cellule

muscolari striate scheletriche e cardiache, sorta al fine di dare l’avvio

alla contrazione muscolare. Proprio qua dentro vengono trasferiti ioni

calcio attraverso un trasporto attivo ATPasico che viene chiamata

calsequestrina (o la borsa o la vita!!!).

Per la sintesi dei fosfolipidi il REL collega 2 acidi grassi, legati al

CoA, con un glicerolo-3-fosfato, il quale porta alla formazione del

fosfolipide più semp