Citologia

Cenni sull'organizzazione generale

Principali costituenti chimici delle cellule e dei tessuti umani

Metodi di studio delle cellule e dei tessuti umani. Membrana plasmatica e trasporto. Reticolo endoplasmico. Ribosomi. Apparato di Golgi. Lisosomi. Traffico vescicolare. Esocitosi, fagocitosi ed endocitosi. Mitocondri. Citoscheletro. Nucleo. Matrice extracellulare. Comunicazione cellulare, recettori e trasduzione del segnale. Proliferazione, differenziamento e morte cellulare programmata.

Tessuti umani

Tessuto epiteliale. Tessuto connettivo. Tessuto adiposo. Tessuto cartilagineo. Tessuto osseo. Sangue e tessuto mieloide. Tessuto linfoide. Tessuto muscolare. Tessuto nervoso.

Sistema riproduttivo e sviluppo embrionale

Testicolo e spermatogenesi. Ovaio, ovogenesi e follicologenesi. Ciclo ovarico e ciclo uterino. Fecondazione. Morula, blastocisti e impianto. Sviluppo embrionale ed organogenesi. Annessi embrionali.

Definizione di cellula

La cellula è un’entità biologica separata dall’esterno mediante una membrana cellulare di natura lipidica.

Differenze tra cellula procariotica ed eucariotica

• Cellule procariotiche: Sprovviste di nucleo ed hanno il DNA libero nel citoplasma. Un esempio è il batterio, il DNA non è organizzato in cromosomi, ma è circolare. All'interno della cellula troviamo il citoplasma fluido dove sono contenuti i ribosomi, indice che fanno la sintesi proteica, inoltre ci sono dei sistemi di membrana interni, che però non rivestono gli organelli. I procarioti possiedono anche una parete cellulare.
• Cellule eucariotiche: Provviste di nucleo in cui è contenuto il materiale genetico, il DNA genomico è confinato all’interno dell’involucro nucleare. La cellula eucariotica più evoluta, all’interno ci sono sistemi di membrana che separano i microambienti, dividendo la cellula in vari compartimenti. Nei compartimenti, organelli, avvengono delle reazioni specifiche, quindi ognuno ha la sua funzione. Tutto quello che risiede tra la membrana plasmatica e le membrane interne è un fluido chiamato citosol. Le cellule eucariotiche si possono a loro volta classificare in:
• Cellule vegetali: Provviste di parete cellulare, cloroplasti e di un vacuolo centrale.
• Cellule animali: Sprovviste di parete cellulare, cloroplasti e vacuolo centrale.

Strumenti di osservazione

Fino a 0.2 mm si riesce a vedere una struttura anche ad occhio nudo. Il microscopio ottico utilizza la luce e ci permette di osservare le strutture fino a 200 nm (0.2 μm). Al di sotto abbiamo bisogno della microscopia elettronica, che utilizza un fascio di elettroni, e ci può permettere di osservare le strutture fino a 0.2 nm (quasi fino all’atomo).

Potere di risoluzione

Limite al di sotto del quale, due punti separati tra di loro, appaiono come uno solo.

Composizione chimica del protoplasma

In biologia, la sostanza vivente che costituisce la cellula; comprende il nucleoplasma e il citoplasma.

Acqua

• Costituisce dal 70 all’85 % degli organismi viventi.
• È disponibile nei tre stati: liquida, solida e gassosa.
• È il solvente delle unità biologiche.
• Tutte le reazioni metaboliche avvengono in acqua.
• A causa del suo calore specifico è un ottimo sistema termostatico.
• Comportandosi come un dipolo, si orienta attorno ai gruppi polari delle macromolecole. L’acqua ha pertanto un elevato potere di solvatazione.

La molecola d’acqua è un dipolo elettrico (contiene una parziale carica positiva e una parziale carica negativa). L’acqua forma ponti idrogeno: gli atomi di ossigeno di più molecole d’acqua interagiscono attraverso un atomo di idrogeno. Gli ioni e le molecole polari (cioè tutte le sostanze cariche o che possiedono una carica parziale) legano l’acqua mediante interazioni elettriche e pertanto sono dette sostanze idrofiliche o polari. 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 cariche) non interagiscono con l’acqua e pertanto sono dette sostanze idrofobiche o apolari, come gli acidi grassi. Risultano insolubili in acqua, che 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.

Ioni

• Na⁺ e K⁺: Importanti per le funzioni delle cellule, soprattutto quelle eccitabili (cellule nervose e cellule muscolari) che rispondono attraverso stimoli elettrici. Hanno una distribuzione diversa tra l’interno (K⁺) e l’esterno (Na⁺) che determina il potenziale di membrana e d’azione.
• Ca⁺⁺: Secondo messaggero, regola la funzione delle proteine calcio-dipendenti, induce la contrazione muscolare, regola la coagulazione.
• Cl^-: Bilancia la carica elettrica degli ioni positivi. Fosfati e bicarbonato invece sono usati dalla cellula come sistemi tamponi per mantenere l’equilibrio acido/base.

Componenti organici

Gli esseri viventi sono capaci di sintetizzare macromolecole 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) si associano a costruire molecole di dimensioni enormi per il chimico (pesi molecolari enormi) ma appena percettibili per il biologo. Le macromolecole sono in genere eteropolimeri, costituiti cioè da unità monomeriche differenti (4 nucleotidi per gli acidi nucleici; 20 amminoacidi per le proteine; diversi tipi di esosi o pentosi per i glucidi; La struttura degli eteropolimeri presenta vari livelli di complessità.

Carboidrati

Rappresentano le più importanti biomolecole e assolvono a diverse funzioni, soprattutto funzione energetica e di supporto. I monosaccaridi sono costituiti da carbonio, idrogeno e ossigeno in rapporto 1 carbonio 2 idrogeno 1 ossigeno con la formula empirica (CH₂O) con carbonio preso n volte. I monossacaridi formati da cinque o più atomi di carbonio possono presentarsi in struttura ciclica ad anello, ripiegandosi su stessi. La struttura ciclica è la struttura più rappresentata a livello cellulare. I monosaccaridi in natura possono esistere in forma isomerica. Due molecole con stessa formula chimica ma diversa struttura molecolare sono chiamate isomeri.

Disaccaridi e polissacaridi

I disaccaridi derivano dal legame di due monossacaridi mediante una reazione di condensazione. Il legame che unisce due monossacaridi che avviene mediante una liberazione di una molecola di H₂O è detto legame glicosidico. I dissacaridi più comuni sono: il maltosio derivato dalla condensazione di due molecole di glucosio, il saccarosio che contiene una molecola di glucosio e una di fruttosio ed il lattosio che contiene una molecola di glucosio ed una di galattosio.

I polissacaridi sono macromolecole costituite dal legame di numerosi monossacardi uniti insieme mediante reazioni di condensazione dette anche di polimerizzazione. I polisaccaridi più diffusi sono il glicogeno e la cellulosa. Il glicogeno è un polisaccaride altamente ramificato che può andare incontro a rapida sintesi o ad una rapida degradazione allo scopo di immagazzinare zuccheri di riserva o di rilasciare rapidamente glucosio a scopi energetici. È contenuto in grandi quantità nel fegato e nel tessuto muscolare striato. La cellulosa è un polisaccaride non ramificato composto da unità di glucosio unite da legami di tipo beta. La cellulosa rappresenta la fibra strutturale primaria delle pareti vegetali. I polisaccaridi sono ampiamente abbondanti anche sulle superfici cellulari, soprattutto nelle cellule animali. A livello delle membrane cellulari questi polisaccaridi di superficie sono legati sia a molecole proteiche sia a molecole lipidiche, contribuendo da un lato a mantenere le cellule animali in contatto tra di loro e, dall’altro, funzionando come sito di riconoscimento tra molecole diverse.

Ruolo dei carboidrati

• Sono substrati energetici dalla cui degradazione (glicolisi) derivano ATP e calore.
• Rappresentano una riserva di substrati energetici sotto forma di glicogeno nel regno animale e di amido nel regno vegetale.
• Si coniugano a proteine, nucleotidi e lipidi, entrando nella costituzione di macromolecole complesse.
• Formano i glicosaminoglicani e i protoglicani della matrice extracellulare.
• Concorrono a formare il glicocalice delle cellule.

Le proteine

Le proteine sono macromolecole biologiche ossia polimeri formati da una o più catene di monomeri chiamati amminoacidi. Un amminoacido è un composto chimico che contiene un gruppo amminico ed un gruppo carbossilico legato all’atomo di carbonio. Esistono in natura venti tipi di amminoacidi che differiscono solo per il gruppo R. Le differenze nei gruppi laterali conferiscono agli aminoacidi le proprie caratteristiche specifiche come la polarità o apolarità ed inoltre tra i gruppi polari alcuni si comportano come basi o come acidi. Le proprietà e le funzioni specifiche di una proteina dipende sia dal tipo di amminoacidi che la compongono sia dalla sequenza specifica degli stessi nella catena proteica.

Struttura delle proteine

Una proteina è una catena polipeptidica formata da tanti amminoacidi legati insieme da un legame covalente legame peptidico che deriva dalla condensazione di un gruppo amminico con un gruppo carbossilico. Le proteine possono mostrare quattro gradi di complessità strutturale.

• Struttura primaria: Determinata dalla specifica sequenza amminoacidica nella catena polipeptidica. La sequenza specifica degli amminoacidi determina la funzione specifica delle proteine. La sostituzione di un amminoacido con un altro può alterare la funzione proteica.
• Struttura secondaria: Determinata dalla particolare forma di ripiegamento nello spazio. Esistono due forme di struttura secondaria: l’alfa elica e il foglietto beta che sono conformazioni abbastanza stabili. Nell’alfa elica la catena polipeptidica si ripiega su stessa a formare una spirale destrorsa nella quale i gruppi laterali degli amminoacidi si protendono esternamente rispetto alla struttura centrale. Nel foglietto beta la catena amminoacidica si sviluppa a zig zag in un piano lineare.
• Struttura terziaria: La forma complessiva tridimensionale assunta da ciascuna proteina. La struttura tridimensionale è determinata e stabilizzata dalle interazioni e dai tra le catene laterali ad es:
  • Legami a idrogeno che si formano tra i gruppi R di alcune sub unità amminoacidiche.
  • Legami ionici tra i gruppi R carichi positivamente e quelli carichi negativamente.
  • Interazioni idrofobiche dovute alla tendenza dei gruppi R apolari a disporsi all’interno della struttura globulare lontano dall’acqua circostante.
  • Legami covalenti, noti come ponti disolfuro (S-S) che legano gli atomi di zolfo di due unità di cisteina.
• Struttura quaternaria: Deriva dalle interazioni tra più polipeptidi. Alla stabilizzazione della struttura quaternaria contribuiscono legami idrogeno, legami ionici, interazioni idrofobiche e ponti disolfuro. Esempi di proteine con strutture quaternarie sono il collagene (formato da 3 subunità) e l’emoglobina (formata da 4 subunità).

Gruppo prostetico

È un gruppo non proteico, si può trovare nelle strutture quaternarie delle proteine, ad esempio nell’emoglobina troviamo quattro gruppi eme, che sono gruppi prostetici. Cambiamenti della struttura tridimensionale di una proteina possono alterare la sua attività biologica. Un eccesso di calore, un significativo cambiamento di pH o prodotti chimici possono rompere i ponti idrogeno o le interazioni che stabilizzano la conformazione terziaria della proteina. La proteina viene aperta e perde la sua funzione biologica. Il cambiamento di conformazione e la conseguente perdita di attività biologica della proteina vengono definite denaturazione.

Proteine anfipatiche

Composti in cui ci sono porzioni cariche o polari e porzioni apolari. Alcune proteine anfipatiche possono inserirsi all’interno della membrana plasmatica, rivolgendole porzioni polari verso l’acqua e le porzioni apolari interagiscono con i fosfolipidi della membrana plasmatica.

Glicoproteine e lipoproteine

• Glicoproteine: Proteine + glicidi (molti recettori di membrana sono glicosilati).
• Lipoproteine: Proteine + lipidi (strutture che trasportano il colesterolo).

Funzioni delle proteine

• Strutturali: Costituiscono la struttura delle cellule e della matrice extracellulare. Un esempio sono le proteine del citoscheletro, che sono proteine filamentose e costituiscono la struttura della cellula.
• Recettoriali: Trasmettono i segnali di regolazione cellulare, legano i ligandi. I recettori sono stimolati da ligandi chiamati agonisti ed inibiti da molecole chiamate antagonisti.
• Di trasporto: Sono proteine con struttura quaternaria che trasportano ioni o molecole. Solitamente sono proteine transmembrana.
• Enzimatiche: Catalizzano reazioni chimiche. Sono altamente regolati. L’enzima è composto da un sito attivo specifico per un determinato substrato. Quando il substrato si lega all’enzima, questo catalizza una particolare reazione chimica. Al termine di questo processo, il substrato perde la sua complementarietà per l’enzima e si stacca. Successivamente l’enzima torna alla sua conformazione originale.

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono macromolecole biologiche ossia polimeri costituiti dal legame di unità base detti nucleotidi. I nucleotidi sono formati da una base azotata, uno zucchero a cinque atomi di carbonio con struttura ciclica e da uno a tre gruppi fosfati.

Classi di basi azotate

• Purine: Composte da due anelli molecolari contenenti carbonio ed azoto.
• Pirimidine: Hanno un singolo anello di carbonio e azoto come uracile, timina e citosina.

Nei nucleotidi la base azotata è legata covalentemente ad un pentoso che può essere il ribosio o il desossiribosio. Il ribosio è presente nel RNA, il desossiribosio è presente nel DNA. Gli acidi nucleici DNA ed RNA sono catene polinucleotidiche in cui un nucleotide è legato al nucleotide successivo tramite un gruppo fosfato che funziona da ponte tra il carbonio 5’ del primo zucchero ed il carbonio 3’ dello zucchero che segue nella catena con un legame detto fosfodiesterico. Ogni nucleotide della catena del DNA è composto dallo zucchero desossiribosio e da una delle quattro basi A, T, G o C. Ogni nucleotide della catena di RNA contiene ribosio ed una delle quattro basi A, U, G e C.

I lipidi

I lipidi sono biomolecole insolubili in acqua, ma solubili in solventi apolari come acetone e cloroformio. La loro insolubilità in acqua è alla base della loro capacità di formare membrane cellulari che delimitano la membrana dall’ambiente esterno e i compartimenti interni. Inoltre i lipidi sono immagazzinati all’interno della cellula e utilizzati come fonte di energia. Gli acidi grassi sono composti da una singola catena idrocarburica che presenta un gruppo carbossilico (-COOH) ad una estremità. Il gruppo carbossilico fornisce agli acidi grassi le loro proprietà acide. La catena idrocarburica degli acidi grassi è costituita da 4 o più atomi di carbonio fino a 14-22 atomi di carbonio. Solo le catene degli acidi grassi più corte sono idrosolubili. Man mano che la lunghezza della catena idrocarburica aumenta diminuisce la solubilità in acqua degli acidi grassi, che diventano sempre più oleosi.

Classificazione degli acidi grassi

• Saturi: Caratterizzati dall’avere solo legami singoli tra i vari carboni della catena rendendo la molecola lineare, sono composti rigidi che a temperatura ambiente sono solidi.
• Insaturi: Presentano uno o più doppi legami tra gli atomi di carbonio, che rendono la molecola flessibile in prossimità dei doppi legami con riduzione del numero degli atomi di idrogeno, sono composti che a temperatura ambiente sono liquidi.

Trigliceridi

La sintesi dei trigliceridi avviene mediante condensazione di una molecola di glicerolo con tre acidi grassi e con liberazione di molecole di acqua. La molecola di glicerolo che forma la struttura portante dei lipidi porta tre gruppi ossidrilici OH a cui gli acidi grassi possono legarsi. Il glicerolo è un sostanza polare, solubile in acqua e ha le proprietà dell’alcool. Se ad ognuno dei tre gruppi OH si lega un acido grasso mediante una reazione di condensazione, tutti i gruppi polari vengono eliminati e si genera una molecola apolare conosciuta con il nome di trigliceridi. I trigliceridi sono la riserva energetica immagazzinata nelle cellule adipose.

Fosfolipidi

I fosfolipidi sono lipidi che contengono un gruppo fosfato. I fosfolipidi costituiscono la struttura base della membrana plasmatica. I fosfolipidi sono formati da un glicerolo con due siti di legame legati ad acidi grassi ed un sito legato ad un gruppo fosfato che a sua volta si può agganciare a un altro gruppo, come la colina, che rende questo complesso polare. Pertanto l’estremità della molecola che contiene gli acidi grassi è apolare e idrofobica mentre l’estremità recante il gruppo fosfato è polare e idrofilica. In ambienti polari come soluzioni acquose i fosfolipidi si organizzano a formare strutture in cui le teste polari vengono esposte all’ambiente acquoso mentre le estremità apolari si raggruppano a formare strutture che escludono la presenza dell’acqua.