Istologia generale

Citologia

Nome che deriva dall’aspetto delle prime cellule che furono osservate intorno al 700 quando furono messi a punto i primi strumenti capaci di approfondire l’architettura minuta di un tessuto, rivelando appunto che i tessuti viventi erano costituiti da subunità microscopiche, le cellule. Ci vollero i microscopi perché la dimensione media di una cellula eucariotica è al di sotto della capacità visiva dell’occhio umano, che può vedere al massimo la cellula uovo. Il termine deriva dallo studio dei tessuti vegetali che erano più semplici da preparare per l’osservazione microscopica. La struttura cellulare dei vegetali è particolarmente evidente, perché sono racchiusi all’interno di una capsula di cellulosa.

Funzioni della cellula

La cellula è l'unità più piccola capace di espletare tutte le funzioni della vita quali:

• Metabolismo: inteso come la capacità di sintetizzare elementi a partire da molecole più semplici (anabolismo) o dissociare le macromolecole in molecole più semplici (catabolismo).
• Irritabilità: capacità di percepire gli stimoli che provengono alla cellula e di reagire in modo congruo. Un protozoo come l’ameba che vive nelle acque stagnanti può percepire se nell’ambiente in cui vive vi sono nutrienti.
• Movimento attivo: non quello imposto dal moto irregolare dei fluidi in funzione della temperatura, ma quello operato dalle proteine actina e miosina, le quali interagendo tra loro possono compiere dei movimenti attivi.
• Riproduzione: ogni cellula grazie al fatto che può duplicare il proprio genoma e spartirlo durante la mitosi, può dare origine a una progenie di cellule.

Procarioti e eucarioti

Le cellule più semplici sono i procarioti, di cui fanno parte i batteri, che hanno un’architettura piuttosto semplificata:

• Hanno una parete cellulare, che è esterna e rigida e lo contiene.
• Una membrana che media gli scambi che avvengono dall’esterno verso l’interno e viceversa.
• All’interno è raccolto un solvente acquoso in cui sono disciolte molte sostanze come: ioni (responsabili dei fenomeni di irritabilità), piccole molecole, aggregati di macromolecole che possono assumere una struttura visibile al microscopio. Questi aggregati hanno funzioni specifiche e prendono il nome di organuli. Nella cellula procariote vi sono solo i ribosomi come organuli.
• All’interno del citoplasma vi è anche il genoma, sotto forma di un unico lungo cromosoma conformato ad anello.

Le cellule eucariote hanno un genoma racchiuso all’interno di un involucro nucleare, il genoma degli eucarioti non è un unico cromosoma anulare, ma è ripartito in un numero variabile a seconda della specie di cromosomi. Il citoplasma è molto più complesso perché non ha solo i ribosomi, ma possiede numerosi tipi di organuli che si spartiscono le funzioni della cellula. Oltre agli organuli ha altre strutture visibili al microscopio che però non svolgono funzioni indispensabili per la sopravvivenza della vita come invece è per gli organuli. Tutte le cellule di qualsiasi tessuto hanno tutte l’assortimento di organuli, mentre gli inclusi sono strutture presenti nella cellula in funzione del loro differenziamento.

Tutte le cellule derivano da un’unica cellula staminale totipotente che è il precursore di tutte, lo zigote, qui il genoma contiene tutti i geni necessari per fare tutto. Nel corso del differenziamento embrionale, le cellule si specializzano e acquisiscono le caratteristiche proprie del tessuto di cui andranno a fare parte. Di tutto il genoma selezionano di esprimere solo alcuni dei geni che hanno come patrimonio, quelli che codificano delle macromolecole che sono necessarie per svolgere la funzione che quella cellula dovrà avere una volta maturata. La forma che una cellula differenziata assume è la più adatta per lo svolgimento del suo compito. Alcune cellule specializzate per l’irritabilità sono quelle nervose che si raccordano tra loro anche a grande distanza per creare delle reti interneurali.

Microscopi e dimensioni cellulari

Gran parte delle cellule hanno dimensioni comprese tra i 10 e i 30 micrometri. I microscopi in laboratorio sono quelli ottici che usano la luce visibile per formare l’immagine. Tanto maggiore è la lunghezza d’onda, tanto minore è il livello di dettaglio che sono in grado di discriminare. La luce visibile ha lunghezza d’onda che va dai 400 nm del violetto fino ai 800 nm del rosso. Si possono discriminare dettagli che al massimo hanno dimensioni di 0,2 micrometri. Il microscopio elettronico è più potente, utilizza un fascio di elettroni che hanno una lunghezza d’onda così breve da riuscire a discriminare 2 atomi uniti da un legame covalente.

Membrana plasmatica

È costituita da una struttura portante che è un doppio strato di fosfolipidi, con un lato idrofilico che può formare legami ad idrogeno con l’acqua e un lato opposto idrofobico che sfugge l’acqua. Quando l’acqua predomina sui lipidi, quelli anfipatici si dispongono a formare delle lamine (doppio strato). Questa struttura lipidica è completata dall’aggiunta di proteine e carboidrati. Le proteine di membrana sono di due tipi: estrinseche sono polari e sono appoggiate alle teste idrofiliche dei lipidi, si distinguono in quelle del versante extracellulare e in quelle di quello citoplasmatico, e poi ci sono le proteine intrinseche o integrali che hanno una porzione più o meno ampia della loro superficie caratterizzata dalle presenza di amminoacidi idrofobici. Se questa proteina espone residui amminoacidici idrofobici, affonda nel doppio strato e stringe legami con la componente idrofobica dei lipidi e stabilizza in modo netto questa struttura. Le proteine di membrana non vanno viste come fisse in una posizione precisa, perché rispondono al modello del mosaico fluido, possono traslare sul doppio strato lipidico, perché questo alla temperatura corporea è fluido. Di solito queste traslazioni sono guidate dalle proteine contrattili che agganciano le proteine di membrana e le spostano. La capacità delle proteine di muoversi è cruciale per spiegare la permeabilità di membrana.

Ci sono anche degli zuccheri che fanno parte della faccia extracellulare, di solito sono sotto forma di oligosaccaridi (polimero ramificato costituito da monomeri di zucchero legati tra loro in modo covalente). Questi possono essere legati alle proteine di membrana che quindi diventano glicoproteine o ai lipidi che diventano glicolipidi. Al di sopra dello strato di oligosaccaridi vi sono lunghi polimeri zuccherini costituiti da centinaia di monomeri legati tra loro chiamati glicosaminoglicani (GAG). Sono formati da zuccheri esosi particolari. I carboni situati in posizione dispari sono ossidati, il carbonio diventa un carbossile, uno zucchero acido. I carboni in posizione pari hanno una modifica al carbonio 2, dove l’ossidrile è sostituito da un gruppo amminico, che a sua volta è legato ad un radicale acetile. Questo lungo polimero è un poli-anione, perché uno zucchero su due è uno zucchero acido. Sono zuccheri acidi anche quelli delle estremità degli oligosaccaridi. Tutte queste cariche negative presenti sulla superficie del plasmalemma hanno una funzione precisa che complimenta quella della membrana plasmatica stessa. Questo è il glicocalice (calice: mantello).

Trasporto transmembranale

La funzione di permeabilità selettiva è la più importante ed è affidata al plasmalemma. Ci sono delle sostanze che possono passare attraverso il plasmalemma perché possono dissolversi nei lipidi di membrana, ad esempio i gas respiratori che si muovono attraverso la membrana per diffusione (CO₂ e O₂). Anche determinate sostanze che hanno natura affine ai lipidi riescono a passare, ovvero gli ormoni steroidei. Tutte le altre sostanze compresa l’acqua che è dotata di una parziale carica positiva e negativa, non passano liberamente. Per far passare tutto ciò che è insolubile in ambiente lipidico, servono dei dispositivi. Si parla di trasporto passivo, non consuma energia ma funziona solo secondo gradiente. Il trasporto attivo fa passare attraverso la membrana sostanze contro gradiente, consumando ATP.

I dispositivi del trasporto passivo sono due:

• I canali formati da proteine che nel momento in cui si uniscono demarcano un canale idrofobico il cui calibro è compatibile con particolari tipi di ioni. I canali sono selettivi e modulabili, si formano al momento del bisogno ma se la cellula non ne ha più bisogno togliere le proteine che formano il canale e questo si dissolve.
• I trasportatori sono formati da più proteine intrinseche di membrana che unendosi insieme formano un recettore, cioè un complesso che riesce a connettersi in modo altamente specifico per complementarietà della forma, con un ligando. Il trasportatore è aperto verso un versante, il ligando, secondo gradiente, si lega nel sito di legame e ne causa il movimento, il trasportatore si ribalta e la molecola ligando viene rilasciata sul versante opposto. Ad esempio i GLUT sono specifici per il glucosio, sono quelli presenti in tutte le cellule, che consentono loro di prelevare il glucosio dal torrente circolatorio; portandolo nel proprio citoplasma lo utilizzeranno per la glicolisi e per la respirazione cellulare, smantellandolo per produrre ATP.

Le molecole responsabili del trasporto attivo somigliano a trasportatori ma sono anche enzimi infatti si chiamano permeasi. La parte enzimatica è in grado di scindere l’ATP, caricandosi dell’energia necessaria per compiere azione contro gradiente. Le forza a passare nel versante del plasmalemma dove sono più concentrate. La sodio potassio permeasi è coinvolta nella genesi di uno squilibrio di concentrazione tra ioni sodio e ioni potassio che fa sì che sui due versanti vi sia una differenza di potenziale. Nelle cellule a riposo l’interno della membrana è caricato a -70 mV.

Possiamo avere macromolecole che vogliono passare attraverso la membrana. In questo caso, non potendo attraversare la membrana con gli altri metodi, il passaggio della macromolecola ha bisogno che l’intera macromolecola si muova, per consentire il passaggio su una scala dimensionale maggiore. Si parla di endocitosi quando le particelle devono entrare nel citoplasma dall’esterno. Si parla di esocitosi o di gemmazione quando le macromolecole devono fuoriuscire nell’ambiente extracellulare.

Endocitosi

Se vogliamo far entrare macromolecole accade che, grazie alle proteine contrattili, la membrana si deforma e in questo spazio si accumulano le macromolecole che devono essere internalizzate. Le proteine contrattili tirano e la particella sprofonda, fin quando i due margini si avvicinano, si toccano tra loro e, i due sistemi di membrana si fondono tra loro, separandosi. Al di sopra, la membrana plasmatica ricostituisce la sua superficie e una parte di membrana plasmatica si richiude su sé stessa a formare una vescicola di endocitosi, che racchiude la macromolecola.

Esistono tre forme di endocitosi. Quella che abbiamo descritto è la pinocitosi, avviene per le macromolecole che sono in fase fluida. Si formano vescicole di pinocitosi con contenuto liquido. Molto abili nel fare la pinocitosi sono le cellule endoteliali, che formano il rivestimento dei vasi sanguigni, grazie alla pinocitosi pescano le sostanze disciolte nel sangue e le trasferiscono sul versante opposto, nel tessuto. Un altro esempio di endocitosi è quella utilizzata dalle cellule della difesa. In questo caso parliamo di fagocitosi, attuata dai macrofagi. L’ultimo tipo di endocitosi è l’endocitosi mediata da recettore. Avviene grazie al fatto che, nella vescicola che si introflette, ci sono tanti recettori che sono in grado di scegliere tra tutte le macromolecole presenti nell’ambiente extracellulare i propri ligandi. Con un meccanismo di endocitosi mediata da recettori le cellule del midollo osseo, che fabbricano i nuovi globuli rossi, attirano le proteine che legano il ferro, per utilizzare il ferro per fabbricare le nuove molecole di emoglobina per fabbricare i nuovi eritrociti.

Esocitosi

L’esocitosi comincia da organuli membranosi interni, il più coinvolto è l’apparato di Golgi, che con la loro membrana formano vescicole che racchiudono particelle che devono essere espulse dalla cellula. All’interno del citoplasma abbiamo già una vescicola di esocitosi. La vescicola deve toccare il plasmalemma sul versante citoplasmatico, le due membrane si fondono, di modo che la membrana della vescicola di esocitosi si incorpora col plasmalemma e il contenuto esce. Distinguiamo un’esocitosi costitutiva, in cui le macromolecole vengono continuamente prodotte all’interno della cellula e un’esocitosi regolata. L’esocitosi regolata avviene al bisogno, quando la cellula riceve uno stimolo preciso. È tipica dei tessuti ghiandolari.

Le ghiandole sono degli aggregati di cellule, di natura epiteliale, che sintetizzano e liberano all’esterno sostanze specifiche con una funzione precisa. Un esempio: nel nostro apparato digerente abbiamo il pancreas, le cui cellule ghiandolari producono tutti gli enzimi digestivi, che consentono il degradamento del cibo nelle molecole fondamentali per l’anabolismo. Gli enzimi pancreatici si accumulano all’interno delle cellule ghiandolari, si formano granuli di secrezione pronti per l’esocitosi, che vengono esocitati quando a livello dell’intestino arriva il cibo.

Gemmazione

Il materiale che deve essere espulso si accumula nel cortex, il citoplasma periferico. Il plasmalemma si estroflette, si allunga, si peduncolizza, la membrana del peduncolo si tocca e si riassesta. L’intera membrana che formava la gemma si distacca dal plasmalemma e il plasmalemma gli si richiude sotto. Mediante questa modalità le parti secernenti della ghiandola mammaria funziona durante l’allattamento. Nel latte abbiamo una ricca componente di fosfolipidi da membrana, che il neonato può utilizzare per formare le membrane plasmatiche degli organuli delle sue cellule.

Organuli cellulari

Possiamo distinguerli a seconda della loro morfologia. Alcuni li ritroviamo sotto forma di particelle macromolecolari e i più diffusi sono i ribosomi. Esistono organuli membranosi e filamentosi.

Ribosomi

Se osservati all’interno del citoplasma, quando sono in funzione si parla di poliribosomi: cioè un filamento di mRNA, che comprende tutti i ribosomi che si allineano lungo l’intera sua lunghezza nei differenti stadi della traduzione. È costituito da una subunità minore e una maggiore. Si differenzia morfologicamente a seconda della lunghezza del messaggero:

• Forma a rosetta: se il messaggero è più corto quindi le proteine codificate sono più piccole.
• Forma a spirale: messaggero più lungo e proteine codificate più grandi.

Tipologia poliribosomi

Alcuni si trovano liberi nel citoplasma e le proteine che questi generano sono destinate a rimanere nello stesso microambiente. L’mRNA viene tradotto in proteine:

• Citosoliche, che rimangono libere nel citoplasma.
• Nucleari/mitocondriali, che raggiungono il nucleo o mitocondri.
• Estrinseche del versante intracellulare del citoplasma.

Altri sono di tipo membranoso, che forniscono uno strato in più di protezione e garantiscono una disposizione funzionale degli enzimi per sintetizzare le proteine o quelli sfruttati dagli altri organuli.

Reticolo endoplasmatico

È il più esteso degli organuli membranosi, è formato da una serie di cavità delimitate da membrana e sono tutte intercomunicanti tra loro.

RER

Caratterizzato da membrane che marcano strutture appiattite e molto estese, dette cisterne. Sulla superficie delle cisterne (che guarda verso lo ialoplasma) si appoggiano i poliribosomi. È detto ruvido per la presenza dei poliribosomi.

Funzioni: coinvolto nella sintesi di proteine (proteosintesi) e delle glicoproteine. Le proteine formate nel RER possono subire delle modificazioni post-traduzionali (es. aggiunta di residui zuccherini sulle proteine, che quindi le trasforma in glicoproteine). Le proteine che vengono sintetizzate sono in generale le proteine:

• Da asportazione.
• Proteine lisosomiali.
• Intrinseche, rimangono all’interno della membrana.
• Estrinseche del versante extracellulare del citoplasma, nascono sui poliribosomi del RER e queste vengono liberate all’interno e poi si riappoggiano sulla faccia interna delle cisterne.

REL

In continuità col RER, ma non presenta ribosomi. Le membrane sono conformate a una rete di tubuli anastomizzati tra loro, non da cisterne come il RER. Viene sfruttato dalle cellule differenziate per distribuire ordinatamente gli enzimi necessari per svolgere la loro funzione, per questo motivo il REL non svolge la stessa funzione in tutte le cellule (come invece fa il RER).

Funzioni:

• Detossificazione (fegato).
• Sintesi lipidica (surrene).
• Accumulo ioni Ca²⁺ (muscolo scheletrico o cardiaco), fondamentale per innescare la contrazione attiva.
• Glicogenolisi (fegato), mette da parte il glucosio in modo da esser sfruttato dagli organi nobili (cervello) quando siamo nel periodo di digiuno.

Apparato di Golgi

È un organulo membranoso, è più sviluppato nelle cellule metabolicamente più attive, è formato da una serie di cisterne distanziate tra loro e impilate l’una sull’altra, che nel loro insieme è chiamato dittiosoma. Le membrane delle cisterne della faccia CIS sono più sottili, mentre quelle della faccia TRANS sono più spesse.

Funzioni:

• Man mano che le proteine passano dalla faccia CIS alla TRANS, acquistano la loro forma finale (passando, quindi, dalla struttura primaria alla secondaria, alla terziaria, fino a raggiungere la quaternaria), passando di cisterna in cisterna. Attraversol’apparato di Golgi, quindi, si ha un continuo rimodellamento d