Appunti di biologia della cellula

Biologia della cellula

La cellula è l'unità funzionale più piccola degli esseri viventi. Le cellule si raggruppano per formare i tessuti; essi sono, infatti, costituiti dall'unione di cellule e dai loro prodotti metabolici.

Il concetto di cellula è nato a metà del 1600 grazie al fisico inglese Robert Hooke che osservò al microscopio delle sottili fette di sughero individuando delle piccole strutture distinte simili a piccole celle. L'invenzione del microscopio ha permesso, quindi, di identificare e descrivere piccoli oggetti non visibili ad occhio nudo.

Teoria cellulare

La teoria cellulare, elaborata nel corso del 1800 da Schwann e Schleiden, afferma che:

• Tutti gli organismi sono costituiti da cellule
• La cellula rappresenta l'unità organizzativa di base di tutti gli organismi viventi
• Ogni cellula deriva da una cellula preesistente (Virchow)

Tutti gli organismi hanno quindi una base comune; da un'unica cellula (chiamata procariote ancestrale) comparsa 3,5 miliardi di anni fa, si sono evolute tutte le altre cellule che, fondamentalmente, si sono divise in due tipi principali:

• Cellula procariote: cellula più semplice in cui il DNA non è separato dal materiale cellulare ma mescolato ad esso. Le cellule procariote comprendono batteri e archea; questi ultimi riescono a vivere in condizioni estreme e sono detti anche archeobatteri.
• Cellula eucariote: cellula più sviluppata che presenta un nucleo ben definito e delimitato da un involucro nucleare; il nome deriva dal greco eu=migliore e carios=nucleo.

Differenze tra cellule procariote e eucariote

Entrambe le cellule sono delimitate da una membrana plasmatica; tuttavia, mentre nella cellula procariote vi è un solo sistema di membrane, la cellula eucariote ha più sistemi di membrane che consentono di compartimentalizzare gli spazi interni in base alle funzioni da svolgere. Negli eucarioti, gli organuli cellulari sono delimitati dalle membrane all'interno della cellula mentre nei procarioti vi è solo la membrana plasmatica.

Le cellule procariote sono molto più piccole rispetto a quelle eucariote, hanno diametro più o meno di 1/2 µm, mentre quelle eucariote di circa 20 µm. Nelle cellule eucariote vi sono numerosi organuli, i mitocondri, il reticolo endoplasmatico e il nucleo è separato dal citoplasma da una membrana, mentre nei procarioti le molecole del DNA sono immerse all'interno del materiale cellulare: si parla non di nucleo ma di nucleoide; in questo modo le informazioni genetiche sono utilizzate più rapidamente. La molecola di DNA nei procarioti è chiusa ad anello mentre negli eucarioti ha forma lineare; inoltre, nelle cellule eucariote il DNA è sempre associato a delle proteine chiamate istoni, nei procarioti no. Sia i procarioti che gli eucarioti possono avere molecole di RNA oltre che quelle di DNA.

Nei procarioti la quantità di DNA è molto inferiore rispetto a quella degli eucarioti: infatti, le funzioni cellulari sono semplificate. I procarioti si moltiplicano molto rapidamente senza interrompere le loro attività metaboliche; gli eucarioti, invece, mentre si dividono interrompono le loro attività. Le cellule eucariote hanno funzioni molto più complesse di quelle procariote, sintetizzano grosse molecole e il loro metabolismo è sempre di tipo aerobio mentre esistono anche procarioti anaerobi.

Nei procarioti non vi è il differenziamento delle cellule, esse non si associano tra loro, al massimo possono formare delle colonne in cui le cellule sono attaccate le une alle altre però ogni cellula è indipendente dalle altre. Tutte le cellule eucariote di un organismo complesso sono uguali ma esse utilizzano solo parti dell'informazione genetica e per questo assumono caratteristiche strutturali diverse tra loro; questo processo prende il nome di differenziamento.

I procarioti

I procarioti hanno una parete cellulare e i ribosomi; presentano, inoltre, appendici (flagelli) che consentono loro di muoversi. Presentano i mesosomi che sono propaggini (estensioni) della membrana plasmatica che svolgono la stessa funzione dei mitocondri e cioè contengono enzimi per la respirazione cellulare e la sintesi di ATP (il colesterolo non è presente nella cellula procariote). In alcuni procarioti ci possono essere alcune regioni specializzate della membrana, come nel caso dei batteri fotosintetici, però non vi sono specifici organuli (come i cloroplasti), né il citoscheletro.

Gli eucarioti

Le cellule eucariote sono le uniche cellule in grado di organizzarsi in tessuti. Il numero di molecole di DNA negli eucarioti è definito e, durante la divisione, esse si organizzano a formare i cromosomi. I nuclei di tutte le cellule di una determinata specie hanno lo stesso numero di cromosomi; le molecole di DNA (cromosomi) sono presenti come coppie di cromosomi uguali (omologhi): uno è di origine materna e uno paterna; di conseguenza, tutte le cellule sono diploidi perché hanno metà dei cromosomi di origine materna e metà di origine paterna. Lo zigote deriva dall'unione dei gameti maschile e femminile. Tutte le cellule di un organismo derivano dallo zigote e dalla fecondazione. Le cellule embrionali sono indifferenziate e si specializzano fino a formare tutti i tessuti.

Micoplasma: organismo unicellulare eucariote, è la più piccola cellula eucariote (0,2 µm); mentre le cellule eucariote più grosse sono quelle vegetali (50 µm). Tutta l'informazione che controlla il differenziamento dipende dalla diversa porzione di DNA che viene utilizzata in quel particolare tipo cellulare; il nucleo di una qualsiasi cellula, pertanto, contiene lo stesso DNA ma tipi diversi di cellule utilizzano parti diverse delle informazioni globali che contengono tutte le cellule; il resto delle informazioni è lasciato silente: i geni vengono inattivati. Le cellule embrionali totalmente indifferenziate sono totipotenti.

Esistono cellule senza nucleo? Sì, i globuli rossi sono cellule senza nucleo anche se in una fase del loro differenziamento l'avevano; esse sono estremamente specializzate per trasportare l'ossigeno attraverso l'emoglobina. I globuli rossi hanno una vita limitata e non si riproducono più.

Esistono cellule binucleate? Sì, le cellule dei villi coriali della placenta sono binucleate; se le cellule crescono smisuratamente in teoria dovrebbe scattare la divisione cellulare, tuttavia esistono cellule anche con più nuclei.

• Sincizio: grosso elemento istologico che ha tanti nuclei perché deriva dalla fusione di più cellule e delle loro rispettive membrane; ad esempio sono sincizi gli osteoclasti e le fibre muscolari striate scheletriche.
• Plasmodio: deriva dalla fusione di nuclei precedenti; si forma quando alla divisione nucleare non è seguita quella del citoplasma.

Le dimensioni di una cellula eucariote variano tra i 3 e i 30 µm.

Legge di Driesch

La dimensione delle cellule nei diversi organismi è costante indipendentemente dalla mole corporea; cellule del fegato di due mammiferi molto diversi hanno dimensioni confrontabili: quello che cambia è il numero di cellule. La diversa dimensione degli organismi dipende quindi dal diverso numero e non dal diverso volume di cellule.

Una cellula eucariote non può funzionare al di sotto di certe dimensioni (2 micrometri) perché non ci starebbero tutti gli organelli di cui necessita e il limite superiore (5 micrometri) deriva dalla necessità che il nucleo con il suo materiale genetico sia in grado di controllare tutte le attività del citoplasma; si calcola che la distanza massima dalla superficie cellulare sia tra i 15 e i 20 micrometri.

• Il rapporto nucleo/citoplasma tende ad essere costante per ogni tipo cellulare: se una cellula cresce, tendenzialmente si divide per ripristinare un corretto rapporto nucleo-citoplasmatico. Talvolta ci sono cellule che non si dividono ma il loro materiale genetico si duplica e, di conseguenza, ne risulta un numero di cromosomi multiplo rispetto al normale (sono poliploidi), oppure si può arrivare alla divisione del nucleo ma non a quella del citoplasma così la grossa cellula può avere più nuclei (fegato, cuore, intestino).
• Il rapporto volume/superficie tende ad essere costante. La membrana plasmatica separa la cellula dall'ambiente esterno e regola gli scambi; gli scambi sono efficaci per una distanza massima di 15 micrometri, più le cellule sono piccole e più gli scambi sono efficaci. La superficie degli scambi aumenta se un organismo, pur mantenendo costante il volume, si divide in cellule più piccole. Se si aumenta il volume, invece, la cellula rimane svantaggiata rispetto al rapporto volume/superficie; le cellule più piccole sono avvantaggiate e possono avere un metabolismo attivo. In individui di grossa mole corporea aumenta il numero non la grandezza delle cellule.

Tipologie di tessuti

In base alla capacità di dividersi e alla durata della divisione si distinguono i tessuti:

• Ad elementi labili: costituiti da popolazioni di cellule che si rinnovano per tutta la vita (ad esempio le cellule dell'epitelio e quelle del sangue che si rinnovano rapidamente). Esse seguono la legge di Driesch.
• Ad elementi stabili: costituiti da popolazioni cellulari che non si dividono per tutta la vita ma che smettono di proliferare al termine dell'accrescimento corporeo dell'individuo (ad esempio le cellule del tessuto muscolare, di quello osseo e di quello cartilagineo). Esse seguono la legge di Driesch.
• Ad elementi perenni: costituito esclusivamente dal tessuto nervoso in cui le cellule perdono la capacità di dividersi alla fine del periodo embrionale (anche se rimangono zone estremamente limitate nel sistema nervoso centrale che riescono ancora a dividersi). Per tutta la vita di un individuo il numero di cellule nervose è lo stesso, la proliferazione dei neuroblasti termina alla fine dello sviluppo embrionale, essi non aumentano di numero ma aumentano le loro dimensioni e le connessioni tra le cellule. Esse non seguono la legge di Driesch.

Tecniche e strumenti della biologia

Microscopio ottico: ci sono tre sistemi di lenti che costituiscono il microscopio ottico (condensatore, obiettivo e oculare). Nel microscopio ottico a luce trasmessa la luce attraversa l'oggetto, mentre nel microscopio ottico a luce riflessa, essa non attraversa l'oggetto. Nel microscopio ottico l'immagine finale è capovolta.

Il limite di risoluzione è la distanza minima a cui riusciamo a vedere due punti come distinti. Esso vale: ___0,61λ / n senθ: è l'apertura numerica della lente; più essa è alta e maggiore è la risoluzione.

L'obiettivo può essere a secco oppure ad immersione; nel secondo caso si inserisce tra il vetrino e l'oculare, acqua oppure olio arrivando così al massimo valore di apertura numerica: si avranno quindi limiti di risoluzione più bassi. Quando il raggio di luce passa attraverso due mezzi differenti è deviato secondo un indice di rifrazione; poiché l'olio ha lo stesso indice di rifrazione del vetro, nel caso dell'obiettivo ad immersione con l'utilizzo di olio i raggi non sono deviati ma entrano nell'obiettivo e contribuiscono alla formazione dell'oggetto, di conseguenza l'immagine è più definita.

Può avvenire una aberrazione cromatica, che consiste nel fatto che i raggi luminosi non vanno a fuoco sullo stesso piano; per essere corretta, devono essere costruiti sistemi di lenti per eliminare il difetto introdotto dalla prima lente. Gli obiettivi corretti per aberrazione cromatica vengono definiti ottica acromatica (per due lunghezze d'onda) e apocromatica (per tre lunghezze d'onda). Le aberrazioni possono anche essere compensate da oculari compensatori. La curvatura di campo, invece, consiste nel fatto che l'area periferica dell'oggetto osservato non coincide con quella centrale (si vede sfocato); l'ottica corretta per questo tipo di difetto è l'ottica planare.

L'importante non è l'ingrandimento ma il limite di risoluzione; per ingrandimento utile si intende che non serve ingrandire di molto se c'è un limite di osservazione basso. L'immagine è migliore quanto più è alto il valore di apertura numerica (limite di risoluzione basso); per un'immagine ottimale bisogna abbinare obiettivi forti con oculari più deboli.

Microscopio elettronico

Il microscopio elettronico usa un fascio di elettroni con lunghezza d'onda più bassa rispetto a quella della luce facendo aumentare, quindi, la risoluzione; la maggior parte degli organuli cellulari e delle grosse molecole può essere osservata con questo microscopio. Vi sono due tipi di microscopi elettronici:

• TEM: microscopio elettronico a trasmissione; si abbassa la lunghezza d'onda della luce e il fascio di elettroni tra l'anodo e il catodo viene accelerato: più è veloce il fascio e più è breve (λ=0,05 nm mentre la luce bianca=500 nm). Le sezioni devono essere molto più sottili perché l'oggetto viene attraversato dal fascio di elettroni. L'osservazione viene fatta su uno schermo o un sensore, ma deve essere tutto sottovuoto, se no gli elettroni vengono deviati; il limite è che non si possono osservare delle strutture viventi.
• SEM: microscopio elettronico a scansione; si osservano delle superfici poiché gli elettroni colpiscono la superficie dell'oggetto, vengono raccolti e poi viene ricostruita l'immagine di superficie; le immagini con questo microscopio sembrano tridimensionali anche se non lo sono.

Microscopio a contrasto di fase: serve per individuare meglio i dettagli; quando i raggi luminosi incontrano una struttura lievemente diversa, ad esempio attraversando una parte più densa, l'immagine subisce un lieve sfasamento di fase. La luce subisce uno sfasamento nell'attraversare sostanze biologiche; con il microscopio a contrasto di fase si riesce a separare il percorso di raggi che attraversano strutture con diversa densità (seppur lieve) da quelle che non l'attraversano. I raggi luminosi che attraversano le strutture cellulari subiscono due fenomeni: vengono rallentati e deviati; a monte dell'obiettivo vi è una lamina di fase che ritarda di ¼ di lunghezza d'onda i raggi che contribuiscono a creare l'immagine. Di conseguenza sono ritardati di ½ λ rispetto agli altri.

Microscopio a fluorescenza: nel microscopio a fluorescenza viene utilizzata luce ultravioletta a bassa lunghezza d'onda per eccitare gli elettroni. Esso è costituito da tre filtri; il primo blocca la luce di tutte le lunghezze d'onda che non servono per eccitare la fluorescenza. La seconda barriera è la lamina dicroica (o partitore cromatico o specchio) che riflette totalmente la luce al di sotto di una certa lunghezza d'onda e, invece, trasmette dentro l'obiettivo la luce con una lunghezza d'onda superiore che ha origine dal colorante fluorescente (ad esempio che colora un anticorpo). Il terzo filtro blocca la luce che non è stata emessa dal colorante fluorescente.

La fluorescenza è un fenomeno ottico legato al fatto che certe molecole vengono eccitate e che, poi, tendono a tornare allo stato originario perdendo energia sotto forma di energia luminosa. Il fenomeno dell'eccitazione è dato dal fatto che una luce di una certa λ eccita gli elettroni e poi questi cedono energia sotto forma di energia luminosa di una lunghezza d'onda maggiore rispetto a quella che ha eccitato gli elettroni. L'emissione di luce permane solo fino a che perdura l'eccitazione e, inoltre, questo fenomeno si attenua con il passare del tempo, mentre la fosforescenza continua anche se non vi è più l'eccitazione. I coloranti fluorescenti si sono diffusi con le tecniche di immunocitochimica con cui si riesce a determinare in un tessuto una determinata molecola. Esse si basano sull'uso di anticorpi che riconoscono in maniera specifica i loro antigeni; se si rendono visibili gli anticorpi che si legano agli antigeni allora si può individuare dove si trova l'antigene nel tessuto, poiché si legano agli anticorpi dei coloranti fluorescenti.

Microscopia confocale: vengono utilizzati coloranti fluorescenti e la luce laser; le immagini sono più nitide e dettagliate rispetto al microscopio a fluorescenza perché normalmente si osservano delle sezioni che hanno un certo spessore e, quindi, si ha la messa a fuoco di un solo piano per volta. Questo microscopio fa una scansione su più piani del tessuto e colloca le immagini a livelli diversi della sezione; di conseguenza, le immagini sono molto dettagliate e precise, poi il computer può ricostruire un'immagine che sommi i vari livelli.

Se le strutture sono sottili si possono osservare a fresco e utilizzare il contrasto di fase, se no si deve ricorrere alla tecnica dei preparati stabili; questa tecnica, tuttavia, ha come difetto che non è possibile seguire le modificazioni delle strutture cellulari nel corso del tempo perché la prima tappa è la fissazione.

• Fissazione: è la rapida uccisione delle cellule che consente, tuttavia, di conservare la loro morfologia. È necessario impedire l'autolisi: quando si preleva un organo da un organismo vengono liberati degli enzimi litici che hanno come effetto la rottura delle molecole e, di conseguenza, il tessuto va incontro ad autodistruzione; se non si interviene il materiale vivente è anche attaccato da batteri e funghi e va incontro a putrefazione. Quindi, la fissazione conferisce stabilità alle strutture e rende più facile la conservazione delle stesse.