Appunti di Citologia

Citologia

La citologia è la scienza che studia struttura e funzioni delle cellule animali e vegetali.

Indice argomenti

• La struttura della cellula
• I componenti chimici delle cellule
• Uso dell’energia nella cellula
• Membrana plasmatica e trasporto di membrana
• Citoscheletro
• Matrice extracellulare
• Nucleo e nucleolo
• Duplicazione del DNA
• Trascrizione e traduzione
• Ciclo cellulare
• RE, Golgi, Lisosoma e perossisoma
• Metabolismo energetico e mitocondrio
• Apoptosi e necrosi

La struttura della cellula

Prima di affrontare l’argomento della cellula è necessario parlare di cosa è avvenuto prima.

Teoria cellulare

1836: tutte le piante sono costituite da cellule.

1839: tutti gli animali sono infatti costituiti da cellule.

1858: tutte le cellule derivano da cellule preesistenti.

Forme più semplici

Virus e batteriofagi sono i rappresentanti più semplici della sostanza vivente, invisibili o riconoscibili al microscopio ottico o elettronico.

La loro vita non è autonoma perché mancano della membrana plasmatica limitante.

I virus sono privi, nella maggior parte dei batteriofagi, di DNA. Il virus può avere acido nucleico: adenovirus, herpes virus e virus del vaiolo negli animali; virus della poliomielite, influenza e altri virus a RNA.

I virus possono essere presenti nelle piante, negli animali, in alcuni batteri e nei batteriofagi.

Cellule procariotiche

Cellule procariotiche: Karyon = nucleo; molte alghe e batteri.

• Esistenza autonoma
• Presenza di entrambi gli acidi nucleici: DNA e RNA
• Assenza di una membrana cromosomica
• Il DNA è libero nel protoplasma
• Struttura geneticamente ben organizzata
• DNA circolare, molecola unica, aploide, non associata ad altri componenti molecolari
• Privi di mitocondri, lisosomi, apparato mitotico, apparato di Golgi, RE ecc.

Protoplasma nel procariote

Il protoplasma della cellula procariote è costituito da peptidi legati a catene di glucosaminoglicani, macromolecole costituenti che proteggono.

È presente una membrana plasmatica di costituzione proteica stratificata, lipotripe, associata a una parete cellulare rigida di 10 nm.

I mesosomi sono piccole invaginazioni della membrana, chiamate anche mitocondri, associate agli enzimi della catena respiratoria.

Il nucleoide è una regione non chiara, non circoscritta da membrana, che contiene il DNA batterico ed è sede di sintesi.

Nel protoplasma sono inoltre formati ribosomi, unità che si riuniscono in gruppi, poliribosomi.

• Acqua
• Molecole di RNA e mRNA
• Molecole proteiche strutturali
• Piccole molecole

Cellula superiore eucariote

La cellula superiore eucariote presenta una struttura complessa, con suddivisione interna del protoplasma in compartimenti separati.

La porzione centrale contiene il nucleo, delimitato dall’involucro nucleare e dai nucleopori; la cromatina è presente nella parte periferica.

La membrana plasmatica avvolge e delimita il nucleo e contiene gli organuli, assenti nei procarioti.

Organismi unicellulari e pluricellulari

Gli organismi unicellulari, come i protozoi, sono cellule capaci di vivere indipendentemente in ambiente acquatico, marino, nel terreno umido e talora come parassiti di animali.

Gli organismi pluricellulari, metazoi e metafiti, comprendono tutti gli eucarioti pluricellulari; le cellule nel regno animale si associano a tessuti con caratteri morfologici e funzionali simili.

Le cellule dei tessuti animali possono costruire tessuti.

• Cellule muscolari: responsabili del movimento; esempio: cellule del tessuto muscolare interno del cuore.
• Cellule nervose: conducono segnali elettrici e controllano la contrazione muscolare.
• Cellule del connettivo: formano la matrice extracellulare, possono resistere a forze esterne e assorbire; esempio: tendini e dischi intervertebrali.

La chimica della cellula

Ripasso sui legami

Legami intra-molecolari forti e interazioni tra atomi portano alla formazione di molecole e anche di cristalli ionici.

Il legame covalente si forma tra atomi che hanno alto valore di elettronegatività. I legami covalenti non polari sono tra atomi identici.

I legami covalenti polari si formano tra atomi che devono avere una differenza di elettronegatività.

Il legame ionico avviene con una differenza di elettronegatività superiore a 1,9: trasferimento di elettroni dall’atomo meno elettronegativo a quello più elettronegativo; si formano un catione e un anione.

Il legame a idrogeno è un’interazione tra il polo di un dipolo e un atomo di idrogeno legato a un atomo fortemente elettronegativo; è debole ma importante nelle molecole di piccole dimensioni.

Componenti organici

Proteine

Le proteine, chiamate così da Mulder e Berzelius, possono essere semplici o coniugate.

Le proteine coniugate comprendono lipoproteine, glicoproteine, nucleoproteine, emoglobina, emocianina e citocromi, combinate con un gruppo proteico e un gruppo prostetico.

Le proteine sono polimeri costituiti dall’associazione di un numero variabile di 20 amminoacidi, legati fra loro mediante legami peptidici.

La struttura di un amminoacido contiene una catena base, un gruppo amminico, un gruppo carbossilico e un radicale R diverso per ogni amminoacido.

Il legame peptidico si forma tra due amminoacidi, liberando una molecola di acqua. Si dice legame peptidico perché si crea un legame tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico dell’altro; rimane libero il gruppo amminico all’inizio e il gruppo carbossilico alla fine.

Struttura delle proteine

La struttura primaria è data dalla sequenza degli amminoacidi che compongono la struttura lineare.

La struttura secondaria può essere di due tipi: alfa-elica e beta-foglietto. È determinata dall’interazione fra gli amminoacidi mediante catene laterali.

La struttura terziaria deriva dai legami fra gruppi laterali di amminoacidi, mediante legami forti, deboli, ionici, a idrogeno oppure covalenti.

La struttura quaternaria è costituita da complessi nei quali diverse catene polipeptidiche interagiscono fra loro mediante legami forti e deboli.

Lipidi

I lipidi costituiscono un gruppo di sostanze molto complesso, caratterizzate dall’insolubilità nell’acqua e dalla solubilità nei solventi organici quali benzolo, etere di petrolio e cloroformio.

I lipidi semplici comprendono i trigliceridi, sostanze fondamentali di riserva con funzione meccanica e protettiva nelle membrane.

• Fosfatidilfosfolipidi o fosfolipidi
• Glicolipidi
• Sfingolipidi
• Steroidi, ormoni sessuali e ormoni corticosurrenali
• Vitamina D
• Acidi biliari

I lipidi non sono polimeri, a differenza delle altre macromolecole, ma sono composti da componenti differenti.

Carboidrati

I carboidrati comprendono monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi.

I monosaccaridi sono zuccheri semplici, come glucosio, fruttosio e galattosio.

I disaccaridi sono costituiti da due unità di monosaccaridi unite covalentemente.

I polisaccaridi sono costituiti da centinaia o migliaia di unità di monosaccaridi.

Acido nucleico

L’acido nucleico è una macromolecola importantissima. Esistono due tipi: DNA, acido desossiribonucleico, e RNA, acido ribonucleico.

Negli eucarioti il DNA è presente maggiormente nel nucleo, come costituente chimico principale della cromatina e dei cromosomi; in minor misura è presente nei cromosomi dei mitocondri e dei cloroplasti.

L’RNA è presente nel citoplasma e nei ribosomi.

L’acido nucleico è il costituente capace di auto-duplicarsi. Il monomero è il nucleotide.

Secondo la legge di Chargaff, nel DNA A = T e G = C.

Gli zuccheri sono desossiribosio nel DNA e ribosio nell’RNA. Le basi azotate sono purine e pirimidine. Nell’RNA l’uracile sostituisce la timina.

DNA

La struttura del DNA è caratterizzata da una doppia elica lineare, formata da filamenti complementari e antiparalleli.

Il legame tra i filamenti è costituito da legami a idrogeno tra le basi: A-T con due legami e G-C con tre legami.

Il passo dell’elica è di 3,4 nanometri, pari a 10 paia di basi; il diametro del DNA è di 20 Å.

L’avvolgimento dell’elica è destro, in senso orario. Il DNA presenta interazioni idrofobiche tra le basi.

Caratteristiche del DNA

• Replicazione semiconservativa: un filamento vecchio e un filamento nuovo.
• Struttura flessibile e molto dinamica, che assume diverse funzioni.
• Il DNA è soggetto a forme alternative dell’elica.
• Esistono vari tipi di strutture, come forma A, forma B e forma Z.

La forma A può trovarsi in soluzione ad alto grado di umidità o forza ionica; presenta 11 paia di basi per giro, solco maggiore più ampio e solco minore più chiuso.

La forma B, scoperta da Watson e Crick, è la forma predominante nelle cellule; il DNA è compatto, presenta 10 paia di basi per giro, maggiore idratazione, solco maggiore largo e solco minore stretto.

Rispetto alla forma B, la forma A presenta un diverso diametro di 25,5 Å a causa della diversa forza di repulsione elettrostatica tra i gruppi fosfato e della geometria dei solchi in condizioni fisiologiche.

Il duplex DNA-RNA può essere etero o formare complessi DNA-proteina.

La forma Z è tipica di sequenze modificate chimicamente, come la metilazione; presenta passo di 45,6 Å, 12 bp, diametro di 18,4 Å e configurazione sinistrorsa.

Strutture superiori del DNA

Nei virus la lunghezza del codice genetico è di 5.000 basi.

Escherichia coli è una cellula molto piccola, di 1,7 mm; il cromosoma di E. coli misura circa 1,5 mm.

Nell’organismo umano la lunghezza del codice genetico è di 3.000.000.000 di basi; la lunghezza genomica del DNA è di 2 m.

Nel corpo umano il DNA totale è lungo circa 2 × 10¹⁰ km. Pensare alla distanza tra Terra e Sole, circa 150 milioni di km, rende evidente quanto DNA debba essere compattato nel nucleo.

Il DNA deve spiralizzarsi, compattarsi e avvolgersi. Il DNA superavvolto positivo è spiralizzato; il DNA superavvolto negativo è poco spiralizzato.

Proteine associate al DNA

Prima di parlare del DNA, parliamo degli istoni, le proteine più abbondanti nei cromosomi. Le proteine istoniche sono basiche e infatti si legano al DNA cromosomico negativamente carico.

Gli istoni sono associati al DNA eucariotico: H1, H2A, H2B, H3 e H4.

Le proteine non istoniche differiscono perché ne esistono diversi tipi e numerose hanno un ruolo strutturale; altre sono implicate nella regolazione dell’espressione genica e dell’RNA polimerasi.

La spiralizzazione avviene su più livelli. Il livello fondamentale della struttura della cromatina è il nucleosoma.

Nucleosoma

Nel nucleosoma intervengono gli istoni formando un doppio giro di DNA su un complesso di proteine istoniche; H1 permette di unire un nucleosoma all’altro.

Si viene così a creare una struttura a “collana”. L’avvolgimento del DNA attorno al nucleosoma rende il DNA circa 7 volte più compatto, ma un cromosoma ha un grado di compattazione completa di 10.000 volte.

Fibra e solenoide

La fibra e il solenoide sono caratterizzati dalla struttura indotta dall’unione degli istoni H1.