Appunti di Citologia

Citologia

Scienza che studia le cellule. Come cellula si intende l’unità fondamentale di tutti gli organismi viventi. Le cellule possono organizzarsi fra di loro formando un organismo pluricellulare oppure rimanere da sole costituendo un organismo unicellulare. Se in un organismo pluricellulare alcune cellule si specializzano per adibire ad un determinato compito, queste andranno a formare un tessuto (l’istologia è la scienza che studia i tessuti). Però, dato che esistono anche organismi unicellulari, la cellula deve presentarsi come un organismo completo in grado di svolgere tutte le funzioni degli organismi più complessi.

Caratteristiche delle cellule

Le cellule hanno diverse caratteristiche:

• Metabolismo: cioè l'insieme delle trasformazioni chimiche che si dedicano al mantenimento vitale all'interno delle cellule degli organismi viventi.
• Possono interagire e reagire a degli stimoli provenienti dall’ambiente.
• Possono muoversi: ovviamente una cellula in un tessuto solido non è più in grado di muoversi, rimane lì fissata ma ha avuto la capacità di muoversi durante le fasi iniziali della propria vita.
• Si riproducono: cioè hanno tutte la possibilità di dividersi e replicarsi (tranne le cellule staminali, ferme alla fase G0, quindi quiescenti e riattivabili soltanto in seguito ad eventuali stimoli).

Le cellule hanno forma e dimensioni molto diverse tra loro, c’è grande variabilità anche all’interno di uno stesso tessuto (non sempre ovviamente, nel tessuto epiteliale ci sono cellule con dimensioni abbastanza paragonabili tra loro). Il motoneurone è una delle cellule più grandi, con diametro di 5 micron solo a livello del soma. Per quanto riguarda la forma abbiamo varie possibilità. Una cellula che ha sempre la stessa forma e dimensioni è il globulo rosso, e anche una piccola variazione è indice di patologia. Possono variare solo tra 7.3 e 7.4 micron. Il globulo rosso è la cellula con le dimensioni più costanti di tutte. Particolare è anche la forma del globulo rosso, anch’essa costante: hanno una forma a lente biconcava, schiacciata nel centro su entrambi i versanti. È una forma adeguata alla funzione: è la miglior forma possibile per favorire gli scambi di gas a livello di polmoni e tessuti, rispetto ad esempio ad una sferetta.

Ci sono cellule che hanno forma sferica, ma le nostre cellule sono prevalentemente di altre forme. Ci sono cellule poliedriche che si giustappongono formando un tessuto, ci sono cellule con prolungamenti, e ci sono sincizi, che si riconoscono dai nuclei. I nostri muscoli scheletrici sono fatti tutti di sincizi: vedremo che non si parla di cellula muscolare ma di fibra muscolare.

Organuli e inclusi

Nel citoplasma ci sono organuli e inclusi: l’organulo è una componente presente in tutte le cellule, mentre l’incluso può anche non esserci a seconda del tipo cellulare. Le cellule si nutrono di glucosio, alcune lo prendono e lo consumano, altre lo accumulano (tipo le fibre muscolari) in modo da averlo sempre a disposizione; il glucosio accumulato è un esempio di incluso (ricordando che in realtà il glucosio non si accumula nelle cellule sotto forma di glucosio ma come glicogeno).

Oltre agli organuli che si trovano dentro al citoplasma, possiamo considerare organulo anche la membrana (è un’entità singola poiché è possibile conoscerne i confini) così come è un organulo il nucleo (parlando di cellule eucariote) al cui interno, con il microscopio ottico, si può distinguere il nucleolo (ce ne possono essere anche più di uno).

Membrana plasmatica

È una struttura fondamentale e rappresenta l’involucro che racchiude e protegge la cellula delimitandola fisicamente dall’ambiente esterno, questo non vuol dire però che non possano avvenire degli scambi fra l’ambiente intracellulare e quello extracellulare. La membrana svolge numerose funzioni:

• Delimita l’ambiente citoplasmatico e quello extracellulare.
• Garantisce l’integrità strutturale della cellula.
• Controlla il traffico in out della cellula mediante numerosi recettori di membrana e tramite processi di endocitosi, esocitosi e gemmazione.
• Riconosce particolari molecole grazie a recettori specializzati.
• Trasduzione del segnale per ormoni della crescita e altri messaggeri intracellulari.
• Garantisce il mantenimento del potenziale elettrochimico fra interno ed esterno della cellula e numerosi altri gradienti funzionali.

La componente principale della membrana è costituita da lipidi, in particolare fosfolipidi formati da un glicerolo che si lega a due catene di acidi grassi e a un gruppo fosfato. Queste sono molecole anfipatiche, ovvero hanno una parte idrofobica (le code) e una parte idrofilica (la testa). Si hanno poi anche sfingolipidi che non utilizzano come scheletro il glicerolo bensì la sfingosina, un aminoalcol a lunga catena a cui si lega un acido grasso, un gruppo fosfato, e talvolta a questo un alcol. Il colesterolo ha funzione particolarmente importante a livello strutturale, infatti regola la fluidità della membrana in entrambi i sensi a seconda delle necessità.

Dal comportamento in acqua dei lipidi si è originata la struttura a doppio strato della membrana: avendo una testa idrofilica e una o più code idrofobiche, essi si disporranno in modo da avere la testa verso l’esterno, esposta all’acqua, mentre la coda verso l’interno; si avrà, quindi un “foglietto citoplasmatico o interno” ed un “foglietto esoplasmatico o esterno”. La lunghezza delle code e la loro saturazione è un aspetto importante per quanto riguarda la fluidità della membrana: se le code sono lunghe e sature i lipidi hanno un’ampia superficie d’interazione, dunque si impacchetteranno strettamente dando luogo a membrane poco fluide; se sono corte e insature, le interazioni non sono abbastanza forti e la membrana risulta fluida. La capacità del colesterolo di regolare la fluidità è perciò determinante nel corretto funzionamento della membrana, cioè quando si intercala tra i fosfolipidi saturi, separa e disperde le code, aumentando la fluidità; quando si intercala su quelli insaturi, impacchetta le code e dunque ne diminuisce la fluidità.

Lipidi e proteine della membrana

Nella membrana i lipidi hanno molta mobilità e in genere si possono verificare anche eventi di flip-flop, cioè meccanismi che permettono ai lipidi di capovolgersi di 180°, passando da un foglietto all’altro. La disposizione di diversi lipidi presenti nei due foglietti determina l’asimmetria della membrana che però viene mantenuta tale dall’azione regolata di numerosi enzimi presenti nella stessa, questo poiché i diversi lipidi svolgono determinate funzioni. I diversi lipidi ritrovabili a livello della membrana sono:

• Sfingomielina e Fosfatidilcolina: sono maggiormente presenti sul foglietto esterno, per garantire la fluidità della membrana.
• Fosfatidilserina e Fosfatidiletanolammina: sono invece maggiormente presenti sul foglietto interno, la fosfatidilserina, ha carica molto negativa, e quando essa è presente in quantità eccessiva sul foglietto esterno è segno di apoptosi (morte programmata della cellula), ad opera dell’enzima scramblasi che ridistribuisce casualmente i fosfolipidi nel doppio strato; la fosfatiletanolammina ha carica neutra, ed è importante nel foglietto interno perché con la sua forma conica crea curvatura che favorisce la gemmazione, ovvero la formazione di vescicole.
• Fosfatidilinositolo: è più o meno equamente distribuito, con una leggera prevalenza sul foglietto interno perché è correlato al meccanismo coinvolto nella risposta della cellula a segnalazioni esterne.

Si ipotizza l’esistenza di parti della membrana più rigide chiamate zattere lipidiche (lipid rafts) cioè parti capaci di muoversi sulla membrana plasmatica che sono ricche di glicolipidi e colesterolo e contengono una o più proteine di cui influenzano la sua funzionalità.

Il secondo tipo di molecole di interesse nella membrana sono le proteine. Si stima che vi siano dai 20 ai 50 lipidi per ciascuna proteina. La concentrazione di proteine varia, tuttavia, da cellula a cellula, a seconda della funzione di queste, che sono libere di muoversi nella membrana, per questo essa viene anche definita mosaico fluido. Le proteine di membrana si dividono in:

• Intrinseche: attraversano una o più volte il doppio strato lipidico, ed hanno perciò una struttura anfipatica. Esse sono dunque adatte a mediare i rapporti tra mondo esterno e mondo interno, formando canali o legando ligandi che trasmettano segnali dall’esterno all’interno. Possono essere estratte solo tramite detergenti e dunque distruggendo il doppio strato.
• Estrinseche: interagiscono con superficie o interna o esterna, e vengono estratte con soluzioni alcaline, senza danneggiare il doppio strato.

Le proteine svolgono innumerevoli funzioni se presenti nella membrana, fra cui:

• Trasportatori (classe eterogenea)
• Enzimi ATPasici
• Recettori ormonali
• Proteine di adesione cellulare
• Recettori per la fagocitosi
• MHC (complessi di istocompatibilità)
• Recettori di neuro mediazione
• Inibitori da contatto cellula-cellula e cellula-matrice

Glicocalice

La terza classe di molecole presenti nella membrana sono i carboidrati. Nella membrana, quelli più presenti sono gli esosi. Gli zuccheri sono generalmente ramificati e, nonostante siano in percentuale minore rispetto a lipidi e proteine, essi possono formare uno svariato numero di strutture diverse e raggiungere un grado di specificità tale da fungere da segnalatori. Questo perché la parte zuccherina delle glicoproteine è, come abbiamo già detto, ramificata e questo permette di creare un numero altissimo di combinazioni che rende una glicoproteina stessa altamente specifica per il suo ruolo. Il glicocalice è una struttura tipica di alcune membrane cellulari formata da carboidrati e con molteplici funzioni. Non è visibile al microscopio ottico perché i fissatori lo degradano. Questa struttura svolge le seguenti funzioni:

• Riconosce segnali
• Permette l’adesione cellulare tramite il contatto con recettori specifici
• Blocca particelle e le riconosce prima che queste entrino in contatto con la membrana
• Mantiene delle cariche elettriche funzionali e importanti anche per il mantenimento del gradiente
• Impermeabilizza alcune strutture importanti a livello fisiologico

Trasporto di membrana

Si distinguono tre metodi di trasporto fondamentalmente: classico (mediato da proteine) e di eso-endocitosi; il primo può avvenire in diversi modi:

Trasporto passivo

Avviene secondo gradiente di concentrazione:

• Diffusione semplice: riguarda essenzialmente il trasporto di gas, quali ossigeno, diossido di carbonio oppure sostanze che sono liposolubili quali l’etanolo (perché possono diffondere attraverso la membrana senza bisogno di alcun tipo di intervento da parte delle proteine).
• Diffusione facilitata: a differenza della semplice, prevede l’intervento di proteine trans-membrana che favoriscono il passaggio da un ambiente all’altro di, ad esempio acqua, glucosio o di ioni.

Trasporto attivo

Trasporto di molecole contro gradiente, quindi richiede il consumo di energia, di ATP:

• Trasporto attivo primario: usa direttamente l'energia per ottenere il trasporto.
• Trasporto attivo secondario: il trasporto di una sostanza è reso possibile dal trasporto primario di un'altra.

Il secondo in particolare è interessante a fini istologici:

• Esocitosi: dall’apparato del Golgi si staccano delle vescicole che giungono alla membrana plasmatica dove si fondono con essa dando vita ad un poro dal quale esce il materiale da esocitare. Questo crea un surplus di membrana che andrà bilanciato con processi di endocitosi. Può avvenire in due forme:
  • Costitutiva: riguarda tutte le cellule del nostro organismo (tutte le cellule possono fare esocitosi costitutiva, quindi rilasciare macromolecole all’esterno), è un rilascio all’esterno continuo, non regolato da specifici meccanismi.
  • Regolata: queste cellule rilasciano macromolecole nell’ambiente extracellulare soltanto in seguito ad uno stimolo preciso, spesso un meccanismo ormonale che innesca questo tipo di rilascio. L’esocitosi regolata è tipica, ad esempio, delle cellule che compongono le ghiandole endocrine.
• Endocitosi: attraverso questo processo la cellula si procura materiale dall’esterno, una piccola zona di membrana plasmatica si invagina dando vita ad una vescicola che rimane in continuità con la membrana finché la clatrina non l’avvolge e la membrana non si invagina a sufficienza, a questo punto la vescicola si stacca e l’endocitosi è completa. Si riconoscono tre tipi di endocitosi:
  • Fagocitosi: endocitosi di molecole grosse e solide come per esempio batteri, altre cellule; esistono delle dimensioni discriminanti (Diametro vescicola > 150nm).
  • Pinocitosi: endocitosi di materiale fluido (Diametro vescicola < 150nm), si inglobano molecole associate a liquido in modo assolutamente aspecifico.
  • Endocitosi mediata da recettore: un recettore di membrana, legato al suo ligando, stimola la formazione di una vescicola di endocitosi.
• Gemmazione: si staccano interi pezzi di membrana plasmatica: si ha la nascita di una estroflessione, la formazione di un grande peduncolo esterno e infine la gemmazione di una grossa vescicola piena di materiale.

Citoplasma

Con il termine citoplasma si intende tutta la porzione di una cellula contenuta all'interno della membrana cellulare e vi si trovano all'interno tutte le sostanze chimiche vitali tra cui sali, ioni, zuccheri, una grande quantità di enzimi e proteine e la maggior parte dell'RNA. Il liquido (sostanza) costituisce circa il 75-85 % delle sostanze contenute nel citoplasma, ed è formato inoltre da sali minerali, sostanze organiche e inorganiche. La matrice citoplasmatica può essere definita plasmagel o plasmasol a seconda dello stato di aggregazione delle proteine. Il citoplasma per alcune cellule è una miscela chimica acidofila, ma alcune volte può presentare più o meno intensamente, a seconda della cellula, una certa basofilia (che dipende strettamente dalla presenza di ribosomi). Nel citoplasma sono contenuti il nucleo, gli organuli (ribosomi, RE, apparato di Golgi, lisosomi… ecc), il citoscheletro e glicoinclusi.

Inclusi

Sono sostanzialmente accumuli all’interno della cellula non circondati da membrana e possono essere sostanze di riserva, come lipidi, che rappresentano una forma di conservazione dell’energia molto efficiente, rispetto a glucosio o al suo polimero glicogeno e che ha il vantaggio di essere rapidamente utilizzabile per produrre ATP, ma che richiede molto spazio. Quando, dunque, una cellula ha un surplus di energia che non ha bisogno di utilizzare immediatamente, in prima fase, la passa al glicogeno e in seconda fase, se lo stoccaggio di energia deve avvenire in tempi lunghi, si ha accumulo di lipidi negli inclusi. Il glicogeno si accumula sottoforma di granuli ed ha il vantaggio di essere osmoticamente inattivo, ovvero, se per esempio, in una cellula si accumula glucosio, questo esercita pressione osmotica dato che non può diffondere liberamente attraverso membrana. Oltre a lipidi e glicogeno, abbiamo pigmenti, fra cui la melanina, soprattutto nell’epidermide, nello strato basale e spinoso. Infine, le lipofuscine (hanno un’autofluorescenza), ovvero accumuli di materiale degradato a livello lisosomiale. Sono componenti che non sono ulteriormente degradabili e, in certi casi, possono essere espulse.

Ribosomi

Sono strutture fondamentali per la sintesi proteica e sono formati da RNA con funzione enzimatica (ribozima) chiamato rRNA e a diversi coefficienti di Svedberg che prima di essere attive viaggiano separate, ma quando iniziano la sintesi proteica si riuniscono in un complesso. Le due subunità ribosomiali vengono sintetizzate nel nucleolo grazie all’associazione fra rRNA sintetizzati in loco o comunque nel nucleo e proteine traslocate dal citoplasma. I ribosomi, anche se sono molto simili, variano fra procarioti ed eucarioti e sono suddivisibili in base al loro coefficiente di sedimentazione (Svedberg). I procarioti contengono i ribosomi 70S che sono costituiti da una subunità maggiore 50S (contenente l’rRNA 23S, l’rRNA 5S e 31 proteine) e una subunità minore 30S (contenente l’rRNA 16S e 21 proteine).