Appunti completi di Istologia Umana (docente Daniele Bani)

Citologia: studio della cellula

Etimologicamente cellula significa "celletta" e si tratta di un termine coniato all'inizio del 1600 quando furono messi a punto i primi strumenti ottici che permettevano di superare i limiti fisici dell'occhio umano. Studiando i tessuti vegetali Robert Hooke, utilizzando un microscopio, riuscì a capire che i tessuti di una corteccia d'albero erano costituiti da un insieme di unità elementari molto piccole racchiuse all'interno di pareti di cellulosa, che lui chiamò cellule dal latino.

Proprietà fondamentali della cellula

La cellula è l'unità fondamentale di tutti i viventi le cui proprietà fondamentali sono:

• Metabolismo, ovvero la serie di reazioni chimiche che si svolgono all'interno della cellula e sono finalizzate a mantenerla in vita. È suddivisibile in anabolismo e catabolismo;
• Irritabilità, ovvero la capacità di percepire gli stimoli dall'ambiente circostante in modo tale da potersi comportare in modo congruo garantendo la sopravvivenza della cellula stessa;
• Movimento, inteso in senso attivo e quindi si tratta della capacità delle cellule di spostarsi nell'ambiente in cui vivono tramite proteine motorie;
• Riproduzione, attraverso la mitosi ogni cellula è in grado di duplicare il proprio genoma in due copie identiche e di suddividerlo tra due cellule figlie che si spartiscono anche metà del citoplasma della cellula originaria.

Cellula procariota

La cellula procariota è la cellula più semplice e da un punto di vista strutturale si tratta di una cellula estremamente semplice con poche strutture riconoscibili. All'esterno è demarcata da una parete rigida, che serve anche a mantenerne la forma, dentro la quale si trova una membrana plasmatica o plasmalemma, che media gli scambi tra l'ambiente intracellulare e l'ambiente extracellulare. All'interno della membrana plasmatica si trova il citoplasma, ovvero la composizione primaria di una cellula dove si trovano tutte le molecole necessarie a espletare le funzioni vitali.

Queste molecole talvolta sono solubili, e quindi non visibili, o si aggregano a formare strutture visibili (organelli o organuli) che svolgono funzioni più complesse dei singoli enzimi. Dentro una cellula procariotica gli unici organuli riscontrabili sono i ribosomi, che sono implicati nella sintesi proteica. All'interno del citoplasma il procariota contiene un filamento di DNA che costituisce il suo genoma, infatti in esso sono presenti i geni che servono per codificare tutte le macromolecole di cui il procariota ha bisogno per costruire la sua struttura.

Cellula eucariota

Assai più complessa è la struttura della cellula eucariota, la quale forma la gran parte dei viventi più evoluti sia animali che vegetali. La cellula eucariota animale è demarcata dall'ambiente che la circonda grazie alla membrana plasmatica o plasmalemma, al cui interno il citoplasma è molto più organizzato: presenta una componente solubile in cui vi sono enzimi in funzione, chiamata matrice fondamentale o ialoplasma o citosol, e numerosi organelli che compartimentano il citoplasma in vari distretti.

Il genoma non è libero all'interno del citoplasma, ma è racchiuso all'interno di un involucro nucleare che media gli scambi tra il genoma e il citoplasma. Le strutture citoplasmatiche possono essere suddivise in organuli, che tutte le cellule in funzione del loro ruolo posseggono, e in inclusi, i quali sono presenti in alcune cellule che svolgono per loro tramite specifiche funzioni. Ad esempio, gli adipociti si specializzano per accumulare all'interno del loro citoplasma trigliceridi, che formano un'enorme goccia che prende circa l'80% del volume del citoplasma e si tratta di un incluso in quanto correlato alla specifica funzione che l'adipocita compie.

Osservazione delle cellule

Per comprendere la struttura della cellula sono occorsi dei microscopi, infatti l'occhio umano ha un limite di risoluzione che si pone attorno agli 0,1 mm (= 100 µm, che più o meno corrispondono alla punta di uno spillo). Esistono alcune cellule che raggiungono e talvolta superano questo limite risolutivo, come ad esempio la cellula uovo femminile, ma il grosso delle cellule che costituiscono i nostri tessuti hanno dimensioni che si aggirano intorno ai 10 e 50 µm al massimo. È pertanto indispensabile usare per la loro osservazione i microscopi.

I più comuni microscopi sono i microscopi ottici o microscopi luce (M.O.), i quali utilizzando la luce e sistemi di lenti possono consentire di vedere le cellule e i loro dettagli interni fino a una soglia dimensionale di 0,2 µm. Per scendere al di sotto di questo limite si deve impiegare il microscopio elettronico dove l'immagine si forma grazie a un fascio di elettroni che hanno una lunghezza d'onda così breve che riescono a portare la capacità dello strumento di discriminare i dettagli fino alla soglia della materia. In teoria con un M.E. si possono discriminare oggetti piccoli fino a 0,4 nm.

Forma delle cellule

La forma delle cellule è molto varia e si può affermare che la forma di una cellula ne rispetta la funzione che essa svolge quando si differenzia, nel contesto dei diversi organi, per svolgere una ben precisa funzione.

Membrana plasmatica

Il primo organulo è la membrana plasmatica o plasmalemma, che è una struttura macromolecolare complessa con struttura portante costituita da un doppio strato di lipidi polari. Questi lipidi, sostanzialmente fosfolipidi e colesterolo, hanno una piccola testa idrofilica e delle code idrofobiche. Quando sono immersi in acqua i lipidi tendono a dare una doppia membrana in cui le teste idrofile sono a contatto con l'acqua e le code idrofobiche sono a contatto tra di loro nello strato più interno del plasmalemma: questa configurazione prende anche il nome di bilayer lipidico.

Al bilayer lipidico si aggiungono proteine di membrana le quali possono essere intrinseche (o integrali), ovvero si inseriscono all'interno della porzione idrofobica del bilayer lipidico, oppure estrinseche, in quanto si appoggiano sul versante citoplasmatico o extracellulare del bilayer lipidico. La membrana non è simmetrica: sia ai lipidi di membrana sia alle proteine di membrana solo sul versante extracellulare sono legati in modo covalente degli zuccheri, che possono formare catenelle ramificate di oligosaccaridi o lunghe catene chiamate glicosamminoglicani dove si ripetono centinaia di monomeri zuccherini a formare una grande macromolecola.

Queste componenti costituiscono il glicocalice e la proprietà di garantire la coesione tra cellule vicine è attribuita in buona parte a questa componente zuccherina. Il modello di membrana adesso descritto è chiamato modello a mosaico fluido perché a temperatura corporea il bilayer lipidico è semifluido: quindi le proteine non sono bloccate in una posizione fissa ma possono traslare nel contesto del bilayer.

Trasporto trans-membrana

Fondamentalmente si hanno due sistemi di passaggio attraverso la membrana:

• Diffusione semplice e trasporto passivo, che vedono spostarsi sostanze da un versante all'altro della membrana secondo un gradiente elettrico o chimico di concentrazione senza consumo di energia. Per la via passiva della diffusione semplice passano le piccole molecole in grado di sciogliersi anche nei lipidi, come i gas respiratori. Per la via del trasporto passivo si hanno i canali trans-membrana, che si creano al momento del bisogno e sono costituiti da proteine intrinseche che si avvicinano tra loro e formano per tutto lo spessore della membrana un dispositivo proteico con un canale centrale idrofilo attraverso cui le sostanze dotate di carica riescono a trovare un pertugio attraverso il quale scambiare sempre secondo gradiente. La via del trasporto passivo può prevedere anche l'uso di trasportatori, i quali sono formati da più proteine intrinseche e sono aperti su uno dei due versanti con conformazione tridimensionale specifica per una molecola presente nell'ambiente extracellulare, che viene definita ligando per quel trasportatore. Quando il ligando si lega, il trasportatore si trasforma e si chiude verso il versante iniziale per aprirsi verso quello opposto rilasciando il proprio ligando. Rispetto ai canali un trasportatore è molto più selettivo.
• Trasporto attivo, che vede il trasporto contro gradiente di concentrazione di sostanze grazie al consumo di ATP. In questo caso si parla di pompe di membrana e permeasi, ovvero l'enzima che attraverso l'idrolisi dell'ATP (scissa in ADP + P + energia) è in grado di trasportare il ligando da una zona in cui è meno concentrato a una zona in cui è più concentrato contro il gradiente chimico o elettrico. Le pompe di membrana sono fondamentali, in quanto grazie alla loro attività continua di scambio tra ioni sodio e potassio è possibile creare e mantenere sui due versanti del plasmalemma una precisa differenza di potenziale per cui l'interno della cellula a riposo è a -70 mV rispetto all'interno della cellula.

Questo fenomeno elettrico di membrana è alla base per spiegare l'irritabilità della cellula. I due precedenti sistemi di passaggio trans-membrana ci si è riferiti al passaggio di piccole molecole o ioni, mentre per il passaggio di macromolecole non sono applicati. Nel transito di macromolecole ci si affida a meccanismi che coinvolgono l'intera struttura di membrana. Se il materiale entra dall'esterno verso l'interno della cellula si parla di endocitosi, mentre se il materiale passa dal citoplasma all'esterno della cellula si parla di esocitosi. Infine esiste una forma peculiare tramite la quale del materiale può abbandonare il citoplasma per essere espulso verso l'esterno e viene detta gemmazione.

L'endocitosi permette l'entrata di materiale: il materiale viene accumulato nei pressi del plasmalemma, il quale forma una fossetta che si approfondisce sempre di più nel citoplasma. I margini di questa fossetta si chiudono permettendo il contatto tra i bilayer con assembramento di esso in un unico strato. Così si ha la formazione di un'unica vescicola all'interno del citoplasma. Nel caso in cui attraverso l'endocitosi si introduca liquido si parla più propriamente di pinocitosi (dal greco, letteralmente "bere"). Se invece la cellula endocita particelle anche di notevoli dimensioni si parla di fagocitosi (sempre dal greco, letteralmente "mangio cellule").

Il passaggio di segno opposto è chiamato esocitosi e anche in questo caso ci si avvale di vescicole, che vengono prodotte da degli organuli membranosi interni alla cellula (il più importante in questo senso è l'apparato di Golgi). L'apparato di Golgi concentra le molecole che devono essere esocitate all'interno di una vescicola, la quale si sposta verso la membrana plasmatica entrando in contatto con essa. Le due membrane si fondono permettendo così il rilascio del contenuto verso l'esterno della cellula.

In una particolare circostanza il materiale che deve essere espulso dalla cellula si accumula nella parte periferica del citoplasma, quella subito sottostante il plasmalemma e che viene chiamata cortex. Le sostanze accumulate si localizzano in una sorta di estroflessione che si forma sul plasmalemma, al cui interno rimane una piccola porzione del citoplasma del cortex piena delle molecole da espellere. Questa estroflessione si peduncolizza, le membrane del peduncolo si toccano e si riassestano comportando lo staccamento della gemma. Questo processo viene chiamato gemmazione e viene usato dalle ghiandole mammarie per inserire nel latte materno i fosfolipidi per il nutrimento del neonato.

Organuli o organelli

All'interno della matrice cellulare/ialoplasma/citosol si trovano organuli inclusi, i quali possono essere schematizzati in tre distinte categorie morfologiche: organuli particolati, organuli membranosi e organuli filamentosi.

• Organuli particolati
  Si tratta degli organuli che hanno la struttura di piccole particelle di solito visibili soltanto con il microscopio elettronico. Il principale degli organuli particolati è rappresentato dal ribosoma, il quale è una particella formata da subunità minore e da una subunità maggiore ognuna delle quali è formata da un filamento portante di rRNA a cui si aggiunge una certa quantità di proteine. Tra le proteine del ribosoma si trova un enzima (peptidil-sintetasi) che sintetizza il legame peptidico, ovvero il legame che unisce due aminoacidi permettendo la formazione della catena proteica.

I ribosomi sono gli organuli responsabili della sintesi proteica e quindi sono capaci di tradurre i codoni dell'mRNA in una corrispondente sequenza di aminoacidi. Ogni ribosoma inizia a leggere il messaggero dal primo codone, ovvero il codone di avvio, fino al codone stop: una volta lasciato il codone di avvio un altro ribosoma si attacca al codone iniziando a tradurre la sequenza di codoni. Di conseguenza all'interno del citoplasma è raro notare ribosomi solitari: spesso si notano poliribosomi in unità di 5 o 6 oppure di molti più ribosomi. I ribosomi producono proteine che rimangono nello ialoplasma o proteine estrinseche appoggiate sul versante citoplasmatico del plasmalemma. Poiché il citoplasma è in equilibrio con l'interno del nucleo i poliribosomi del citoplasma produrranno anche tutte le proteine nucleari o mitocondriali.

• Organuli membranosi
  Anche nella costituzione degli organuli, in questo caso, si trova una struttura portante caratterizzata da un bilayer lipidico. Lo strato di fosfolipidi è più sottile e, siccome questi organuli svolgono funzioni diverse dal plasmalemma, anche le proteine estrinseche e intrinseche saranno diverse da quelle del plasmalemma.

Il più ampio tra gli organuli membranosi è il reticolo endoplasmatico, che è costituito da membrane di varia conformazione tutte intercomunicanti tra loro, in modo tale che si può considerare nella sua interezza il reticolo come una sorta di labirinto membranoso all'interno del citoplasma. Il reticolo endoplasmatico si può suddividere in reticolo ruvido (RER), il quale è fatto da membrane appiattite che si uniscono tra loro tramite sottili ponti, o in reticolo liscio (REL).

Il reticolo endoplasmatico ruvido (RER) assume questo nome in quanto sul versante della membrana che guarda verso lo ialoplasma si trovano numerosi poliribosomi, grazie alla cui presenza è coinvolto nella sintesi proteica di proteine estrinseche di membrana, proteine estrinseche esterne, proteine dei lisosomi e proteine secretorie. Tutte queste proteine potranno diventare glicoproteine perché nelle membrane del RER si trovano degli enzimi capaci di aggiungere zuccheri alle proteine.

Il reticolo endoplasmatico liscio (REL) è definito così perché sulle sue membrane non si trovano poliribosomi. Questo tipo di reticolo assume la forma di tubuli o vescicole intersecati tra loro e danno appoggio ad enzimi che si dispongono in serie in modo tale che possano svolgere un'intera via metabolica. Al REL sono attribuite delle specifiche funzioni, quali: sintesi dei lipidi, accumulo e rilascio di calcio (sfruttato dalle proteine contrattili come segnale per poter avviare la contrazione attiva della cellula stessa), detossificazione e glicogenolisi.

L'apparato di Golgi è un ulteriore organulo membranoso che deve il suo nome al suo scopritore Golgi, un istologo italiano vissuto alla fine dell'Ottocento. Tra le altre grandi scoperte di Camillo Golgi, la maggior parte riguardante la struttura e la funzione del sistema nervoso, ci fu di scoprire all'interno delle cellule questo organulo. Anch'esso è costituito da membrane appiattite non possedenti poliribosomi e non intercomunicanti tra loro. Lo spostamento di materiale tra una cisterna (o sacculi) e l'altra avviene solo per il tramite di piccole vescicole: alcune si formano dal RER e arrivano al Golgi, mentre altre si formano dai sacculi del Golgi e vanno agli altri sacculi del Golgi.

• Dalla porzione del Golgi che guarda la membrana plasmatica si formano poi le vescicole di secrezione, le quali contengono nel loro lume le proteine secretorie.
• Alcune vescicole che vanno dal Golgi al plasmalemma sono vuote: la loro funzione è soltanto quella di portare nuove toppe di membrana fresca da portare al plasmalemma. Contemporaneamente piccole porzioni di plasmalemma usurato vengono internalizzate per un processo simile all'endocitosi e riciclate all'interno del citoplasma.
• Dall'apparato di Golgi alcune proteine enzimatiche vengono riconosciute ed avviate verso il lisosoma effettuando il catabolismo dei substrati.

Il lisosoma è un ulteriore organulo membranoso il cui significato etimologico è "corpo litico". Si tratta di un organulo all'interno del quale avviene il catabolismo dei substrati che la cellula ha assunto dall'esterno: il substrato viene internalizzato, dall'apparato di Golgi arrivano vescicole contenenti enzimi litici, queste vescicole si fondono con la vescicola di endocitosi e in seguito all'abbassamento del pH interno del lisosoma gli enzimi si attivano disgregando i substrati.

Un ultimo tipo di organulo membranoso è rappresentato dai mitocondri, il cui nome dal greco significa "filamento di grano". Il microscopio elettronico rivela la presenza di una doppia membrana: una membrana mitocondriale esterna che lo demarca dal citoplasma e una membrana mitocondriale interna molto più interna la quale si ripiega su se stessa formando delle pliche. Sulla grande superficie della membrana interna sono disposti in ordine gli enzimi della respirazione cellulare: si tratta dell'organulo metabolico che riesce a sfruttare il glucosio, acidi grassi e alcuni aminoacidi per smantellarli completamente e liberare l'energia necessaria alla cellula.