Biologia cellulare - appunti completi corso

Organizzazione della materia vivente e struttura della cellula

Livelli di organizzazione della materia vivente

L'organismo, che è l’obiettivo primo in ambito medico, si trova in un preciso gradino riguardo il livello di organizzazione della materia vivente che ha qualcosa prima e dopo di lui: ogni livello di organizzazione subisce delle influenze ed è assolutamente dipendente da quello che succede prima e dopo in termini di organizzazione. Il medico non si interessa tanto dell'uomo in sé, quanto del paziente, tuttavia si parla sempre di organismi.

A seconda dei testi, i livelli di organizzazione della materia sono undici o dodici in linea generale e bisogna tenere a mente che quando si passa da un livello a quello successivo aumenta la complessità. Quindi, dall'atomo, per esempio di idrogeno, si passa alla molecola, ovvero un'associazione di atomi di diverso tipo (nel caso dell'acqua due di idrogeno e uno di ossigeno), poi all'organello, un compartimento subcellulare (come nucleo, mitocondri, lisosomi, perossisomi, cloroplasti, REL e RER, apparato di Golgi, endosomi, ribosomi) dato dall'associazione di diverse molecole, si ha poi la cellula (per esempio un neurone) e poi il tessuto (per esempio il tessuto nervoso), dati dall'associazione rispettivamente di organelli e cellule; dall'insieme di più tessuti con caratteristiche differenti si arriva all'organo (per esempio il cervello), poi al sistema d'organo (cioè l'apparato), e infine all'organismo (associazione di più apparati).

Lo schema centrale rappresenta l'ambito di interesse clinico, quello in alto a sinistra è di interesse preclinico.

Origine di condizioni patologiche

Per identificare l'origine di una condizione patologica del paziente bisogna dunque analizzare questi livelli di materia.

Esempi di disfunzioni a livello di un organello possono essere le malattie mitocondriali (legate appunto a disfunzioni dei mitocondri), le laminopatie (associate alla lamina nucleare), le malattie di accumulo (legate ai lisosomi), le malattie legate ai perossisomi, e così via.

Tra le malattie che colpiscono un tipo cellulare specifico possiamo avere quelle neurodegenerative (andando ancora più nello specifico ci sono anche quelle che colpiscono solo i motoneuroni o i neuroni dopaminergici, o quelle che danneggiano la guaina mielinica ecc.), oppure anche la psoriasi, che causa degenerazione dei cheratinociti.

Malattie legate ai tessuti possono essere il morbo di Cushing e quello di Addison per quanto riguarda la corticale surrenale, quelle legate all'organo possono essere la cirrosi, oppure l'infarto. Malattie legate all'apparato sono genericamente quelle cardiovascolari o quelle renali, quelle invece legate alla molecola sono ad esempio il diabete mellito (legato ad un'insufficienza di insulina, che è una molecola), l'anemia falciforme (legate alla valina e all'acido glutammico) e dunque in generale tutte le malattie genetiche che hanno come base patogenetica il fatto che una molecola, in molti casi una proteina, non venga prodotta oppure venga sintetizzata in maniera non funzionante.

È dunque chiaro che quando bisogna ricercare un'origine patogenetica è facile procedere dall'organismo alla molecola. A volte però la causa di una situazione patologica può interessare livelli di organizzazione superiore, come la popolazione, definita come l'insieme di tutti gli individui della stessa specie che occupano la medesima area geografica nello stesso momento. Oltre la popolazione c'è la comunità, definita come l'insieme di specie animali e vegetali che occupano lo stesso ambiente fisico nello stesso momento, per poi arrivare all'ecosistema, cui alle specie animali e vegetali si aggiungono i parametri ambientali, come la temperatura, la salinità, l'umidità, l'irraggiamento solare e così via. Il livello ancora superiore è rappresentato da tutti gli insiemi di tutti gli ecosistemi presenti sul pianeta, ovvero la biosfera, che è una sola, la Terra, perché l'unica ad oggi ad essere conosciuta, a differenza di tutti gli altri livelli di materia, di cui esistono tanti e diversi tipi.

Malattie associate a questi ultimi livelli di materia possono essere quelle legate alle sostanze cancerogene dell'ambiente, oppure la malaria, che è un problema di comunità perché vede interagire individui di diverse specie. Vi sono anche malattie legate alla popolazione, perché se troppo piccola gli individui sono portati a riprodursi tra di loro, il che causerebbe la comparsa di fenotipi patologici che in altre condizioni non si sarebbero visti, o al contrario se troppo grande può aumentare l'incisività di una malattia. Anche l'emofilia dei reali europei è un esempio in cui compare un fenotipo patologico perché i reali erano una popolazione ridotta.

Da menzionare sono anche le condizioni patologiche in cui entrano in gioco le specie vegetali, come le allergie, che però sono dovute a interazioni tra specie vegetali e organismo e dunque non prendono in considerazione l'ecosistema nel suo complesso. Inoltre vi sono fenomeni legati alle catene alimentari, come quelli di bioaccumulo: uno dei casi più studiati di insorgenza di patologie legate al bioaccumulo è quello della baia di Minamata in Giappone, portato alla luce a metà degli anni '50 del 1900, anche se il problema sanitario era molto più vecchio di così (si parla della fine del 1800). Gli abitanti di questa baia sono una popolazione di pescatori, all'interno della quale si sono verificati con incidenza allarmante dei casi di malformazioni neonatali e di disabilità intellettiva e fisica molto gravi in bambini e adulti. Quello che ha portato ad identificare la causa della patologia come un problema di avvelenamento da metalli pesanti portato dalla catena alimentare è stato il fatto che questi stessi sintomi sono stati osservati negli uccelli e nei gatti che si nutrivano, come la popolazione in questione, di pesci (o di avanzi di pesce pescato): la fonte del problema stava dunque nel rilascio di scarti industriali, ovvero metalli pesanti (in particolare metilmercurio), nelle acque della baia da parte di un'azienda che inizialmente produceva ceramica, che attraverso la catena alimentare marina, e dunque attraverso il fenomeno del bioaccumulo di queste sostanze nelle carni dei predatori di dimensioni sempre maggiori, ha portato ad un'intossicazione sia della popolazione, intesa come abitanti, ma anche di tutte quelle specie, come gatti e uccelli marini, che si nutrivano di pesci di grosse dimensioni.

Dalla situazione originaria di individui patologici è poi emerso che questo fenotipo patologico associato alla intossicazione della prima generazione F1 era trasmissibile alla F2: questo è un fenomeno di modulazione epigenetica (molto importante anche dal punto di vista clinico), cioè una modificazione non del genoma, ma di qualcosa che sta seduto sul DNA, quindi in particolare si fa riferimento alle modificazioni post-traduzionali degli istoni e le metilazioni o acetilazioni degli acidi nucleici che inducono delle differenze a livello di espressione genica. È la modulazione epigenetica che porta le generazioni successive, non direttamente esposte all'intossicazione, ad avere sintomi riconducibili ad essa.

Un altro esempio di intossicazione attraverso la catena alimentare è rappresentato dal caso che coinvolge la parte povera della popolazione autoctona dell'isola di Guam (raccontato da Oliver Sacks nel suo libro "L'isola dei senza colore"), in cui si riscontra la presenza di persone affette da una patologia riconducibile alla sclerosi laterale amiotrofica (SLA) associata a demenza frontotemporale, una delle principali demenze senili associata alla degenerazione del lobo frontotemporale: Oliver Sacks si interroga sul motivo per cui all'interno di una specifica popolazione debbano esserci così tanti casi associati a questa patologia, chiamati Lytico-bodig, perché il sintomo preponderante è la paralisi.

Una serie di analisi di tipo epidemiologico associate ad analisi biochimiche ha portato alla conclusione che l'ipotesi, benché sufficientemente corroborata dai fatti, rimane un fatto non provato al 100%. Condizioni di vita e alimentazione sono elementi strettamente connessi all'insorgenza del fenomeno: i ricercatori si sono resi conto nella parte povera della popolazione era molto diffuso l'uso di una farina derivata dai semi di piante molto diffuse sull'isola, le ciche (assomigliano ad un ibrido tra felci e palme), che contenevano al loro interno un cianobatterio che produceva una neurotossina.

Tuttavia la popolazione lavava i semi accuratamente prima di ridurli in farina, cosa che elimina a gran parte dei simbionti in superficie, e dunque gran parte della tossina. Nonostante ciò, gli scienziati proseguirono le loro ricerche, convinti che la patologia fosse comunque legata all'alimentazione: studiando l'ecosistema, si resero conto che un altro elemento base dell'alimentazione di questa popolazione erano i pipistrelli (quelli della Micronesia sono particolarmente grossi e prendono il nome di volpi volanti), animali fruttivori che si nutrivano specificamente dei semi delle ciche senza lavarli, ingerendo così grosse quantità di neurotossine. Questo dunque è stato considerato la causa principale dell'insorgenza di casi di SLA nella popolazione. Anche in questo caso, la causa è stata scoperta attraverso studi e analisi integrate di tantissimi tipi di professionisti (botanici, studiosi di epidemiologia, neuroscienziati ecc.).

L'uomo - Tassonomia

È importante dal punto di vista preclinico e clinico conoscere dove l'uomo si colloca da un punto di vista tassonomico perché bisogna sapere quanto vicini o lontano dall'uomo si è quando si utilizza un modello diverso dall'uomo. La tassonomia è quella pratica attraverso la quale definiamo la specie a cui appartiene ogni organismo vivente sia vegetale che animale inquadrandola in categorie sempre più grandi e diversificate che ci permettono di dire quanto siamo prossimo o lontani da un punto di vista evolutivo fra due organismi differenti.

Al gradino più alto di maggiori dimensioni abbiamo il regno dei viventi, all'interno del quale troviamo i due domini delle cellule procariotiche ed eucariotiche. Quest'ultimo può essere ulteriormente suddiviso in regno animale e vegetale e considerando l'uomo ci troviamo all'interno del regno animale. La categoria successiva è rappresentata dal phylum e l'essere umano appartiene a quello dei cordati, cioè organismi che possiedono la notocorda, struttura di sostegno assile transiente che in alcune specie permane e in altre scompare sostituita dalla colonna vertebrale (nel caso dei vertebrati permane solo nel periodo embrionale).

I cefalocordati si dividono in tre subphyla che sono rappresentati dagli urocordati, dai cefalocordati e dai vertebrati. Nell'adulto la corda è presente soltanto nei cefalocordati. Negli urocordati la corda (presente solo nella coda) viene persa perché nella metamorfosi fra larva e adulto questi perdono la coda. Viceversa, nei cefalocordati la corda è presente dall'estremità dell'encefalo fino alla coda e quindi è presente anche nell'adulto. Nei vertebrati, la corda come organo di sostegno assile viene sostituita dalla colonna vertebrale che si sviluppa attorno alla corda. La corda (o notocorda) è riconducibile da un punto di vista istologico alla cartilagine che nell'uomo permane a livello dei dischi intervertebrali.

All'interno del phylum dei vertebrati sono presenti le seguenti classi: pesci, anfibi, rettili, uccelli, mammiferi. La caratteristica esclusiva dei mammiferi, cui appartiene l'uomo, è quella di essere portatori di ghiandola mammaria. All'interno della classe è contenuto l'ordine, e nel caso della classe dei mammiferi si parla dell'ordine dei primati, cui fanno parte insieme all'uomo i gorilla, gli orango, gli scimpanzé, i gibboni, i macachi e i bonobo, famiglia di primati molto più simile agli ominidi rispetto agli altri.

La categoria successiva é rappresentata dalla famiglia, e la nostra è quella degli ominidi (gli Australopitechi); arriviamo poi al genere e in questo caso si parla di Homo (Homo Erectus, Homo Habilis) e successivamente alla specie, che per l'uomo è rappresentata dall'Homo Sapiens (Homo Sapiens Neanderthalensis, Homo Sapiens Sapiens). Una specie biologica si definisce come un gruppo di organismi che si possono riprodurre, in natura, generando una prole fertile. Le specie sono caratterizzate dal fatto che sono isolate da un punto di vista riproduttivo da altri gruppi di organismi: idealmente dunque se convivessimo coi Neanderthalensis potremmo riprodurci generando una prole fertile, mentre invece cavallo e asino appartengono a due specie diverse perché la prole non è fertile. Tigre e leone in condizioni di cattività sono in grado di riprodursi generando una prole fertile, ma in natura vivono in continenti diversi e quindi non sarebbero in grado di generare una prole di nessun tipo.

Ci interessa conoscere le relazioni filogenetiche tra le specie perché inizieremo a parlare di modelli, in particolare animali: in linea teorica quanto più una specie è vicina dal punto di vista filogenetico all'uomo, tanto più sarà facile o possibile traslare le osservazioni che derivano dal modello sperimentale verso il paziente, perché al di là di una somiglianza fisica (il macaco è molto più simile da un punto di vista del fenotipo al paziente di quanto possa esserlo la pecora Dolly per esempio) moltissimi meccanismi da un punto di vista molecolare e cellulare tenderanno ad essere condivisi, tanto più si va indietro nei livelli di organizzazione della materia vivente, da organismi appartenenti a specie filogeneticamente molto distanti.

Discuteremo tantissimi meccanismi e scoperte fondamentali per quanto riguarda proliferazione cellulare, apoptosi e organogenesi, studiati in organismi filogeneticamente molto distanti dall'uomo, come per esempio il lievito o il dematode, fondamentale per scoprire quali sono i geni coinvolti nell'apoptosi.

In queste immagini possiamo riconoscere la pecora Dolly (in alto a sinistra), due giovani macachi (in alto a destra) che sono stati i primi primati a essere clonati, nel 2018. In basso a destra possiamo vedere un’immagine di microscopia elettronica a scansione di due larve di Zebrafish, un piccolo pesce di acqua dolce, e di fianco troviamo un’immagine di microscopia a fluorescenza di un nematode Caenorhabditis elegans.

Livelli di organizzazione della materia vivente

In particolare, cominciamo ad analizzare brevemente la cellula.

La cellula

La definizione di cellula da un punto di vista anatomico e morfologico risale a parecchio tempo fa: si è cominciato a parlare di cellula nella seconda metà del '600. In particolare, una classe di personaggi tra cui naturalisti e inventori dell’epoca hanno dato origine allo studio delle scienze naturali e nello specifico alla citologia, attraverso la messa a punto di rudimentali microscopi. Essi permettevano di ingrandire e quindi di aumentare la quantità di informazioni che potevano essere ottenute dai vari campioni biologici.

La definizione di cellula si deve alle osservazioni del naturalista Robert Hooke che mise a punto un rudimentale microscopio ottico e con esso osservò, a ingrandimenti relativamente elevati, dei campioni biologici. In particolare, osservò dei campioni di lamelle di corteccia della quercia da sughero, che erano state assottigliate con dei sistemi di lame affilate. Identificò una struttura a piccoli compartimenti sia in sezione longitudinale che trasversale della corteccia e, sulla base della similitudine tra questi piccoli compartimenti e le celle dei monaci nei conventi, chiamò queste piccole subunità di forma regolare cellule.

In realtà noi ora sappiamo che ciò che Hooke stava osservando, attraverso il suo rudimentale sistema, non erano cellule bensì le pareti di cellulosa. Le cellule della corteccia, infatti, quando erano in vita hanno deposto la cellulosa all’esterno della propria membrana plasmatica, a costituire la struttura di cellulosa della corteccia della quercia.

Quindi in realtà Hooke non stava osservando alcun elemento vivente, ma stava osservando ciò che rimaneva della cellulosa della corteccia. Tuttavia, questa definizione di cellula è rimasta. Questa è l’origine della definizione di cellula. Dovranno passare quasi 200 anni prima che altri scienziati formulino una nuova teoria per spiegare che cosa fossero effettivamente le cellule.

Teoria cellulare

Questa teoria si basa su tre assunti, due dei quali furono enunciati nel 1839, mentre l’ultimo fu enunciato nel 1855.

• I primi due assunti (1839), ad opera dei due scienziati Theodore Schwann e Matthias J. Schleiden:
  • La cellula rappresenta l’unità di base di ogni organismo vivente.
  • Tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule, che essi siano organismi unicellulari o pluricellulari.
• Il terzo assunto (1855), ad opera dello scienziato Rudolf Virchow, afferma che nuove cellule possono derivare solamente da cellule preesistenti. Se a noi oggi, sembra una banalità, dobbiamo invece considerare qual era la teoria prevalente rispetto all’origine della vita nell’epoca in cui questo assunto è stato formulato: quella della generazione spontanea. Fino alla metà dell’800 infatti, si era convinti che la sostanza vivente potesse prendere origine anche da sostanza non vivente. Furono fatti numerosi esperimenti per dimostrare il fatto che la vita si possa originare solamente da una vita preesistente.

[Domanda in aula sul creazionismo. Risposta:]