Citologia, Istologia

Indice

1 La Cellula 3

1.1 Composizione della materia vivente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 Morfologia della cellula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3 Organuli e inclusi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4 Strutura organuli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4.1 Membrana plasmatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4.2 Modello del mosaico fluico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.5 Permeabiltà di membrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2 Specializzazioni di superficie 17

2.1 Principali specializzazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.1.1 Giunzioni di superficie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.1.2 Zonule occludenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.1.3 Giunzioni aderenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.1.4 Giunzione nexus o gap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3 Struttura del citoplasma 25

3.1 Ribosomi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.2 Organuli membranosi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2.1 Reticolo endoplasmatico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2.2 Apparato di Golgi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.2.3 Lisosomi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.2.4 Perossisomi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.2.5 Mitocondri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.3 Respirazione cellulare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.4 Citoscheletro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.4.1 Centriolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.4.2 Ciglia vibratili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.4.3 Flagello . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.5 Inclusi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4 Il nucleo 59

4.1 Componenti morfologici di un nucleo durante la fase di intercinesi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.2 Cromatina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.3 Nucleolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5 Ciclo cellulare 69

5.1 Cellule staminali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.2 Mitosi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.3 Apoptosi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

1

Parte I

Appunti di citologia

2

Capitolo 1

La Cellula 15/10/2019

Citologia è lo studio della cellula. Etimologia del termine: letteralmente, dal latino, questo termine vuol dire “celletta”

e trae la radice storica dalle immagini che furono disegnate dai primi citologi della fine del Seicento e del Settecento,

i quali, grazie alle scoperte di ottica di Galileo Galilei, ebbero per la prima volta a disposizione degli strumenti, detti

microscopi, che consentirono di superare il limite fisico di sensibilità dell’occhio umano. Esistono, infatti, delle leggi

della fisica che dicono che nessun dettaglio può essere visto con una lunghezza d’onda, che serve a formare l’immagine,

inadeguata alle sue dimensioni. Quindi con l’occhio umano, anche il più acuto, non era possibile discriminare dettagli

delle dimensioni della gran parte delle cellule.

E’ vero che esistono delle cellule di grandissime dimensioni, per fare un esempio la cellula uovo, la

quale ha un diametro di circa 0,2-0,3 mm e ricade nell’ambito dimensionale che è possibile discernere con

l’occhio, senza l’ausilio di microscopi. Ma la maggior parte delle cellule sono di un ordine di grandezza

al di sotto di queste dimensioni “colossali”, quindi nulla si sapeva della struttura cellulare della materia

vivente fino all’avvento dei primi microscopi.

Per ragioni tecniche, i primi tessuti a essere studiati col microscopio ottico di allora furono i tessuti vegetali. Le

cellule vegetali sono particolari, poiché ognuna di essa è racchiusa in una capsula di cellulosa, detta “parete”, che

ne demarca in modo netto i confini. Quindi quando questo scienziato, si chiamava Robert Hooke, mise l’occhio al

microscopio e ingrandì il dettaglio del tessuto generale, vide questa immagine, che ci fa vedere numerosi spazi vuoti

racchiusi all’interno di una scatola. Da questo aspetto peculiare, Hooke dedusse che i tessuti erano composti da unità

elementari molto piccole, ognuna delle quali abitava uno spazio confinato e riservato, una sorta di celletta, tant’è che

coniò il termine “cellula”, tramandatosi ai giorni nostri.

Le analisi successive hanno consentito di chiarire meglio gli aspetti biologici del concetto di cellula e ci hanno fatto

comprendere che la singola cellula è la più piccola entità di un organismo più o meno complesso, la quale però è in

grado di esplicare tutte le funzioni proprie dei viventi, che se ridotte all’essenza sono:

• metabolismo:

Il l’insieme di reazioni chimiche che, all’interno di una cellula si svolgono per mantenere la sua

integrità strutturale.

Il metabolismo si divide in due branche:

(i) Il catabolismo in cui molecole complesse vengono smantellate in molecole semplici e la scissione dei

legami libera energia che la cellula può in buona parte accumulare per spenderla successivamente.

(ii) L’anabolismo in cui molecole semplici, i cosiddetti precursori, vengono concatenati tramite legami

chimici per formare molecole complesse con dispendio energetico. Quindi il catabolismo predispone la riserva

energetica per l’anabolismo e durante questo processo vengono costruite le macromolecole che costituiscono

l’impalcatura della cellula e, soffermandosi a un livello multicellulare, l’impalcatura dei tessuti e apparati.

• L’irritabilità: ciascun individuo è inserito in un microambiente dal quale trae informazioni indispensabili per

la sopravvivenza.

Ad esempio, anche il più semplice delle cellule viventi, i batteri, sanno reagire al microambiente che li circonda,

per cui se aumenta la temperatura al di sopra della soglia di tossicità, se hanno la possibilità di muoversi, si

allontanano; viceversa se in un punto del microambiente c’è una sorgente di nutrimento, i batteri che possono

farlo si muovono verso questa, reagendo allo stimolo in modo appropriato all’integrabilità della cellula stessa.

• Movimento: con ciò s’intende il movimento attivo e non il movimento casuale, dato dai movimenti dei fluidi

del microambiente, il cosiddetto Browniano, che casualmente determina lo spostamento nei fluidi delle particelle.

Nel corso dell’evoluzione, infatti, in tutte le cellule si sono sviluppati dei sistemi motori che si potrebbero far

equivale al nostro sistema scheletrico. In particolare si sono affermate due proteine motorie, l’actina e la miosina,

3

le stesse che costituiscono il grosso della muscolatura, le quali, interagendo tra loro con dispendio di energia,

possono far muovere attivamente una cellula.

Ecco, ad esempio, che una cellula della difesa può spostarsi nel tessuto fino a raggiungere un focolaio

di infezione dove entra in azione e, sempre grazie a dei movimenti specifici, aggredisce i batteri, li tira

dentro di sé e li distrugge con i proprio sistemi di difesa. Si tratta di un sistema integrato che implica

automaticamente che la cellula si possa muovere nell’ambiente che la circonda e possa muovere parti interne

che la costituiscono.

• riproduzione:

La ogni cellula tramite il fenomeno noto come mitosi, o cariocinesi o divisone cellulare, è in

grado di originare da una cellula precursore due cellule figlie, secondo un meccanismo di riproduzione asessuata,

che implica la conservazione dell’integrità del genoma tra cellula progenitrice e cellule figlie.

Spesso si parla di cellule staminali: nel concetto di staminalità è proprio insito il fatto che le cellule possono

riprodursi. Infatti la cellula staminale è il progenitore ancestrale da cui traggono origine tutte le cellule

differenziate che formano tessuti, organi. . .

CELLULA PROCARIOTE

Le più semplici delle cellule sono quelle procariotiche, dal greco procarios, che vuol dire “dal nucleo ancestrale” (con

nucleo si intende la sede dove è contenuto il genoma).

Esse hanno un nucleo ancestrale, di fatto assente e il loro genoma è sparso all’interno della cellula, che contiene le

membrana plasmatica plasmalemma

macromolecole e che costituisce il citoplasma. Il tutto è racchiuso da una o

che va a demarcare l’ambiente interno da quello extracellulare, in modo tale che questi due compartimenti possano

mantenere una composizione anche molto diversa e funzionale alle varie esplicazioni biologiche della cellula. Essa non

ha una struttura di sostegno interna al citoplasma, quindi per mantenere la propria forma deve dotarsi di una corazza

parete dei batteri

esterna, la cosiddetta (bersaglio dell’azione tossica degli antibiotici).

CELLULA EUCARIOTE

Sono quelle degli organismi cellulari più evoluti, quelle che sono risultate idonee per la loro complessità evolutiva a

sviluppare gli orgnanismi pluricellulari.

:organismi unicelullari eucarioti;

Protozoi

: organismi pluricellulari.

Metazoi

La cellula eucariotica sia dei protozoi sia dei metazoi è un sistema molto più complesso di quello precedente. Innan-

zitutto possiede un distretto interno ben demarcato e identificabile, che è il nucleo (eu karios= nucleo fatto bene).

Qui si concentra il DNA che forma il genoma e sarà proprio la struttura di confine che è il nucleo che medierà gli

scambi di informazione tra genoma e citoplasma, laddove l’informazione del genoma viene estrinsecata in macromo-

lecole specifiche (mRNA). Il citoplasma è una struttura enormemente più complicata in un eucariota rispetto un

procariota e le macromolecole del citoplasma, anziché essere disposte quasi a caso nel volume a disposizione, si orga-

organuli, inclusi.

nizzano a formare delle strutture subcellulari definite genericamente o organelli, e Quindi tutte le

strutture che rientrano nel citoplasma ricadano in una di queste due categorie: organuli, da un lato, e inclusi, dall’altro.

*Organuli (o organelli) = letteralmente “piccoli organi ”. Così come i diversi organi del corpo si spartiscono

le funzioni vitali, ugualmente gli organuli di una cellula si spartiscono le funzioni vitali della cellula e i compiti

che la cellula deve svolgere per il metabolismo, l’irritabilità, il movimento e la riproduzione.

Per cui le macromolecole sparse nel citoplasma sono di pertinenza dei singoli organuli, ove sono spazialmente

montate con quelle finalizzate allo svolgimento di una funzione precisa per svolgere al meglio quella data funzione.

l citoplasma di una cellula eucariote può essere visto come una “Società organizzata” dove ogni organulo ha

il suo compito ben preciso: nel nucleo vi è il progettista, il DNA, il tenutario dell’informazione necessaria per la

costituzione della cellula, il quale fa un progetto, una copia di se stesso, e la passa a una persona che è la metà

di lui, l’mRNA, il quale trova nel citoplasma gli operai specializzandi che sanno interpretare il progetto e farne

un manufatto, i ribosomi. E poi le centrali elettriche, i mitocondri; gli organuli deputati allo smantellamento

delle componenti usuranti della cellula, i lisosomi; lo smistatore di tutte le macromolecole che vengono prodotte

e che devono trovare la giusta collocazione nel citoplasma, l’Apparato di Golgi; il sistema di delimitazione col

microambiente, la membrana plasmatica. . .

Quindi la diversa composizione macromolecolare degli organuli fa sì che ogni organulo sia in grado di svolgere al

meglio la funzione al quale esso è preposto. 4

1.1 Composizione della materia vivente

Una delle prime cose che è stata fatta nella prima metà dell’Ottocento, non appena si è cercato di capire cosa fossero le

cellule, è stato quello di analizzare da un punto di vista chimico. L’analisi chimica della materia cellulare ha consentito

di vedere che per ben il 40% la massa di un tessuto è formata da acqua.

→È δ+

cruciale l’acqua, perché ha una struttura chimica propria di un dipolo quindi ha un di carica dal lato dei due

δ-

idrogeni e un di carica dal lato dell’ossigeno. Di conseguenza le molecole d’acqua tendono ad orientarsi da sé: lo

dimostra il fatto che, sottraendo energia da un volume d’acqua, le molecole si orientano e, quando l’energia non è più

sufficiente a mantenere il movimento reciproco delle singole molecole, queste si orientano a formare degli esagoni che

sono i cristalli del ghiaccio.

Questa proprietà microelettrica dell’acqua è cruciale affinché le macromolecole di cui è composta le cellula assu-

mano e mantengano la loro corretta conformazione.

Ad esempio, questo concetto è estremamente importante se si considerino l’enzima e il substrato. L’enzima è

una proteina: le proteine sono macromolecole che presentano una forma tridimensionale estremamente precisa

e definibile, inoltre tutte le proteine uguali hanno la stessa forma. Gli enzimi, in una delle parti della loro

superficie, un po’ come la serratura di una chiave, hanno una forma tridimensionale che si adatta in modo

adatto e selettivo ad un’altra molecola, che è il suo preciso substrato: quando il substrato si incastra nel-

l’enzima determina che le molecole d’acqua in prossimità dell’enzima e del substrato giungono in vicinanza,

interagiscono fra loro, per cui legami chimici che li uniscono possono essere disfatti, oppure legami chimi-

ci che ancora non esistono tra atomi vicini possono essere formati. Quindi un enzima è tale perché ha una

solo se quella forma è mantenuta. La

ben precisa forma spaziale e funziona incastrandosi al proprio substrato

forma dell’enzima è condizionata dal fatto che questo è immerso nell’acqua e saranno proprio le interazioni fra i

suoi atomi e quelli delle molecole d’acqua circostanti a modellare la proteina enzima nella giusta forma.

Senza acqua non c’è vita, perché senza di essa le macromolecole non hanno la forma adatta per svolgere le

funzioni vitali. Non a caso le più recenti teorie sulla nascita della vita, pongono le prime forme di vita all’

interno dei cosiddetti camini vulcanici, delle bocche da cui, per l’energia geotermica sprigionata dalle spinte delle

dorsali della deriva dei continenti, usciva dell’acqua, e queste energia ha creato in un ambiente acquoso le prime

molecole. Queste poi, unitesi fra di loro secondo un processo evolutivo di selezione hanno dato origine a tutta

l’impalcatura alla base delle cellule più ancestrali.

Il restante 60% della massa della cellula, il cosiddetto “peso secco” è spartito tra le diverse macro e micromolecole

che formano la molecola stessa.

Il grosso del peso è di spettanza delle macromolecole che si possono suddividere in quattro diverse specie chimiche

fondamentali:

• Proteine

Sono le più abbondanti macromolecole: da sole assumono circa il 60%.

• Acidi nucleici 20%

Rappresentati da DNA e RNA.

• Lipidi 15%

• Saccardi o glicidi o idrati di carbonio 5%.

A queste molecole di complessità maggiore, vanno aggiunte le micromolecole organiche che sono i precursori di quelle

più grandi:

• Nucleotidi, ovvero i monomeri degli acidi nucleici;

• Amminoacidi, monomeri delle proteine;

• Monosaccaridi, monomeri di zuccheri più complessi (disaccaridi e polisaccaridi);

• Acidi grassi e glicerolo, che sono i monomeri di gran parte dei lipidi;

Oltre alle molecole, nel peso secco si pone anche una quota ponderalmente trascurabile (ordine di decimo percentuale),

−

+ + + 2+ 2+ +

a , K , M g , F e , Ca , Cl , Zn

ma funzionalmente molto importante, di ioni, cioè atomi ionizzati (N ,. . . .).

+ +

N a K

I più abbondanti sono e , cui sono demandati tutti i fenomeni elettrici che la cellula utilizza per

l’irritabilità per essere in grado di risentire e rispondere agli stimoli che provengono dal microambiente.

2+

Ca

Un altro ione importante è che forma la componente più abbondante del tessuto osseo, indispensabile per

conferire alle ossa le peculiari caratteristiche di durezza e resistenza meccanica. Il calcio si ritrova nella sua forma

ionica anche come innesco per l’attività contrattile: l’actina e la miosina non funzionano se non hanno un avvio

operato dallo ione calcio. 5

2+

F e

Lo ione è indispensabile perché, essendo un metallo di transizione, per cui i suoi orbitali esterni possono

ossida