Citologia - Parte I

Citologia e istologia - V. Franceschini

Membrana plasmatica

Caratteristiche

Separa la cellula dall’ambiente esterno:

• Racchiude e protegge la cellula mettendola in relazione con l’ambiente esterno
• Regola il trasporto selettivo di molecole in modo da rendere l’ambiente intracellulare diverso da quello extracellulare
• Fornisce supporto ai recettori in grado di legarsi a molecole segnale specifiche e di trasmettere queste informazioni all’interno per consentire alla cellula stessa di reagire o adattarsi a ogni variazione ambientale
• Riconoscimento ed adesione tra (glicocalice):
  • Cellula-cellula (diretta = tramite glicoproteine di membrana): (non utilizzo di ioni calcio), CAM (proteine integrali di membrana che utilizzano ioni calcio) CADERINE
  • Cellula-matrice extracellulare (indiretta = adesione glicocalice-matrice): (qualunque glicoproteina transmembrana), specifica, proteoglicani. Proteine specifiche:
    • Fibronectina = c. del connettivo (fibroblasti)
    • Osteonectina = c. del tessuto osseo (osteoblasti)
    • Laminina = c. epiteliali
    • Condronectina = c. del tessuto cartilagineo (condroblasti)
    • Glicoforina = globuli rossi (quando un’emazia vecchia deve essere eliminata la glicoforina apre il canale per il riconoscimento al fegato che poi la elimina)
• Fornisce siti di ancoraggio sia per i filamenti citoscheletrici che per i componenti della matrice extracellulare
• Proprietà antigeniche: responsabile riconoscimento del sé e del non sé (glicocalice)

Costituenti di membrana (lipidi e proteine 1:1 + pochi carb)

• Lipidi: presentano accanto alla componente apolare idrofobica anche residui idrofilici, sono quindi molecole anfipatiche (avendo testa polare idrofila e code apolari idrofobe), che in soluzione acquosa tendono a formare un doppio strato, con le teste rivolte verso l’esterno e le code verso l’interno del doppio strato (esperimento di Gorten e Grender). La distribuzione dei lipidi di membrana nei due strati è disequale e quindi asimmetrica.
  • Composizione lipidica:
    • Fosfolipidi
    • Sfingolipidi
    • Glicolipidi (sono caratterizzati da corte catene di oligosaccaridi che si legano alla porzione idrofila dei lipidi sporgendo verso il lato extracellulare)
    • Colesterolo
• Lo spessore della membrana è dovuto alla componente degli acidi grassi, in base al grado di saturazione (+ saturo + spesso). La fluidità della membrana dipende dalla sua composizione (+ legami insaturi + fluida) e dalla temperatura. Il colesterolo regola la fluidità aumentandola a basse T (impedisce impacchettamento code) e diminuendola ad alte T (intercalandosi tra le code).
• Proteine: Spesso le proteine di membrana sono disposte a formare dei complessi di grandi dimensioni necessari per tradurre i messaggi extracellulari in segnali intracellulari. Vengono classificate come:
  • Proteine esterne (estrinseche) legate alla testa idrofila dei lipidi
  • Proteine interne (intrinseche) si inseriscono nel doppio strato. Se attraversano completamente il doppio strato lipidico e vengono definite anche transmembrana: se prendono contatto con un unico foglietto si chiamano monotopiche; se prendono contatto con entrambi i foglietti, prendono il nome di bitopiche (monopasso, attraversa 1 volta lo strato fosfolipidico), il segmento intramembrana è ad alpha elica; se attraversano il doppio strato fosfolipidico più volte vengono chiamate politotiche (multipasso). Possono svolgere ruoli importanti per la vita di relazione della cellula, funzionando come recettori, superficie, e (Cam, caderine, antigeni di proteine di trasporto o proteine canale adesione cellulare integrine).
  • Modelli di membrana:
    • Modello di Dawson-Danielli: Sandwich (bilayer lipidico con sulle teste idrofile proteine filamentose con presenza di canali polari rivestiti da proteine per il passaggio passivo di sostanze idrosolubili)
    • Modello a mosaico fluido: sviluppato negli anni ‘70 da Singer e Nicholson, afferma che le proteine di membrana sono globulari, localizzate in zone circoscritte del bilayer fosfolipidico associate o proteine alle teste polari o più o meno ancorate alle code idrofobe. MOSAICO: le proteine sono disposte in maniera discontinua e disomogenea (esperimento di freeze-etching). FLUIDO: i fosfolipidi sono mobili, e anche le proteine (fluidità è modulata dal colesterolo).
• Movimento lipidi (rotazione intorno ai legami semplici C-C, rotazione lungo l’asse longitudinale, flip-flop rotazione lungo l’asse trasversale, diffusione ai lati, movimenti collettivi)
• Movimento proteine (esperimento eterocarion, diffusione laterale e regolata dal citoscheletro)
• Carboidrati: sono presenti in quantità limitata (3-8%) sul lato extracitoplasmatico. Sono in genere costituiti da oligosaccaridi che si legano alle proteine, formano glicoproteine, oppure legati a lipidi, formando glicolipidi nella parte esterna della membrana e vanno a costituire il cosiddetto rivestimento cellulare, il glicocalice (o manicotto superficiale): attaccato alla membrana cellulare dalla parte esterna. Glicocalice attaccato: svincolato dalla membrana esterna. Glicocalice non attaccato.

Funzioni del glicocalice

• Protettiva: fornisce una protezione fisica di natura meccanica da urti (osteociti) e protezione da agenti chimici (filtro).
• Ha una specifica funzione nel riconoscimento e adesione: per la presenza di (glicoconiugati), recettori glicoproteine responsabili dell’adesione al substrato, di superficie (gruppi sanguigni) ed alcune volte sono presenti le lectine che legandosi a zuccheri specifici mediano l’adesione temporanea cellula-cellula. È possibile riscontrare anche delle catene polisaccaridiche, i glicosamminoglicani (GAG), secreti dalla cellula si legano a proteine per formare i proteoglicani di membrana.

Meccanismi di trasporto

Diffusione semplice: Movimento di sostanza da una concentrazione più alta a una più bassa, tendendo a eguagliare le concentrazioni in modo da rendere simili due ambienti diversi. Solo le sostanze solubili nei lipidi (quindi le sostanze idrofobe), e le piccole molecole non polari possono diffondere velocemente attraverso la membrana. Piccole molecole polari, prive di carica possono passare lentamente. Avviene senza dispendio di energia.

Diffusione facilitata (o trasporto passivo): Grazie alle proteine canale (p. transmembrana). Avviene senza dispendio di E. Le prime formano pori idrofilici e canali ionici. Sono molto selettive, l’apertura del canale avviene a controllo di: voltaggio o ligando.

A controllo di voltaggio: avviene in seguito all’arrivo di un’onda di depolarizzazione di membrana, come la conduzione durante un impulso nervoso.

A controllo di ligando: in seguito alla formazione di un legame tra proteina del canale con una molecola segnale (ligando), quale ad esempio un ormone o un neurotrasmettitore.

Trasporto passivo mediato: Stesso principio del trasporto passivo con l’unica differenza che il trasporto è mediato da una proteina chiamata proteina transmembrana trasportatrice o permeasi. Si legano in maniera specifica alle sostanze da trasportare e vanno incontro a cambiamenti conformazionali per trasferire la sostanza legata dall’altra parte della membrana. Questo tipo di trasporto è sensibile all’inibizione competitiva.

Trasporto attivo: Avviene contro un gradiente di concentrazione, il trasporto è mediato da una proteina trasportatrice, è unidirezionale e richiede energia. Le proteine che generalmente compiono un trasporto attivo vengono chiamate (Na⁺-K⁺ ATPasi, elettrogenica; Ca²⁺ ATPasi). Come conseguenza all’attività di queste proteine si determina una concentrazione di ioni diversa tra ambiente esterno (Na⁺, Ca²⁺, Cl^-) ed ambiente interno (K⁺ e molti anioni). Ioni positivi quindi in lieve eccesso all’esterno e prevalenza di negativi all’interno. La differenza di cariche genera il potenziale di membrana (polo + all’esterno e polo - all’interno).

• Modelli del meccanismo:
  • Porta girevole, modificazione del carrier e poro oscillante (meno dispendio di energia).

Inoltre, si può distinguere un trasporto attivo:

• Primario: utilizza direttamente una fonte di energia
• Secondario: utilizza l’energia elettrochimica originata da un gradiente (es.: quello prodotto dalla pompa Na⁺-K⁺ ATPasi) per trasportare in simporto un’altra sostanza, contro un gradiente di concentrazione

Se la proteina trasportatrice media il trasporto di un unico tipo di sostanza attraverso la membrana in un’unica direzione:

• Uniporto

Se sono in grado di trasferire simultaneamente, od in sequenza, due diverse sostanze:

• Trasportatori accoppiati
• Simporto: se la proteina trasportatrice è in grado di trasferire simultaneamente, od in sequenza, due diverse sostanze nella stessa direzione
• Antiporto: se la proteina trasportatrice è in grado di trasferire simultaneamente, od in sequenza, due diverse sostanze con direzione opposta. Questo tipo di trasporto è sensibile all’inibizione competitiva.

Inibitori

• Sostanze che possono legarsi a degli enzimi o a dei recettori determinando delle modifiche.
  • Modifica irreversibile: una volta che si sono legati distruggono il substrato
  • Competitivo: l’inibitore ha un sito perfettamente identico al sito recettoriale, l’inibitore stabilisce un legame con il substrato che smette di funzionare, ma non lo degrada
  • Non competitivo: l’inibitore si lega a un altro sito presente sul substrato, non lo degrada

Endocitosi

Processo mediante il quale la cellula assume materiali, trasportandoli dall’esterno verso l’interno, mediante vescicole che si formano per il ripiegamento interno (invaginazione) della membrana plasmatica. Viene bilanciata dall’esocitosi (la superficie della membrana si mantiene costante). Può essere distinta in tre forme:

• Fagocitosi (vescicole grandi)
• Pinocitosi (vescicole molto piccole)
• Endocitosi mediata da recettore

Fagocitosi

Processo svolto dai fagociti (es. macrofagi). Con la fagocitosi sono rimossi sia i microrganismi patogeni sia i detriti cellulari (provenienti da focolai di infiammazione, da lesioni tissutali o da ferite). La cellula crea delle propagini (estroflessioni della membrana) con cui circonda ciò che deve demolire che presenta sulla sua membrana delle proteine che vengono riconosciute punto per punto dal macrofago. Il materiale ingerito viene racchiuso in un grosso vacuolo, chiamato fagosoma, che si fonde con un lisosoma, formando un fagolisosoma, al cui interno si realizza la digestione del materiale ingerito. Può essere:

• Specifica: necessario riconoscimento (diretto e indiretto)
• Aspecifica: senza un preventivo riconoscimento da parte del fagocita

Pinocitosi costitutiva

Processo attraverso il quale la cellula internalizza, in modo aspecifico, molecole in soluzione e gocce d’acqua (es.: assunzione di albumina). La membrana plasmatica subisce prima un’invaginazione che porta all’avvicinamento dei due margini della membrana e, dopo la fusione, alla formazione della vescicola di endocitosi (endosoma), destinata a fondersi con un lisosoma. Si divide in macropinocitosi e micropinocitosi.

Endocitosi mediata da recettori

In questo processo la membrana non si estroflette ma si affossa verso l’interno. Con questo meccanismo la cellula è in grado di riconoscere (mediante recettori proteici o glicoproteici presenti sulla membrana plasmatica) molecole specifiche, anche quando la loro concentrazione nei liquidi extracellulari è estremamente bassa. I recettori specifici sono proteine integrali di membrana, attivati dal legame con il ligando. Nel versante interno della membrana vi sono microfilamenti di actina e molecole di clatrina. I recettori diffondono lateralmente sul piano della membrana e si concentrano nell’area in cui si formerà la fossetta rivestita. La curvatura della membrana è facilitata dai microfilamenti di actina che si dispongono in modo perpendicolare, interviene poi la clatrina che crea dei cestelli, la vescicola sprofonda e crea un collo lungo che tramite una proteina viene strozzato, formando le vescicole rivestite (di clatrina appunto). In seguito, le vescicole perdono il loro rivestimento di clatrina che torna alla membrana senza meccanismi di trasporto e il ligando si stacca dal recettore tramite pompe protoniche (abbassano il pH). I legandi dissociati vengono trasportati ai lisosomi, mentre i recettori e i ligandi che hanno resistito alla dissociazione possono:

• Essere riciclati, tornano allo stesso dominio di membrana (i recettori scarichi si concentrano su una parte di membrana dell’endosoma e tramite vescicole tornano sulla membrana plasmatica)
• Inviati ai lisosomi e degradati
• Trasferiti a un diverso dominio (transcitosi)

Trascitosi o diacitosi

Vescicole endosomiche chiamate caveole, attraversano tutta la cellula ed esocitano il contenuto in sede diversa da dove ha avuto origine. Scoperte nelle cellule endoteliali (proteine associate caveoline).

Esocitosi

Rilascio verso l’esterno di sostanze contenute in vescicole dopo la fusione di queste ultime con la membrana plasmatica. Esistono due tipi:

• Secrezione costitutiva (la sostanza non si accumula nella cellula ma è esocitata per flusso di vescicole)
• Secrezione regolata (accumuli di sostanza in granuli di secreto).

Segnali chimici e recettori cellulari

La cellula reagisce a segnali chimici/fisici grazie alla presenza, sulla sua superficie, di recettori specializzati che interagiscono con molecole situate sulla superficie di altre cellule, innescando così processi di riconoscimento, adesione e comunicazione cellulare. Questi recettori sono in grado di captare messaggi dall’ambiente esterno, i messaggeri primari, e di trasmetterli all’interno, attivando nella cellula altri tipi di sostanze, dette messaggeri secondari. La cellula che reagisce a particolari molecole segnale, prende il nome di cellula bersaglio. La fonte di produzione di queste molecole può essere a distanza considerevole dalla cellula bersaglio o in prossimità.

Se la molecola segnale è di natura lipidica o non presenta gruppi idrofili, può diffondere liberamente attraverso la membrana plasmatica, si lega a specifici recettori proteici intracitoplasmatici dando origine a complessi recettore-ormone, che si portano nel nucleo regolando la trascrizione.

Se la molecola segnale è di natura proteica o glicoproteica necessita di un recettore situato sulla superficie esterna della membrana della cellula bersaglio, il legame tra segnale e recettore è specifico e determina l’inizio del processo di trasmissione del segnale all’interno della cellula, detto trasduzione. L’interazione della molecola segnale con il recettore modifica la conformazione tridimensionale del recettore stesso, innescando una serie di reazioni che costituiscono la risposta della cellula a quel particolare segnale. Nella maggior parte dei casi l’inizio della serie di reazioni determina la sintesi di più molecole di un particolare effettore, messaggero secondario, che media la risposta cellulare. Le classi più note di recettori sono le recettori G, le quali vengono attivate in seguito all’interazione segnale-recettore, che può attivare a sua volta l’enzima adenilato ciclasi, determinando la sintesi del AMP ciclico (cAMP), oppure una proteina canale, che permette il trasporto e l’aumento della concentrazione intracitoplasmatica ad esempio di Ca²⁺.

Citoscheletro e specializzazioni di membrana

Il citoscheletro è un complesso sistema di strutture filamentose di tipo proteico nel citoplasma che sostiene la cellula eucariota. Funzioni:

• Supporto meccanico
• Mobilità all’interno della cellula
• Generano il movimento della cellula rispetto al substrato

I filamenti citoscheletrici non sono strutture stabili, sono in grado di modificare la loro organizzazione e di conseguenza la forma della cellula. I diversi tipi di filamenti proteici del citoscheletro possono collegarsi fra loro e con altri tipi di proteine che ne determinano le proprietà funzionali e, tramite l’energia fornita dalle molecole di ATP, possono generare il movimento sia all’interno della cellula sia nei confronti dell’ambiente circostante.

Componenti fondamentali

Le componenti fondamentali del citoscheletro sono tre tipi di proteine che, polimerizzate, formano strutture di diverse dimensioni:

• Microfilamenti di actina (5-9 nm)
• Microtubuli (25 nm)
• Filamenti intermedi (8-10 nm)

Microfilamenti

Sono composti dalla proteina monomerica (globulare), sono presenti in tutte le cellule eucariote ed assenti nei procarioti. I filamenti di actina tendono a localizzarsi prevalentemente sotto la membrana plasmatica formando una fitta rete (strato corticale o cortex). Un tipo di actina è presente in tutte le cellule, mentre almeno altri 6 tipi sono espressi in cellule differenziate con funzioni specifiche. L’actina G è una proteina bilobata con un’incisura centrale alla quale è sempre legata una molecola di ATP. L’actina G polimerizzata forma due catene lineari riunite in coppie a formare una doppia spirale con un avvolgimento ogni 37 nm, la lunghezza totale del polimero può essere molto variabile. La forma polimerizzata prende il nome di actina F (= actina filamentosa).

Polimerizzazione dell’actina

• Polimerizzazione: Comporta la formazione del primo dimero, il successivo aggancio di una terza molecola
  • Fase di Latenza: rafforza l’adesione nel trimero, che funge da centro di nucleazione
  • Fase di Crescita: Aumento rapido della velocità di polimerizzazione provocato dal centro di nucleazione
  • Fase di Equilibrio: la polimerizzazione è continua ma bilanciata da un eguale distacco di monomeri dall’estremità opposta, si stabilisce così una polarità del filamento, con un'estremità