Citologia per esame di citologia, istologia ed anatomia umana

Cellula eucariotica

Le cellule eucariotiche sono caratterizzate dalla presenza di un nucleo, contenente il DNA della cellula stessa, delimitato da un involucro membranoso e, inoltre, si osserva la compartimentazione della cellula in spazi delimitati con diverse e specifiche funzioni.

La cellula eucariotica possiede la sua centrale di controllo, un sistema interno di trasporto, impianti energetici, “fabbriche” per la produzione di materiali. Molti organuli sono sospesi nella componente fluida del citoplasma, normalmente chiamata citosol. Il termine citoplasma include sia il citosol che gli organuli.

Le cellule eucariotiche differiscono da quelle procariotiche anche perché possiedono un’impalcatura di sostegno, il citoscheletro, importante per il mantenimento della forma della cellula e per il trasporto di materiali al suo interno.

Proprietà delle membrane

Le membrane cellulari hanno proprietà particolari che permettono agli organuli di essere delimitati e svolgere specifiche funzioni. Poiché le membrane non possono mai avere estremità libere, gli organuli racchiudono sempre almeno un compartimento.

Tali compartimenti circoscritti da membrane fanno sì che alcune attività cellulari siano localizzate all’interno di regioni cellulari specifiche. I reagenti concentrati in una piccola parte del volume cellulare vengono a contatto tra loro più facilmente e la velocità di reazione può, di conseguenza, aumentare notevolmente.

Le membrane funzionano anche come superfici di lavoro cellulare e permettono, inoltre, di immagazzinare energia. Quando le particelle di una sostanza passano attraverso la membrana dal lato ad alta concentrazione a quello a bassa concentrazione, la cellula può trasformare parte dell’energia potenziale in energia chimica sotto forma di ATP.

Il nucleo cellulare

Il nucleo è tipicamente l’organulo più rilevante della cellula. Nella maggior parte delle cellule, il DNA è localizzato all’interno del nucleo. L’involucro nucleare è costituito da due membrane concentriche che separano il contenuto del nucleo dal citoplasma circostante. Queste due membrane si fondono in determinati punti detti pori nucleari.

Questi complessi regolano il passaggio di materiali di grandi dimensioni attraverso le membrane nucleari, tuttavia, ioni e molecole biologiche possono passare liberamente attraverso i pori nucleari. Ogni proteina che dal citoplasma deve essere trasportata attivamente attraverso il poro contiene un segnale di localizzazione (SLN) che fa parte della sequenza amminoacidica. Il meccanismo di trasporto attraverso i pori nucleari può essere molto veloce.

Una rete fibrosa di filamenti proteici, detta lamina nucleare, forma il rivestimento interno dell’involucro nucleare. Inoltre, svolge un ruolo importante nella duplicazione del DNA e nella regolazione del ciclo cellulare. Mutazioni nei geni che codificano le proteine della lamina nucleare sono associate a diverse malattie genetiche umane, tra cui le distrofie muscolari e l’invecchiamento precoce.

Replicazione del DNA

Quando una cellula si divide, l’informazione contenuta nel DNA deve essere duplicata esattamente attraverso un processo noto come replicazione. Ogni copia è trasmessa intatta alle due cellule figlie. Le molecole di DNA sono costituite da sequenze di nucleotidi chiamate geni, che contengono, in forma chimica, le informazioni per la produzione di tutte le proteine necessarie per la cellula.

Il nucleo controlla la sintesi proteica trascrivendo l’informazione del DNA in molecole di RNA messaggero, che passano nel citoplasma dove le proteine sono sintetizzate dai ribosomi. Il DNA si associa con l’RNA e alcune proteine per formare una struttura definita cromatina. All’interno delle cellule che non si stanno dividendo, la cromatina ha l’aspetto di una rete irregolare costituita da organuli e filamenti.

Cromosomi e nucleoli

Le macromolecole di DNA, essendo estremamente lunghe e sottili, devono essere impacchettate nel nucleo in strutture dette cromosomi. La maggior parte dei nuclei possiede una o più strutture compatte chiamate nucleoli. Il nucleolo non è circondato da membrana. Ciascun nucleolo contiene un organizzatore nucleare costituito da regioni cromosomiche contenenti le istruzioni per sintetizzare i diversi tipi di RNA che costituiscono i ribosomi. Questi tipi di RNA, appunto, vengono sintetizzati proprio nella regione del nucleolo.

Nel nucleo vengono consumate grandi quantità di energia sotto forma di ATP; questa energia viene utilizzata per la sintesi degli RNA e per il trasporto di grandi e piccole molecole attraverso i pori nucleari.

Ribosomi

I ribosomi sono organuli che si trovano liberi nel citoplasma o attaccati ad alcune membrane citoplasmatiche. I ribosomi contengono l’enzima responsabile della formazione dei legami peptidici; ognuno di questi organuli è costituito da due subunità, una maggiore ed una minore, che, unendosi, funzionano come fabbriche per l’assemblaggio dei polipeptidi.

Le subunità ribosomiali sono composte da filamenti di RNA ribosomiale. Gli mRNA (RNA messaggeri) che codificano le proteine ribosomiali sono prima copiati dai rispettivi geni nel nucleo. Essi devono poi essere trasportati attraverso i pori nucleari nel citoplasma, dove vengono tradotti dai ribosomi per sintetizzare la proteina corrispondente. Successivamente, le proteine ribosomiali di nuova sintesi devono essere importate nuovamente nel nucleo, dove saranno assemblate con rRNA (RNA ribosomiali) in subunità ribosomiali, per poi uscire nuovamente dalla regione del nucleo.

Organuli citoplasmatici

Organuli citoplasmatici sprovvisti di membrana:

• Mitocondri
• Cloroplasti

Organuli citoplasmatici provvisti di membrana:

• Reticolo endoplasmatico
• Apparato di Golgi
• Lisosomi
• Perossisomi
• Vacuoli

Tutti questi organuli sono componenti del sistema delle endomembrane, una rete di organuli che scambiano i materiali attraverso piccole vescicole di trasporto avvolte da membrana. Queste vescicole contengono proteine derivate dal lume (compartimento interno) dell’organulo. Ogni vescicola ha delle proteine incorporate nella sua membrana che hanno segnali specifici per l’organulo al quale sono destinate. La vescicola viene quindi trasportata sul citoscheletro dell’organulo bersaglio, per poi integrarsi con esso, rilasciando al suo interno le sostanze trasportate.

Reticolo endoplasmatico

Il reticolo endoplasmatico è costituito da un labirinto di membrane interne parallele che circondano il nucleo della cellula, estendendosi in molte regioni del citoplasma. Le membrane del RE (reticolo endoplasmatico) sono costituite da una serie di diversi domini che hanno strutture e funzioni distinte. Nonostante le diverse funzioni, le loro membrane sono collegate e racchiudono un compartimento interno (lume del RE).

Tipi di reticolo endoplasmatico

1. Reticolo endoplasmatico liscio: Ha un aspetto tubolare e la superficie della sua membrana esterna appare liscia. Gli enzimi presenti nelle membrane del REL catalizzano la sintesi di numerosi lipidi e carboidrati. Il REL, inoltre, rappresenta anche la sede primaria di sintesi dei fosfolipidi e del colesterolo, richiesti per la formazione delle membrane cellulari.
2. Reticolo endoplasmatico rugoso: Il RER appare tale in quanto sulla sua superficie esterna si trovano i ribosomi; una faccia della membrana (interna o luminale) risulta nuda, mentre l'altra faccia (esterna o citosolica) è punteggiata di ribosomi. L'involucro nucleare è un dominio funzionale del RE, in quanto le membrane nucleari, interna ed esterna, sono di fatto in continuità con il RER. Il RER svolge un ruolo fondamentale nella sintesi e nell’assemblaggio delle proteine, infatti molte delle proteine che sono esportate fuori dalla cellula e quelle destinate ad altri organuli sono sintetizzate sui ribosomi presenti sulla membrana del RER.

Apparato di Golgi

L’apparato di Golgi è un complesso di membrane che modifica e smista le proteine che riceve dal RE e poi le impacchetta in vescicole di trasporto destinate ai diversi componenti del sistema delle endomembrane. Le proteine si formano inizialmente nei ribosomi del RER, per poi entrare nel lume dello stesso. In seguito, procedono verso l’apparato di Golgi e poi verso la loro destinazione finale come la membrana plasmatica ho i lisosomi.

Nella maggior parte delle cellule, l’apparato di Golgi è costituito da pile di sacche membranose appiattite chiamate cisterne. Ciascuna di queste sacche ha uno spazio interno detto lume. Ciascuna pila di vescicole di Golgi possiede tre aree, denominate: superficie cis; superficie trans; regione mediale (sta in mezzo). Generalmente, la superficie Cis è collocata vicino al nucleo e ha funzione di ricevere i materiali contenuti nelle vescicole di trasporto provenienti dal RER. La superficie trans, più vicina alla membrana plasmatica, impacchetta le molecole in vescicole che sono trasportate al di fuori del Golgi.

Nelle cellule animali, il complesso del Golgi sintetizza i lisosomi e le glicoproteine complesse che vengono secrete per formare la matrice extracellulare e il muco che ricopre le cellule epiteliali. Le proteine di secrezione che sono sintetizzate nel lume del RER sono trasportate prima alla superficie CIS del complesso del Golgi come carico nelle piccole vescicole di trasporto formate dalla membrana del RER stesso. Queste proteine poi vengono inviate a una pila di vescicole del Golgi, subendo alcune modificazioni fino a raggiungere la superficie trans del Golgi, dove vengono assemblate in vescicole e inviate alle membrane di destinazione. Le vescicole formate dal Golgi CIS tornano indietro verso il RER e sono quelle implicate nel riciclo delle proteine coinvolte nell’assemblaggio del RER e nella formazione delle vescicole.

Le proteine che attraversano l’apparato di Golgi sono modificate in molti modi, per cui si originano molecole biologiche complesse. Per esempio, i carboidrati di una glicoproteina possono essere modificati. In alcuni casi, i carboidrati e le altre molecole aggiunte le proteine vengono usati come segnale di riconoscimento. Le glicoproteine sono quindi impacchettate in vescicole secretorie nella regione trans. Tali vescicole si staccano dalla membrana del Golgi trasportando il loro contenuto a specifiche destinazioni. Le vescicole che trasportano prodotti che devono essere esportati dalla cellula si fondono con la membrana plasmatica. La membrana delle vescicole diventa parte della membrana plasmatica e le glicoproteine sono secrete dalla cellula. Altre vescicole possono immagazzinare le glicoproteine e secernere poi in un secondo momento.

Lisosomi

I lisosomi sono piccole vescicole piene di enzimi litici disperse nel citoplasma della maggior parte delle cellule animali. All’interno dei lisosomi vi sono più di 40 enzimi digestivi diversi. Poiché la maggior parte degli enzimi lisosomiali è attiva in ambiente acido, i lisosomi mantengono al loro interno un valore di pH intorno a 5.

I lisosomi primari si formano per gemmazione dal complesso di Golgi. I loro enzimi idrolitici sono sintetizzati nel RER. Quando questi enzimi attraversano il lume del RER, dei carboidrati si attaccano ad ogni molecola, identificandola come destinata ai lisosomi. Questo segnale permette al complesso del Golgi di smistare questi enzimi verso i lisosomi anziché farli uscire dalla cellula.

I lisosomi agiscono fondendo le loro membrane con vescicole che contengono materiale che deve essere digerito, per esempio i batteri. Uno o più lisosomi primari si fondono con queste vescicole contenenti il materiale estraneo, formando una vescicola più grande, detta lisosoma secondario. Infine, i potenti enzimi digestivi del lisosoma vengono a contatto con le molecole estranee, degradandole nei loro componenti. I lisosomi possono anche degradare organuli danneggiati.

Perossisomi

I perossisomi sono organuli rivestiti da membrana che contengono enzimi in grado di catalizzare quelle reazioni metaboliche nelle quali l’idrogeno è trasferito dai vari composti all’ossigeno. Essi si formano per gemmazione di un dominio specializzato presente nel REL. Il nome perossisoma deriva dal fatto che durante queste reazioni si forma perossido di idrogeno che viene utilizzato per detossificare determinati composti. Un eccesso di perossido di idrogeno è tossico per la cellula.

I perossisomi contengono l’enzima catalisi che è in grado di scindere rapidamente il perossido di idrogeno in eccesso in acqua e ossigeno, rendendolo innocuo. I perossisomi si trovano in gran numero in tutte quelle cellule che sintetizzano, immagazzinano o degradano i lipidi. Una delle loro funzioni principali è la degradazione degli acidi grassi. Inoltre, essi sintetizzano alcuni fosfolipidi che compongono la guaina isolante delle cellule nervose.

Mitocondri

I mitocondri sono organuli complessi dotati di membrana che svolgono diversi compiti all’interno della cellula. La loro funzione principale è quella di produrre energia mediante il meccanismo della respirazione aerobica, un processo che richiede ossigeno e che consiste in una serie di reazioni che trasformano l’energia chimica presente in sostanze nutritive in ATP.

Oltre ad essere la sede della respirazione cellulare, i mitocondri, hanno anche una funzione regolatrice e possono indurre la cellula in apoptosi per mantenere stabile il numero di cellule nell’organismo. Ognuno di questi organuli è circondato da una doppia membrana, che dà origine all’interno dell’organulo a due compartimenti distinti:

1. Spazio intermembrana: compartimento che si trova tra la membrana mitocondriale esterna la membrana mitocondriale interna.
2. Matrice mitocondriale: compartimento circondato dalla membrana mitocondriale interna, contenente enzimi che degradano le molecole alimentari e convertono l’energia in esse contenuta in altre forme di energia chimica.

La membrana mitocondriale esterna è liscia e permette il passaggio di molte molecole di piccole dimensioni. Al contrario, la membrana mitocondriale interna è selettivamente permeabile, può essere cioè attraversata solo da alcuni tipi di molecole. Tale membrana è ripiegata per formare estroflessioni, chiamate creste mitocondriali, che si estendono all’interno della matrice.

Le creste aumentano enormemente la superficie della membrana mitocondriale interna, fornendo un’area in cui avvengono le reazioni che trasformano l’energia chimica delle molecole del cibo in energia dell’ATP. La membrana contiene tutti gli enzimi e le altre proteine necessarie per queste reazioni. Bisogna sottolineare che i mitocondri si accrescono e si riproducono autonomamente. Essi contengono piccole quantità di DNA che codificano per alcune loro proteine. Tali proteine sono sintetizzate dai ribosomi dei mitocondri.

L'esistenza di un insieme separato di ribosomi e di molecole di DNA nei mitocondri e nei cloroplasti e le dimensioni simili a quelle di molti batteri sono da supporto alla teoria endosimbiontica secondo la quale mitocondri e cloroplasti si sarebbero evoluti a partire da organismi procariotici che si stabilirono all'interno delle cellule eucariotiche più grandi, perdendo infine la capacità di funzionare come organismi autonomi.

Il citoscheletro

Il citoscheletro determina la capacità delle cellule di muoversi e di mantenere la propria forma. Il citoscheletro è altamente dinamico e cambia continuamente. È costituito essenzialmente da tre tipi di filamenti proteici:

• Microtubuli: sono i filamenti più spessi del citoscheletro. Oltre a svolgere un ruolo strutturale nella formazione del citoscheletro, queste strutture estremamente dinamiche sono coinvolte nel movimento dei cromosomi durante la divisione cellulare. Essi, inoltre, fungono da supporto per diversi movimenti intracellulari e costituiscono i principali componenti strutturali delle ciglia e dei flagelli (strutture specializzate nel movimento). I microtubuli, per espletare la loro funzione strutturale o partecipare al movimento delle cellule, devono ancorarsi ad altre parti della cellula. Il MTOC è il centro di organizzazione dei microtubuli e il principale è costituito dal centrosoma, il quale, in quasi tutte le cellule animali, contiene due centrioli.