Esame di citologia

Citologia

Informazioni generali

Prof. Gabriella Gabrielli (6 CFU)
Libro di testo richiesto: Biologia della cellula (Olmo - Colombo /EDI-ERMES)
Prova Orale
Esame: Esame diretto, non suddivisibile in parziali. Stretto contatto tra molecola, forma, funzione.

Obiettivi

Le basi molecolari, strutturali ed evolutive delle attività cellulari. I meccanismi di base della cellula, motilità cellulare, dell'accrescimento e della divisione cellulare.

Cellula: terminologia e caratteristiche

Il termine citologia deriva dal greco Citos (cellula) e logos (studio) = Studio della cellula e la sua organizzazione.

La cellula è l'unità l'espressione più piccola della vita, o meglio strutturale e funzionale della materia vivente. Le cellule esistono in moltissime forme differenti (Fenotipo), dove in ognuna vengono codificate le proteine di quel tipo (Fenotipo).

Le caratteristiche comuni tutte le cellule sono:

• Presenza di una membrana cellulare / plasmatica che divide l'ambiente intorno dall'ambiente esterno, ma che contiene sistemi che controllano l'ingresso e l'uscita di sostanze dalla cellula (anche perché la cellula animale deve prendere lo zucchero dall'esterno per produrre energia).
• I componenti cellulari vengono costruiti utilizzando le "risorse alimentari" attraverso sistemi interni di conversione dell'energia.
• Il materiale genetico contiene informazioni necessarie per dare origine a tutti i componenti cellulari.
• L'espressione genica consente alla cellula di utilizzare le sue informazioni genetiche per produrre un fenotipo di cellula, con quindi una funzione specifica e delle proteine specifiche.
• Il DNA riesce a trasmettere i suoi geni tramite la riproduzione cellulare (da madri a figlie).

La vita: origine e storia

Tutte le attività associate ai viventi dipendono da combinazioni e scambi tra atomi e la forza che unisce l'elettrone al nucleo atomico contiene l'energia che aziona i sistemi viventi. L'origine della vita è un mistero mentre la sua storia sta diventando sempre più chiara.

La teoria più plausibile dell'origine della vita sulla Terra risale a 3,5 miliardi di anni fa, attraverso la sintesi abiotica: un processo lungo e graduale dove sono avvenute la sintesi di materiale organico da molecole inorganiche presenti nell'atmosfera e nelle acque primitive. Tutto ciò è stato possibile da condizioni atmosferiche e fattori della biosfera molto particolari (umidità, composizione dell'aria, calore emanato dalle scariche elettriche e dalla crosta terrestre, distanza fisica tra le molecole).

Questo materiale organico, legandosi tra di loro, ha dato origine ad un grumo protoplasmatico nel quale compare la prima forma autoreplicante (e perciò di vita) sulla Terra grazie all'RNA. Esso era formato inizialmente da una membrana semi-protettiva, poiché presentava delle interruzioni sulla sua superficie. Questo periodo di tempo lo si può definire mondo RNA.

Nell'evoluzione di questo grumo protoplasmatico primitivo, si arriva a sostituire l'RNA con il DNA, un acido nucleico meno reattivo, con una configurazione strutturale meno accessibile, ovvero una doppia elica di filamenti complementari ed antiparalleli.

Nascita della cellula procariota

Quando il nucleo viene rivestito esternamente da una membrana cellulare chiusa, ma con entrata e uscita controllata da meccanismi specifici.

Nascita della cellula eucariotica

Mentre quando si sente il bisogno di delimitare dentro uno spazio ben preciso l'acido nucleico responsabile della riproduzione, formandosi un nucleo ben definito.

Evoluzione: dalle cellule create agli organismi attuali

Dalla prima cellula procariote formatasi discendono tutte le altre cellule che esistono tutt'ora. Si riesce a dividere l'evoluzione della cellula in organismi più complessi in 3 domini, 6 regni:

• Dominio Bacteria: I membri del dominio Bacteria sono tra i procarioti più diffusi e più diversificati.
• Dominio Archaea: La maggior parte dei procarioti raggruppati nel dominio Archaea vivono negli ambienti terrestri caratterizzati da condizioni ambientali estreme, quali i laghi ad alta salinità e le sorgenti calde con acque bollenti. Prove di natura molecolare dimostrano che gli Archaea presentano caratteri comuni con gli eucarioti, in misura non minore dei tratti morfo-funzionali che essi condividono con i membri del dominio dei Bacteria.
• Dominio Eukarya:
  • Regno Protista: consiste di eucarioti unicellulari e delle forme a loro correlate, caratterizzate da associazioni cellulari relativamente semplici.
  • Regno Plantae: consiste di eucarioti multicellulari in grado di effettuare la fotosintesi.
  • Regno Fungi: viene definito con riferimento, almeno parziale, alle strategie nutrizionali dei suoi membri, come questi esemplari che assorbono nutrienti da materiale organico in decomposizione.
  • Regno Animalia: comprende eucarioti multicellulari che si nutrono ingerendo altri organismi.

Livello di organizzazione cellulare

Protoplasma è il termine simile al citoplasma. È una soluzione acquosa di cristalloidi e molecole organiche di varia natura.

Composizione chimica:

• Elementi primari: C (carbonio), H (idrogeno), O (ossigeno), N (azoto) (97%), S (zolfo), P (fosforo)
• Composizione tipo (Soluzione):
  • Acqua (Solvente) 75-80%.
  • Lipidi 2-3%
  • Proteine 10-20%
  • Acidi nucleici 1-1,5%
  • Glucidi 1%
  • Sali minerali 1%

Classificazione dei componenti chimici del protoplasma

• Composti organici: Acidi nucleici, proteine, glucidi, lipidi
• Composti inorganici: sali minerali e acqua

Importanza del polimero

Si trovano sotto forma di sali idrati, ovvero dissociati in ioni idrati:

• Cationi: (K, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺)
• Anioni: (Cl^-, HCO₃^-, HPO₄^2-, SO₄^2-)

Funzione dei sali minerali:

• Na⁺, K⁺, Cl^- = regolazione della permeabilità di membrana.
• Ca²⁺ = fosfato di calcio nell'osso e nei denti. Il calcio regola la contrattilità muscolare e l'eccitabilità delle fibre nervose, interviene nel processo di coagulazione e nella attivazione di molti sistemi enzimatici. Agisce da secondo messaggero nella trasduzione dei segnali cellulari.
• HPO₄^2- = fosfato contribuisce all'equilibrio del pH ematico e all'immagazzinamento dell'energia sottoforma di ATP, GTP. È presente nei fosfolipidi, negli acidi nucleici, in molte proteine.
• Mg²⁺ = presente come fosfato di magnesio nelle ossa. In forma ionica agisce attivando molti sistemi enzimatici. Stabilizza la conformazione molecolare di acidi nucleici e clorofilla.
• SO₄^2- = Il solfato stabilizza la struttura di molte proteine (cheratina, lisozima).
• HCO₃^- = Il bicarbonato consente il trasporto di CO₂ ed interviene nel mantenimento dell'equilibrio acido-base nel sangue.
• Fe = il ferro assicura il trasporto dell'ossigeno da parte dell'emoglobina ed il trasporto degli elettroni nelle catene di ossido-riduzione.
• I = lo iodio è un costituente della molecola degli ormoni tiroidei.

Funzioni oligodinamiche

Alcuni metalli si trovano all'interno del corpo per funzioni piccole, spesso catalitiche, negli enzimi. (Br, Mn, Cu, V, Al, Se) Può capitare di trovare elementi privi di funzioni, capitati accidentalmente o per caratteristiche chimiche affini.

Legami chimici

I legami chimici in biologia permettono l'interazione degli elementi per la formazione di molecole, e via via sempre più complessi per costruire le strutture della cellula. Inoltre, per permettere tutte le reazioni, perciò funzioni della cellula, essa ha bisogno di rompere e formare legami con produzione e utilizzo di energia. L'instaurazione del legame avviene tramite il tentativo da parte degli atomi di riempire il loro stato di elettroni più esterno (ottetto).

Si dividono in 2 categorie principali:

Legami forti e legami deboli

L'aggettivo forte e debole deriva dall'energia che ci vorrà per rompere o ricostituire quel legame.

Legami forti

I legami forti ne è principalmente uno: I legami covalenti mettono in condivisione una o due coppia/e di elettroni tra 2 atomi che difficilmente cedono completamente un elettrone. La forza del legame, (come la nube elettronica che si crea) è molto forte e attrattiva tra gli atomi, tanto che solo grazie agli enzimi riesce la sua catalizzazione. Questo tipo di legame è diffuso e molto usuale trovarlo nelle molecole organiche (Legame peptidico, legame glucosidico).

Esistono 2 tipologie di legami covalenti:

• Legame puro = dove gli atomi sono uguali e quindi attraggono la nube elettronica condivisa allo stesso modo, con conseguente simmetria della molecola.
• Legame polare = dove gli atomi non sono uguali e quello più elettronegativo attira verso di sé la nube elettronica condivisa, con conseguente asimmetria della molecola. Quando una molecola è polare (ovvero contiene un legame covalente polare) ottiene due caratteristiche importanti a livello cellulare: L'idrofilia (compatibilità con il mezzo acquoso) Attrazione intermolecolare e intramolecolare.

Legami ionici

I legami ionici, invece, avvengono per cessione e assorbimento di elettroni da un atomo all'altro, con formazione di cariche opposte, che rappresenta la forza del legame. Questa forza si può classificare media poiché è forte, ma con l'azione del solvente acqua (solvatazione degli elementi) si separano in ioni idrati. Esso lega moltissimi composti inorganici (sali) e i liquidi biologici della cellula (elettroliti).

Legami deboli

I legami deboli sono principalmente 3:

• Legame a ponte H (Idrogeno): Formato da un idrogeno in una molecola che viene attratto da un atomo in un'altra molecola (Vedere esempio acqua)
• Interazioni elettrostatiche (forze di Van Der Waals): Interazioni dovute alla polarità e quindi idrofilia delle molecole, che vengono attirate tra di loro per forze elettrostatiche (+ e -)
• Interazioni idrofobiche non polari: Interazioni tra molecole idrofobiche neutre che, non entrando nell'acqua, riescono ad isolarsi insieme e perciò unirsi attraverso queste interazioni.

Il vivente: un sistema gerarchico multivitellare

Cellula eucariotica

Sono le cellule dei funghi, degli animali e delle piante. Sono grandi circa 10 volte di quelle procariotiche. Hanno la membrana cellulare, il citoplasma e i ribosomi; in più hanno degli altri comparti citoplasmatici delimitati da citosol mediante una membrana, chiamati organuli. Questi organuli svolgono un ruolo ben preciso nella cellula a cui appartengono; Le cellule eucariotiche differiscono per forma, dimensione e numero. La forma è l'espressione della funzione.

Nucleoplastica: E' l'organulo di dimensioni maggiori, è delimitato da una membrana, ha forma e dimensioni variabili secondo il tipo cellulare. Contiene il DNA; nel nucleo si svolge la duplicazione e le prime fasi del processo di decodificazione dell'informazione genetica.

Mitocondri: In questi organuli l'energia immagazzinata nei legami chimici delle molecole di carboidrati viene convertita in una forma più accessibile alla cellula (ATP); avvengono anche delle trasformazioni biochimiche degli amminoacidi e degli acidi grassi.

Reticolo endoplasmatico e apparato del Golgi: Qui le proteine sono assemblate e vengono indirizzate verso le proprie destinazioni nella cellula.

Lisosomi o Vacuoli: Qui le molecole più grandi vengono idrolizzate fino ad ottenere dei monomeri utilizzabili.

Cloroplasti: Si svolge la fotosintesi. Le membrane che circondano ogni organulo hanno due compiti:

• Separare le molecole contenute negli organuli dalle molecole presenti nella cellula.
• Regola il passaggio delle molecole, permettendo così alle materie prime di entrare negli organuli e alle sostanze sintetizzate di essere liberate nel citoplasma.

Cellula procariotica

Riescono a sopravvivere anche nelle condizioni ambientali più difficili. Hanno delle dimensioni più piccole rispetto a quelle eucariotiche. Ogni procariote è un organismo unicellulare. Le sostanze contenute nel citoplasma sono in continuo movimento. Nel citoplasma avvengono delle reazioni di glicolisi e di fermentazione. Le cellule procariotiche svolgono dei ruoli complessi, facendo così molti processi biochimici.

Parete cellulare: La maggior parte delle cellule procariotiche ha la parete cellulare, che si trova all'esterno della membrana plasmatica. La rigidità dà sostegno e forma alla parete. Contiene i peptidoglicani, che sono dei polimeri di amminozucchero, uniti da dei legami covalenti, così che formano una grande molecola localizzata tutta attorno alla cellula. In alcuni batteri, intorno alla parete c'è una sostanza mucillaginosa, costituita da polisaccaridi, è la capsula. Alcune volte la capsula aiuta il batterio ad aderire ad altre cellule.

Membrane interne: I cianobatteri compiono la fotosintesi. In questi batteri fotosintetici, il plasmalemma si ripiega su se stesso all'interno del citoplasma fino a formare un sistema di membrane interne, dove si trova la clorofilla batterica e altre sostanze necessarie allo svolgimento della fotosintesi.

Ribosomi: Sintetizzano le proteine dal mRNA.

Flagelli e Pili: Alcuni procarioti riescono a muoversi nell'ambiente acquoso utilizzando i flagelli. È costituito da una proteina, la flagellina; ruota intorno al suo asse come un'elica, spingendo avanti la cellula. I flagelli permettono alla cellula di muoversi, infatti se vengono tolti, la cellula non si muove. I pili sporgono dalla superficie di alcuni gruppi di batteri; permettono ai batteri di aderire l'uno con l'altro durante l'accoppiamento, e avere contatto con le cellule animali per ricevere protezione o nutrimento.

Citoscheletro: È costituito da dei microtubuli e dei microfilamenti. Le sue funzioni sono quelle di:

• Dare forma alla cellula
• Provvedere ai vari movimenti cellulari
• Ancoraggio della membrana plasmatica

Le molecole di interesse biologico

Le cellule viventi sono formate da molecole organiche, prevalentemente complesse e di grandi dimensioni (macromolecole), risultanti fondamentalmente dalla combinazione di quattro elementi — carbonio (C), idrogeno (H), ossigeno (O) e azoto (N) — ai quali si associano meno frequentemente fosforo (P) e zolfo (S). I liquidi cellulari sono formati da soluzioni acquose contenenti in forma ionica elementi quali sodio (Na), potassio (K), magnesio (Mg), calcio (Ca), cloro (Cl). Altri elementi essenziali alla vita sono presenti in tracce (per esempio, ferro, iodio, rame, zinco, manganese, fluoro, silicio).

Il protoplasma è il contenuto interno della cellula il quale si divide in: composti inorganici (H₂O) e composti organici suddivise in quattro gruppi fondamentali: glucidi, o zuccheri, lipidi, proteine e acidi nucleici; un altro gruppo particolare di composti, a struttura chimica eterogenea, è quello delle vitamine. Queste macromolecole sono formate a sua volta da unità di base chiamata monomeri, i quali si uniscono assieme tramite la polimerizzazione.

Le macromolecole (o polimeri) possono essere:

• Omopolimeri: se contengono monomeri uguali;
• Eteropolimeri: se contengono monomeri diversi.

I gruppi fondamentali di molecole biologiche

Glucidi

Per funzionare nell'ambito biologico hanno bisogno di un gruppo aldeide o chetone. Principalmente i glucidi hanno 2 forme tridimensionali: Lineari e/o Circolari. Essi molto spesso si dividono in isomeri, ovvero una stessa molecola di glucosio (es.) ma posizionata nello spazio diversamente (diversi centri di simmetria): in base ai gruppi legati al carbonio abbiamo la forma D e la forma L; mentre in base al gruppo ossidrile OH del primo carbonio (C₁) abbiamo la forma “Alfa” e “Beta”. La differenza dei 2 isomeri in base al gruppo OH del C₁ sta principalmente che gli isomeri “Alfa” formano, combinandosi tra di loro, l’amido e gli isomeri “Beta” formano, combinandosi tra di loro, la cellulosa. Nella forma alfa esiste una differenza in base a come