Introduzione alla citologia: appunti di citologia

Cellula: terminologia e caratteristiche

Il termine citologia deriva dal greco Citos (cellula) e logos (studio), che significa studio della cellula e la sua organizzazione. La cellula è l'unità di espressione più piccola della vita, o meglio strutturale e funzionale della materia vivente. Le cellule esistono in moltissime forme differenti (fenotipo), in cui in ognuna vengono codificate le proteine di quel tipo (fenotipo).

Caratteristiche comuni delle cellule

• Presenza di una membrana cellulare/plasmatica che divide l’ambiente interno 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 grazie a 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 a un grumo protoplasmatico nel quale compare la prima forma autoreplicante (e perciò di vita) sulla Terra grazie alle sue basi azotate: l’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.

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

Nascita della cellula procariota

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

Nascita della cellula eucariotica

Dalla prima cellula procariote formatasi discendono tutte le altre cellule che esistono tutt’ora. (Antenato progenitore comune)

Evoluzione: dalle cellule create agli organismi attuali

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 vive 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

Chimica della materia vivente

Protoplasma: Composizione chimica

Elementi primari: C (carbonio), H (idrogeno), O (ossigeno), N (azoto), S (zolfo), P (fosforo) - 97%

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

Classificazione dei componenti chimici del protoplasma

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

I sali minerali si trovano sotto forma di polimeri: sali idrati, ovvero dissociati in ioni idrati:

• Cationi: K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺
• Anioni: Cl^-, HCO₃^-, H₂PO₄^-, SO₄^2-

Importanza del polimero

Minore solubilità, minore pressione osmotica nella cellula, minore agitazione termica. Solvente, altamente polare, dove le altre molecole riescono a stabilire le loro forze. Essa è legata tra tutte le sue molecole attraverso ponti a idrogeno (un H) formato tra l’ossigeno di una e l’H dell’altra. Con il congelamento questo ponte H si blocca con le dovute conseguenze (ghiaccio). Con l’ebollizione il ponte idrogeno si spezza con le dovute conseguenze (vapore).

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^- = fosfato contribuisce all’equilibrio del pH ematico e all’immagazzinamento dell’energia sotto forma 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.