Istologia - Appunti

Istologia

Citologia

Caratteristiche generali della cellula

La cellula rappresenta l'unità fondamentale della sostanza vivente e l'unità costitutiva degli organismi viventi, sia dal punto di vista strutturale che da quello funzionale. Le cellule hanno la capacità di svolgere tutte le funzioni vitali: traggono nutrimento dall'ambiente che le circonda e con esso producono energia e fabbricano le molecole necessarie alla loro sopravvivenza. Il ciclo vitale della cellula inizia con la divisione cellulare di una cellula madre che dà origine a due cellule figlie. Queste cellule vanno incontro a maturazione e a processi di differenziamento, ovvero all'acquisizione di caratteristiche specifiche atte allo svolgimento di determinate funzioni.

Il corpo umano è costituito da molti miliardi di cellule diverse, che variano dalla loro costituzione alle loro funzioni. Tuttavia le cellule sono formate dagli stessi elementi costitutivi fondamentali. Tutte le cellule sono delimitate da una membrana, la membrana plasmatica, che suddivide l'ambiente cellulare da tutto quello che è al di fuori della cellula. Negli animali e nelle piante (organismi eucarioti), si distinguono due grandi compartimenti funzionali e strutturali intracellulari, in nucleo e il citoplasma. Il nucleo è delimitato da una struttura membranosa, l'involucro nucleare, e occupa una regione variabile all'interno della cellula. Il citoplasma occupa tutto il resto del volume intracellulare.

La membrana plasmatica

La membrana plasmatica o plasmalemma, o membrana cellulare rappresenta il confine della cellula e media tutte le interazioni con l'esterno, incluse le funzioni di approvvigionamento e di difesa. La membrana plasmatica svolge quindi un ruolo di protezione e contenimento delle strutture intracellulari, ed è fondamentale nella regolazione degli scambi che avvengono con l'esterno (permeabilità e trasporto), nell'adesione ad altre cellule, e nel movimento (nel caso di cellule mobili). La membrana plasmatica è inoltre la sede della specificità immunologica (riconosce le molecole estranee). Le molecole costitutive della membrana plasmatica sono rappresentate da lipidi (30-40%), proteine (60-70%), glucidi e altro.

Lipidi di membrana

La membrana contiene tre tipi di lipidi: i fosfolipidi, che sono i più abbondanti, il colesterolo e i glicolipidi, che nell'insieme formano la struttura molecolare di base della membrana. Ciascuna molecola lipidica contiene una "testa" che la rende idrofila ovvero solubile in acqua e "code" non polari idrofobe cioè non solubili in acqua. I lipidi sono disposti in doppio strato con le teste polari rivolte verso l'esterno a contatto con lo spazio extracellulare e le code non polari rivolte verso l'interno. Lo strato intermedio è responsabile dell'impermeabilità (anche per l'acqua).

Proteine di membrana

Sono classificate in base al rapporto che contraggono con lo strato bimolecolare lipidico. Le proteine estrinseche aderiscono alle superfici esterna o interna della membrana per mezzo di legami elettrostatici con le teste polari dei lipidi. Le proteine intrinseche sono invece saldamente ancorate alla membrana essendo contenute nel suo spessore. Fra le proteine intrinseche, quelle che attraversano la membrana da parte a parte sono dette transmembrana (con funzione di canale). Le proteine di superficie svolgono una grande varietà di importanti ruoli funzionali, come per esempio quello di recettore per tutti i segnali che la membrana riceve, inclusi gli ormoni. Alcune attività richiedono la presenza di proteine o di gruppi coordinati di proteine in posizioni precise lungo la membrana. Il doppio strato lipidico costituisce un mezzo fluido che consente alle proteine immerse una certa libertà di spostamento lungo la membrana.

La membrana unitaria

La struttura molecolare fin qui descritta non è esclusiva della membrana plasmatica, ma è utilizzata nella maggior parte del rivestimento degli organelli intracellulari (con differenze nella composizione chimica).

Permeabilità e trasporto

La cellula utilizza due ordini di meccanismi per lo scambio di materiale. Il primo si basa sulla permeabilità della membrana stessa (diffusione passiva, diffusione facilitata, e il trasporto attivo). Il secondo ordine sfrutta la capacità delle membrane di dare origine a vescicole e di fondersi con esse, e include l'esocitosi, endocitosi, e la fagocitosi.

Diffusione passiva

Il passaggio di acqua è controllato da differenze di pressione osmotica, mentre il passaggio di soluti che possono attraversare la membrana è regolato da gradienti di concentrazione, per gli ioni, anche dal gradiente elettrico. In ogni caso questa diffusione è detta passiva perché avviene senza dispendio energetico. Il doppio strato lipidico è permeabile a piccole molecole dotate di liposolubilità (alcool e anestetici); mentre le sostanze polari (acqua, ioni ecc.), non potendo superare l'ostacolo, si servono di canali di natura proteica che la attraversano. Le proteine canale costituiscono appunto dei pori che si estendono attraverso lo stato lipidico. Alcuni canali sono previsti di meccanismi di apertura e chiusura regolati in base alle necessità. Quando sono aperti, i canali consentono a certi soluti di attraversare la membrana.

La regolazione dei canali è affidata a due meccanismi principali:

• Canali voltaggio dipendenti – Si aprono in risposta a variazioni della differenza di potenziale ai due lati della membrana.
• Canali controllati da ligandi – Sono invece associati ad una molecola segnalatrice che legandosi ad un sito specifico dà l’ok per il passaggio.

Diffusione facilitata

Nella diffusione facilitata, il passaggio di molecole normalmente inadatte ad attraversare liberamente la membrana è mediato da proteine vettrici. La sostanza che deve essere trasportata si lega ad un sito specifico sulla proteina vettrice innescando un mutamento di conformazione (traghettamento) della molecola verso l'altro lato della membrana.

Trasporto attivo

Esistono nella membrana cellulare meccanismi di trasporto che comportano consumo energetico e sono perciò detti attivi. L'energia viene fornita principalmente dalla scissione (idrolisi) dell'adenosintrifosfato. Attraverso il trasporto attivo si possono spingere molecole da un compartimento dove si trovano a bassa concentrazione verso uno ad alta concentrazione. Molte sostanze ed in particolare gli ioni di piccole dimensioni, si trovano fisiologicamente in concentrazioni molto diverse fuori e dentro la cellula. Il sistema di trasporto attivo meglio conosciuto con il nome di pompe ioniche, e in particolare della pompa sodio-potassio, un complesso molecolare che espelle ioni Na e al contempo spinge ioni K verso l'interno della cellula, svolgendo un ruolo fondamentale nei fenomeni di eccitabilità delle membrane.

Trasporto mediato da vescicole

Molecole di grosse dimensioni, aggregati di molecole e particelle di varia natura, non possono attraversare le membrane e vengono quindi convogliati all'interno o all'esterno della cellula attraverso meccanismi diversi dai processi di trasporto fin qui descritti.

Endocitosi

È il meccanismo mediante il quale fluidi, molecole e particelle di grosse dimensioni entrano nella cellula per mezzo di vescicole che si distaccano dalla membrana.

• Pinocitosi: per definire l'endocitosi di liquidi.
• Fagocitosi: per definire l'assunzione di materiale particolato (solido).

Una piccola area di membrana plasmatica si introflette "a sacchetto" intrappolando le molecole destinate ad entrare nella cellula. Il progressivo restringimento fino alla completa chiusura del bordo di tale invaginazione, dovuto all'azione di speciali proteine fusogeniche, determina la formazione di un endosoma, ovvero una piccola vescicola formata da membrana unitaria che racchiude uno spazio contenente materiale assunto dall'ambiente extracellulare, l'endosoma si distacca dal plasmalemma ed inizia il suo viaggio nel citoplasma.

Pinocitosi della fase fluida

Molti tipi di cellule sono coinvolti in un processo continuo di assunzione di notevoli quantità di fluidi extracellulari contenenti dei soluti che non possono attraversare la membrana e per i quali non possiede (la membrana) recettori specifici. In certi casi possono essere trasportate direttamente al lato opposto della cellula e rilasciate per esocitosi. Altre volte ancora, specialmente quando il materiale sequestrato è di notevoli dimensioni, le vescicole si fondono fra loro formando vacuoli che riversano il loro contenuto nei lisosomi. La micropinocitosi è spesso utilizzato per traghettare sostanze da un lato all'altro della cellula, come nel caso dell'assorbimento di materiale nutritivo attraverso le cellule di rivestimento dell'intestino.

Fagocitosi

Nel processo di fagocitosi la cellula mangia particelle di dimensioni relativamente grandi. A differenza di quanto il termine possa suggerire la fagocitosi non è destinata alla nutrizione della cellula. Ma rappresenta un metodo di difesa e pulizia dell'organismo da elementi estranei e potenzialmente nocivi come batteri, detriti di cellule morte e corpi estranei. La vescicola che si forma si chiama fagosoma ed è di grosse dimensioni. Il fagosoma viene convogliato verso gli organelli digestivi della cellula, che scindono il materiale in piccole molecole. Queste ultime possono essere espulse per esocitosi oppure possono rimanere all'interno del citoplasma sotto forma di inclusioni.

Esocitosi

È il meccanismo mediante il quale sostanze e particelle di diversa natura vengono espulse dal citoplasma all'esterno della cellula. Il materiale si trova impacchettato in vescicole, proveniente dai macchinari di sintesi cellulare (reticolo endoplasmatico e il complesso di Golgi).

Trasduzione cellulare

Oltre a gestire il trasporto di sostanze, la membrana è deputata a riconoscere, tramite recettori specifici, tutti i segnali che provengono dall'ambiente extracellulare. Per esempio il segnale deriva da molecole (ormoni, antigene, neurotrasmettitore ecc.). Questo meccanismo viene definito trasduzione di segnale.

Altre funzioni della membrana plasmatica

È coinvolta nella maggior parte dei meccanismi biologici e presenta una varietà di specializzazioni funzionali sviluppate nel corso dell'evoluzione per far fronte a compiti specifici.

Il citoplasma

Il citoplasma rappresenta tutta la parte della cellula situata internamente alla membrana plasmatica ed esternamente all'involucro nucleare che è la sede della maggior parte delle attività cellulari. Il citoplasma è composto da: citosol, organelli e inclusioni, citoscheletro.

Il citosol o matrice citoplasmatica

È costituito da una matrice semifluida nella quale sono immerse tutte le altre componenti del citoplasma. Tale matrice è composta prevalentemente da acqua, nella quale sono dispersi vari elementi, quali: ioni, aminoacidi, proteine ed enzimi, nucleotidi, acido ribonucleico e in generale tutti i prodotti intermedi del metabolismo. Il citosol è la sede di numerose reazioni biologiche e costituisce il mezzo in cui si spostano gli altri componenti citoplasmatici.

Gli organelli citoplasmatici

Sono i principali protagonisti dell'attività metabolica della cellula e alcuni di essi sono delimitati da membrane simili a quella cellulare. Ciascuno degli organelli svolge un ruolo fondamentale per la sopravvivenza della cellula e per il corretto svolgimento delle sue funzioni.

Il reticolo endoplasmatico

Ha un ruolo essenziale nei processi di sintesi che si svolgono all'interno della cellula. Tale organello è costituito da un esteso sistema di membrane unitarie che formano cisterne intercomunicanti. In una cellula differenziata esistono due tipi di reticolo endoplasmatico: liscio e rugoso. I due tipi di reticolo coesistono all'interno della stessa cellula e l'uno o l'altro tipo sono predominanti a seconda della funzione della cellula stessa. Il reticolo endoplasmatico rugoso (RER) è molto sviluppato in tutte le cellule che hanno una intensa produzione proteica; il reticolo endoplasmatico liscio (REL) è attuata la sintesi dei fosfolipidi. Svolge inoltre alcuni compiti come la de-tossificazione. Assume un ruolo funzionalmente specializzato nelle cellule muscolari.

I ribosomi

Sono particelle basofile, formati da due sub-unità, una maggiore e una minore, ciascuna delle quali è costituita da una singola molecola di acido ribonucleico ribosomale. I ribosomi si osservano spesso in gruppetti uniti da un singolo filamento di mRNA. I ribosomi sono responsabili del passaggio più cruciale del complicato processo che porta alla sintesi di nuove proteine nel citoplasma: essi infatti a partire dall'informazione contenuta nell'mRNA catalizzano la formazione della catena di aminoacidi per costituire la proteina.

Il complesso di Golgi

Il complesso di Golgi ha generalmente una locazione perinucleare. È costituito da cisterne appiattite, impilate le une sulle altre, e delimitate da membrane lisce, cioè senza ribosomi. Nel complesso di Golgi si verificano modificazioni post-trasduzionali delle proteine prodotte nel reticolo endoplasmatico rugoso e ne viene determinata la destinazione finale. Il Golgi riceve materiale dal reticolo endoplasmatico sotto forma di vescicole di trasporto. Il materiale viene assimilato ed elaborato, rilasciato sotto forma di vescicole che vengono smistate nell'ambiente extracellulare, nella membrana plasmatica o nel citoplasma con enzimi digestivi. Riassumendo, il complesso di Golgi attua le fasi finali della produzione del materiale che riceve dal reticolo endoplasmatico, sceglie il materiale da destinare a ciascun compito e lo spedisce a destinazione in pacchetti, attuando quindi funzioni di modificazione, separazione e trasporto.

I mitocondri

I mitocondri sono organelli membranosi di forma allungata che rappresentano la centrale energetica della cellula. I mitocondri contengono anche materiale genetico che li rendono capaci di replicazione autonoma e di codificare la sintesi di alcune proteine costitutive. Sono formati da due membrane: la membrana esterna permeabile e la membrana interna che contiene la matrice mitocondriale. I mitocondri generano la maggior parte di energia per la cellula stessa attraverso una complessa serie di eventi molecolari, la respirazione cellulare. Le molecole entrano e attraversano le membrane mitocondriali passando così nel ciclo di Krebs. La molecola viene completamente degradata e scomposta in acqua e anidride carbonica in cambio della produzione di molecole di ATP che rappresentano il vero nutriente della cellula.

I lisosomi e i perossisomi

Sono organelli di forma sferica, delimitati da membrane destinati ai compiti digestivi della cellula. Sono serbatoi di enzimi. Gli enzimi lisosomali proteggono la cellula da materiali della quale la cellula deve liberarsi. Servono per de-tossificare la cellula da materiale eventualmente dannoso.

I centrioli

È una sorta di apparato mitotico, sono sempre duplici (in coppia). Durante la divisione cellulare si duplicano costituendo il centro per l'organizzazione dei microtuboli del fuso mitotico.

Il citoscheletro

È la struttura portante della cellula, il citoscheletro fornisce un'impalcatura che svolge un ruolo cruciale nel determinare la morfologia e la motilità della cellula e delle sue parti. Svolge un ruolo fondamentale nel sostegno e nel contenimento degli organelli, e di dirigere il traffico intracellulare di materiali in soluzione e di sostanze contenute all'interno di vescicole.

Microtuboli

Rappresentano la componente di citoscheletro di diametro maggiore. Sono formate da sub-unità sferiche di una proteina chiamata tubulina. Sono strutture altamente dinamiche che si disassemblano e si riassemblano continuamente. Hanno varie funzioni come quelle di sostegno dei componenti cellulari, formano il prolungamento di una cellula, e formano una rete di binari che servono a spingere le vescicole, servono inoltre all'organizzazione e al movimento dei cromosomi durante la divisione cellulare.

Microfilamenti

Sono gli elementi più sottili, sono formati da una proteina contrattile actina. I microfilamenti sono spesso organizzati in reti compatte concentrate soprattutto nella periferia della cellula. La rete di microfilamenti contribuisce notevolmente alla solidità della cellula.

Filamenti intermedi

Sono costituiti da sei diversi tipi di proteine, sono gli elementi più stabili del citoscheletro e offrono una grande resistenza meccanica. Sono coinvolti come ancoraggio delle membrane cellulari ecc.

Il nucleo

È la sede del patrimonio genetico della cellula, ovvero di tutte le informazioni necessarie per sintetizzare le proteine e per trasmettere tali informazioni. Il nucleo spesso voluminoso occupa una posizione centrale all'interno della cellula.

Involucro nucleare

Delimita il nucleo e controlla tutti gli scambi e i movimenti di molecole fra il nucleo e il citoplasma. È costituito da due foglietti di membrana unitaria separati da uno spazio peri-nucleare. La cisterna nucleare non è continua ma presenta spesso numerose fenestrazioni, i pori nucleari. Questi spazi consentono il passaggio di molecole di piccole dimensioni, che entrano nel nucleo e di ribonucleoproteine che da esso fuoriescono.

Cromosomi e cromatina

Il genoma cioè l'insieme delle informazioni genetiche, è costituito da DNA che, insieme ad alcune proteine...