Istologia generale

Istologia

Citologia

La cellula eucariote è l’unità funzionale di tutti gli esseri viventi e ha caratteristiche comuni con essi:

• Riproduzione
• Nutrimento
• Respirazione
• Movimento
• Sintesi (delle macromolecole)
• Risposta a stimoli esterni
• Capacità di accrescersi

Sono composte principalmente da un nucleo e dal citoplasma, una sostanza gelatinosa (citosol) che comprende gli organelli cellulari e dove sono disciolte varie sostanze. Tutte le cellule sono composte dagli stessi elementi fondamentali, ma le caratteristiche morfologiche sono strettamente associate alla funzione. (Esempio: la cellula uovo è la più grande perché dovrà avere tutti gli organuli necessari allo sviluppo del feto, mentre lo spermatozoo è la più piccola perché deve muoversi velocemente.)

NB: L’occhio umano ha una risoluzione di 100 μM, quindi per vedere le cellule e i loro organelli si utilizzano il microscopio ottico (0,2 μM) e il microscopio elettronico (0,2 nM). Per essere visualizzati, i vari tessuti vengono colorati con due sostanze:

• Ematossilina → sostanza di colore blu. È una base che si lega con le parti acide (acidi nucleici, nucleo, nucleolo, ecc.). Tutto ciò che si lega con l’ematossilina è definito basofilo.
• Eosina → sostanza di colore rosa. È un acido che si lega con le parti basiche (fibre collagene, mitocondri, citosol, ecc.). Tutto ciò che si lega con l’eosina è definito acidofilo o eosinofilo.

Membrana cellulare

Struttura che delimita ma non isola la cellula e ne conferisce la sua forma. È fondamentale per l’interazione della cellula con l’esterno. Si dice che ha una permeabilità selettiva, ovvero decide cosa fare entrare e cosa respingere, come ad esempio gli antigeni. Sulla sua superficie sono presenti delle proteine, fondamentali per far trasdurre (passare) un segnale chimico tra interno ed esterno. Ha una struttura trilaminare con due strutture elettrodense e una struttura elettrotrasparente e uno spessore di 7,5-10 nM.

La spiegazione della presenza di queste strutture la ritroviamo nel bilayer fosfolipidico, ovvero un doppio strato di fosfolipidi con teste polari e code apolari; quest’ultime daranno la porzione elettrotrasparente mentre le teste polari danno vita alla porzione elettrodensa.

La membrana cambia nel tempo in base alla funzione che deve svolgere, alla temperatura, agli stimoli esterni e anche alla dieta e ciò ne modifica la sua fluidità. Ad esempio, la quantità di colesterolo presente tra i fosfolipidi varia la fluidità di membrana, come anche la presenza di code fosfolipidiche insature (con doppi legami). In generale si può dire che: colesterolo + code apolari insature = + fluidità di membrana.

I fosfolipidi che compongono la membrana possono svolgere dei movimenti laterali, di rotazione su se stessi e molto più raramente avviene l’inversione tra fosfolipidi interni e fosfolipidi esterni perché ciò è molto complesso e richiede molta energia, visto che le teste idrofile dovrebbero attraversare zone idrofobe (avviene durante la morte delle cellule).

La membrana oltre ad essere costituita da fosfolipidi e colesterolo è costituita anche da proteine, come raffigura il modello a mosaico fluido. Esistono due grosse categorie di proteine:

• Intrinseche o integrali → attraversano interamente la membrana
• Estrinseche o periferiche → si uniscono ad un solo foglietto di fosfolipidi e quindi si appoggiano sulla membrana

Le proteine di membrana hanno diverse funzioni:

• Svolgono attività enzimatiche
• Trasportano sostanze
• Riconoscono molecole e antigeni
• Sono fondamentali per le interazioni cellulari

NB: In sintesi, la membrana cellulare è composta dai lipidi (fosfolipidi e colesterolo), dalle proteine (intrinseche ed estrinseche) e dai glucidi (glicoproteine e glicolipidi).

La membrana non è simmetrica perché è composta da due foglietti con caratteristiche diverse, in particolare la componente glucidica si trova sempre rivolta verso lo spazio extracellulare.

Il trasporto delle sostanze può avvenire in modo attivo o in modo passivo. Il trasporto passivo non richiede energia ed avviene secondo gradiente elettrochimico dalle zone più concentrate alle zone meno concentrate.

• Diffusione semplice: passano molecole di piccole dimensioni idrofobiche come gas, lipidi o acqua (osmosi).
• Diffusione mediata da canali ionici: passano gli ioni grazie alle proteine integrali che vanno a costituire dei canali ionici che si aprono/chiudono a controllo di ligando (quando c’è legato qualcosa), a controllo di voltaggio (quando varia la carica) o a controllo meccanico (raramente).
• Diffusione mediata da trasportatore: passano zuccheri e amminoacidi grazie alle proteine integrali che cambiano la loro conformazione per permettere il passaggio.

Il trasporto attivo richiede energia ed avviene contro gradiente elettrochimico. Questo tipo di trasporto può avvenire in simporto (trasportando due molecole nello stesso senso) o in antiporto (trasportando due molecole in senso inverso, come la pompa sodio-potassio).

Per le macromolecole e le molecole di grandi dimensioni abbiamo l’esocitosi, l’endocitosi e la transcitosi. Durante l’esocitosi le molecole vengono raccolte in vescicole che poi fondendosi con la membrana liberano all’esterno della cellula il loro contenuto. L’endocitosi è l’inverso, ovvero il trasporto avviene verso l’interno della cellula e può essere diverso in base alle sostanze trasportate. Si parla di pinocitosi quando vengono trasportate delle sostanze liquide, si parla di fagocitosi quando vengono trasportate particelle di grosse dimensioni (500 μM). Si parla di endocitosi mediata da recettori quando vengono trasportate molecole specifiche riconosciute da recettori.

La transcitosi accoppia l’endocitosi e l’esocitosi, ovvero le molecole entrano da una parte della cellula ed escono dall’altra, come ad esempio nei vasi sanguigni.

Specializzazioni della membrana

Esternamente la membrana è rivestita da un rivestimento glucidico che si chiama glicocalice e il suo spessore può variare da 10 nM a 1 μM. È la componente glucidica della membrana e contenendo acido sialico è carico negativamente. Nelle cellule del sangue è molto spesso per far sì che globuli rossi e piastrine non si attacchino tra di loro avendo entrambi carica negativa. Nelle cellule intestinali il glicocalice sarà ricco di enzimi per permettere un miglior assorbimento.

La membrana plasmatica di alcune cellule presenta delle strutture chiamate microvilli. Sono delle estroflessioni di 1-2 μM che aumentano la superficie della membrana permettendo un miglior assorbimento. Al loro interno si trova uno “scheletro” di microfilamenti di actina. Alcune cellule devono trasportare qualcosa sulla loro superficie e per questo possiedono ciglia e flagelli, che sono delle estroflessioni di 5-10 μM con uno scheletro interno composto da microtubuli.

Sistemi di giunzione

Giunzioni occludenti: si trovano in punti in cui l’organismo ha bisogno di isolare delle regioni. Si formano grazie a delle proteine integrali che fanno fondere i due foglietti extra-cellulari e non c’è più spazio tra una cellula e l’altra. Queste giunzioni bloccano il passaggio di sostanze, impermeabilizzano gli epiteli e possono anche creare polarità nella cellula.

Giunzioni ancoranti: impediscono alle cellule di staccarsi e sono presenti nei tessuti che subiscono forze di trazione, come il tessuto muscolare. In questo caso non si fondono le membrane cellulari ma si uniscono i loro citoscheletri. Esistono due tipi di giunzioni ancoranti: le fasce aderenti e i desmosomi. Nelle fasce aderenti sono presenti delle proteine dette caderine che permettono l’unione delle due cellule andando a legarsi ai microfilamenti di actina. Queste giunzioni avvolgono la cellula come delle vere fasce. I desmosomi sono sempre formati dalle caderine che però in questo caso sono legate ai filamenti intermedi. Queste giunzioni hanno una forma a bottone. In alcuni casi il desmosoma unisce una cellula ad una struttura non cellulare, prendendo il nome di emidesmosoma.

Giunzioni comunicanti: hanno la funzione di far comunicare le cellule tra di loro. Sono dei canali transmembrana di una cellula che si mettono in dima con i canali transmembrana di un’altra cellula andando a formare dei canali chiamati connessoni. In questi canali possono passare degli ioni molto velocemente.

Nucleo

Organello che caratterizza la cellula eucariote, contiene il materiale genetico da trasmettere alla progenie e ha una forma e posizione che varia in base alla funzione della cellula. La maggior parte delle cellule eucariotiche hanno un solo nucleo ma ad esempio le cellule che compongono la fibra muscolare striata scheletrica hanno più nuclei e per questo sono definite sincizi, ovvero plurinucleate, che derivano dall’unione di due cellule mononucleate. I plasmodi sono invece cellule plurinucleate che derivano però da un’unica cellula mononucleata che divide il suo nucleo ma non effettua citodieresi (es. megacariocita → precursore delle piastrine). Alcune cellule invece sono prive di nucleo e quindi incapaci di riprodursi come i globuli rossi.

NB: All’interno del nucleo troviamo la cromatina con il materiale genetico. La cromatina si suddivide in eterocromatina (non viene trascritta) e eucromatina (viene trascritta).

Il nucleo è delimitato da un involucro nucleare formato da due membrane nucleari, ovvero da due bilayer fosfolipidici divisi da una cisterna perinucleare che presenta dei pori detti pori nucleari. Più pori sono presenti in una cellula e più questa sarà in grado di svolgere sintesi. L’involucro nucleare è in continuità con il RER, infatti la superficie della membrana nucleare esterna presenta anch’essa dei ribosomi.

I pori nucleari hanno un diametro di 100 nM e servono per il riconoscimento delle sostanze che devono passare dal nucleo al citoplasma (RNAm/tRNA/sub-unità ribosomiali) e dal citoplasma al nucleo (proteine per la duplicazione, trascrizione e per le sub-unità ribosomiali). Le particelle con un diametro inferiore di 10 nM passano passivamente, quelle con un diametro superiore a 10 nM passano con dispendio di energia.

Al di sotto dell’involucro nucleare troviamo la lamina nucleare che è una struttura composta da filamenti intermedi chiamati lamina A, B e C. Questa lamina va a disporsi al di sotto dell’involucro nucleare e svolge funzioni di rinforzo a protezione del materiale genetico e ne organizza la disposizione durante la meiosi, creando un ponte tra la membrana nucleare e la cromatina.

All’interno del nucleo troviamo il DNA, che contiene il materiale genetico, che ha una lunghezza di circa 180 cm. Per far in modo che ci stia all’interno del nucleo il DNA viene impacchettato da alcune proteine dette istoni. Oltre agli istoni, ci sono anche delle proteine non-istoniche associate al DNA, che svolgono funzioni molto importanti durante la duplicazione e la trascrizione. Queste proteine, insieme al DNA, formano la cromatina.

NB: La cromatina si suddivide in eucromatina e eterocromatina. L’eucromatina viene trascritta, è formata da fibre in forma più lassa e appare meno colorata, mentre l’eterocromatina non può essere trascritta, è formata da fibre molto più addensate che andranno a formare i cromosomi e risulta più colorata. Quest’ultimo tipo si suddivide in:

• Costitutiva: formata da sequenze non trascrivibili.
• Facoltativa: formata da geni che servono solo in alcune fasi della trascrizione.

Gli istoni sono proteine di piccole dimensioni con carica positiva (si attaccano al DNA che ha carica negativa). Esistono 5 tipi diversi di istoni:

• H1 → istone di giunzione
• H2a/H2b/H3/H4 → istoni del core: formano il nucleo attorno cui si avvolge il DNA, formando il nucleosoma.

Il nucleosoma è l’unità fondamentale della cromatina ed il suo centro è costituito dagli istoni del core che vanno a formare un ottamero legandosi tra di loro a due a due. Attorno si avvolgono 146 basi di DNA (linker) che, insieme all’istone di giunzione, permette la formazione di una struttura a forma di collana di perle formata dall’unione di altri nucleosomi. Si ottiene così la struttura primaria della cromatina. Successivamente ci sono ulteriori accorciamenti del DNA, fino alla formazione dei cromosomi.

Nucleolo

All’interno del nucleo si trova il nucleolo, che non è delimitato da membrana ed è costituito da due parti:

• Pars fibrillaris: parte in cui si ha la trascrizione di RNA ribosomiale
• Pars granularis: parte in cui avviene l’assembramento delle sub-unità ribosomiali

La funzione principale del nucleolo è l’assemblaggio delle sub-unità ribosomiali che serviranno per la trascrizione.

Il DNA può essere trascritto in tanti RNA diversi:

• RNA messaggero: parte che verrà trascritta.
• RNA ribosomiale: costituisce le unità ribosomiali.
• RNA transfer: fa da “traduttore” tra l’RNA e le proteine.
• Small nuclear RNA: ha funzioni di regolazione.

I geni vengono trascritti in un RNA, successivamente l’RNA viene modificato eliminando gli introni che non sono codificanti e infine passa nel citoplasma attraverso i pori nucleari. Nel citoplasma l’RNA viene tradotto in proteine dai ribosomi.

Ribosomi (20-30 nM)

Sono degli organelli costituiti da due sub-unità, una maggiore (60S) e una minore (40S), e vengono indicati con il termine 80S. Il conteggio non torna perché la massa dipende anche da come interagiscono tra di loro le due sub-unità. Sono costituiti da RNA ribosomiali e da proteine. La sub-unità maggiore contiene un canale nel quale entra la catena polipeptidica che si sta sintetizzando, mentre la sub-unità minore è composta da una testa e da un collo dove si riconosce il codone con l’anticodone che permette la traduzione del messaggio dall’RNA messaggero al tRNA. Normalmente le due sub-unità sono separate, ma nel momento in cui avviene la traduzione, per funzionare, si devono unire.

I ribosomi assemblati non si trovano da soli ma sono uniti con altri ribosomi andando a formare i polisomi. A seconda del tipo di RNA messaggero che stanno traducendo i ribosomi si possono trovare nel citosol o sul RER. Quando sono nel citosol traducono proteine che rimarranno del citosol, andranno nei mitocondri, sono proteine nucleari oppure che andranno nei perossisomi. Quando sono sul RER traducono proteine che rimarranno nel RER, proteine del Golgi, proteine che andranno nei lisosomi e proteine di membrana.

Sintesi proteica nel citosol

NB: I tRNA sono strutture che contengono un sito di attacco per un amminoacido e un anticodone complementare ad un codone che si trova sull’RNA messaggero, in questo modo funge da vocabolario.

1. Una sub-unità minore riconosce un RNA messaggero e un codone d’inizio che è la metionina (AUG), al quale si legherà l’anticodone del tRNA.
2. Una sub-unità maggiore si lega andando a formare il ribosoma che inizierà a scorrere lungo l’RNA messaggero e riconoscerà le altre triplette.
3. La proteina che viene sintetizzata va nel canale che si trova all’interno della sub-unità maggiore.
4. La sintesi finisce quando il ribosoma incontrerà una delle triplette di stop (UAG, UAA, UGA).

RE

Si divide in RER e REL, ma è un unico organello cavo. Il RER ha una membrana che presenta sulla sua superficie esterna i ribosomi ed è costituito da delle cisterne. Il REL è costituito da tubuli uniti tra di loro.

La funzione principale del REL è quella di sintesi dei lipidi, ma in alcune cellule svolge anche altre funzioni:

• Sintesi di ormoni steroidei: cellule della zona corticale della ghiandola surrenale e cellule delle gonadi maschili e femminili;
• Reazioni relative al metabolismo del glicogeno e processi di detossificazione: cellule del fegato (epatociti);
• Deposito di ioni calcio: nelle fibre muscolari striate si va a costituire il reticolo sarcoplasmatico.

Sintesi delle proteine nel RER

La funzione principale del RER è la sintesi delle proteine e la modificazione delle stesse per renderle funzionali.

La parte iniziale è uguale alla sintesi proteica nel citosol, con l’arrivo della sub-unità minore, dell’RNA messaggero che si unirà alla metionina e della sub-unità maggiore che andrà a costituire il ribosoma che inizierà a scorrere. Le proteine che devono essere sintetizzate hanno come prima informazione tradotta una sequenza chiamata peptide segnale, che quando esce dal canale viene riconosciuto da una particella. In questo momento il ribosoma blocca la traduzione fino a quando questa particella legata al peptide segnale non va a legarsi ad un canale che si trova sul RER (canale a ligando), la particella si unisce al canale e il ribosoma continua la traduzione fino a quando l’amminoacido viene inserito all’interno del lume del RER e il ribosoma incontra un segnale di termine.

N-Glicosilazione

È una delle modificazioni che subiscono la lisina o l’arginina all’interno del RER dopo la loro sintesi. A questi amminoacidi vengono aggiunte due molecole di N-acetilglucosamina, 8 monomeri di mannosio e tre molecole di glucosio. Subito dopo le tre molecole di glucosio e un mannosio si staccano.

Apparato del Golgi

È un organello dove vengono trasferiti i prodotti di sintesi avvenuti nel RER tramite vescicole.