Riassunto esame Istologia, prof. Procacci, libro consigliato Istologia, Monesi

Citologia Capitolo 2

La membrana plasmatica

La membrana plasmatica, o membrana cellulare, o plasmalemma, separa l’ambiente extracellulare da quello intracellulare senza impedire gli scambi. È sede di interazioni con altre cellule o molecole extracellulari. La struttura è un doppio strato fosfolipidico attraversato da proteine globulari con carboidrati sulla superficie esterna.

Requisiti fondamentali

Due requisiti fondamentali:

• Essere costituita da sostanze immiscibili all’acqua
• Essere fluida

I lipidi soddisfano entrambe queste caratteristiche. Dall’esame biochimico risultano comporre il 40% della MP in peso a secco (57-63% proteine, 2-10% carboidrati). Sono molto piccoli e numericamente molto superiori alle proteine. I lipidi della MP sono anfipatici, hanno una porzione polare e idrofoba, la coda, e una apolare e idrofila, la testa. I lipidi che compongono la MP sono:

• Lipidi complessi (anfipatici) 90%
  • Fosfolipidi (70%)
  • Colesterolo (17%)
  • Glicolipidi, ovvero legati a carboidrati (4%)
• Lipidi semplici (7%)
  • Trigliceridi

I fosfolipidi a loro volta si dividono in glicerofosfolipidi e sfingolipidi. I primi sono costituiti da una molecola di glicerolo esterificato in un atomo di carbonio dall’acido fosforico (testa polare) e negli altri due carboni da lunghe molecole di acidi grassi (coda apolare). Nei secondi il glicerolo è sostituito dalla sfingosina.

Una delle due catene di acidi grassi ha un’insaturazione, quindi i fosfolipidi non sono compatti, il che conferisce fluidità alla MP intorno ai 37°. I lipidi della MP hanno movimenti di rotazione sul proprio asse e di traslazione (comuni), ma il flip-flop è raro. Il colesterolo è più corto dei fosfolipidi e se ve n’è molto, la membrana è meno fluida. I glicolipidi hanno un oligosaccaride all’estremità idrofila, sono presenti solo sulla parte esterna della MP e sono i responsabili dell’assimmetria e irregolarità di questa.

Ruolo dei lipidi

I lipidi svolgono nella MP un ruolo:

• Strutturale
• Metabolico (intervengono nella produzione di acido arachidonico)

Le proteine della membrana

Le proteine sono distribuite nel doppio strato lipidico in modo non casuale. Si dividono in:

• Estrinseche: legate con un legame elettrostatico debole alle teste polari dei lipidi, sia all’interno che all’esterno. Possono essere solubilizzate senza compromettere la MP, spesso sono enzimi e alcune sono fondamentali per il mantenimento della forma.
• Intrinseche: contengono molti amminoacidi idrofobici e quindi riescono ad inserirsi in profondità nel doppio strato lipidico di cui sono parte costituente. Non possono essere rimosse se non compromettendo la MP, possono effettuare movimenti di traslazione. Durante una reazione immunitaria, i globuli bianchi concentrano tutte le proteine dove servono, capping.

Alcune proteine si legano (sulla faccia esterna della MP) agli oligosaccaridi e formano glicoproteine. Alcune di queste fungono da recettori per particolari molecole all’esterno della cellula, i ligandi. I ligandi possono essere: ormoni, fattori regolativi del differenziamento e della crescita, farmaci, etc. Anche i virus si legano a recettori. Il ligando è chiamato anche primo messaggero perché quando si lega a un recettore, attiva la trasduzione del segnale, ovvero la trasmissione al citoplasma di un segnale che attiva una serie a cascata di eventi che modificano l’attività cellulare.

Carboidrati nella membrana plasmatica

Infine i carboidrati, o oligosaccaridi o glicidi, che costituiscono il 2-10% della MP, si legano sulla superficie esterna della MP a proteine e lipidi formando glicoproteine/glicoproteoglicani e glicolipidi. Hanno un ruolo fondamentale nel definire la funzione della MP. Non sono tutti uguali e fanno da recettori (vedi sopra). Il gruppo sanguigno è legato ai carboidrati esposti sulla membrana dei globuli rossi.

Metodi per lo studio della membrana

Il metodo della freeze-fracture ha consentito di individuare la disposizione irregolare di proteine e carboidrati. Questo metodo consiste nel congelare e fratturare la MP secondo un piano che divide le code idrofobe. Si isola quindi la parte esposta verso l’esterno e si possono vedere al microscopio ottico proteine e glicoproteine come piccole protuberanze o avvallamenti a seconda che queste siano rimaste attaccate alla metà inferiore o superiore. Questa tecnica inoltre mostra l’eterogeneità della MP nei vari tipi cellulari.

Caratteristiche fisiche della membrana

La MP ha uno spessore di 7,5-10 nm. Al microscopio elettronico appare tristratificata. Due strati esterni di circa 2 nm, appaiono densi e scuri, questo perché le teste idrofile hanno legato con il colorante osmio. Un strato intermedio di circa 3,5 nm è chiaro perché l’osmio non si lega alle code. I due strati scuri spesso sono diversi per la presenza su quello esterno del glicocalice. Le membrane che delimitano gli organelli cellulari hanno una struttura simile ma sono meno spesse perché gli acidi grassi sono più corti.

La cellula può ricambiare i componenti della MP. Le proteine intrinseche e quelle estrinseche esterne sono fatte dal REL e dal Golgi, quelle estrinseche interne dai ribosomi liberi.

I meccanismi di trasporto

Ne esistono di due tipi:

• Passivi: non richiedono energia
• Attivi: richiedono energia

Trasporto passivo

Si basa sul gradiente di concentrazione. La MP è permeabile a ioni, amminoacidi, glucosio, acidi grassi, vitamine, CO₂ e O₂, questi la attraversano per diffusione semplice. Gli ioni seguono anche un gradiente elettrochimico. L’acqua utilizza acqua porine, canali idrofili delimitati da proteine, questi possono essere liberi o canali con cancello. La diffusione facilitata invece richiede l’utilizzo di particolari proteine trasportatrici; la differenza tra questa e la diffusione semplice è che la prima è vincolata alla disponibilità delle proteine, la seconda no.

Trasporto attivo

Funziona contro gradiente di concentrazione o elettrochimico e perché avvenga la cellula deve consumare energia. La fonte più comune di energia è l’ATP che viene idrolizzata in ADP+Pi. Utilizza dei carriers. Un esempio di trasporto attivo è la pompa sodio-potassio che mantiene il potenziale di membrana trasportando, contro gradiente, 3 ioni Na⁺ fuori e 2 K⁺ dentro. L’avvelenamento da cianuro la inibisce. La Na-K è una pompa antiporto, gli scambi sono bidirezionali. Le pompe simporto trasportano molecole diverse nella stessa direzione. La pompa distingue Na da K grazie a siti particolari della membrana. Negli eucarioti questo tipo di trasporto è quasi sempre controllato da ormoni.

Il glicocalice

Anche detto matrice pericellulare, è un rivestimento accessorio presente sulla MP di molte cellule formato da glicoproteine, proteoglicani e glicolipidi. È fortemente idrofilo e quindi molto aderente alla MP, è difficile tracciare un confine tra i due. Può però essere rimosso senza danneggiare la cellula, che lo rifarà. È prodotto dal REG e dal Golgi. Può essere individuato con una reazione PAS. Ha funzioni sovrapponibili e complementari a quelle della MP:

• Aumenta la catalisi enzimatica
• Riconoscimento
• Adesione: la diffusione di cellule neoplasiche è dovuta alla mancata o errata sintesi del glicocalice che non dà più inibizione da contatto. Le cellule proliferano in modo incontrollato
• Filtro/barriera
• Carica elettrica
• Assorbimento

Capitolo 3

Ialoplasma o citosol

Il citosol è un sistema colloidale polifasico e amorfo, studiabile con ultracentrifugazioni. Costituisce il 55% del volume della cellula ed è fatto da acqua per l’85%. Componenti: acqua, ioni, CO₂, O₂, proteine, mRNA, tRNA, amminoacidi, glucidi, glucosio. Sede di reazioni di sintesi e demolizione, la principale è il metabolismo del glucosio.

Se la matrice citoplasmatica è molto viscosa ---> plasmagel. Se è meno viscosa ---> plasmasol. All’interno del citoplasma sono presenti organuli di vario tipo (RE, Golgi, lisosomi, involucro nucleare) che costituiscono un sistema membranoso o vacuolare, che circonda cavità chiuse comunicanti tra loro. Questa suddivisione della cellula in comparti consente lo svolgimento coordinato di molte attività. Composizione e struttura del sistema membranoso sono simili a quelle della MP, solo che questo è meno spesso (circa 6 nm).

Reticolo endoplasmatico

Il reticolo endoplasmatico è una rete tridimensionale di cavità chiuse e intercomunicanti tra loro separate da una membrana. Divide la matrice citoplasmatica in una fase interna, racchiusa dalla membrana, e una fase esterna, al di fuori di questa. Le cavità assumono la forma di cisterne, o di tubuli. Questo organello è tipico della regione interna del citoplasma (da qui il nome).

La superficie esterna del reticolo può essere ricoperta di ribosomi, in questo caso si parla di reticolo endoplasmatico rugoso (RER), oppure no (REL). Il RE è inoltre in continuità con l’involucro nucleare che può quindi essere considerato una grossa cisterna del RE. Si differenzia dalle altre cisterne per l’assenza di ribosomi e la presenza di pori.

RER

Il RER, anche detto ergastoplasma, è sede di intensa sintesi proteica (ergazomai). È costituito da cisterne sulla cui superficie esterna sono presenti ribosomi. I ribosomi aderiscono al reticolo in corrispondenza della subunità maggiore (60S). Il lume delle cavità contiene materiale caratteristico per i vari tipi di cellule. Non è visibile al microscopio ottico, tuttavia i ribosomi, molto acidi, gli conferiscono un’importante basofilia.

Il RER può essere concentrato in basso oppure distribuito equamente nel citoplasma (plasmacellule). Tramite centrifugazione ed eliminazione dei ribosomi se ne può studiare la composizione:

• 30% lipidi (fosfolipidi, poco colesterolo, pochi glicolipidi)
• 70% proteine (strutturali, integrali, enzimi)
• Oligosaccaridi (sempre rivolti verso il lume e mai all’esterno)

Funzioni del RER

Nel RER sono sintetizzati tre tipi di proteine:

• Quelle destinate alla MP
• Quelle destinate a essere esportate dalla cellula
• Quelle destinate a vescicole idrolasiche

Le proteine che vengono utilizzate dalla cellula sono invece prodotte dai ribosomi liberi. I tre tipi sopra elencati penetrano nelle cavità del RER dove subiscono modificazioni e da qui passano al Golgi dove sono ulteriormente modificate. Nel lume del reticolo i polipeptidi sono ripiegati e acquisiscono la struttura secondaria e terziaria; qui vi sono gli chaperones, molecole con la funzione di garantire che le proteine acquisiscano una forma corretta. Proteine non assemblate correttamente sono riconosciute e distrutte. Altre modificazioni post-traduzione che avvengono nel RER sono: idrossilazione, fosforilazione, metilazione, prime tappe di glicosidazione.

REL

Il REL è un sistema di tubuli intercomunicanti con funzioni diverse a seconda della composizione della loro membrana. Privo di ribosomi, non ha affinità per i coloranti basici ed è invisibile al microscopio ottico. È debolmente acidofilo. Nella maggior parte dei tessuti è limitato alle vescicole di transizione (trasportano materiale da RER a Golgi), è abbondante invece nelle cellule a secrezione endocrina steroidea come la corticale surrenale. Il reticolo sarcoplasmatico è un tipo particolare di REL del tessuto muscolare, ha pompe ioniche che lavorano contro gradiente per il trasporto degli ioni Ca++.

Funzioni del REL

Variano a seconda del tipo cellulare considerato:

• Gonadi e ghiandola surrenale: qui il REL collabora con i mitocondri per la sintesi degli ormoni steroidei.
• Fegato: detossicazione di composti organici grazie all’azione delle ossigenasi (non sempre vantaggiosa, trasforma il benzopirene che si forma quando la carne è cotta alla griglia in un potente oncogeno)
• Ruolo importante nel metabolismo del glicogeno
• Sintesi di lipidi semplici

Vescicole di trasporto

Proteine e lipidi si muovono nel sistema membranoso grazie a queste. Possono essere:

• Vescicole rivestite (coated vescicles) da un insieme di proteine COPs o cotomeri. Queste gemmano dalla regione cis e intermedia del Golgi e il materiale contenuto al loro interno non è riconosciuto e si lega in maniera non selettiva.
• Vescicole rivestite da clatrina. Gemmano dalla regione trans del Golgi e si legano in maniera selettiva.

Apparato di Golgi

L’apparato di Golgi è costituito da una serie di cisterne membranose appiattite e incurvate, impilate le une sulle altre. Il numero di cisterne è variabile, solitamente sono 5 o 6. Il Golgi è visibile al TEM e al MO solo con opportune colorazioni. Per molto tempo è stato considerato un artefatto.

Si divide in 3 compartimenti, con composizione chimica diversa a seconda delle funzioni:

• Regione cis: prossima al nucleo, in rapporto con il RE. Convessa. La cisterna più interna sulla faccia cis presenta numerose vescicole (diametro 40-100nm) che mettono il Golgi in rapporto con il RE.
• Regione intermedia
• Regione trans: distale rispetto al nucleo, faccia concava. Le cisterne trans hanno un aspetto discontinuo e appaiono come una serie di tubuli. Le facce concave sono associate a dei vacuoli (diametro 1000nm).

Le membrane che formano il Golgi sono prive di ribosomi e hanno uno spessore diverso a seconda della zona: le cisterne più interne 5-6 nm, quelle esterne 8 nm. L’estensione del Golgi varia a seconda del tipo di cellula, negli elementi nervosi dei gangli è molto esteso.

Composizione:

• 40% lipidi e fosfolipidi
• 60% proteine
• Enzimi diversi in numero e tipo da quelli del RE

Funzioni del Golgi

Rilascio delle proteine di secrezione all’esterno della cellula:

• Completamento della glicosidazione
• Sintesi di polisaccaridi, lipidi e alcuni glicolipidi
• Smistamento delle molecole sintetizzate: proteine destinate alla MP nella regione trans, quelle destinate a secrezione e lisosomi impaccate in vescicole specifiche che le trasportano a destinazione.

Reazioni:

• CIS: fosforilazione
• INTERMEDIA: rimozione mannosio, glicosidazione dei GAG e delle proteine
• TRANS: aggiunta galattosio e acido sialico, solfatazione, modifiche finali

Giunte al Golgi trans le proteine prendono tre strade diverse:

• Diventano parte della MP
• Formano vescicole idrolasiche, che poi diventeranno lisosomi. Contengono enzimi lisosomiali legati alla membrana della vescicola, finché sono legati sono inattivi. Le proteine destinate ai lisosomi subiscono una fosforilazione del mannosio in posizione 6. È un modo per marcare queste proteine e fare sì che i recettori nella zona trans le riconoscano. MPR=mannose phosphate receptor. Dopo averle riconosciute i recettori le secernono in vescicole rivestite da clatrina.
• Producono materiale per secrezione. Molto eterogeneo, ogni cellula può produrre un secreto diverso.

Lisosomi

Sono vacuoli di 0,2-0,8 µm, circondati da membrana unitaria (come quella della MP) contenenti una quarantina di enzimi litici. L’assenza di anche un solo enzima nei lisosomi può portare a patologie mortali. Si possono identificare con reazioni istochimiche per le fosfatasi acide, enzimi che fanno da marcatore. Gli enzimi dei lisosomi hanno bisogno di pH acido (circa 5) per poter lavorare, questo è mantenuto da pompe protoniche che portano H+ dal citoplasma al lisosoma. Numerosi in macrofagi e granulociti, assenti in eritrociti.

Eterofagia: digestione di qualcosa di esterno. Il materiale da digerire è introdotto in un fagosoma, il quale viene a contatto con uno o più lisosomi formando un fagolisosoma.

Autofagia: digestione di componenti vecchie o danneggiate della cellula. Autofagosoma + lisosoma = autofagolisosoma (ben visibile nel fegato).

Non ci sono certezze sulla loro origine, ipotesi più accreditata: la cellula introduce al suo interno tramite endocitosi del materiale a pH 6,2 detto endosoma precoce. Dal Golgi gemmano pezzi di membrana con pompe protoniche che lo fanno diventare endosoma tardivo (pH 5,5). L’endosoma tardivo si fonde con le vescicole idrolasiche e forma il lisosoma. Il materiale digerito spesso è riciclato dalla cellula, quello che non è stato digerito è “risputato” dal lisosoma e permane come corpo residuo.

In alcuni casi i lisosomi riversano gli enzimi litici al di fuori:

• Acrosoma degli spermatozoi per penetrare nell’ovulo
• Osteoclasti che digeriscono il tessuto osseo

Perossisomi

Organelli di 0.3-1 µm presenti in quasi tutte le cellule. Parete più sottile dei lisosomi ed enzimi diversi. Due tipi di enzimi principali:

• Ossidasi che svolgono ossidazioni con produzione di perossido di idrogeno
• Catalasi che degradano il perossido di idrogeno prodotto dalle ossidasi, trasformano formaldeide, alcol e fenoli in composti non tossici più acqua

Svolgono un ruolo importante nel metabolismo di acidi grassi. Sono abbondanti nel fegato, la teoria più accreditata sull’origine è che si formano in un punto preciso del REL da cui gemmano immaturi e si arricchiscono con enzimi prodotti dai polisomi liberi, diventando maturi.

Ribosomi

I ribosomi sono costituenti essenziali di tutti gli organismi viventi, sede della sintesi proteica, responsabili delle proprietà basofile del citoplasma. Visibili al microscopio elettronico. Diametro 15-20 nm. Possono essere liberi, quindi sparsi nel citoplasma, o legati al REG. I ribosomi liberi sintetizzano proteine destinate a restare nella cellula, quelli legati proteine destinate alla MP, ai lisosomi o a essere secrete.

È quasi impossibile trovare un ribosoma singolo, si associano in catene unite da un singolo filamento di mRNA e assumono forma a spirale: poliribosomi o polisomi (da 5 a 30 unità). Sono maggiormente presenti negli eucarioti, qui si studiano più facilmente. I ribosomi d... (testo incompleto)