Riassunti Completi di Citologia

Citologia

La chimica della cellula

Si possono fare due distinzioni per quanto riguarda la composizione chimica delle cellule. Le cellule batteriche sono composte per il 30% da macromolecole (4% ioni, 2% fosfolipidi, 1% DNA, 6% RNA, 15% proteine e 2% polisaccaridi) e per il 70% d’acqua. Le cellule eucariotiche invece sono composte per il 20%/25% da macromolecole (10/12% proteine, 2/3% lipidi, 1% glucidi e 3% nucleotidi) e per il 75%/80% d’acqua.

L’importanza del carbonio

I composti contenenti carbonio sono caratterizzati da una grande stabilità e da una grande variabilità di molecole: quando sono coinvolti atomi di idrogeno si tratta di idrocarburi, composti non solubili in acqua, ma indispensabili nella struttura delle membrane biologiche come barriere di permeabilità. La maggior parte dei composti biologici contiene, oltre carbonio e idrogeno, anche uno o più atomi di ossigeno e spesso azoto, fosforo e zolfo. Tali atomi sono normalmente parte di gruppi funzionali, disposizioni specifiche di atomi che determinano la solubilità in acqua.

I gruppi funzionali neutri sono polari (quindi idrofili) perché l’idrogeno ha parziale carica positiva e l’ossigeno ha parziale carica negativa così si crea un dipolo. I legami tra le varie molecole d’acqua sono legami idrogeno che permettono la formazione di un reticolo cristallino. Il legame idrogeno è molto più debole del legame covalente quindi quando viene fornito calore è il primo a spezzarsi.

L’importanza dell’acqua

L’acqua è un solvente importantissimo nei sistemi biologici ed è essenziale per la vita grazie alle sue proprietà:

• Capacità di solvatazione di molecole polari (o idrofile);
• Sintesi e degradazione delle macromolecole con utilizzo di energia: si tratta della condensazione e dell’idrolisi.

La molecola d’acqua oltre ad avere la capacità di creare ponti idrogeno, spinge i gruppi idrofobici ad unirsi assieme per minimizzare il loro effetto distruttivo sul reticolo di molecole d’acqua (unite da legami idrogeno). Questa interazione è detta ‘forza idrofobica’ (NON è UN LEGAME).

Le macromolecole fondamentali per la vita

• Gli zuccheri: sono polimeri di monosaccarosio. Se due o più monosaccaridi condensano per formare un polisaccaride, si dice che condensano perdendo acqua. Due importanti monosaccaridi pentosi, vanno a costruire i due acidi nucleici ossia DNA e RNA e questi monosaccaridi sono il ribosio (acido ribonucleico) e il desossiribosio (acido desossiribonucleico). Le funzioni degli zuccheri sono prettamente due:
  • Riserva: per gli animali lo zucchero di riserva è il glicogeno che si accumula nei muscoli e nel fegato e per i vegetali è l’amido;
  • Struttura: per i vegetali è la cellulosa che sta nella parete cellulare.
• I lipidi (o grassi): sono polimeri di acidi grassi, ma non si possono definire propriamente macromolecole in quanto non hanno una grande dimensione. Le loro caratteristiche sono essenziali nella struttura e nelle funzioni delle membrane cellulari.
• Le proteine: le proteine sono macromolecole composte da aminoacidi. Gli aminoacidi sono 20 e hanno una struttura fondamentale. Tra i 20 aminoacidi esistenti, si distinguono in polari ed apolari, perciò la proteina a contatto con l’acqua si ripiega su se stessa, mettendo a contatto con l’acqua la sua parte polare, e all’interno di tale struttura ripiegata è disposto ciò che è apolare.
• Gli acidi nucleici: sono composti da uno zucchero pentoso (ribosio e deassiribosio), da basi azotate e da nucleotidi. I nucleotidi sono formati da nucleotidi e gruppi fosfato e svolgono determinate funzioni a livello cellulare:
  • Trasportano energia chimica nei loro legami facilmente idrolizzabili;
  • Si combinano con altri gruppi per formare coenzimi (es. acetilcoenzima A);
  • Sono usati come molecole di segnale intracellulare.

I nucleosidi sono nucleotidi in cui è specificato il numero di gruppi fosfato presenti. Il più importante è l’ATP, adenosintrifosfato, poiché è quello che fornisce l’energia per la maggior parte delle attività cellulari: i gruppi fosfato che si staccano liberano molta energia per la presenza di tutti gli O₂- dei gruppi fosfato che si respingono con una forte replicazione.

Le basi azotate sono cinque: tre sono comuni a DNA ed RNA le altre due non lo sono: adenina, guanina e citosina sono comuni mentre la timina la si trova nel DNA e l’uracile nell’RNA. Il DNA è composto da due filamenti polinucleotidici che costruiscono la struttura a doppia scala a pioli, la doppia elica: lo scheletro è composto dallo zucchero e dal fosfato mentre le basi azotate costituiscono i ‘pioli’ della scala.

La diversità fra le cellule

La cellula procariotica

• Ha una dimensione di 1x2 µm (circa quanto un mitocondrio).
• Ha un rivestimento oltre la membrana plasmatica detto parete batterica.
• Non ha organuli.
• Il DNA è confinato in un nucleo
• Si muovono attraverso particolari strutture come i flagelli.

Il virus

• Non è una vera e propria cellula, pur essendo costituita da macromolecole che si ritrovano nelle cellule;
• Possono infettare le altre cellule (HIV, epatite, ecc.);
• Presentano acidi nucleici (virus a DNA, virus a RNA);
• Possono essere visti col microscopio elettronico;
• Hanno avvolgimenti di tipo proteico;
• Sfruttano le cellule dei viventi.

La cellula eucariotica vegetale

• Ha una dimensione di circa 20x30 µm
• È ricca d’acqua perché presenta un compartimento detto vacuolo in cui è situata acqua e altre molecole
• Utilizza energia radiante attraverso i cloroplasti
• Sopra la membrana plasmatica presenta un’ulteriore membrana detta membrana cellulare

La cellula eucariotica animale

• Ha dimensioni ridotte rispetto alla cellula vegetale, circa 20x20 µm
• Genera l’energia attraverso la sintesi di macromolecole.

Strutture comuni a tutte le cellule

Le cellule hanno una forma direttamente correlata alla funzione che svolge, ma talvolta possono cambiare la loro forma come per esempio i macrofagi che cambiano in senso fisiologico in monociti. Tutte le cellule possiedono un rivestimento detto membrana plasmatica.

La membrana plasmatica

La membrana plasmatica è presente in ogni cellula ed è il suo confine. Vista per la prima volta negli anni '50, la membrana plasmatica svolge numerose funzioni:

• Serve a definire i confini e mantenere le differenze chimiche tra citosol e l’ambiente circostante.
• Fornisce una barriera con permeabilità selettiva;
• Trasportare i soluti;
• Rispondere a segnali esterni;
• Sede di attività enzimatiche;
• Mediare le interazioni con le altre cellule e con la matrice extracellulare.

Struttura della membrana plasmatica

La membrana plasmatica è caratterizzata da una struttura bilaminare in quanto è divisa in due emistrati (mutastrati/monostrati). Tale struttura è composta da una parte lipidica, una proteica, una percentuale del 10% circa di zuccheri.

Lipidi di membrana

I lipidi di membrana svolgono una funzione strutturale (costituendo l'impalcatura fondamentale della membrana plasmatica) e una funzione di barriera semipermeabile, che si lascia attraversare liberamente dalle molecole liposolubili. Le classi principali di lipidi di membrana sono i fosfolipidi, i glicolipidi e gli steroli. I lipidi più abbondanti sono i fosfolipidi, i quali comprendono i fosfogliceridi e gli sfingolipidi. I più comuni fosfogliceridi sono la fosfatidilcolina, la fosfatidiletanolammina, la fosfatidilserina e il fosfatidilnositolo (svolgono un ruolo cruciale nella genesi dei segnali intracellulari). Il più comune sfingolipide è la sfingomielina. Per quanto riguarda i glicolipidi, sono formati da un’aggiunta di carboidrati ai lipidi. La maggior parte delle cellule eucariotiche contengono anche quantità significative di steroli che nelle cellule vegetali sono i fitosteroli mentre nella cellula animale lo sterolo più importante è il colesterolo, necessario per mantenere e stabilizzare le membrane. Fatta eccezione per gli steroli, i lipidi sono costituiti da catene di acidi grassi. Gli acidi grassi che costituiscono la membrana devono avere dai 16 ai 18 atomi di carbonio perché si formi un doppio strato stabile. I fosfolipidi sono molecole anfipatiche, ciò significa che presentano una parte polare (testa idrofilica) e una apolare (coda idrofobica).

La fluidità della membrana

La fluidità della membrana plasmatica è garantita dalla temperatura (che dev’essere superiore alla temperatura di transizione a cui gela), dai movimenti dei lipidi di membrana e dalla concentrazione di colesterolo. Se si considera solo il doppio strato lipidico diviso in due parti, si nota un’asimmetria: La parte che volge verso l’esterno della cellula presenta catene oligosaccaridiche, quindi glicolipidi che non sono presenti nel versante intracellulare; tuttavia i lipidi sono legati a catene oligosaccaridiche e compiono dei movimenti all’interno della membrana: diffusione laterale, rotazione e diffusione trasversale (flip-flop).

La fluidità della membrana è legata alla concentrazione di colesterolo: più è alta tale concentrazione, meno la membrana è fluida. Esistono delle zone nella membrana che sono meno fluide poiché sono composte da alti livelli di colesterolo e da glicosfingolipidi: tali zone sono più spesse e sono dette zattere lipidiche (o Lipid Raft) e si trovano nel monostrato esterno della membrana cellulare. Si ritiene che le lipid raft del monostrato esterno contenenti i recettori siano funzionalmente legate a zattere lipidiche del monostrato interno che contengono chinasi, enzimi che danno origine a secondi messaggeri all’interno della cellula, catalizzando la fosforilazione di specifiche molecole. Così i segnali recepiti dalle proteine recettoriali del monostrato esterno vengono trasmessi all’interno della cellula grazie al legame funzionale tra le zattere lipidiche dei monostrati della membrana. I lipidi sono costituiti da una testa idrofilica e una coda idrofobica; la testa idrofilica sarà rivolta verso l’esterno del doppio strato lipidico (verso l’acqua), mentre la coda idrofobica si rivolgerà verso l’interno del doppio strato lipidico così da allontanarsi dall’acqua.

Secondo la struttura dei lipidi di membrana (testa idrofilica e coda idrofobica), si deduce che le code a contatto con l’acqua si dispongano in modo tale da non starci a contatto secondo varie disposizioni:

• Monolayer: le molecole anfipatiche volgono la testa idrofobica verso l’acqua e le code idrofobiche verso l’aria;
• Bilayer: in un sistema acquoso le molecole anfipatiche si dispongono in un doppio strato di monolayer;
• Cerchio: forzando il sistema di lipidi in acqua, questi si possono disporre a cerchio in modo tale che il doppio strato abbia le teste volte verso l’acqua e le code nascoste.
• Micella: tipica struttura di un liposoma.

La membrana plasmatica ha una struttura a mosaico fluido, composta da lipidi e proteine. Le prime ipotesi di Danielli e Dauson consistevano nel ritenere che i lipidi formassero due strati, uno rivolto verso il citoplasma e uno verso l’ambiente extracellulare, e che i lipidi fossero rivestiti da proteine. Tale teoria fu superata da Singer e Nicholson che hanno ipotizzato il modello a mosaico fluido: mosaico perché non è limitata da uno strato continuo (per la presenza di proteine di membrana), fluido perché la fluidità determina la funzionalità della membrana stessa.

La fluidità è determinata dai movimenti dei lipidi nei doppi strati:

• Rotazione attorno al proprio asse;
• Diffusione laterale (ogni lipide si scambia col lipide vicino);
• Flessione delle code che in condizione fisiologica si spostano;
• Movimento flip-flop (i lipidi si spostano da un emistrato all’altro: Tale movimento è molto frequente ed è consentito dalle flippasi o traslocasi di membrana che catalizzano la reazione). Questo movimento dei fosfolipidi è possibile se la testa non è composta da fosfatidilserina, in quanto essa è presente solo nello strato intracellulare e quando la cellula non riesce più ad averla scatta il processo di ‘eat me’ a seguito dell’apoptosi (ossia il suicidio cellulare che fa in modo che le cellule inutili vengano eliminate dall’organismo).

Considerando una membrana a sola doppia membrana lipidica si possono osservare due fasi a differente temperatura:

• Fase di gel: si ha una struttura ordinata cristallizzata (bassa temperatura);
• Fase di fluido: si ha una struttura meno ordinata, fluida (alta temperatura);

Per stare allo stato fluido:

• Nelle cellule procariotiche, che non tengono la temperatura costante per tenere la fluidità, è necessario formare doppi legami nelle catene sature oppure introdurre idrocarburi insaturi a catena corta.

Il colesterolo

Il colesterolo è una molecola anfipatica: l’unica parte idrofilica è determinata dal gruppo ossidrilico. Il colesterolo si trova nel versante rivolto verso l’esterno e l’interno della cellula. È l’elemento di regolazione delle cellule eucariotiche: se si ha un’elevata concentrazione di colesterolo si ha una cristallizzazione della membrana, al contrario, a basse concentrazioni si ha fluidità. Il colesterolo si inserisce tra i lipidi di membrana, otturando il passaggio di piccole molecole che entrando nella cellula potrebbero essere nocive; perciò il colesterolo influisce sul trasporto.

Le proteine di membrana

Le proteine di membrana sono catene polipeptidiche ripiegate solitamente. Le parti aminoacidiche idrofiliche interagiscono con le teste dei lipidi e le parti aminoacidiche idrofobiche interagiscono con le code. È grazie alle proteine che la membrana assume una struttura a mosaico. A seconda dell’interazione che le proteine hanno coi lipidi di membrana si distinguono in proteine intrinseche (o integrali), estrinseche (o periferiche) e ancorate ai lipidi.

• Proteine integrali di membrana: la maggior parte delle proteine di membrana è rappresentata da molecole anfipatiche, che mostrando affinità per le code idrofobe dei lipidi sono difficilmente rimovibili e per questo sono dette integrali (o intrinseche). Alcune proteine sono posizionate soltanto in una faccia del doppio strato e sono dette proteine integrali monofopiche. Tuttavia la maggior parte delle proteine integrali attraversano la membrana per intere, e sono dette proteine transmembrana: se tali proteine attraversano la membrana una sola volta sono dette monopasso, se le attraversano due o più volte sono dette multipasso. Molte proteine transmembrana sono ancorate al doppio strato lipidico attraverso segmenti transmembrana idrofobi, uno per ogni volta che la proteina attraversa il doppio strato. Le proteine transmembrana nella maggior parte dei casi hanno una conformazione ad α-elica; tuttavia in alcune proteine multipasso si trova una conformazione a foglietto β-ripiegato o foglietto a barile beta: tale conformazione è importante in un gruppo di proteine che formano pori, le cosiddette porine, le quali si trovano nella membrana esterna di molti batteri, cloroplasti, mitocondri.
• Proteine periferiche di membrana: le proteine periferiche non presentano nella loro struttura delle parti idrofobiche distinte perciò non entrano nel doppio strato lipidico, ma mediante forze elettrostatiche deboli o legami idrogeno, si collegano alle porzioni idrofiliche delle proteine integrali e probabilmente con le teste polari dei lipidi. Tali proteine sono facilmente rimovibili mediante forze ioniche o variazioni del pH.
• Proteine di membrana ancorate ai lipidi: questo tipo di proteine possiedono le caratteristiche delle proteine integrali e di quelle periferiche: sono situate su una delle superfici del doppio strato attraverso legami covalenti a molecole lipidiche incluse all’interno del doppio strato. Vengono usati diversi meccanismi per l’ancoraggio: ancoraggio agli acidi grassi (le proteine vengono sintetizzate nel citosol e legate covalentemente a un acido grasso saturo integrato nel doppio strato), proteine prenilate (sono sintetizzate nel citosol come proteine solubili, prima di essere modificate mediante l’aggiunta di un gruppo penilico e dopo il legame con le proteine questi acidi grassi si inseriscono nello strato lipidico), ancoraggio ai glicosilfosfatidilinositolo (GPI, queste proteine sono sintetizzate nel reticolo endoplasmatico come proteine monopasso; queste poi vengono trasportate all’esterno della membrana dalla quale possono essere rilasciate per azioni delle fosfolipasi C).

Funzioni delle proteine

Le funzioni che svolgono le proteine sono di fatto le funzioni della membrana:

• Funzioni enzimatiche
• Trasporto di soluti: due tipi di proteine sono responsabili di ciò, le proteine di trasporto e le proteine canale. Le prime facilitano il movimento di nutrienti nella membrana; le seconde forniscono passaggi idrofili attraverso la membrana;
• Giunzioni intercellulari;
• Funzione recettoriale (recettore-ligando);
• Riconoscimento cellulare;
• Ancoraggio del citoscheletro o della matrice extracellulare;
• Permeabilità selettiva: è legata al trasporto di soluti. Le proteine trasportano solo ioni e piccole molecole; per trasportare macromolecole utilizzano un altro tipo di trasporto.

I glucoli di membrana

Nelle membrane cellulari è presente, anche se in bassa percentuale, una componente zuccherina: una parte è contenuta nei glicolipidi, mentre la maggior parte è contenuta nelle glicoproteine, proteine di membrana con corte catene glucidiche legate in modo covalente alle catene laterali degli aminoacidi. I gruppi glucidici delle membrane formano un rivestimento superficiale noto come glicocalice. Tali gruppi sono importanti poiché costituiscono i siti di riconoscimento dei recettori di membrana.