Riassunti istologia

Citologia

Differenziamento cellulare e forma delle cellule

Le cellule degli organismi pluricellulari sono assai varie per forma, dimensione e capacità funzionale. Il processo che porta alla formazione di differenti tipi di cellule è detto differenziamento. La forma delle cellule è determinata da molti fattori. Uno di questi fattori è la tensione superficiale, che porta le cellule (immerse in ambiente liquido) ad assumere forma sferica. Ne sono un esempio i globuli bianchi in circolo.

Nella maggior parte dei casi, è invece la funzione a condizionare la forma, ad esempio: il globulo rosso, una cellula del sangue immersa in ambiente liquido, deve alla sua forma a lente biconcava una elevata efficienza nella capacità di cambiare velocemente ossigeno con l’aria alveolare e con i tessuti. Un altro esempio sono i neuroni, che devono garantire collegamenti tra punti molto distanti tra loro per permettere il trasferimento di informazioni all’interno dell’organismo; queste cellule sviluppano delle sottili e lunghe propaggini che si dipartono da una zona slargata detta corpo cellulare, contenente il nucleo.

Il mantenimento della forma cellulare in questi casi dipende da una serie di formazioni citoplasmatiche, dette nel loro complesso citoscheletro. Formano un’impalcatura che può essere rigida o elastica a seconda degli elementi citoscheletrici in gioco.

Membrana cellulare

Composizione

• Lipidi 40% (Fosfolipidi, colesterolo e glicolipidi).
• Proteine 60% (Semplici, associate a carboidrati, di trasporto ed enzimatiche).
• Glucidi 1-2% (Esosi, esosamine, acido siliaco, legati a proteine in complessi glicoproteici e a lipidi/molecole glicolipidiche).

La membrana cellulare è una sottile pellicola che riveste tutta quanta la cellula e che la separa dall’ambiente circostante. La microscopia elettronica ha dimostrato che:

• La membrana cellulare ha struttura trilamellare formata da 2 strati densi paralleli (rivolti verso il versante citoplasmatico ed il versante extracellulare) ed uno strato intermedio chiaro (membrana unitaria o di Robertson).
• Lo spessore della membrana è pari a 7,5 nm.
• Tale struttura si mantiene in tutte le membrane presenti all’interno della cellula che vanno a rivestire i vari organuli sebbene lo spessore della membrana del reticolo endoplasmatico e del complesso del Golgi (5-6 nm) sia inferiore a quello della membrana plasmatica.

È stato considerato che i due strati opachi abbiano uno spessore diverso, il che è una delle manifestazioni dell’asimmetria tra le due facce della membrana. Tale asimmetria tra lamina esterna ed interna dipende da precise differenze di composizione chimica e diventa ancor più netta nei casi in cui la membrana sia provvista del glicocalice.

Osservandola, si riconoscono alcune zone rivestite sul versante citoplasmatico da una serie di piccole sporgenze filiformi che creano uno strato “peloso”. Il rivestimento è costituito da una proteina detta Clatrina. Nelle aree di membrana rivestite da clatrina, si concentrano recettori di membrana, che una volta uniti ai loro ligandi vengono trasferiti all’interno del citoplasma attraverso endocitosi. Si formano così vescicole di endocitosi rivestite di clatrina. Quest’ultima molecola si stacca dalla membrana una volta che la vescicola ha finito di formarsi, e ritorna ad agganciarsi alla superficie cellulare per formare un'altra zona pelosa e continuare il processo nel tempo.

Altre aree della membrana appaiono rivestite, sul versante citoplasmatico, da un altro tipo di molecole, dette Caveoline, tutte appartenenti alla stessa famiglia molecolare. Le aree rivestite di caveolina sembrano presentare una particolare densità lipidica, in particolare di sfingolipidi, e specifiche proteine (vengono definite zattere lipidiche). Anche da queste aree si formano vescicole di endocitosi, dette Caveole. Si ritiene che esistano anche delle vescicole prive di rivestimento che non siano associate a caveoline, poiché però non possono essere messe in evidenza al microscopio elettronico a trasmissione, al contrario della clatrina, il reperto delle vescicole di rivestimento non consente di concludere se ci si trovi davanti ad una caveola oppure ad un altro tipo di vescicola, priva sia di clatrina che di caveoline. Vescicole di questo tipo sono presumibilmente coinvolte nella transcitosi attraverso cellule endoteliali e nell’assorbimento di sostanze non dipendenti né dall’uno né dall’altro dei meccanismi sopracitati.

I lipidi delle membrane presentano una porzione apolare idrofoba (coda, legata ad un gruppo fortemente idrofilo, testa polare). La composizione dei fosfolipidi di membrana è costituita da un certo grado di insaturazione in alcuni dei loro acidi grassi. I doppi legami tra gli atomi di carbonio di questi ultimi ne deformano pertanto la catena idrocarburica generando un’interferenza tra le catene che si dispongono disordinatamente. Questo disordine rende liquida la regione non polare delle membrane, permettendo ai fosfolipidi di diffondersi liberamente nel piano della sua superficie.

Le membrane plasmatiche contengono anche colesterolo, che con il loro grosso corpo idrofobico, e i grassi neutri totalmente idrofobici comprimono le code dei fosfolipidi e conferiscono una viscosità maggiore alla membrana. Quindi il grado di fluidità delle membrane è direttamente proporzionale alla percentuale di insaturazione degli acidi grassi e inversamente proporzionale alla quantità di colesterolo.

Alcune proteine di membrana possono essere staccate con facilità variando la forza ionica del solvente usato: tali proteine sono dette estrinseche e sono situate sulle superfici del lato esterno ed interno della membrana; altre proteine dette intrinseche non si staccano variando la forza ionica del solvente, ma soltanto con l’uso di tensioattivi. Il che significa che queste proteine sono immerse nello strato lipidico. Le proteine intrinseche sono anfipatiche e contraggono il legame idrofobico con il doppio strato lipidico. In molte cellule le particelle proteiche della membrana si diffondono lungo il piano libero della superficie.

Proteine e mobilità

I meccanismi responsabili delle motilità delle proteine di membrana non sono ancora perfettamente chiari. L’unione tra le proteine intrinseche ed i microfilamenti probabilmente non è mai diretta, ma è mediata dall’interposizione di particolari proteine estrinseche.

Glicocalice

Il glicocalice è una struttura extracellulare che ricopre la superficie esterna dei tessuti, è lo strato più esterno della membrana plasmatica. È costituito da carboidrati legati con legami covalenti a proteine o lipidi di membrana. Protegge la cellula, offre punti di ancoraggio ai recettori. È fondamentale per la comunicazione ed il riconoscimento cellulare. Le glicoproteine fanno aderire le cellule tra loro e fanno aderire la cellula al substrato.

Modello del mosaico fluido

Le proteine di membrana si spostano come iceberg nel mare di lipidi, che è fluido a temperatura corporea. Alcune delle proteine intrinseche passano da parte a parte dello strato lipidico, affiorando sulle due superfici delle membrane, altre sono immerse in uno solo dei due foglietti fosfolipidici, protrudendo sull’una e sull’altra faccia della membrana. La loro interazione con i lipidi è molto forte, e la loro presenza è necessaria per l’integrità strutturale del sistema. Le proteine estrinseche sono situate sulle superfici del lato esterno ed interno della membrana.

Funzioni della membrana cellulare

• Delimitare la cellula, adesione: Alla membrana possono legarsi molecole presenti nell’ambiente circostante, il legame tra la membrana e le molecole esterne alla cellula è importante per l’adesione delle cellule tra loro e tra superfici non cellulari (come la matrice rinforzo, detti giunzioni intercellulari e giunzioni cellula-matrice). Le giunzioni non sono indispensabili per l’adesione ma la rendono più salda di fronte a sollecitazioni meccaniche e permettono una migliore integrazione funzionale tra cellule così unite. Tramite le rispettive molecole di membrana, le cellule possono riconoscersi tra loro e regolare il loro comportamento a seconda del tipo e del numero di cellule che hanno accanto.
• Diffusione passiva: La cellula, per vivere, mantiene uno scambio continuo di materiali con l’ambiente circostante. Il film molecolare lipidico costituisce una barriera invalicabile a tutte le sostanze solubili in acqua. Ma anche l’acqua può entrare ed uscire, l’entrata dell’acqua all’interno della cellula appare spesso regolata da semplici fenomeni fisici (l’osmosi). La via di penetrazione attraverso il film molecolare lipidico è costituita da cosiddetti pori polari. Questi pori sono formati da un assemblaggio di proteine intrinseche che si dispongono in maniera tale da concentrare all’interno i residui idrofilici ed esporre i loro residui idrofobici all’esterno, così da poter interagire con i lipidi. La diffusione dell’acqua attraverso i pori polari, essendo regolata dalle leggi dell’osmosi, non richiede naturalmente dispendio di energia metabolica.

Trasporto facilitato

Le molecole in soluzione attraversano la membrana tramite processi di trasporto facilitato o di trasporto attivo. Il trasporto facilitato avviene attraverso siti di passaggio, alcuni dei quali vengono chiamati canali, altri permeasi (o sistemi trasportatori) la cui caratteristica, oltre la saturabilità, è quella di possedere un sito specifico per la sostanza trasportata. Il trasporto attivo è la capacità di trasporto del metabolita da una parte all’altra della membrana contro un gradiente di concentrazione, consumando energia resa disponibile nella cellula.

Se si misura la concentrazione del sodio e del potassio nell’interno del citoplasma di una cellula viva e nel liquido extracellulare che la circonda si osserva come tale concentrazione non sia bilanciata. Nell’interno della cellula il potassio è molto più concentrato che all’esterno, viceversa per il sodio.

• Na⁺ intracellulare << Na⁺ extracellulare
• K⁺ intracellulare >> K⁺ extracellulare

Se la cellula viene avvelenata con un inibitore metabolico che impedisca la sintesi di ATP le differenze sono annullate, queste osservazioni si spiegano col fatto che la cellula viva, pompa potassio dall’esterno all’interno e viceversa pompa sodio dall’interno all’esterno, compiendo un lavoro notevole per vincere il gradiente di concentrazione esistente tra i due lati della membrana. Questi sistemi vengono detti di co-trasporto. In particolare si indica col termine di simporto la permeasi che veicola due molecole diverse nella stessa direzione ed antiporto quella che ne introduce una all’interno della cellula mentre espelle la seconda. Un esempio di antiporto è costituito dalla pompa sodio-potassio (una permeasi) che per ogni molecola di ATP idrolizzata trasporta 3 ioni sodio all’esterno e 2 ioni potassio all’interno. La presenza di un sistema di co-trasporto porta a una differente concentrazione di cariche elettriche tra le due facce della membrana (citoplasma-liquido interstiziale).

Citoplasma e organuli

È costituito da una parte otticamente omogenea denominata ialoplasma dove sono immersi gli organuli e gli inclusi. Gli organuli sono indispensabili per il mantenimento della vita cellulare e si trovano in tutte le cellule nucleate. Gli inclusi sono strutture intracellulari, tipici di cellule specifiche ma non indispensabili per la vita della stessa.

Lo ialoplasma è molto ricco di acqua, nella quale sono disperse molecole proteiche tra cui numerosi enzimi che catalizzano svariate reazioni chimiche. La presenza nello ialoplasma di numerose macromolecole gli conferisce proprietà fisiche colloidali. Lo ialoplasma è un sistema colloidale altamente eterogeneo e polifasico. La fase dispersa è costituita da complessi macromolecolari proteici che interagiscono mediante legami reversibili di varia natura, soprattutto legami ad idrogeno e forze di Van Der Waals. Il colloide ialoplasmatico è viscoso, il suo grado di viscosità non è stabile ma subisce modificazioni in rapporto al variare delle condizioni ambientali e nelle varie fasi dell’attività cellulare. Se lo ialoplasma è molto viscoso e prende la consistenza di un gel prende il nome PlasmaGel, se diventa meno viscoso si parla in questo caso di PlasmaSol. Il cambiamento sol-gel o viceversa può essere determinato da variazioni dei legami o da cambiamenti di lunghezza dello stato di aggregazione o di spiralizzazione delle catene proteiche. La viscosità e l’elasticità del citoplasma dipendono in misura considerevole dalle condizioni del citoscheletro. Con le comuni colorazioni il citoplasma si presenta quasi sempre acidofilo; per colpa delle proteine. Lo ialoplasma di alcuni tipi di cellule mostra invece una forte affinità per i coloranti basici. Tale basofilia può essere diffusa nello ialoplasma, oppure concentrata in ammassi irregolari di dimensioni variabili.

Inclusi

• Pigmenti: inclusi dotati di colore proprio quale la melanina e le lipofuscine.
• Secreti: materiale temporaneamente accumulato sotto forma di granuli, in attesa di essere espulso dalla cellula nel processo di secrezione.
• Paraplasmi: inclusi con funzione di riserva: glicogeno, gocce lipidiche (trigliceridi, steroidi).
• Alloplasmi: inclusi fibrillari, tonofibrille delle cellule epiteliali, miofibrille delle fibre muscolari, neurofibrilli dei neuroni, gliofibrille degli astrociti.
• Altri inclusi: strutture presenti in singoli tipi di cellule, come ad esempio i cristalli di Reinke nelle cellule interstiziali del testicolo.

Apparato del Golgi

L’estensione e la localizzazione del Golgi è caratteristica per ogni tipo di cellula, indipendentemente dalle sue variazioni del metabolismo. In particolare nei neuroni, è molto esteso e occupa una zona tutta intorno al nucleo. Nelle cellule secernenti il Golgi è situato tra il nucleo ed il polo apicale della cellula mentre il RER occupa la zona basale.

L’analisi delle membrane del Golgi ha rivelato una presenza di enzimi che sono in parte diversi ed inferiori di numero rispetto a quelli del RER. È assente ad esempio la Glucosio-6-fosfatasi, sono presenti però enzimi come la Glicosil-Transferasi, marker specifici per l’identificazione del Golgi nelle frazioni subcellulari separate. Al microscopio elettronico il Golgi risulta costituito da 3 componenti:

• Vescicole: coinvolte nel trasferimento di sostanze sia dal reticolo al Golgi, sia tra le varie cisterne, sia dal Golgi alla superficie cellulare.
• Cisterne: disposte l’una sull’altra a costituire una pila (dittiosomi).
• Vacuoli: condensati contenenti prodotti di secrezione; questi sono riscontrabili solo in cellule che producono granuli secretori.

Le cisterne sono incurvate con la faccia convessa rivolta verso il nucleo (Cis) e quella concava orientata verso la periferia della cellula (trans). La cisterna verso la superficie convessa del sistema membranoso presenta numerose fenestrature ed è in stretto rapporto con numerose vescicole di circa 70 nm di diametro, dette vescicole di formazione. Le cisterne della faccia trans sono maggiormente dilatate e sono associate a vacuoli di condensazione contenenti prodotti di secrezione in vario grado di condensazione, ed anche a granuli di secrezione a contenuto denso ed omogeneo.

Il passaggio di materiale dal reticolo endoplasmatico al Golgi avviene tramite vescicole che si staccano da una cisterna ed entrano poi a far parte di un'altra cisterna attraverso un processo detto di fusione. Durante il trasporto attraverso il complesso di Golgi, il prodotto secretorio proveniente dal reticolo subisce ulteriori modificazioni.

All’interno del Golgi si completa la glicosilazione, già iniziata nel lume del RER dove la catena oligosaccaridica attivata dal legame con un lipide di membrana viene trasferita alla catena polipeptidica mediante un legame con il gruppo NH₂ grazie ad un enzima associato con le membrane del reticolo. In seguito alle modificazioni subite nel RER le proteine hanno la stessa catena oligosaccaridica ed a livello dell’Apparato del Golgi (nei compartimenti CIS e intermedio) avviene la specificazione di ogni catena oligosaccaridica attraverso la rimozione e l’aggiunta di zuccheri, ed in alcuni casi l’aggiunta di gruppi solfato per opera di solfotransferasi specifiche. Il Golgi è anche sede di elaborazione di alcuni polisaccaridi e di glicosamminoglicani (nelle cellule caliciformi).

Il Golgi sintetizza a partire dagli zuccheri semplici la porzione carboidratica che legandosi alla componente proteica elaborata dai ribosomi e trasportata in tale sede attraverso il RER forma il secreto mucoproteico di tale cellule.

Il Golgi riveste una fondamentale importanza nel selezionare gli enzimi lisosomiali da trasportare verso i lisosomi, distinguendoli così da altre glicoproteine destinate alla via secretoria. L’identificazione delle idrolasi lisosomiali avviene grazie ad una loro specifica fosforilazione in posizione 6 del mannosio terminale, ed al successivo riconoscimento del mannosio 6P segregano le glicoproteine ad esso associate in vescicole rivestite di Clatrina che si fonderanno con gli endosomi tardivi dando origine ai lisosomi.

Dal Golgi si distaccano piccole vescicole e più grandi granuli secretori. Queste formazioni si avvicinano alla membrana cellulare finché la loro membrana si fonde con la membrana cellulare e l’interno di ciascuna formazione viene posto in comunicazione con l’esterno attraverso un processo detto esocitosi. Quando il prodotto non viene immagazzinato nel citoplasma, ma viene secreto via via che è prodotto, si parla di secrezione costitutiva; quando invece sono immagazzinati granuli secretori che vanno incontro ad esocitosi solo quando la cellula è stimolata a farlo, si parla di secrezione regolata.