Appunti di Citologia: Introduzione alla Biologia Cellulare per l'Università

CITOLOGIA

INTRODUZIONE ALLE CELLULE

Attraverso la microscopia a fluorescenza si possono osservare alcune caratteristiche della cellula, per esempio, il fluorescente rosso (DRAQ5) ha un'alta affinità con il DNA marcando il nucleo, mentre il fluorescente verde mette in evidenza i filamenti del citoscheletro. Questi ultimi possono essere di actina (lineari), beta-tubulina (radiali), o filamenti intermedi.

La fluorescenza è la proprietà di assorbire la luce e di riemetterla ad una lunghezza d'onda maggiore (minore energia). Le molecole in grado di esibire fluorescenza, dopo aver assorbito fotoni, sono dette fluorofori, o fluorocromi; queste sono caratterizzate da diversi spettri di assorbimento e di emissione.

Le tecniche di colorazione sono la tecnica di immunofluorescenza (attraverso degli anticorpi in grado di riconoscere un target in particolare specifici per la beta-tubulina) o con la falloidina (attraverso la tossina di un fungo che causa danni al corpo e crea affinità con la filamentosità dell'actina interferendo con i microfilamenti stabilizzandoli, utile durante la migrazione cellulare, crea interferenza con l'attività cellulare).

STORIA DELLE CELLULE

1665: Robert Hooke coniò la parola "cellula" osservando sezioni di sughero porose (attraverso un microscopio con ingrandimento x30*, in realtà non vedeva cellule ma gli spazi vuoti tra le cellule).

1676: Anton van Leeuwenhoek costruisce un microscopio (ingrandimento x300, 1,35um) gli permette di osservare le prime cellule, che erano batteri e spermatozoi (che lui definiva "animalculi"). Questo approccio usato è puramente descrittivo.

1831: Robert Brown osservò e descrisse il nucleo sui tessuti vegetali

1838: Schleiden pubblica un articolo in cui associa le cellule e i loro nuclei a dei mattoncini essenziali delle piante, sin dallo stato embrionale.

1839: Theodor Schwann scopre il nucleo delle cellule animali e afferma l'esistenza di un principio universale che accomuna animali e vegetali, ovvero le cellule (cellule di Schwann: si trovano nel sistema nervoso periferico e avvolgono gli assoni dei neuroni isolandoli per far sì che la trasmissione dell'impulso nervoso salti in modo rapido da un nodo di Ranvier all'altro).

* la risoluzione di un microscopio e la quantità di dettagli che si possono riconoscere in un campione non dipende dal potere di ingrandimento, ma dipende dalla luce e dalle lenti del sistema. L'occhio umano ha un potere di risoluzione pari a 100um, un microscopio elettrico ha una risoluzione di 0,2um.

PRINCIPI DI BASE DELLA TEORIA CELLULARE

• Tutti gli organismi sono composti da una o più cellule.
• La cellula è l'unità base della struttura di tutti gli organismi.
• Tutte le cellule si originano da cellule preesistenti ("Omnis cellula e cellula", Virchow).

Nasce la biologia moderna (citologia + genetica + biochimica).

IL METODO SCIENTIFICO

Può avvenire attraverso diversi approcci: in vitro, in vivo e in silico (organismi modello).

1. Conoscenza della letteratura scientifica
2. Formulazione di un'ipotesi che può essere verificata
3. Progettazione di un esperimento in condizioni controllate per verificare l'ipotesi
4. Raccolta dati e interpretazione risultati.

DIMENSIONI IN BIOLOGIA

• Nanometri (nm): molecole e strutture cellulari (microscopio elettrico)
• Micrometri (um): cellule e organuli cellulari (microscopio ottico)
• Millimetri (mm): organi e cellule giganti (occhio nudo)

CELLULA PROCARIOTICA

A differenza della cellula eucariotica, non è presente il nucleo; infatti, è presente un unico cromosoma circolare contenuto in una zona del citoplasma chiamata nucleoide (riproduzione per scissione binaria). Hanno dimensioni molto piccole (diametro: 1-10um), presentano una parete cellulare, ma non presentano i mitocondri, l'apparato di Golgi o sistemi di membrane. Sono due i domini formati da cellule procariotiche: i Batteri e gli Archea. Vi è una comune discendenza degli organismi viventi da un progenitore ancestrale, la successiva divisione in diverse categorie riflette le differenziazioni verificatesi nel corso dell'evoluzione.

CELLULA EUCARIOTICA

Secondo la teoria endosimbiotica mitocondri e cloroplasti derivano dai Bacteria; questa teoria venne proposta da Lynn Margulis nel 1981 secondo la quale la formazione di microrganismi eucariotici è data dalla relazione simbiotica tra più microrganismi procariotici. Le prove a favore di tale teoria sono: la presenza di DNA in forma circolare in mitocondri e cloroplasti, il DNA in grado di autoreplicarsi, le membrane più interne in mitocondri e cloroplasti sono simili a quella della cellula procariotica e, infine, gli stessi antibiotici che, in vivo, inibiscono le funzionalità dei batteri inibiscono anche le funzionalità di mitocondri e cloroplasti.

Le cellule vengono studiate in vitro, in un sistema di coltura adatto a farle crescere fin quando a un certo punto muoiono; ciò non accade per alcune cellule, le quali sono in grado di crescere in modo indefinito anche in vitro, ovvero le cellule tumorali. Un esempio di queste cellule sono le Hela cells, il cui nome deriva dal nome della paziente da cui sono state estratte (Henrietta Lacks, malata di tumore al collo dell'utero) nel 1951. Queste cellule sono la prima linea di coltura cellulare che ancora oggi è in vita, e, su tali, sono stati condotti più di 70.000 studi diversi con la conseguente vittoria di due premi Nobel. Le cellule si differenziano in base a forma, dimensione e funzione (+ di 200 tipi). Le loro differenze non stanno nel corredo genetico, ma nel modo in cui questo viene letto, poiché esiste il principio di conservazione del genoma (uguale in tutte le cellule di uno stesso organismo). Esiste, quindi, un'espressione selettiva dei geni data da fattori interni alla cellula e data da segnali esterni. Le dimensioni delle cellule non dipendono dalle dimensioni dell'organismo: secondo la legge di Driesch, in tutti gli organismi dello stesso phylum, cellule corrispondenti per forma, funzione e posizione nel corpo hanno dimensioni simili. In generale la cellula più grande è la cellula uovo (120-150um), mentre quella più piccola e lo spermatozoo (5-6um). La grandezza delle cellule è regolata da alcuni parametri fisiologici per regolare le funzionalità di esse (10-100um):

1. Rapporto superficie/volume, che regola le relazioni con l'ambiente esterno (più è alto migliori sono gli scambi). Al crescere delle dimensioni cellulari il volume aumenta più rapidamente della superficie - diventare più grandi per una cellula significa ridurre notevolmente il rapporto S/V con conseguenti squilibri nutrizionali, per questo motivo è più conveniente per un organismo accrescersi aumentando il numero delle cellule che non aumentare le dimensioni delle cellule.
2. Velocità di diffusione molecolare, per favorire l'attività della cellula questa deve essere ottimale
3. Rapporto nucleo/citoplasma, per ciascun tipo cellulare esiste un indice Nucleo Plasmatico costante regolato dalla formula di Hertwig (il corretto rapporto si rispristina attraverso la divisione cellulare).

In contraddizione a questa legge esiste la legge di Levi, che vale per cellule muscolari e neuroni (lui studiò i neuroni): alcune cellule sono di dimensioni maggiori negli animali appartenenti a mole somatica maggiore e, in generale, la loro grandezza e proporzionale all'ampiezza del territorio periferico che occupano.

Alcune cellule possono essere pluri-nucleate, come i sincizi (nate dalla fusione di più cellule, es. fibre muscolari) o i plasmodi (quando una cellula si divide ma non avviene la citodieresi, es. megacariociti).

Le cellule sono complessi di molecole in uno stato di continuo dinamismo regolato da leggi chimico-fisiche. I 6 elementi fondamentali sono C, H, N, O, P e S. L'acqua è la molecola inorganica più abbondante nelle cellule e nei tessuti, con il ruolo di solvente nel protoplasma ed entra a far parte delle reazioni chimiche. È una molecola polare e, perciò, idrofila; ciò fa sì che si possa legare, attraverso legami a idrogeno, con altre quattro molecole di acqua. I sali sono presenti nel protoplasma in forma di ioni idrati, o elettroliti (anioni e cationi), cui funzioni principali sono mantenere l'equilibrio ionico, la pressione osmotica e il pH cellulare.

Le molecole organiche (composti del carbonio) si dividono in glucidi, lipidi, proteine e acidi nucleici.

I GLUCIDI

I GLUCIDI, (CH2O) n, si trovano nelle cellule come nel DNA (desossiribosio) o nell'RNA (ribosio); in base alle unità monomeriche si dividono in oligosaccaridi e polisaccaridi (catene di monosaccaridi legati attraverso legame glicosidico). La funzione dei glucidi, negli animali, è di riserva (glicogeno). I glicosamminoglicani (GAG), sono formati da unità disaccaridiche ripetute in catene lineari (amminozucchero + zucchero acido), sono altamente idrofili e danno al tessuto maggiore resistenza (turgore, matrice extracellulare tessuto connettivo). Vi sono 3 glicoconiugati (componente glucidica + componente lipidica o proteica):

1. proteoglicani (catene GAG + proteina = legame covalente, di cui 80/90% componente glucidica), sono diversi in base al numero e alla tipologia di GAG. Hanno la capacità di intrappolare molte molecole di acqua formando un gel con funzione di sostegno meccanico resistenza alla compressione e di filtro molecolare (regola la velocità di diffusione).
2. glicoproteine (maggiore componente proteica che glucidica), sono formati da catene di oligosaccaridi e si trovano nei tessuti connettivi (es. fibronectina, laminina, tenascina). Hanno varie funzioni tra cui favorire l'adesione tra matrice e cellula, stabilizzare la matrice, interagire tra cellule e ambiente e formare la lamina basale (su cui si appoggiano gli epiteli creando una interfaccia tra tessuti diversi).
3. glicolipidi, formati da glucidi e lipidi.

I LIPIDI

I LIPIDI sono scarsamente solubili in acqua ma altamente solubili in solventi organici. Possono essere semplici (con catene idrocarburiche con legami singoli o doppi, es. acidi grassi) o complessi (3 acidi grassi si legano a una molecola di glicerolo con un legame estere, es. trigliceridi), ovvero oltre alla parte lipidica si legano ad altre molecole. La loro funzione è quella di essere delle riserve energetiche metabolizzabili quando l'organismo ne ha bisogno. I fosfolipidi sono alla base dell'organizzazione della membrana cellulare. Sono tutte molecole anfipatiche (es. fosfogliceride ha la testa idrofila formata da (serina + gruppo fosfato, e coda idrofoba formata da glicerolo + coda idrocarburica). I lipidi si dividono in fosfolipidi, steroli e glicolipidi.

Gli ACIDI NUCLEICI

Gli ACIDI NUCLEICI (DNA e RNA) sono polimeri cui monomeri sono i nucleotidi. Essi sono formati da 3 elementi: gruppo fosfato + zucchero pentoso + base azotata (questi ultimi due prendono il nome di nucleoside). Le basi azotate sono 5: due purine (formate da due anelli, adenina e guanina) e tre piramidine (citosina, timina e uracile, aventi un solo anello). I nucleosidi prendono il nome in base alla base azotata a cui si legano (adenosina, guanosina, citidina, uridina e timidina). Il legame tra nucleotidi è fosfodiestere tra gruppo fosfato (P 5') e zucchero (C 3') e formano lunghe catene polinucleotidiche. Il DNA è formato da due catene antiparallele (A+T, C+G), mentre l'RNA è formato da una singola catena (durante la trascrizione A+U, C+G). L'ATP ha una struttura simile al nucleotide (adenina + ribosio + 3 gruppi fosfato) e serve in caso di necessità di energia spendibile al momento, che si crea dalla repulsione tra i gruppi fosfato.

Le PROTEINE

Le PROTEINE compongono circa il 50% del peso secco della cellula, con ruoli strutturali e funzionali (funzione meccanica o di supporto, attività enzimatica per favorire le reazioni, recettori, trasportatori ... ). Sono polimeri cui monomeri sono gli amminoacidi. Il carbonio a-primario si lega a un gruppo amminico e uno carbossilico, a un idrogeno e a un radicale R. In base al radicale si riconoscono amminoacidi diversi, in tutto sono 20. Possono essere polari o apolari, basici o acidi, e alcuni sono essenziali, ovvero vanno integrati con la dieta. Gli amminoacidi si legano tra loro attraverso un legame peptidico, o carboamminico, attraverso una reazione di condensazione che libera una molecola di acqua; tale legame si crea tra il gruppo amminico di un amminoacido e il gruppo carbossilico di un altro. Le catene che si formano sono catene lineari e prendono il nome di catene polipeptidiche. Vi sono varie strutture degli amminoacidi: primaria: quali, quanti e in che ordine sono nella catena gli amminoacidi, dove l'azoto e il carbonio prendono il nome di terminali. secondaria: come si configura la catena nello spazio, in base ai radicali R; possono essere a elica-a o a foglietto ripiegato-ß. terziaria: interazione tra strutture secondarie, attraverso legami a idrogeno o ionici, forze di van der Waals, interazioni idrofobiche. quaternaria: solo se le proteine sono formate da più catene polipeptidiche, si tratta di più subunità che interagiscono tra loro. Un esempio è la PCNA, una proteina in proliferazione nel nucleo delle cellule formata da tre catene polipeptidiche. In base alle strutture le proteine possono essere fibrose, con un aspetto allungato (es. cheratina, collagene) o globulari (es. ormoni, enzimi).