Metodologie per lo studio di cellule e tessuti, Università

La Materia Vivente

La cellula è l'unità fondamentale degli organismi viventi dei quali possiede tutte le proprietà: riproduzione, nutrimento, respirazione, movimento. Le cellule degli organismi pluricellulari sono capaci di vita autonoma.

La sostanza vivente esiste a diversi livelli di organizzazione: i virus (le forme più semplici); le cellule dei procarioti; infine le cellule degli eucarioti (le più complesse).

Le Cellule

I procarioti rappresentano il livello più elementare di organizzazione cellulare. Un livello più elevato è rappresentato dalle cellule degli eucarioti, che sono caratterizzate da una complessa struttura interna e dalla suddivisione del protoplasma in due compartimenti distinti: una porzione denominata nucleo e una porzione definita citoplasma. Il nucleo contiene la cromatina, caratterizzata dalla presenza di numerosi componenti molecolari oltre al DNA. Il citoplasma contiene una serie di organuli specializzati in specifiche funzioni ed altamente organizzati. Gli eucarioti possono essere organismi unicellulari o pluricellulari, questi ultimi sono formati dall'associazione di più cellule tra loro. Le varie cellule che compongono un organismo pluricellulare si specializzano per svolgere funzioni specifiche. Questa specializzazione prende il nome di differenziamento. Cellule con caratteri funzionali simi si associano a formare i tessuti. Nonostante queste specializzazioni tutte le cellule possiedono comunque caratteri strutturali e composizione chimica comuni.

Forma e Dimensioni delle Cellule

La forma varia nei diversi tipi cellulari. Negli organismi pluricellulari le cellule si organizzano a costituire delle aggregazioni definite tessuti. I diversi tessuti hanno ciascuno un'architettura caratteristica, finalizzata a svolgere le specifiche funzioni.

La maggior parte delle cellule, quando sono sospese in un liquido (ad es. i leucociti del sangue) assumono una forma sferica. Le cellule dei tessuti solidi hanno invece forma molto diversa da quella sferica, per effetto di diversi fattori tra i quali la pressione reciproca esercitata dalle cellule contigue (es. nei tessuti epiteliali).

Per questo si possono avere cellule piatte, cubiche, cilindriche, prismatiche, provviste di prolungamenti, a forma di cilindretti trasversalmente ecc ...

Il volume delle cellule è costante per ciascuno tipo cellulare nell'ambito della stessa specie ed è indipendente dalle dimensioni dell'organismo (legge di Driesch); la diversa dimensione degli organismi è dovuta al numero e non al volume delle cellule (Boveri Levi).

L'aumento del numero di molecole di DNA presente nel nucleo può determinare un aumento del volume cellulare.

Organizzazione Generale della Cellula

CELLULA microtubuli Membrana plasmatica citoplasma cromosoma centrioli Membrana nucleare mitocondri Nucleolo vescicole Nucleoplasma Apparato di Golgi Reticolo Endoplasmatico rugoso ribosomi

Le cellule degli organismi pluricellulari presentano un piano organizzativo comune. Il nucleo è situato di solito centralmente ma può assumere anche una posizione eccentrica. È generalmente unico, tuttavia esistono alcune cellule polinucleate. La forma del nucleo è correlata con quella della cellula, ma può essere anche irregolare. Le dimensioni nel nucleo sono variabili. Il nucleo è delimitato da un involucro membranoso che lo separa dal citoplasma e contiene cromatina ed uno o più organelli denominati nucleoli.La cromatina rappresenta lo stato interfasico dei cromosomi, che sono i portatori dei caratteri ereditari o geni. Essi sono costanti per numero, forma e dimensioni in ciascuna specie. Contengono DNA che è la sostanza chimica costitutiva dei geni.

La cellula è circoscritta in superficie dalla membrana plasmatica che regola gli scambi con l'ambiente esterno.

Il citoplasma appare come un corpo amorfo e omogeneo, il citoplasma fondamentale nel quale sono immerse particelle e organuli rifrangenti. Il citoplasma fondamentale mostra la presenza di ulteriori organuli di grande importanza nelle funzioni cellulari: apparato di Golgi, ribosomi, lisosomi, microtubuli etc. i corpi inclusi possono essere classificati in tre categorie: a) gli organuli che sono comuni a quasi tutte le cellule essendo deputati a svolgere le funzioni fondamentali della vita; b) le strutture specifiche di alcuni tipi cellulari, specializzate a svolgere funzioni particolari; c) le inclusioni che sono depositi di sostanze di varia natura che non fanno parte integrante della sostanza vivente, ma costituiscono materiale nutritivo o sostanze destinate ad essere secrete all'esterno della cellula.

Alcune cellule sono dotate di particolari capacità di movimento. I principali tipi di movimento cellulari sono: il movimento ameboide (presente nelle amebe); il movimento ciliare ed il movimento per flagelli.

Nell'economia della cellula il citoplasma è la sede di tutte le funzioni connesse con la vita cellulare, mentre il nucleo con i cromosomi assolve il compito di dirigere e controllare le attività citoplasmatiche.

Lo studio delle interazioni ambiente esterno-citoplasma-nucleo è fondamentale nella comprensione dei meccanismi che regolano il differenziamento cellulare e con esso l'organizzazione dei tessuti e la loro omeostasi.

La Composizione Chimica della Cellula

Dal punto di vista chimico l'analisi del citoplasma rivela la presenza di sostanze inorganiche ed organiche e di una quantità innumerevole di macromolecole complesse, dei loro costituenti e di prodotti di degradazione che nell'insieme formano il cosiddetto pool solubile.

I componenti della cellula sono classificati inorganici (acqua e ioni minerali), e componenti organici.

Una cellula animale o vegetale è composta per il 75-85% di acqua, per il 10-20% di proteine, per il 2-3% di lipidi, per l'1-1,5% di acidi nucleici, per l'1% di carboidrati, per l'1-1,5% di materiale inorganico. Le proprietà strutturali e funzionali sono determinate dalle macromolecole.

Le macromolecole sono dei composti di notevoli dimensioni formate dall'unione di unità molecolari semplici. Le unità costitutive delle macromolecole sono chiamate monomeri e le macromolecole, sono dette polimeri. Il processo di unione dei monomeri è detto polimerizzazione.

Le macromolecole appartengono a 3 classi: proteine; polisaccaridi; ed acidi nucleici.

Nella costituzione dei tessuti entra in gioco anche la matrice extracellulare che comprende, le stesse categorie di molecole da cui è formata la cellula, ad eccezione degli acidi nucleici.

Le cellule, i loro apparati ed organelli, così come la matrice extracellulare possono quindi essere studiati per come appaiono all'osservazione microscopica oppure analizzati per la loro composizione chimica.

Come si Studiano Cellule e Tessuti

Le cellule ed i tessuti possono essere studiati a diversi livelli: morfologico; biochimico e funzionale.

• L'analisi morfologica si prefigge di conoscere la forma, le dimensioni e in generale l'organizzazione strutturale della cellula. Essa si avvale dei microscopi.
• L'analisi biochimica e funzionale studia la natura chimica e le modalità di funzionamento dei costituenti delle cellule e dei tessuti.

I metodi di osservazione microscopica delle cellule e dei tessuti possono essere classificati in due ordini: i metodi per l'osservazione diretta di cellule e tessuti ed i metodi per l'osservazione di preparati fissati e colorati.

I primi danno un'immagine reale delle cellule anche comporta delle limitazioni, prima fra tutte il fatto che quando le cellule sono isolate dall'organismo non sopravvivono che per brevi periodi.

La maggior parte della citologia e dell'istologia finalizzata alla diagnostica è quindi per necessità basata sull'esame di cellule e di tessuti che sono stati uccisi e conservati per mezzo di fissazione o del congelamento.

Gli Strumenti per l'Analisi Microscopica di Cellule e Tessuti

Microscopio Ottico

oculare scatola portaprismi stativo portaobiettivi rotante obiettivo vetrino del preparato molletta vite macrometrica fermavetrino vite micrometrica tavolino traslatore comando del tavolino condensatore regolazione del condensatore lampada

L'esame di materiale biologico al microscopio ottico è condizionato dai seguenti parametri:

• potere di risoluzione -> è definito come la distanza minima alla quale due punti risultano distinti;
• ingrandimento -> è il rapporto tra la dimensione dell'immagine vista al microscopio e la dimensione reale dell'oggetto. Dei due parametri, il più importante è il potere di risoluzione. L'ingrandimento diventa un'operazione utile per assicurare che tutti i dettagli risolti possano essere facilmente riconosciuti;
• contrasto > dipende dalle differenze di assorbimento della luce. Lo scarso assorbimento della luce nella cellula dipende in larga misura dal suo alto contenuto in acqua. Questa difficoltà può essere superata impiegando i coloranti istologici che colorano selettivamente i vari componenti cellulari aumentando così il loro contrasto per assorbimento differenziale della luce.

Il microscopio ottico è basato sul principio che un fascio di luce attraversa la struttura da studiare e l'immagine così ottenuta, giunge ingrandita all'occhio dell'osservatore.

Microscopia a Contrasto di Fase ed Interferenza

Sono stati introdotti metodi e strumenti capaci di aumentare il potere risoluzione del microscopio ottico e di compensare la trasparenza delle cellule mediante un aumento di contrasto. Tra i metodi per aumentare il contrasto, i più importanti sono la microscopia in contrasto di fase e la microscopia ad interferenza.

Queste due tecniche sono basate sul fatto che, sebbene le strutture biologiche siano trasparenti alla luce visibile esse presentano lievi differenze nell'indice di rifrazione.

• Nel microscopio a contrasto di fase, queste piccole differenze di fase possono essere amplificate e trasformate in cambiamenti di ampiezza. Le aree di un oggetto che hanno un indice di rifrazione leggermente diverso dall'ambiente circostante, possono essere così facilmente distinte. Tale metodo di osservazione consente un aumento del contrasto non del potere risolutivo.