Corso Di Citologia

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Dispense di Citologia consigliate agli studenti di Medicina e di tutte le professioni sanitarie.A cura della Professoressa Parolini Silvia, dell'Università degli Studi di Brescia.

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CORSO DI ISTOLOGIA

CORSO DI CITOLOGIA

prof.ssa Parolini

1. le tecniche di indagine istologica

a. gli strumenti di indagine

Per lo studio strutturale ed ultrastrutturale de tessuti e delle cellule sono necessari strumenti che permettono di osservare la forma e la composizione degli elementi che li componga.

Locchio umano ha una risoluzione troppo bassa per poter osservare una cellula (0,2 mm).

La nascita dello studio della cellula strettamente connessa agli strumenti che permettano di indagarne la struttura:

Galileo Galilei da limpulso a questa nuova scienza con la costruzione del primo sistema di lenti detto microscopio

Il microscopio ottico permette di arrivare a circa 0,2 micron, quindi di osservare la struttura delle cellule.

Per vedere internamente la cellula e considerarla d un punto di vista ultrastrutturale (organuli e acromolecole), necessario lutilizzo del microscopio elettronico, che ha un potere di risoluzione pari a 0,2 nm.

b. Le dimensioni delle cellule

Le cellule dei vari tessuti possono essere lunghe:

qualche centimetro (neuroni e cellule muscolari)

mediamente dai 6,7 micron ai 300 micron

I batteri hanno generalmente grandezze comprese tra 1 e 2 micron.

I virus giungono invece a dimensioni ben inferiori(10 300 nm).

c. Osservazione a fresco dei campioni (cellule vive)

In istologia parecchio difficile riuscire a osservare ci che si vuole mentre le cellule sono in vita, poich sono necessari dei procedimenti fisico-chimici per la preparazione e losservazione del campione che uccidono la cellula.

Tuttavia esistono due modi per osservare la cellula in vita:

osservazione al microscopio a contrasto di fase,

con colorazioni vitali, ovvero colorazioni che non ucidono la cellula

Alcune colorazioni vitali:

alizarina: composto altamente specifico che si incorpora nella sostanza fondamentale dellosso e lo colora di rosso

verde Janus: colora selettivamente i mitocondri sfruttando una red-ox che avviene solamente a livello del citoplasma, mentre nei mitocondri rimane allo stato ossidato.

Blu di metilene: sfrutta laffinit chimico-fisica ad alcune strutture. Si lega allassone delle cellule nervose e le colora vitalmente

Sospensioni colorate: in alcuni casi, sospensioni colorate assorbite dalla cellula per fagocitosi vengono chiuse nei vacuoli e danno informazioni circa la presenza di queste strutture.

d. La preparazione del tessuto

Losservazione delle cellule in vita pone limitazioni consistenti:

sopravvivenza fuori dallorganismo

spessore eccessivo

mancanza di contrasto cromatico

Si rende necessario fissare le cellule e i tessuti per impedire le denaturazioni post-mortem delle cellule, e colorarle secondo la necessit per distinguere i vari componenti.

Per la preparazione del campione si seguono le seguenti tappe:

1. fissazione

2. disidratazione

3. diafanizzazione

4. inclusione

5. sezionamento o taglio

6. montaggio

7. colorazione

Si osservano ora nel dettaglio

1. fissazione

La fissazione un procedimento che si propone di salvare al meglio dalle alterazioni conseguenti alla morte la struttura protoplasmatica della cellula.

Pu essere fatta sia con agenti chimici che con agenti fisici, e nel modo pi veloce possibile, in modo che la struttura rimanga inalterata rispetto allazione degli enzimi.

Inoltre, questo processo permette ai coloranti di fissarsi in particolari strutture.

La fissazione, pu tuttavia portare ad artefatti, dati dalla denaturazione delle proteine:

i migliori fissativi sono quelli in cui le proteine precipitano nel modo pi fine possibile.

Fissativi chimici:si possono suddividere in due gruppi in base alla loro azione sulle proteine:

fissativi che precipitano le proteine

fissativi che non precipitano le proteine

tra i fissativi che precipitano le proteine vi sono lacido acetico, lalcol etilico, le soluzioni di bicloruro di mercurio, ecc

Nei fissativi acidi, nonostante si abbia un potere di penetrazione elevato, le proteine si ingrossano e si addensano in grosse zolle.

I fissativi che non precipitano le proteine sono principalmente:

formaldeide

acido osmico

Lacido osmico uno dei migliori fissativi, ma il basso potere di penetrazione richiede campioni molto sottili

Fissazione fisica.

La fissazione fisica prevede il congelamento repentino del campione di tessuto.

La velocit di congelamento importante per un duplice motivo:

pi il congelamento veloce, meglio si conservano le strutture

pi veloce, pi piccoli sono i cristalli di ghiaccio.

Per congelare, si usano quasi sempre:

isopentano

azoto liquido.

La preferenza della fissazione fisica data da molteplici vantaggi:

le sostanze solubili non vengono estratte dai tessuti, lasciandoli nel loro stato originale

la localizzazione intracellulare delle strutture rimane la medesima della cellula viva

Questi metodi, sono preferenziali nelle ricerche istochimiche. 2. Disidratazione e diafanizzazione

Per essere imbevuto in paraffina (idrofoba) deve essere svuotato di acqua:

si immerge in vaschette contenenti alcol via via pi concentrato fino allalcol puro

viene successivamente immerso in xilolo, o solventi simili, che lo lberano dallalcol e lo rendono solubile nella paraffina

3. inclusione

il preparato viene imbevuto nella paraffina e scaldato in stufe a 50-60C in modo che il solvente della paraffina liquida evapori e questa si solidifichi.

Il risultato un blocchetto che pu essere posizionato sul porta-pezzo del microtomon, lo strumento che lo taglia.

4. sezionamento o taglio

il taglio avviene con un apposito strumento chiamato microtomon, che riduce in lamine sottili il blocchetto di paraffina con il tessuto immerso.

Lo spessore va 1 a 10 micron, poich deve essere attraversato dalla luce.

Per la visione al microscopio elettronico le lamine devono essere ulteriormente sottili:

si usa uno strumento chiamato ultramicrotomon, che lo taglia in lamine di 50-80 nanometri.

Per indagini d tipo istochimico, con pezzi congelati, si usano due tipi di strumento:

microtomon congelatore: il pezzo viene irrigidito da un getto di ghiaccio secco (CO2) e tagliato

criostato: il pezzo tagliato in una cella frigorifera a -20/30C

5. montaggio

Il processo di distensione il posizionamento del preparato su un vetrino:

effettuato a caldo ad una t inferiore a quella di fusione della paraffina

il preparato galleggia su uno strato di acqua

6. colorazione

A fresco un campione non riconoscibile nelle sue varie strutture, poich attraversato dalla luce in maniera omogenea:

ci si avvale i sostanz coloranti specifiche che in a contatto con determinate molecole si comportino come inner filter, non lasciando passare la luce di una determinata lunghezza donda.

La colorazione comporta la rimozione del materiale dinclusione:

si fa passare il composto in vaschette contenenti alcol in serie discendente, poi li si reidrata con acqua distillata

si applica la colorazione (di norma a base acquosa)

lo si lava pi volte per rimuovere il colorante da dove non si legato

Vi sono differenti tipi di colorazione:

a. colorazioni dirette: le sezioni prendono il colorante direttamente dalla soluzione b. indirette o per mordenzatura: il preparato viene sottoposto a processi preparatori con sostanze a contenuto metallico dette mordenti.I coloranti pi comuni sono

ematossilina-eosina: colorante acido-base, che colora i nuclei di blu e le rimanenti zone della cellula in rosa

blu di toluidina: colorante blu di carattere basico

Azan Mallory: colorante tricromico, con una base (giallo), un acido (rosso) e un reagente con le fibre extracellulari.

Acido periodico di Schiff: utilizzato per trattare gli epiteli. Colora gli elementi contenenti glucosio (glicogeno e carboidrati)

Orceina di Weigert: colorante per strutture elastiche

Sali dargento: colorano le fibre reticolari, ad esempio i neuroni e le strutture nervose.

Ematossilina ferrica: colora il nucleo delle cellule, i muscoli, eritrociti.

Giemsa-Wright: per colorazioni differenziate delle cellule del sangue

Per le osservazioni al microscopio elettronico:

si ricorre a coloranti elettronici, fatti di metalli pesanti impermeabili agli elettroni (acetato di uranile, citrato di piombo, ecc) che si addensano selettivamente su determinate strutture

il montaggio consiste nellapplicazione di un sovravetrino sopra al vetrino

il preparato va immerso nellolio di cedro, ma occorre che sia eliminata tutta lacqua, quindi lo si fa passare prima nellalcol poi nello xilolo

Le sezioni ottenute allultramcrotomo invece vanno distese su una pellicola applicata su un retino metallico.

Per puntualizzare, si precisa che la forma del campione dipende dal tipo di prelievo e di sezione che sono stati effettuati.

e. Colorazione immunoistochimica

Serve per marcare una determinata proteina. Questa si lega ad un anticorpo ricavato da una cavia immunizzata.

Per localizzare una proteina si lega una sostanza fluorescente allanticorpo, il quale viene poi immesso nel campione.

Procedimento indiretto: si inserisce direttamente lanticorpo (es. immunoglobulina G) nel campione, il quale si lega allantigene e rende possibile la localizzazione con microscopi:

ottico convenzionale

a fluorescenza

Procedimento indiretto: si inserisce inizialmente solo lanticorpo primario, ovvero quello senza sostanza fluorescente. In seguito si immette lanticorpo secondario che si lega al complesso antigene-anticorpo primario, rendendolo visibile. Il passaggio indiretto conveniente perch rende possibile un maggior numero di legami di anticorpi secondari su un primario.

I marker possono essere anche di altri tipi:

sostanze fluorescenti (fluorescina o rodamina)

enzimi

ferritina (x micro elettr.)

enzimi

sostanze radioattive.

f. Citometria a flusso

un esame statistico (non visivo), per cui le cellule contenute in una soluzione tampone vengono fatte passare una ad una in un raggio laser, che rileva informazioni riguardo la fluorescenza di alcune cellule.

Tramite un computer le informazioni possono essere rielaborate e organizzate in istogrammi.

Le cellule possono essere vive, ed possibile inbiberle di traccianti fluorescenti, che amplificano la presenza di determinati antigeni, dna, rna, ecc..

un sistema molto veloce, che consente di analizzare un gran numero di cellule e dividerle in sottopopolazioni grazie a 2 piastre elettriche che deviano le gocce dacqua contenenti una cellula in base alla carica elettrica.g. I microscopi

i. Ottico convenzionale

ii. Ottico a contrasto di fase

iii. Ottico a interferenza

iv. Ottico a fluorescenza

v. Elettronico a trasmissione

vi. Elettronico a scansione

2. Livelli di organizzazione della materia vivente

a. Generalit

definita materia vivente tutto ci che ha la capacit di:

prodursi e replicarsi in organismi molto simili al progenitore

evolversi

In natura sono presenti vari tipi di organizzazione della materia:

atomi: unit fondamentale della materia, studiata dalla fisica

molecole: unit formate da pi atomi. Studiate dalla Chimica

molecole organiche e biomolecole: molecole contenenti carbonio, proteine, ecc. che sono funzionali agli esseri viventi

cellula: unit funzionale degli esseri viventi. Pi piccola unit che ha propriet vitali e presenta unorganizzazione interna. Ha dimensioni che possono variare da 10 cm, a 3 micron.Nella teoria cellulare, sono tuttavia esclusi determinati agenti che possono essere considerati viventi, anche se mancano di alcune caratteristiche e di parte dellautonomia:

virus

viroidi

prioni

b. Eccezioni alla teoria cellulare: virus, tiroidi, prioni

I virus: particelle di varie forme e dimensioni formati da un involucro proteico (capside)

forme di vita parassitarie (per svolgere i propri meccanismi biologici necessitano una cellula a cui legarsi)

contengono uno dei due acidi nucleici (o DNA o RNA)

vengono assemblati dopo la sintesi dei loro componenti

I viroidi:

piccole molecole circolari di RNA in grado di replicarsi

i viroidi non possiedono alcun involucro esterno

sono agenti eziologici (che causano malattie) di numerose patologie delle piante

il prione:

una molecola proteica presente nei soggetti sani che ha cambiato lorientamento spaziale

le cause sono ignote

pu trasferire la propria anomalia alle molecole sane dello stesso tipo.

Si stima che il morbo della mucca pazza abbia origine prionica.

c. Le cellule

Le cellule sono le pi piccole unit vitali:

possiedono in s tutti i meccanismi necessari alla sintesi e digestione di macromolecole

rispecchiano tutte uno scema di base, con organuli e materiale simile.

Possiedono un corredo genetico (DNA)

Si riproducono

Nonostante ci vi sono notevoli differenze nella complessit delle cellule. Queste si differenziano in prima analisi in:

procarioti

eucarioti

d. Cellule procariote

Sono cellule estremamente pi semplici rispetto alle cellule eucariote. Si distinguono da queste per una serie di differenze specifiche:

dimensioni ridotte

mancanza di una compartimentazione citoplasmatica

mancanza di un nucleo ben definito

il DNA immerso nel citoplasma ed costituito da un unico filamento.

Tuttavia, possiedono tutte le caratteristiche e le funzioni di sintesi per macromolecole e biomolecole, e altri meccanismi biochimici in grado di dargli vita autonoma.

I Procarioti sono costituiti da una massa di citoplasma in cui immerso il nucleoide, il filamento anulare di DNA ammassato (genoforo).

Il genoforo fissato ad uno strato della membrana (mesosoma) plasmatici da un perno.

In altri mesosomi sono presenti gli enzimi respiratori, molto simili a quelli dei mitocondri.

I batteri si riproducono per scissione trasversale, dopo aver duplicato il materiale genetico.

Il citoplasma batterico contiene:

ribosomi (sintesi proteica)

mesosomi

Sono delimitati dallesterno da una doppia membrana:

parete cellulare (esterna)

membrana cellulare.

particolari tipi di batteri detti cellule cianofite hanno degli organismi che attuano la fotosintesi clorofilliana, tilacoidi.

e. Cellule eucariote

Oltre ai batteri e alle cianofite, tutti gli altri organismo sono formati da cellule eucariote.

Gli organismi pluricellulari sono strutturati con tessuti in cui le cellule eucariote si differenziano addirittura. Lorganizzazione dei tessuti forma gli organi, gruppi di tessuti con una precisa funzione.

Sincizi: unione di due o pi cellule inizialmente autonome, in cui rimane un duplice nucleo.

Plasmodi: cellule plurinucleate a causa della non completa divisione dopo la duplicazione del DNA.

Le cellule dei metazoi si dividono a seconda della durata della loro vita:

cellule perenni

cellule stabili

cellule labili (prodotte da cellule indifferenziate dette cellule staminali)

lultrastruttura di una cellula eucariote:

membrana plasmatica: sottile strato lipidico, permeabile solo a determinate sostanze. Segue ogni introflessione per formare i microvilli, quando necessario. nucleo: delimitato da una doppia membrana detta involucro nucleare, ricoperta sulla zona citoplasmatica da ribosomi. Allinterno vi il corredo genetico della cellula, il DNA. citoplasma: in comunicazione con lesterno e con il nucleo. Formato da una sostanza gelatinosa (citosol o ialoplasma) in cui sono immersi numerosi organuli. Presenta un sistema compartimentato: vi sono vari settori suddivisi per funzionalit. gli organuli:

reticolo endoplasmatico: una formazione membranosa estesa, formata di citarne appiattite o tubuli. Vi un reticolo liscio (REL) e uno rugoso (RER), poich ricco di ribosomi. apparato di Golgi: Composto da una serie di sacche appiattite delimitate da una membrana parallele tra di loro e da piccole vescicole, situate in periferia. Lisosomi: sono vescicole che hanno differenti formule e sono funzionali allo smaltimento di molecole (digestione cellulare). Ribosomi: partilcelle dense di eletroni, adibite alla sintesi proteica a partire da RNA. Mitocondri: Organuli delimitati da una doppia membrana. Quella esterna liscia, quella interna ripiegata su s stessa, formando varie creste. Citosol: contiene elementi non racchiusi da membrana (es. glicogeno, gocciole lipidiche, ecc). Nonostante sembrasse disorganizzato, si scoperto essere formato da un citoscheletro, un insieme di tubuli e filamenti di tre tipi (microfilamenti, microtubuli, filamenti intermedi), che servono ad ordinare la cellula sostenendo ribosomi o altre simili particelle. Perossisomi: sono strutture vescicolari che contengono enzimi particolari (es. uricasi), hanno una funzione simile ai lisosomi. Altri organuli: si formano dei tubuli ed un fuso durante la divisione cellulare.3. Biomolecole

a. Generalit

Sono circa una quarantina gli elementi chimici che entrano a far parte del protoplasma (materia vivente).

I pi importanti sono:

ossigeno

carbonio

idrogeno

azoto

A seguire:

zolfo

fosforo

I primi 4 costituiscono oltre il 97% della materia vivente.

Alcuni sali inorganici, presenti in forma di ioni dissociati svolgono delle funzioni molto importanti, tra cui quella di attivazione.

Altri attivanti per funzioni enzimatiche sono elementi inorganici (in maggior parte metalli), sono presenti in piccole quantit: sono detti oligoelementi.La materia si divide in:

elementi organici

elementi inorganici

Nel nostro corpo, oltre a lipidi, glucidi, proteine ed acidi nucleoco, vi sono altri importanti molecole, gli ormoni e le vitamine:

questi sono in pigole quantit, ma hanno funzioni molto rilevanti

b. Carboidrati o zuccheri

I carboidrati sono composti formati da C, H, O e sono la principale riserva energetica di vegetali e animali.

Nelle cellule vegetali, possono anche costituire la parete celulare ed avere dunque una funzione di sostegno.

Sono sostanzialmente di tre tipi:

monosaccaridi

oligosaccaridi

polisaccaridi

Monosaccaridi.

Comprendono i glucidi che non possono essere idrolizzati in composti pi semplici.

Sono catene di 3-7 carboni, ai quali sono anche legati un gruppo ossidrile e un idrogeno.

Oltre a questi due legami allinterno della catena, possiedono anche un gruppo aldeidico o un gruppo chetonico.

I pi importanti hanno 5 o 6 atomi di carbonio:

pentosi (ribosio, desossiribosio)

esosi (glucosio, fruttosio, lattosio)

Questi possono anche assumere una forma ciclica, formando un gruppo ossidrile semiacetalico o semichetalico.

oligosaccaridi.

Sono molecole formate dallunione di 2-10 monosaccaridi.

Il sottogruppo pi importante quello dei disaccaridi, formato da 2 monosaccaridi. I pi comuni sono:

maltosio (2 a-glucosio) derivato dallidrolisi parziale dellamido

saccarosio (fruttosio e glucosio) solitamente usato con funzioni energetiche

lattosio (galattosio-glucosio)

Polisaccaridi.

Sono lunghe catene di monosaccaridi legati tra loro con un legame O-glucosidico (C1-C4).

Si distinguono in due classi:

eterosaccaridi: Sono formati da monomeri differenti. omosaccaridi: costituiti tutti da identici monosaccaridi. Sono ad esempio il glicogeno, lamido, la cellulosa.Il glicogeno la principale forma di immagazzinamento di energia nelle cellule. Costituito da catene ramificate formate da molecole di glucosio.

Una molecola di glicogeno pu contenere 5000-500000 molecole di glucosio, a seconda dello stato in cui il tessuto si trova e che vi siano o meno delle patologie.

GlicoproteineSono una componente essenziale delle membrane plasmatiche e del glicocalice.

Sono glicoproteine determinati antigeni/recettori:

gruppi sanguigni

istocompatibilit (quelli che determinano il rigetto di un organo trapiantato)

La fibronectina una glicoproteine che promuove ladesione cellularec. Lipidi

Sono composti organici presenti negli organismi caratterizzati da:

elevata solubilit in composti organici

non miscibilit in acqua (per motivi fisici)

Lo schema pi corretto per dividere i lipidi li distingue tra:

lipidi non idrolizzabili: derivati dalla condensazione di molecole pi semplici. Composti di solo lipidi o al massimo alcoli dal basso peso molecolare

lipidi idrolizzabili: sono detti anche complessi, presentano anche derivati di molecole non lipidiche a carattere polare, ad esempio alcoli, amminoacidi, acido fosforico, oligosaccaridi, ecc.. Questo duplice carattere di una sola molecola (anfipatico e idrofobico) di estrema importanza a livello biologico.

Lipidi non idrolizzabiliSono un gruppo estremamente eterogeneo che svolgono le proprie unzioni allinterno della cellula per formare composti pi complessi.

Di questo gruppo fanno parte gli acidi carbossilici e gli alcoli:

sono lunghe catene con un numero pari di atomi di carbonio perch derivate dallunione dellacetil coA

sono denominati acidi grassi perch fanno parte del grasso.

La lunga catena la parte idrofoba mentre il gruppo carbossilico sulla testa della molecola la parte polare (idrofila):

ci da attribuire alla nube elettronica che si forma in prossimit dellossigeno e la rarefazione degli elettroni in prossimit di carbonio ed idrogeno

Gli acidi grassi si suddividono in:

saturi: che possiedono solo legami C C - singoli

insaturi: che possiedono almeno un doppio legame carbonio-carbonio sulla coda apolare.

La particolarit dei grassi insaturi quella di possedere un doppio legame planare in prossimit del quale la molecola compie una curva:

ci permette laffievolimento delle interazioni idrofobe nelle membrane biologiche, quindi la maggiore fluidit delle stesse.

I terpeni costituiscono la principale componente degli oli essenziali.

Le vitamine liposolubili (A, D, E, K) sono derivati dallunione di pi residui dellisoprene.

Il colesterolo, formato da quattro anelli carbonici con 17 atomi di carbonio un derivato degli steroli:

le funzioni biologiche di questi composti particolare

il colesterolo allinterno delle membrane cellulari ne limita la fluidit

i suoi derivati sono anche gli ormoni steroidei.

Lipidi semplici

Gran parte dei lipidi semplici deriva dallesterificazione di acidi grassi con alcoli:

con gli alcoli monovalenti si ottengono le cere con il glicerolo (alcol trivalente) si ottengono i gliceridi con gli steroli (es. colesterolo) si ottengono gli esteri degli steroli.

I gliceridi sono la classe principale dei lipidi semplici e si suddividono in base al numero di funzioni alcoliche esterificate:

monogliceridi

digliceridi

trigliceridi

I trigliceridi rivestono una importante funzione biologica:

deposito energetico

isolamento termico

Lipidi complessiSono lipidi complessi quei lipidi caratterizzati dalla presenza di residui idrofili. Hanno dunque un carattere anfipatico (zone polari e zone apolari nella stessa molecola).

Lanfipaticit dei lipidi complessi trova ampie rappresentazioni a livello biologico:

sono molecole in grado id interagire sia con mezzi acquosi che con mezzi idrofobi

Si distinguono in:

fosfolipidi: una delle funzioni alcoliche viene esterificata con acido fosforico

glicolipidi: grassi complessati con monosaccaridi e oligosaccaridi

nonostante le diversit strutturali, i grassi sono comunque composti da una testa polare e delle code apolari idrofobe:

in acqua queste molecole tendono a disporsi circolarmente con le code idrofobe allinterno formando le micelle, che sono un efficace meccanismo di trasporto nelle membrane

d. proteine

Una proteina un polimero i cui monomeri sono costituiti da amminoacidi.

Le funzioni delle proteine sono svariate:

enzimi

trasporto

recettori

ecc

Gli amminoacidi sono solo una ventina ma possono combinarsi in modo infinitamente diverso:

una proteina comprende da poche decine a qualche migliaia di amminoacidi

Le proteine si distinguono in:

semplici: costituite di soli aminoacidi

complesse: che comprendono anche un gruppo prostetico, che possiede molecole di natura diversa.

I gruppi prostetici possono essere:

ioni metallici

vitamine

oligosaccaridi (glicoproteine)

amminoacidiSono i costituenti delle proteine. una molecola asimmetrica formata da un atomo di carbonio a cui sono legati:

idrogeno

gruppo carbossilico

gruppo amminico

radicale (i circa 20 tipi, caratterizza lamminoacido)

In natura sempre presente lisomero L, nelle proteine. Gli isomeri D sono riscontrabili solo in piccoli polipeptidi che hanno funzioni antibioticha.

Nelle cellule sono presenti in natura anche amminoacidi liberi, che formano il pool degli amminoacidi:

derivano dalla distruzione di proteine

sono immessi con la dieta

protidi

Tutti gli amminoacidi presenti nelle proteine sono del tipo alfa:

il legame peptidico si forma tra il carbonio alfa del gruppo carbossilico e lazoto

i radicali si dispongono verso lesterno e non entrano nei legami

La disposizione, la sequenza e la presenza delle cariche nei gruppi dei vari amminoacidi determinano la struttura di una proteina (disposizione spaziale e struttura secondaria).

La struttura delle proteineLa struttura di una proteina e la sua organizzazione conferiscono ad essa la specificit:

1. struttura primaria: sequenza degli amminoacidi

2. secondaria: ad alfa-elica o a foglietto-beta. Data dai vari legami con ponti idrogeno tra gli amminoacidi.

3. Terziaria: globulare, orientamento spaziale. Dipende dai legami di solfuro (legami forti) o dalle interazioni deboli dei gruppi amminoacidici.

4. Quaternaria: la composizione di pi subunit proteiche. Queste sono unite ordinariamente da legami deboli (ponti idrogeno) e saltuariamente da ponti S S .

Enzimi e metabolismo cellulareGli enzimi sono dei catalizzatori biologici, che hanno ovvero il compito di favorire lattivazione e lo svolgimento di una reazione con minore energia.

Questi hanno una grossa componente proteica:

presentano gruppi prostetici detti coenzimi (ioni metallici, glucidi, ecc..) che sono spesso locati in presenza de sito attivo.

Un enzima caratterizzato da un sito attivo specifico per un solo legame da scindere o da formare, che si lega ad uno specifico substrato.

Tuttavia, possono esservi pi enzimi che svolgono la medesima funzione.

La velocit di catalizzazione di un enzima dipende da tre fattori principali:

specificit

temperatura

pH

La specificit per un determinato substrato data soprattutto da:

specifici gruppi prostetici

struttura proteica dellenzima

e. acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono le molecole pi grosse e pi interessanti degli organismi viventi:

contengono tutte le informazioni necessarie per lo sviluppo e la sopravvivenza di un organismo

codificano per le proteine

Gli acidi nucleici sono detti polinucleotidi perch format da sequenze di nucleotidi semplici, composti da:

zucchero pentoso

base azotata

radicale fosforico

Questi possono essere di due tipi:

DNA (acido nucleico)

RNA (acido ribonucleico)

Le basi azotate appartengono a due classi:

pirimidine: timida (T), citosina (C), uracile (U)

puriniche: adenina (A), guanina (G).

Nel DNA si trovano:

adenina-timina

citosina-guanina

NellRNA:

adenina-uracile

citosina-guanina

I due polinucleotidi si differenziano perch:

nel DNA si trova il desossiribosio, mentre nellRNA il ribosio

NellRna luracile sostituisce la timida

Il DNA ha una struttura a filamento doppio che si avvolge a doppia elica grazie a ponti idrogeno, mentre lRNA sempre a filamento singolo

Lunione tra due nucleotidi avviene sempre per mezzo di legami fosfodiesterici (si legano i gruppi OH dello zucchero e del fosfato).

Sono molecole acide, perch il radicale fosforico ha ancora un gruppo OH spendibile, che da carattere acido.

Nella cellula il DNA si trova solo nel nucleo, se si a eccezione di un singolo filamento allinterno del mitocondrio che serve ad esso per la sintesi dellATP.

Il Dna ha forma a doppia catena, in cui le basi azotate sono complementari. I due filamenti si avvolgono in una catena a doppia elica.

Le basi sono unite da ponti idrogeno:

la catena pu essere aperta e servire da stampo per la duplicazione, attuata ad opera di un gruppo di enzimi specifici.

la molecola di DNA semiconservativa.Sintesi proteica e RNA.

La sintesi proteica vede interagire tutti i tre principali tipi di RNA:

mRNA (messagero) entra nel nucleo e trascrive un gene, poi esce nel citoplasma e si inserisce tra le due subunit dei mitocondri (organuli piccolissimi presenti in enormi quantit nel citoplasma)

tRNA(transfer): questo una molecola altamente specifica, con la forma caratteristica a trifoglio. Dal gambo pi lungo trasporta uno specifico amminoacido, che codificato dallanticodone posto su uno dei lembi del trifoglio. Lanticodone si lega allmRNA in prossimit del mitocondrio e tramite enzimi vengono sintetizzate le proteine

rRNA(ribosomial): lRNA presente nei mitocondri.

importante sottolineare che nei mitocondri vi sono due siti (A e P) in cui possono essere presenti due amminoacidi. Quando si trovano in quei siti, sono uniti tra loro.

Sul DNA (quindi sullRNA) non sono solo presenti le triplette che codificano gli amminoacidi, ma anche altre informazioni:

codoni di stop

codoni di avvio

di riconoscimento

ecc

un codone una tripletta di basi azotate che sintetizza un amminoacido.

4. Introduzione alla citologia

a. la membrana plasmatica

La membrana plasmatica un sottile involucro che separa la cellula dallesterno.

Ha anche una funzione regolatrice:

regola la composizione del citoplasma attraverso un meccanismo di permeabilit selettiva numerose attivit della cellula (antigeniche, ormonali, divisione cellulare, ecc..) sono strettamente connesse alla membrana plasmaticaStruttura

Con metodologie differenti si giunti a scoprire la conformazione del plasmalemma:

margine organizzato di spessore 7-10 nm

Secondo il modello a mosaico fluido elaborato da Singer e Nicholson la membrana plasmatica composta da un bilayer fosfolipidico:

due strati di fosfolipidi insaturi si fronteggiano in prossimit delle code apolari, formando legami idrofobico

la parte polare rivolta verso linterno della cellula e verso lesterno

nel mosaico fosfolipidico sono presenti delle proteine, di natura globulare, che sono libere di muoversi.

Questa struttura riscontrabile in tutti gli altri tipi di membrana.

Le proteine sono di due tipi:

proteine estrinseche: sono associate alla superficie esterna della membrana plasmatica. Possono effettuare spostamenti rotatori e laterali perch sono legate alla membrana attraverso legami polari con le teste dei fosfolipidi

proteine intrinseche: sono immerse totalmente o in parte nel doppio strato fosfolipidico. Queste hanno natura polare allesterno e apolare idrofobica allinterno. Quelle che attraversano lo strato fosfolipidico da parte a parte sono dette proteine transmembranali. Il movimento di queste proteine possibile, in quanto scorrono nel mosaico fluido.

Le principali funzioni

Le principali funzioni della membrana plasmatica sono:

separare lambiente extracellulare da quello intracellulare

attuare scambi selettivi con lesterno

controllare la moltiplicazione cellulare

controllare le interazioni con altre cellule e la matrice extracellulare

modulare, trasmettere e ricevere i messaggi.

Composizione chimica

La membrana cellulare composta essenzialmente da:

fosfolipidi (60%)

proteine (40%)

componente glucidica (glicolipidi e glicoproteine)

Le proporzioni sono essenzialmente differenti per ogni tipo di cellula, per la funzione che riveste. Possono esservi anche differenze in vari settori della cellula.

Componente lipidica

Nonostante i lipidi varino a seconda delle membrane, abbastanza comune la struttura che li caratterizza:

sono molecole anfipatiche (testa idrofila-polare e una coda idrofobica)

Sono costituiti da:

fosfolipidi,

glicolipidi

colesterolo

La maggioranza rappresentata dai fosfolipidi in due categorie principali:

glcerofosfolipidi: esteri del glicerolo (acidi grassi) alla cui testa vi un groppo fosfato legato a molecole differenti

sfingomieline: composto dellamminoalcol insaturo sfingosina, con un acido grasso e una testa polare di fosforilcolina.

I glicolipidi sono dei lipidi formati da acidi grassi (glicerolo esterificato con due acidi grassi o un complesso formato da sfingosina con un acido grasso) a cui sono legati delle porzioni glucidiche:

residui monosaccaridici (cerebrosidi)

catene oligosaccaridiche (gangliosidi)

Ci che caratterizza la componente lipidica della membrana cellulare la caratteristica dellanfipaticit, ovvero la duplice componente polare e apolare:

spiega perch i fosfolipidi e nn i trigliceridi

perch il colesterolo e nn altri steroli

Questa composizione chimica permette alla membrana di essere a contatto con soluzioni acquose (matrice extracellulare e citoplasma) e di essere relativamente impermeabili allacqua:

il passaggio di sostanze attraverso la membrana avviene attraverso apposite proteine immerse nel mosaico lipidico.

La componente apolare instaura interazioni irofobiche (a ivello delle code):

spessore di 7-10 nm della membrana

le code di acidi grassi insaturi permettono una maggiore mobilit dei fosfolipidi, poich hanno un maggiore ingombro sterico e un minor numero di interazioni

il colesterolo limita la mobilit

Tuttavia si possono anche presentare dei grassi saturi, che ad una determinata temperatura possono diventare insaturi:

quanto pi sono sature le catene degli acidi grassi, tanto pi sar rigida la membrana plasmatica

interessante puntualizzare che talvolta la composizione della membrana a livello lipidico dipende dal tipo di dieta:

lalimentazione di un individuo pu cambiare nelarco di tre mesi la componente lipidica degli eritrociti

probabile che ci possa avvenire anche a livello di altre membrane

Componente carboidratica

La componente proteica allinterno della membrana molto eterogenea e differenziata.

Vi sono proteine sempllici che possono avere funzioni differenti:

funzione strutturale

di trasporto

enzimatica

Sono presenti anche in grande quantit delle proteine complesse, che hanno soprattutto delle attivit in relazione allesterno della cellula. Sono per lo pi glicoproteine:

recettori per ormoni o fattori di crescita

espressione antigenica

attive nelle interazioni intercellulari

Le proteine del plasmalemma si possono distinguere in:

proteine periferiche o di membrana, che sono cio esterne o interne alla membrana plasmatica

proteine intrinseche o integrali, che sono immerse parzialmente o totalmente (transmembrana) nel mosaico fosfolipidico

le proteine intrinseche necessitano, per essere estratte della distruzione della membrana stessa, mentre quelle periferiche possono essere separate con metodi pi blandi, senza danneggiare la membrana.

Le proteine intrinseche possono cambiare il loro strato di immersione nella membrana in relazione al loro momento funzionale:

sono globulari

una determinata sequenza amminoacidica pu determinare alcune differenti configurazioni spaziali

ogni configurazione spaziale determinata da un certo livello energetico lambiente interagisce e riconosce solamente le parti della proteina (alcuni amminoacidi) che sono esposti allesterno.

Il movimento allinterno del film fosfolipidico dato dal cambiamento conformazionale della proteine:

ricevendo una certa energia la struttura della proteina cambia

se espone amminoacidi maggiormente idrofobici allora si immerge nel bilayer, se ne espone di idrofili allora si dirige verso la componente polare del plasmalemma.

Un esempio di questo meccanismo dato dalla rodopsina, che cambia la propria conformazione in funzione dellilluminazione che riceve.

La mobilit di queste proteine influenzato da differenti fattori:

fluidit della membrana

legami con elementi extracellulari o citoplasmatici

Nel proprio cammino, una molecola proteica pu avere destini differenti:

con buona probabilit si scontrer con unaltra proteina, andando ad integrarsi

pu cadere nel citosol o venirne inglobata

difficilmente ritorna al punto di partenza

Il movimento di una proteina molto spesso circoscritto in unarea delimitata dalle tight junctions (giunzioni strette), particolari giunzioni cellulari.

La disposizione di alcune proteine o glicoproteine che interagiscono con il citoscheletro non casuale:

vi possono essere fenomeni di clustering, ovvero la disposizione di specifiche proteine in ristrette zone della membrana (es. particolari recettori)

linterazione con il citoscheletro potrebbe essere la causa di alcuni fenomeni del processo di differenziamento cellulareComponente proteica

La componente saccaridica della membrana formata in gran parte da oligosaccaridi associati a proteine (glicoproteine) o ai lipidi (glicolipidi).

Si trovano inoltre i proteoglicani di membrana:

sono costituiti da un asse proteico transmembrana al quale sono legate catene polisaccaridiche a resitui di serina o treonina con legame O-glucosidico

le glicoproteine sono costituite da una o pi catene di oligosaccaridi legate a residui di asparagina.

Le glicoproteine e gli elementi affini prendono parte a molte ativit della cellula:

riconoscimento cellulare

adesione tra cellule e alla matrice extracellulare

fusione cellulare

regolazione di crescita (recettori) e divisione della cellula

La presenza percentuale dei carboidrati abbastanza costante in tutti i tipi di cellule, ad eccezione dei globuli rossi:

probabilmente questi glucidi contribuiscono a creare un potenziale negativo allesterno della cellula, in modo da impedire il coagulo (che si avvicinino e si blocchino)

Nonostante i glucidi che compongono i polisaccaridi siano soltanto sette, questi possono formare una infinit di legami e combinazioni differenti:

contribuiscono allalta specificit della membrana plasmatica

aumentano le possibilit di riconoscimento di sostanze specifiche

La specificit delle glicoproteine le permette di agire come recettori peri pi svariati substrati:

ormoni proteici

virus

fattori di crescita

come antigeni di istocompatibilit

fisiologia della membrana

La membrana esercita una permeabilit selettiva, poich in grado di selezionare gli agenti che entrano e quelli che escono, e di essere attiva nellattuare gli scambi con lesterno.

Attraversano la membrana:

ioni (Ca2+, Na+, K+, Cl-, Mg2+, ecc)

acqua

piccole molecole (glucosio, amminoacidi, glicerolo, nucleotidi, ecc)

prodotti del catabolismo cellulare.

1) trasporto di sostanze attraverso il plasmalemma

Il passaggio di sistanze attraverso la membrana plasmatica avviene con diverse modalit.

Se le sostanze da immettere o espellere si dirigono secondo gradiente di concentrazione o secondo potenziale eettrico si tratta di diffusione (trasporto passivo), meccanismo tale per cui non necesario dispendio di enrgia.

Se le sostanze da immettere o espellere necessitano di proseguuire contro gradiente o contro potenziale si tratta di trasporto attivo, che avviene con un dispendio energetico

Per limmissione o lespulsione di componenti particolari quali macromolecole o particolari fluidi si hanno meccanismi quali:

endocitosi

esocitosia. trasporto passivo

Il trasporto passivo tende ad eguagliare le differenze di concentrazione (o potenziale) che vi sono sui due versanti della membrana:

avviene per diffusione ovvero il quando la sostanza disciolta si sposta per agiazione termica verso il lato meno denso di quella sostanza.

Esistono due diversi tipi di membrana rispetto ad una soluzione:

permeabile: tutte le sostanze disciolte nella membrana si diffondono dallaltra parte secondo gradiente

semipermeabile: solamente le sostanze del solvente eguagliano le molecole che sono presenti dallaltro lato della membrana (osmosi)

Per alcune sostanze la membrana plasmatica si comporta come semipermeabile, ma va ben oltre:

solo alcune delle sostanze disciolte possono permeare attraverso la membrana assieme al solvente

queste immissioni ed espulsioni sono regolate da sistemi proteici

Secondo gradiente possono entrare:

gas disciolti

acqua (attraverso i pori acquosi)

piccole molecole lipidiche

ormoni steroidei (passano tranquillamente perch nn sono carichi)

La membrana non permeabile a:

molecole polari (glucosio, nucleotidi, ecc)

ioni perch sono carichi(Na+, Cl-, K+, Mg2+, ecc)

b. diffusione facilitata

La diffusione facilitata un mecanismo che si avvale di speifiche proteine per attuare scambi allinterno della cellula:

avviene sempre per gradiente di concentrazione

aumenta la velocit maggiore la concentrazione del soluto nel mezzo esterno

ad un certo punto giunge ad un livello di saturazione, al quale le proteine chiudono i propri passaggi

Le proteine che svolgono il lavoro di diffusione facilitata sono altamente specifiche per il substrato che devono accoliere:

quando la concentrazione di substrato giunge a livello di saturazione, queste smettono di funzionare.

Vi sono due tipi di proteine che attuano la diffusione facilitata (dette carrier):

Proteine canale

Proteine vettrici

Vengono trasportate allinterno da specifiche proteine di membrana quelle sostanze che non si immetterebbero nella membrana per dimensioni o per carica.

Le proteine canale trasportano per lo pi ioni:

ogni canale altamente specific per uno ione

hanno una cavit polare che permette agli ioni di passare attraverso il bilayer fosfolipidico di natura idrofila

gli ioni nn si devono legare alla proteina (alta velocit ed efficienza)

Normalmente questi canali sono chiusi. Si aprono solo in relazione a precisi stimoli:

controllo di ligando: legame di specifiche molecole a recettori di membrana

controllo di voltaggio: variazione di ddp

controllo meccanico: si aprono in risposta a precisi stimoli meccanici

Le proteine vetrici invece assicurano il passaggio di molecole di dimensioni maggiori di natura polare, quali zuccheri, amminoacidi, nucleotidi, ecc..

Quando il substrato si lega alla proteina specifica, questa assume una modifica della propria conformazione, in modo da rilasciare la molecola dallaltra parte della membrana, sempre secondo gradiente di concentrazione.

c. trasporto attivo

Le proteine carrier che attuano il trasporto attivo sono sempre dirette contro gradiente:

necessitano di energia metabolica (molto spesso sotto forma di ATP)

Queste sono proteine transmembrana, che si presentano sotto forma di poro, che normalmente chiuso:

quando il substrato si lega al sito di legame e la proteina stata energizzata mediante ATP il poro si apre

la proteina cambia la propria conformazione spaziale e forza il passaggio dello ione o della molecola allinterno del citosol

Le principali proteine carrier sono:

1) la pompa sodio-potassio: espelle 2 Na+ e ingloba 3 K+. Questo sito possiede in s unattivit enzimatica in grado di idrolizzare lATP, ed quind un complesso ATPasi

2) pompa calcio: mantiene la concentrazione del calcio nel citoplasma bassa

3) pompe protoniche: trasportano gli ioni H+ contro gradiente

Quete pompe ioniche, in cui lenergia spesa in situ sono dette di trasporto attivo primario.

Esistono anche dei sistemi di trasporto attivo secondario, in cui lATP viene idrolizzata per fonire energia prima del trasporto:

esempio delle cellule dellintestino per il trasporto degli zuccheri. Lenergia serve per greare un gradiente di ioni Na+ esterno alla cellula, che poi rientreranno secondo gradiente lenergia potenziale del gradiente di ioni Na+ sar utile a trasportare le molecole glucidiche insieme allo ione con un sistema di cotrasporto.

Una proteina puavere siti di legame per pi molecole:

sinporto: trasporto simultaneo di due o pi molecole nella stessa direzione

antiporto: trasporto simultaneo di due molecole in direzione opposta (una entra laltra esce)

uniporto: trasporto di un solo tipo di molecole

I sistemi di sinporto e antiporto sono deti di cotrasporto.

Possono esservi questi tipi di trasporto specifici in determinae zone de citoplasma:

nei microvilli intestinali la pompa Na/glucosio presente solo nella zona prospciente il lume, mentre in zone pi interne sono presenti sisetmi di trasporto attivo

2) potenziale di membrana

La differente composizione ionica ai due lati della membrana permtte alla cellula di svolgere varie attivit funzionali:

pilotare determinati processi di trasporto

conduzione e trasmissione dellimpulso nelle cellule nervose

La principale differenza a livello di carica data dalla maggiore presenza di piccoli cationi allinterno della cellula.

Questo fatto dovuto alla presenza di cellule non diffusibili allinterno della cellula, ad esempio le proteine, che si dissociano in anioni:

per bilanciare le cariche anioniche entra il potassio, che si trova in maggior concentrazione nel citoplasma

Lunica eccezione fatta dal sodio:

ha una concentrazione simile a quella del Cl-, che non viene immesso nel citplasma, vista la presenza di polianioni

la concentrazione mantenuta stabile dalle pompe attive sodio-potassio e altre

Sono presenti vari canali di fuga sempre aperti per il K+, che esce senza bisogno di ATP:

il meccanismo si arresta quando la concentrazione di ioni K+ identica da entrambi i lati

si determina un potenziale di -75 mV, detto potenziale di membrana3) trasduzione del segnale

Anche nel caso di organismi semplici, le cellule sono in grado di riconoscersi tra loro, anche se non hanno la facolt di legarsi.

Sono due e famiglie di molecole che supportano questo tipo di attivit non giunzionale (riconoscimento):

proteine CAM: proteine di membrana strutturalmente simili alle immunoglobuline

caderine: gruppo di molecole calcio-dipendenti

Il segnale pu diffondersi in diversi modi, su diverse scale:

segnale a lungo raggio(endocrino): comunicazione attraverso ormoni segnale che passano nel sangue

paracrina: il ligando passa tra le cellule senza necessit di entrare nel flusso circolatorio

autocrina: la cellua produce sostanze che riconosce egli stessa

Per le ricezioni che devono raggiungere lo spazio cellulare vi la necessit che il sito di ricezione abbia allinterno della cellula un trasduttore che comunichi in zona citoplasmatica il segnale:

vi sono i cosiddetti metodi di trasduzioneI ligandi di natura proteica necessitano dei metodi di trasduzione del segnale, poich non attraversano le membrane.

I ligandi liposolubili (ormoni di tipo steroideo) passano direttamente la membrana:

non necessitano di meccanismi di trasduzione del segnale

4) tipi di segnale

I tipi di segnale tradotto allinterno della cellula sono differenti.

1) inversione di potenziale

Il recettore una proteina canale normalmente chiusa.

Quando il ligando si lega al recettore, la proteina-canale si apre e determina limmisione di ioni che determinano una variazione di potenziale (da -75 a +30/110 mV) che induce determinati meccanismi cellulari.

il caso di neurotrasmettitori come lacetilcolina che aprono i canali di Na+.2) proteine chinasiche

Il ligando, legandosi al recettore, determina lattivazione di un complesso enzimatico di tipo chinasico.

Il complesso enzimatico pu indurre egli stesso lattivazione di 8-10 proteine di tipo chinasico.

3) proteina-G

Lattivazione di proteine-G, una volta formato il complesso ligando/recettore, pu stimolare lattivazione (solitamente con dispendio energetico) di atre molecole dette secondi messaggeri, che andranno poi ad attivare la riposta cellulare.

da tenere in considerazione che un singolo segnale a lungo raggio pu stimolare in un organismo una differente risposta in tessuti differenti:

ladrenalina stimola sia vasocostrizione che la dilatazione dei bronchi.

4) fosforilazionePu anche darsi che la riposta cellulare sia dovuta alla fosforilazione di una proteina legata al recettore:

viene attivata la coda della proteina transmembrana che idrolizza un fosfolipidi di membrana (fosfolipasi C) che innesca la produzione di altri enzimi proteici e altri tipi di risposte

Glicocalice

Le cellule animali non presentano un rivestimento rigido allesterno della membrana plasmatica:

coltre morbida e flessibile detta glicocalice, con propriet adesive

ha spessore variabile e aspetto lanuginoso

Gran parte delle interazioni tra cellule sono mediate da questo mantello, in cui sono distribuite in maniera ordinata una serie i molecole che svolgono importanti attivit funzionali:

riconoscimento dei ligandi extrscellulari

riconoscimento del s e non s da parte della cellula

mutua adesione tra cellule

controllo della proliferazione cellulare

Il glicocalice costituito prevalentemente da un rivestimento glicoproteico, che riscontrabile immediatamente allesterno della membrana, con la quale opera delle interazioni molto strette.

Il glicocalice strettamente connesso alla membrana, mediante alcune porzioni glucidiche che sono legate alla struttura del plasmalemma, ma anche con materiale della matrice extracellulare.

composto da:

oligosaccaridi dei glicolipidi

oligosaccaridi delle glicoproteine

catene saccaridiche dei proteoglicani di membranale funzioni

1) protettiva

Le strutture carboidratiche sono associate al citoscheletro, con cui interagiscono strettamente.

Il glicocalice svolge la propria funzione protettiva in due modalit:

filtro/barriera, protegge dagli agenti esterni e seleziona quelli che possono immettersi

carica elettrica negativa allesterno: ad esempio per gli eritrociti, viene mantenuta una carica negativa in modo che questi si respingano, impedendo il coagulo. 2) di assorbimentoIl glicocalice aiuta a fare da filtro per le sostanze che devono essere assorbite:

nellintestino le porzioni glucidiche aiutano i microvilli ad assorbire sostanze3) adesione una funzione calcio-dipedente in alcuni casi.

Il glicocalice si lega ad altre cellule o alla matrice extracellulare in vari modi che si vedranno in seguito.4) RecettorialeSono presenti nel glicocalice specifici recettori per ogni tipo di cellula o molecola.

Ad esempio, lepitelio della vescicola urinaria ha un glicocalice particolarmente sviluppato, poich non pu fare passare lurina. 5) sistemi di adesione intracellulare

La membrana plasmatica presenta notevoli tipi di specializzazione:

gli epiteli di rivestimento possono avere diversi sistemi a livello della membrana laterale, apicale o basale

Queste specializzazioni possono essere:

sistemi di giunzione tra le cellule

specializzazioni della superficie libera

specializzazioni della superficie basale delle cellule

Le cellule si organizzano morfologicamente a formare i tessuti, i quali si organizzano a loro volta in organi.

I tessuti sono costituiti da:

cellule

materiale interposto tra le cellule (matrice intracellulare), secreto ed elaborato dalle cellule stesse.

Differenti tipi di tessuto sono caratterizzati da una differente quantit di cellule o matrice intracellulare.

Nel costituire tessuti compatti le cellule si posizionano in rapporti stretti ma non intaccano mai la loro individualit.

Si posizionano ad una distanza circa di 10-20 nm tra di loro.

Dopo anni di ricerche, con lavvento del microscopio elettronico si scoperto che le cellule sono specializzate nelloperare sistemi di giunzione tra loro o tra la matrice extracellulare.

Nelle cellule epiteliali, nello spazio intracellulare (10-20 nm), si trova materiale di natura glicoproteica che per aderire necessita di ioni calcio:

sotto una determinata concentrazione di questi ioni, le cellule tendono a dissociarsi

Nello spazio tra le cellule circolano i liquidi interstiziali e il sangue proveniente dai capillari, che permettono lo scambio di:

gas,

metaboliti

Le giunzioni cellulari vengono classificate secondo criteri funzionali in tre tipi principali:

giunzioni occludenti: sono talmente unite da sigillare lo spazio in modo completo o quasi

giunzioni aderenti (ancorate): realizzano la salda adesione tra le cellule

giunzioni comunicanti: consentono il passaggio di piccole molecole da una cellula ad unaltra

Bisogna precisare la differenza tra zonula e macula: zonula: si estendono su tutto il perimetro cellulare come una cintura

macula: limitata ad una piccola regione circoscritta (placca)

Giunzioni occludenti

tight junctions (giunzioni strette)

Giunzioni ancoranti:

desmosomi

emidesmosomi

fasce aderenti

placche di adesione

Sono giunzioni comunicanti le gap junctions (ginuzioni serrate).

I meccanismi di giunzione possono trovarsi isolati o raccolti in specifici complessi di giunzione, come nel caso degli epiteli.

i. giunzioni occludenti

Nella zonula occludens che si trova al di sotto della superficie libera delle cellule, le membrane sono adese una allaltra fino a chiudere completamente il passaggio.

Gli strati pi esterni si fondono in pi punti andando a formare delle giunzioni strette.

Nelle fasce di giunzione stretta, sono presenti anche dei punti di contatto tra le due membrane dette connessioni focali, che si organizzano in una struttura reticolare che circonda tutto il perimetro della cellula:

si intravvede un reticolo di filamenti sigillanti.

La funzione principale di queste giunzioni :

isolare il lume dalle cavit intracellulare e viceversa

limitare la migrazione di specifiche proteine atte allassorbimento e allespulsione delle varie sostanze

Thight junctions sono ad esempio presenti:

nellepitelio intestinale, per consentire alla struttura microvillare di restare allesterno

nelle cellule endoteliali, per impedire la fuoriuscita di sostanze dal flusso sanguigno

Laspetto di queste zone sigillanti varia a seconda del tipo di epitelio:

thight junctions: 8-10 bande lineari di connessione. Il tessuto impermeabile totalmente

leaky junctions: solamente 1-2 bande di connessioni focali. La membrana detta semipermeabile o lassa.

ii. fasce aderenti

Al di sotto della zonula occludens, vi quella aderens, in cui le mmbrane plasmatiche delle cellule adiacenti sono separate da uno spazio di 15-20 nm:

fasci di microfilamenti aderiscono alla faccia citoplasmatica delle due membrane adiacenti

Con il termine giunzione aderente si intende delle proteine transmembrana della famiglia delle caderine che:

dal lato citoplasmatico sono presenti filamenti di astina legati al citoscheletro

dal lato extracellulare sono connese con componenti esterne alla cellula o con unaltra caderina

I fasci di actina si legano alla proteina transmembrana attraverso altre proteine di attacco intracellulare (vincoline, catenine, alfa-actinina). I filamenti di actina si legano allintreccio soprastante (verso la zona apicale) formando la trama terminale.

Queste differiscono dai desmosomi perch:

sono disposte a cintura laterale su tutta la cellula

ispessimento della membrana molto inferiore

manca una vera e propria linea densa intermedia alle membrane plasmatiche giunte.

Linsieme di fasce occludenti e fasce aderenti forma la terminal bar (quadro di chiusura).

iii. Desmosomi

I desmosomi o maculae adhaerens sono tra i pi complessi sistemi i giunzione intracellulare, ma anche tra i pi diffusi.

Sono osservabili al microscopio elettronico, dove paiono come inspessimenti della membrana, che possono arrivare anche a 0,2 micron, con anche un micron di diametro.

Lispessimento dato dalla presenza di placche citoplasmatiche:

forma ellittica,

diametro di 0,3-0,7 micron

spessore di circa 10 nm

Il desmosoma formato da:

1- tonofilamenti: sono dei fasci che si legano alle placche citoplasmatiche, che legano con materiale nel citoplasma. Sono di cheratina nelle cellule epiteliali, di altre molecole in altri tipi di cellula

2- placche di attacco: sono placche di natura proteica che hanno la funzione di fungere da aderente tra i filamenti intermedi del citocsheletro con il plasmalemma. I tipi di molecole sono desmoplachine I e II oppure delle placoglobine3- Membrana plasmatica distanziata: nel desmosoma la membrana plasmatica distanziata di circa 30 nm

4- Linea intermedia: materiale filamentoso di adesione di natura proteica. Sono famiglie delle caderine, quindi calciodipendenti.

Proprio in virt della dipendenza dal calcio la cellula pu inattivare il desmosoma creando una forte carenza di calcio nella zona intracellulare:

i demorsomi infatti sono anche permeabili, a differenza delle giunzioni occludenti

La funzione principale dei desmosomi meccanica:

senza la loro presenza anche piccole sollecitazioni le cellule potrebbero distruggere la superficie di continuit

I desmosomi si trovano principalmente nelle cellule soggette a stress meccanico:

cellule epiteliali della superficie esterna del corpo

superfici interne delle vie respiratorie

apparato gastro-intestinale

apparato genito-urinario

Una malattia come il pemfigo dimostra limportanza dei desmosomi:

una malattia che provoca la comparsa di bolle sullepidermide e la perdita delle connessioni tra le cellule epiteliali

autoimmune: produce anticorpi contro differenti tipi di desmogleine

iv. emidesmosomi

Sono dispositivi di giunzione che stabiliscono lancoraggio con la superficie basale della cellula e la lamina basale (o membrana basale).

Appaiono morfologicamente come una delle met simmetriche di un desmosoma, ma presentano rilevanti differenze:

anche se nel versante citoplasmatico le particolari proteine si legano ad elementi del citoscheletro, nel versante extracellulare, i filamenti si legano a molecole della membrana basale;

le proteine transmembrana ce svolgono questa funzione sono le integrine, che per la loro natura glicoproteica si legano a specifici recettori presenti in molecole della matrice quali laminina, fibronectina, collagene. La porzione citoplasmatica dellintegrina si lega direttamente con porzioni di citosceletro intermedio.

I filamenti citoplasmatici del citoscheletro interagiscono direttamente con una placca tipo desmoplachine. v. placche di adesione

Le placche di adesione sono specifiche regioni specializzate per ladesione modulabile (attacco/sgancio) alla matrice extracellulare, particolarmente studiate nei fibroblasti in coltura.

Sono molecole stellate, che modificano temporaneamente la propria forma citoplasmatica emanando delle estensioni dette pseudopodi che si legano al substrato sottostante mediante placche di adesione (o contatti focali, o adesioni focali).

La loro locomozione dipende proprio da questo tipo di giunzioni.

In tali zone, sembra che nel citoplasma vi siano delle emanazioni di filamenti di actina che si legano al substrato extracellulare:

in questi punti vi un complesso proteico che la vera e propria pacca di adesione

La placca di adesione particolarmente complessa, poich i filamenti di actina non si legano direttamente ad una proteina transmembrna della famiglia delle integrine:

i filamenti di actina vengono riuniti grazie ad una proteina capace di creare ponti tra differenti filamenti, lactina.

I filamenti di actina si legano a proteine tipo tensina o HA1.

Questa si lega ad una specifica proteina ponte, la vincolina, che lega la talina la talina in grado di legare una proteina filiforme della famiglia delle integrine, che la vera proteina transmembrana che si lega al substrato

la proteina di legame (integrina) si lega a specifiche proteine fibrose della matrice extracellulare quali collagene, fironectina o laminina.

Strutture come queste sono anche i podosomi, presenti negli osteocasti in zone del plasmalemma in cui questi aderiscono al tessuto oseo da distruggere.

vi. giunzioni serrate

Le cellule orgnizzate in tessuti, si dimostrano strettamente interconnesse e comunicanti:

se una cellula viene disgiunta cessa il poprio processo di replicazione e in parte anche la sintesi proteica.

Si osservato al microscopio elettronico unarea della membrana in cui le cellule sono strettamente adiacenti (2-4 nm) di diversa conformazione rispetto al bilayer fosfolipidico:

si ipotizza una macchia proteica che facilita la diffusione di ioni e piccole molecole tra le membrane di due cellule

queste sono le giunzioni serate o gap junctionsLe proteine globulari che formano i canali sono molto ravvicinate tra di loro e immerse nella membrana fosfolipidica. Hanno un diametro di circa 7-8 nm, mentre il canal che formano di circa 1,5 nm.

Sono di forma esagonali, e la struttura prevede:

formate da subunit proteiche (connessine) che formano connessioni che collegano una cellula allaltra mediante un canale

Entrambe le cellule adiacenti possiedono la porzione costitutiva (connessone) del canale, che si incastra perfettamente a livello delle subunit proteiche.

Nel canale possono passare ioni o piccole molecole (max 1000 dalton).

Ogni tessuto elabora il proprio tipo di connessina:

pu essere molto diversa in tessuti differenti

molto simile in tessuti omologhi di differenti animali con differente stadio evolutivo

Le ginzioni serrate non sono strutture stabili:

vengono costruite in relazione allesigenza delle cellule di comunicare tra loro

Le giunzioni serrate hanno un aminore resistenza elettrica rispetto alla membrana:

permettono il passaggio di ioni

si trovano con maggior frequenza nelle cellule eccitabili (nervose, pericardio, muscolatura liscia)

Queste gap junctions non sono permanentemente aperte:

possono aprirsi e chiudersi con una alta rapidit

lapertura dei canali rimane fino a che non vi una alta concentrazione di ioni Ca++.

Sono sensibili anche alle variazioni di pH mediante la concentrazione di ioni H+

Dal punto di vista funzionale:

trasporto dellimpulso elettrico da una cellula allaltra (tessuti muscolari lisci e miocardio, cellule nervose, ecc..)

Regolazione della crescita e del differenziamento cellulare

Regolazione della proliferazione

Tengono luniformit degli eletrtoliti nelle varie cellule.b. Citoplasma

i. Sistema membranoso interno

un sistema costituito da membrane formate da:

tubuli

cisterne

vescicole

I principali costituenti sono:

reticolo endoplasmatico (liscio o rugoso)

apparato di Golgi

lisosomi

Tutte queste membrane e sistemi di cisterne non hano funzione protettiva, ma funzionale:

nei reticoli endoplasmatico avviene la sintesi di proteine o glucidi o lipidi e contengono parecchi enzimi

nel Golgi si ha lo smistamento e la parte final della sintesi di metaboliti

nei lisosomi avviene la produzione di materiali di scarto.

1. Ribosomi

I ribosomi sono piccoli organuli presenti nel citoplasma (15-30 nm), con un carattere spiccatamente basofilo, poich la loro composizione prevalentemente di natura ribonucleica (rRNA, acido).

Nel citoplasma possono trovarsi liberi o adesi al reticolo endoplasmatico (rugoso):

la loro adesione, nelle cellule eucariotiche, dipende dal tipo di proteina da sintetizzare, quindi dalla sequenza portata dallmRNA

quando sono attivi, si raggruppano in cumuli detti poliribosomi, che leggono lo stesso filamento di mRNA.

Si nota che:

nelle cellule embrionali prevalgono i poliribosomi liberi

in quelle specializzate prevalgono quelli adesi al reticolo endoplasmatico rugoso

Sono dei piccoli corpuscoli formati da due subunit (minore e maggiore), che prendono parte alla sintesi proteica, e interagiscono con:

amminoacidi

mRNA

tRNA

Vi sono sostanzialmente due classi di ribosomi:

70 S: formati da due subunit da 30 S e 50 S, presenti nei procarioti

80 S: formati da due subunit da 60 S e 40 S, presenti per lo pi negli eucarioti

Nelle cellule eucariote, i ribosomi 80S sintetizzano tipi di proteine differenti a seconda della loro posizione:

liberi: sintetizzano proteine destinate a restare nel citosol

adesi al RER: sintetizzano per lo pi proteine destinare ad essere secrete o proteine integrali di membrana

I ribosomi sono sensibili ad agenti chimici che bloccano le attivit sintetiche:

- per le cellule eucariote (ribosomi 80 S) linattivatore la cicloesimide.

La sintesi dei ribosomi nelle cellule eucariotiche avviene a livello del nucleolo, ma senza entrare in contatto con il DNA (differentemente dai procarioti).

Funzioni

I ribosomi assicurano le corrette interazioni e le disposizioni di tutte le molecole che intervengono nel processo di sintesi proteica.

Diventano unit attive quando sono ribosomi liberi (citosol):

un mRNA si lega alla subunit minore a questo punto si lega anche la subunit maggiore

inizia la sintesi della proteina tra i primi amminoacidi sintetizzati vi sono degli specifici amminoacidi (asparagina) che dicono se sia il caso legarsi o meno al RER.

Quando il ribosoma legge un codone di stop sullmRNA la proteina si slega dal ribosoma, il quale torna a dissociarsi.

2. Reticolo endoplasmatico rugoso

Il reticolo endoplasmatico rugoso composto da cisterne appiattite e parallele delimitate da una membrana citoplasmatica, che divide la composizione chimica tra il lume ed il citosol.

Sulla faccia ialoplasmatica della membrana aderiscono i ribosomi, che caratterizzano il reticolo endoplasmatico liscio per 2 motivi:

lo fanno apparire rugoso

lo colorano come una sostanza fortemente basofilo in presenza di coloranti acido-base

Nei poliribosomi liberi sono sintetizzate le proteine destinate a:

citosol

citoscheletro

organuli (mitocondri e perossisomi)

nucleo

Nel RER, invece, sono sintetizzate le proteine che penetrano nel lume del reticolo endoplasmatico:

alcune rimangono nella membrana del RER

sono in generale destinate ad essere secrete e finiscono nel Golgi nei lisosomi nella membrana plasmaticaDal RER si distaccano delle vescicole che sono destinate allapparato di Golgi, ed allinterno di questo, riversano i proprio contenuto.

Allinterno del reticolo endoplasmatico sono presenti moltissimi enzimi che catalizzano le reazioni di sintesi proteica (RER), lipidica e glucidica (REL).

Tra le maggiori cellule che sintetizzano proteine da secernere (con ReR molto sviluppato) vi sono:

eritroblasto: sss

leucocita eusinofilo: ha una funzione antiparassitaria e antiallergenica. Il suo RER produce proteine enzimatiche che secerne sotto forma di vescicole plasmacellula: secerne anticorpi. Ha delle cisterne molto sviluppate cellula acinosa (es pancreas): presente nelle vescicole e nelle ghiandole di secrezione.a. Sintesi proteica

La sintesi proteica attuata principalmente dai ribosomi, che si trovano inizialmente liberi nel citoplasma.

Lassociazione al RER avviene in questo ordine:

1) Il ribosoma si lega alla molecola di mRNA e ne decodifica la prima sequenza amminoacidica, detta sequenza segnale2) La leader sequence riconosciuta da proteine specifiche sparse nel citoplasma, le SRP (SIgnal recognition particle), che si legano alla leader sequence inattivando la sintesi degli amminoacidi3) LSRP si dirige verso il proprio recettore sul reticolo endoplasmatico, un recettore dipendente dalla GTP formato da due subunit

4) La sintesi proteica riprende quando lSRP viene rilasciato, immettendo la proteina allinterno della cisterna del reticolo endoplasmatico, grazie alla liposolubilit del gruppo amminico

5) Il ribosoma rimane ancorato alla membrana grazie ad una specifica proteina cava, detta traslocone (famiglia delle riboforine), in cui viene immessa la sequenza amminoacidica sintetizzata

6) Allarrivo del segnale di STOP la sintesi si interrompe ed il ribosoma viene rilasciato

7) una peptidasi (enzima) taglia la leader sequence, la quale rimane legata allinterno della membrana, per poi essere rilasciata nel lume del RER.

La SRP un grosso complesso proteico formato da:

6 proteine organizzate intorno ad una molecola di RNA, che ha sostanzialmente funzione strutturale

il complesso ha superficie pari a 7 Svedenberg

possiede un sito GTPasi

Per quanto riguarda le proteine destinate a rimanere nella membrana del RER il procedimento differisce in parte:

1) Alcune, con il gruppo - NH2 nel lume e il COOH nel citosol possiedono una sequenza di stop che le fa rimanere legate alla membrana, in modo che allinterno si formi una a-elica senza impedire il completamento della sintesi

2) Altre volte la sequenza segnale non allinizio della catena, ma in un punto centrale. Viene riconosciuta e legata dal traslocane, che la immette nel canale dove sta passando anche la parte ancora sintetizzantesi. La leader sequence non vine scissa dalla peptidasi e pu rimanere allinterno della membrana del RER.

Le sequenze amminoacidiche libere e il numero delle volte che la proteina attraversa la membrana durante la sintesi determinano poi la configurazione spaziale.

In base alla disposizione dei gruppi e della sequenza si classificano le proteine transmembrana del reticolo in:

tipo 1: Allinterno il gruppo carbossilico e allesterno quello amminico

tipo 2: allesterno il carbossilico e allinterno quello amminico

tipo 3: la membrana viene tagliata pi volte

Allinterno del lume del RER sono attive particolari proteine:

proteine BIP: impediscono che i residui amminoacidica di proteine differenti interagiscano tra loro

isomerasi ponti disolfuro: Servono per stabilizzare la proteina, ovvero scindono i legami S S quando la proteia non assume la conformazione corretta.

LA GLICOSILAZIONE DELLE PROTEINE NEL RER.

Il processo di glicosilazione generico pu essere cos sintetizzato:

1) nella membrana del reticolo endoplasmatico sono presenti dei glicolipidi (dolicolo) la cui catena oligosaccaridica di 14 zuccheri nel lume

2) il dolicolo funge da donatore della catena oligosaccaridica alla proteina.

3) La catena oligosaccaridica viene legata a amminoacidi di asparagina che sono circondati da una determinata sequenza

4) Il processo avviene ad opera di un enzima detto glicosiltransferasi5) Poich loigosaccaride si lega ai gruppi NH2 dellasparagina detta glicosilazione N-linked.

Loligosaccaride contenuto nel dolicolo formato da 14 zuccheri di cui:

2 N-acetilglucosammina

9 di mannosio

3 di glucosio

La glicosilazione N-linked non lunica possibile. Vi sono anche zuccheri O-linked, che si legano alla serina e alla treonina.Le porzioni glucidiche delle glicoproteine vengono poi rielaborate:

nel RER si eliminano 3 glucosio e 1 mannosio

nellapparato di Golgi viene poi rielaborata lintera catenaIl trasporto delle proteine avviene per mezzo di vescicole transfer, delle vescicole che si vengono a formare in un preciso luogo della membrana del RER, detta zona di transizione:

nella parete delle VT sono trasportate le proteine di membrana,

nel lume della VT si trovano le proteine solubiliIn definitiva, nel RER vi possono essere le seguenti modifiche post traduzionali:

glicosilazione delle proteine

modifiche covalenti a carico di amminoacidi: idrossilazione di prolina e lisina (formazione di idrossiprolina e idrossilisina)

formazione di ponti disolfuro a livello della cisteina3. Reticolo endoplasmatico liscio

Il REL molto differente dal RER per struttura, composizione chimica e funzione:

struttura di tubuli rivestita da una membrana privo di rRNA (senza ribosomi) presenta carattere acidofilo

Il Reticolo Endoplasmatico Liscio ha un differente sviluppo a seconda del tipo di cellula in cui risiede.

abbondante per la produzione di ormoni steroidei, formando una struttura a rete di tubuli anastomizzati nelle cellule:

ghiandola surrenale

cellule del corpo luteo dellovaio

interstiziali di Leyding nel testicolo

Negli epatociti labbondante REL associato alle riserve di glicogeno:

pu utilizzare tali depositi per immettere glucosio nel flusso sanguigno

la glucosio-6-fosfatasi del REL occupa un ruolo importante in questo processo

Nelle cellule del tessuto muscolare formano una struttura precisa con le miofibrille: il reticolo sarcoplasmatico:

particolarmente specializzato nel sequestrare ioni Ca2+, essenziali per la regolazione dellattivit contrattile

Lo sviluppo del REL pu essere influenzato da particolari stimolatori chimici, con processi solitamente reversibili.

Funzioni

1) sintesi dei fosfolipidi

la sintesi dei fosfolipidi non avviene allinterno del lume del reticolo endoplasmatico, ma avviene sul versante citosolico.

Gli enzimi necessari alla sintesi dei lipidi sono situati sulla membrana del reticolo endoplasmatico, con i siti attivi sulla faccia esterna.

I vari fosfolipidi sono poi trasportati alle altre membrane della cellula attraverso delle particolari proteine di trasporto fosfolipidi.Il principale fosfolipidi la fosfatidil-colina.

2) sintesi dei lipidi complessi

Nelle cisterne del REL sono presenti numerosi enzmi che catalizzano le reazioni di produzione di:

lipidi complessi

ormoni steroidei

Gli ormoni steroidei vengono sintetizzati insieme ai mitocondri:

la sintesi comincia con gli enzimi presenti nel REL

continua nelle membrane del mitocondrio

termina a seconda dellormone necessario o nel REL o nel mitocondrio. Ci dipende dalla presenza di enzimi differenti

Nelle cellule epatiche vengono prodotte nel reticolo endoplasmatico liscio le lipoproteine.

3) Detossificazione

Nel REL possono essere presenti numerosi enzimi che inattivano le sostanze tossiche, che poi verranno espulse.

Molto spesso elimina le sostanze lipofile mediante ossidrilazione.

4) metabolismo del glicogeno

Nel REL sono presenti numerosi enzimi che consentono il metabolismo del glicogeno.

Nelle cellule del pancreas, in risposta allattivazione di particolari ormoni si attuano glicogenosintesi o glicogenolisi:

insulina: stimola la glicogenosintesi a partire da glucosio-6-fosfato

glucagone: stimola la glicogenolisi.

5) Controllo di ioni Mg e Ca

Nel reticolo sarcoplasmatico, le cisterne del REL fungono da regolatori degli ioni Mg e Ca, che sono indispensabili alla contrazione muscolare.

4. Apparato di Golgi

Osservato al microscopio ottico dopo una colorazione con sali dargento si nota una precipitazione a livello cellulare dellargento in prossimit di un apparato reticolare di tubuli e vescicole anastomizzate e strette tra loro.

Solitamente questo apparato si situa nel centro cellulare, in prossimit del nucleo e adiacente al reticolo endoplasmatico, tuttavia in alcune cellule dotate di polarit morfo-funzionale (ad esempio le cellule secretorie) occupa una posizione ben precisa (tra il nucleo e la superficie apicale).

La morfologia del complesso di Golgi prevede un numero variabile d cisterne appiattite disposte a pila una sullaltra:

da 4 a 6 per le cellule animali, differenziato a seconda della funzione che svolge (le cellule secretorie hanno un apparato di Golgi parecchio sviluppato)

oltre la decina nelle cellule vegetali

La posizione di questo apparato, pu inoltre subire delle fluttuazioni a seconda del momento del ciclo secretorio in cui si trova.

Il complesso di golgi la sede in cui vengono convogliati e rielaborati i materiali sintetizzati nel RER e nel REL, inoltre attua specifiche attivit di sintesi di polisaccaridi e lipidi complessi.

Tutte le funzioni e la struttura dellapparato di Golgi sono sotto il controllo diretto del nucleo:

in corso di digiuno o di un inibitore della trascrizione le funzioni del Golgi si riducono considerevolmente (in relazione alla sintesi proteica effettuata)

Struttura.

Sono tre i componenti osservabili dal punto di vista ultrastrutturale nellapparato di Golgi:

cisterne appiattite in pila

microvescicole (vescicole di trasporto)

macrovescicole (vescicole di secrezione)

Le cisterne sono dei dischi fatti di una membrana simile a quella del reticolo endoplasmatico che delimita uno spazio interno di altezza circa 10 nm nella parte centrale, che si espande ai lati fino ad arrivare ad altezze di 30-50 nm.

Una cisterna separata da unaltra da uno spazio di circa 10 nm, in cui non sono presenti n ribosomi, n inclusi citoplasmatici vari.

Il complesso di Golgi presenta anche una polarit interna anche a livello delle singole cisterne. Si possono quindi distinguere, in funzione anche dellattivit enzimatica e di sintesi:

faccia cis: detta anche faccia prossimale faccia trans: detta anche faccia distaleLa faccia prossimale (o cis) solitamente rivolta verso linvolucro nucleare o verso il reticolo endoplasmatico:

la camera dingresso che accoglie tutte le vescicole derivanti dai vari organuli di sintesi

la stessa parte cis pu avere origine dalla fusione delle varie vescicoleLa faccia distale (o trans) solitamente rivolta verso la periferia della cellula:

rappresenta la porta duscita dei prodotti delle cisterne

formata da una rete complessa di tubuli anastomizzati numerose vescicole si staccano per gemmazione.Lo spessore delle membrane golgiane costante:

maggiore di quelle del REL

meno spesso di quello della membrana plasmatica.Laumento dello spessore lieve ed nella direzione della faccia distale.

La composizione biochimica delle cisterne differente:

verso la parte prossimale o cis la membrana ricca d lecitine

verso la parte distale la membrana possiede parecchie sfingomieline e steroli, divenendo simile alla membrana plasmatica, con la quale le vescicole rilasciate dovranno fondersiOgni pila di cisterne dellapparato di golgi costituita da tre differenti compartimenti, ognuno dotato di uno specifico corredo enzimatico che catalizza le varie fasi di elaborazione delle glicoproteine giunte dal RER:

cis

mediano transQuesti tre compartimenti constano di una o due cisterne ciascuno e sono in rapporto tra loro mediante il distacco di vescicole laterali:

le vescicole gemmano dai margini della cisterna e si fondono con la cisterna adiacente

trasportano glicoproteine a differente stadio di elaborazioneCome gi accennato, vi sono altri due tipi di vescicole:

microvescicole o vescicole transfer

macrovescicole o vescicole secretorie

Le vescicole transfer hanno un diametro di circa 80-100 nm e sono indipendenti:

si fondono insieme a livello della membrana cis del Golgi per coalescenza

Queste vescicole hanno movimenti bidirezionali mediati da tracce microtubulari:

si instaura un equilibrio volumetrico tra RER, REL, mitocondri o altri organuli e compartimento cis

dal cis ritornano vescicole che sono destinate a rifondere la membrana dellorganulo che stata staccata

I granuli di secrezione presentano un diametro di circa 1 micron e derivano dai vacuoli che si staccano dal compartimento trans:

nelle cellule a funzione secretoria possiedono il prodotto di secrezione

si fondono con la membrana plasmatica per esocitare il secreto

Anche nel caso delle macrovescicole vi un ritorno di membrana al complesso del Golgi:

le vescicole endocitate dalla cellula forniscono nuova membrana al compartimento trans.

Compartimentazione delle cisterne golgiane.

pi plausibile la teoria che le cisterne si scambino materiale attraverso vescicole piuttosto che il ricambio di materiale avvenga per trasformazione di un compartimento nei suoi vari stadi:

le vescicole arrivano dagli organuli nel compartimento cis

vengono elaborate e passate nel mediano attraverso piccole vescicole (laterali)

vengono ulteriormente elaborate e passate al compartimento trans.

Questa compartimentazione rende possibile la simultanea elaborazone di tre tipologie di prodotti:

quelli destinati ai lisosomi quelli secreti attraverso i granuli di secrezione quelli destinati al rinnovo dei componenti della membrana plasmaticaOgni compartimento ha una precisa competenza biochimica, contenendo enzimi differenti.

Da studi biochimici si dimostrato che le proteine vengono glicosilate con laggiunta di:

N-acetilglucosammina nel compartimento mediano Galattosio e acido sialico nel transLa glicosilazione delle proteine1) Dal RER arrivano vescicole di trasporto riconoscibili per il loro rivestimento proteico e si fondono con il cis-Golgi.

2) Nel cis arrivano glicoproteine ramificate con 14 zuccheri, che hanno gi subito il distacco di tre molecole di glucosio e una di mannosio nel RER (2 N-acetilglucosammina, 9 mannosio, 3 glucosio)

3) Alcune di queste proteine subiscono laggancio di due gruppi fosfato ai mannosi terminali mediante attacco di N-acetilglucosammina-fosfato e distacco dellN-acetilglucosammina ad opera di due enzimi (N-acetilglucosammina fosfatotransferasi, fosfoglicosidasi)

4) Queste proteine, a causa del legame con il gruppo fosfato, non subiscono ulteriori modificazioni, giungono nel trans-Golgi network e vengono espulse con destino lisosomiale fondando vescicole idrolasiche.

Altre glicoproteine sono elaborate a livello del compartimento mediano ad opera di altri enzimi:

1) la mannosidasi I stacca tre unit di mannosio

2) la N-acetilglucosammina-transferasi aggiunge una molecola di N-acetilglucosammina mediante energia fornita da UTP

3) la mannosidasi II rimuove ulteriori due molecole di mannosio

4) la N-acetilglucosammina-transferasi aggiunge unaltra molecola di N-acetilglucosammina

Trasportate nel trans-Golgi network le glicoproteine subiscono, da parte di enzimi specifici, laggiunta di altre molecole quali:

galattosio

acido sialico

fucosio

Queste glicoproteine differenti, a seconda delle diverse aggiunte nel trans, hanno destini differenti:

alcune sono destinate ai granuli di secrezione altre a rinnovare la membrana plasmatica, in particolare le proteine ricche di acido sialico, che forma il glicocalice vescicole idrolasiche sono formate da quegli enzimi (idrolasi) elaborati nel compartimento cis, che rimangono nel citoplasma

Le proteine, dunque, non sono separate finch non raggiungono il reticolo trans dellapparato di Golgi, dove vengono riconosciute e smistate alle loro differenti destinazioni.

Ad ogni spostamento di vescicole, bene ricordare che la membrana del vacuolo di trasporto viene restituita mediante un ritorno alla cisterna precedente.

Funzioni

Il ruolo primario dellapparato di golgi quello dellimpacchettamento e della condensazione dei secreti.

Tuttavia il complesso di Golgi svolge anche altri ruoli fondamentali che si sono scoperti negli ultimi anni:

rinnovamento del sistema membranoso interno: sintetizza le proteine di membrana con la rielaborazione delle catene oligosaccaridicheOltre alla rielaborazione degli oligosaccaridi N-linked legati alle proteine sintetizzate nel RER anche capace di operare la O-glicosilazione:

la catena oligosaccaridica sintetizzata interamente nellapparato di Golgi e legata a residui i serina o di treonina con legami O-glucosidico.

Alcune proteine di secrezione (es. insulina) vanno incontro a modificazioni per proteolisi, ovvero subiscono il distacco dalla catena pi lunga che ha origine nel RER.

Avvengono anche le sintesi di:

polisaccaridi

polisaccaridi con zuccheri amminici (es. Glicosamminoglicani) che legati a un asse proteico di serina vanno a costituire i proteoglicani

solfatazione dei proteoglicani

Partecipa anche alla sintesi di alcuni lipidi:

glicerofosfolipidi e colesterolo sono sintetizzati nel REL

gli sfingolipidi sono sintetizzati nellapparato del GolgiLa sintesi degli sfingolipidi avviene solo per quanto riguarda lo scheletro molecolare nel REL, mentre nel Golgi viene legato un gruppo di fosforilcorina, formando sfingomieline a cui vengono aggiunti carboidrati.

5. Il processo di secrezione

Il RER, il REL e il complesso di Golgi svolgono un ruolo sinergico in vari processi:

ogni apparato provvisto di una composizione chimica differente

ogni compartimento ha una specifica funzione, ma lattivit di uno strettamente correlata a quella dellaltro

Uno dei processi pi importanti quello della secrezione:

nel reticolo endoplasmatico vengono sintetizzate le sostanze

nel Golgi vengono elaborate e chiuse in vescicole

questi granuli di secrezione si fondono con la membrana plasmatica secernendo il secreto allesterno della cellula.

Nel complesso di Golgi le proteine subiscono modifica post-traduzionali ed entrano a far parte di vescicole che gemmano dal trans-golgi network.

In molte cellule secernenti che accumulano il prodotto di secrezione, le vescicole sono sede di condensazione:

perdono progressivamente acqua

diventano granuli di screzione o granuli di zimogenoI granuli di zimogeno sono la forma inattiva delle proteine enzimatiche sintetizzate, che si attivano non appena rilasciate allesterno della cellula per esocitosi.

Nel processo di evoluzione il meccanismo secretorio si conservato:

tutte le cellule hanno le medesime modalit di secernere vari tipi di secreto

Molte cellule, degli organismi pluricellulari, si specializzano per un particolare tipo di secreto, ad esempio:

enzimi digestivi

muco

proteine sieriche

fattori di crescita

ormoni

ecc..

tuttavia esistono due differenti modalit con cui il secreto viene espulso dalla membrana plasmatica:

via secretoria costitutiva

via secretoria regolata

La via secretoria costitutiva comprende quei fenomeni che avvengono in tutte le cellule, come il rinnovamento della membrana plasmatica e delle proteine di membrana, il rilascio di lipidi o proteoglicani allesterno della membrana o altro genere di molecole regolativeI.

Questa via un processo continuo che non necessita di essere stimolata e non calcio-dipendente.

La via secretoria regolata, invece presente solamente in cellule specializzate, come ad esempio le cellule ghiandolari endocrine ed esocrine e alcune cellule nervose, che accumulano in vescicole il secreto per lungo tempo.

Questi granu