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CITOLOGIA INTRODUZIONE Introduciamo l’argomento dando alcune definizioni: la cellula è l’unità di base della materia vivente. Un tessuto è un’aggregazione di cellule (anche diverse tra loro) coordinate e organizzate in modo da svolgere determinate funzioni u...

CITOLOGIA INTRODUZIONE Introduciamo l’argomento dando alcune definizioni: la cellula è l’unità di base della materia vivente. Un tessuto è un’aggregazione di cellule (anche diverse tra loro) coordinate e organizzate in modo da svolgere determinate funzioni unite ai loro prodotti extracellulari. Un organo è un insieme di tessuti e l’apparato è un insieme di organi. La teoria cellulare: tale teoria dice che la cellula rappresenta l’unità di base della materia vivente. Virus, batteriofagi, fagi, viroidi (non hanno il capside) e prioni (molecole proteiche che trasferiscono anomalie a delle molecole sane, come ad esempio la mucca pazza è un prione) sono delle eccezioni, in quanto sono esservi viventi nonostante non siano capaci di una vita autonoma poiché dipendono da altre cellule (teoria cellulare ricordiamo diceva che la cellula è l’elemento minimo della vita autonoma). Questi, infatti, non si riproducono per divisione ma per assemblaggio delle parti utilizzando componenti della cellula ospite. Quali sono quindi le caratteristiche di una vera cellula? Questa deve essere delimitata da una membrana esterna, devono essere capaci di vita autonoma (autosufficienti), ed inoltre si riproducono per divisione (mitosi). I procarioti: i batteri per esempio sono cellule procarioti, sono privi di nucleo e di compartimenti interni, possono svolgere infatti solo una funzione biologica alla volta all’interno del citoplasma e sono poco efficienti. Gli eucarioti: il citoplasma degli eucarioti presenta un sistema membranoso interno che delimita una serie di organuli (unità indipendenti tra loro) e quindi possono svolgere a differenza dei procarioti più attività contemporaneamente. Organismi unicellulari e pluricellulari: gli organismi unicellulari sono ad esempio le alghe, i funghi e i protozoi. I pluricellulari sono ad esempio i metafiti e i metazoi. Le cellule hanno forme e dimensioni molto differenti e il loro rapporto volume superficie deve essere vantaggioso: 1 cm = 6 !"! = 1 !"" Secondo la legge di Dreisch: le dimensioni degli organismi dipendono dal numero di cellule non dal loro volume, per questo le dimensioni delle cellule dello stesso tipo sono costanti nelle diverse specie. La forma cellulare è l’espressione plastica della funzione. I tessuti: abbiamo circa 200 tipi cellulari raggruppati in 4 categorie con delle caratteristiche comuni (e quindi 4 tipi di tessuti ciascuno composto da cellule + matrice extracellulare): - Tessuto epiteliale: cellule strettamente adese tra loro. - Tessuto connettivo: cellule separate da matrice extracellulare. - Tessuto muscolare: cellule allungate specializzate nella contrazione. - Tessuto nervoso: cellule più o meno ramificate specializzate nella risposta agli stimoli. Qual è la ragione per cui riusciamo avere tante cellule specializzate a partire da poche? È il codice epigenetico. Quest’ultimo viene influenzato anche dall’ambiente che ci circonda e la fase della riproduzione è una fase altamente sensibile per la cellula in quanto vengono trasmetti i caratteri epigenetici. I COSTITUENTI CELLULARI IL CITOPLASMA Negli eucarioti presenta un sistema membranoso interno che delimita una serie di organuli in modo che possano svolgere più attività contemporaneamente. Questi organuli comunicano però molto facilmente tra loro e sono: il reticolo endoplasmatico, l’involucro nucleare, l’apparato di Golgi, i lisosomi e i perossisomi. Le membrane degli organuli sono fatte esattamente come la membrana citoplasmatica. Alle membrane sono associati complessi enzimatici insolubili ed i loro substrati sono sciolti nella matrice che le membrane delimitano. Il citoplasma in generale è composto da una matrice amorfa nel quale sono disciolti i substrati ed i prodotti intermedi delle funzioni biosintetiche; è inoltre un sistema colloidale polifasico formato dall’85% di acqua. Nel restante 15% troviamo: DNA, RNA, Carboidrati, Amminoacidi, fosfatidi, nucleosidi, nucleotidi, Sali inorganici, enzimi solubili e proteine (in base alla loro quantità possiamo distinguere un citoplasma plasmasol più liquido e un citoplasma plasmagel più denso). All’interno del citoplasma come già detto troviamo: nucleo, organuli, citoscheletro e inclusioni (come ad esempio organuli di glicogeno, lipidi, pigmenti ecc). LA MEMBRANA PLASMATICA È composta dal 40% di lipidi, 50-55% di proteine globulari, 5-10% di glucidi sempre legati a proteine (componenti variabili e si trovano in proporzioni e composizioni diverse nelle diverse cellule). I lipidi: le catene fosfolipidiche sono anfipatiche in quanto presentano delle teste idrofile polari (provviste di carica, attraggono l’acqua) e delle code (catene acidi grassi) idrofobi apolari. I fosfolipidi hanno massima stabilità quando si organizzano in un duplice foglietto in cui le code sono dirette verso il centro e le teste verso l’esterno. Vi è una composizione asimmetrica dei due strati lipidici della membrana a causa di elementi aggiuntivi come: - Nello strato esterno vi sono glicosfingolipidi (hanno catene oligosaccaridiche che si estendono sulla superficie di membrana e formano un delicato rivestimento di superficie detto glicocalice), sfingomieline e fosfatidilcolina. - Nello strato interno abbiamo fosfatidilserina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilinositolo. La membrana, inoltre, grazie ai lipidi è dotata di plasticità di membrana che consente a quest’ultima di adattarsi alla forma della cellula e regolare la distribuzione delle proteine. Da cosa è data la plasticità della membrana? È dettata dal fatto che le catene di acidi grassi presentano al loro interno legami doppi (lipidi insaturi) o no (lipidi saturi). La fluidità è controllata anche dalla presenza di colesterolo (insieme ai lipidi saturi limitano la fluidità di membrana). Le proteine di membrana: proteina estrinseca esterna (1) e interna (4) fanno parte delle proteine periferiche che sono associate lassamente ad una delle due superfici della membrana. La proteina intrinseca esterna (2) ed esterna (3) fanno parte delle proteine integrali cioè direttamente incorporate nel doppio foglietto fosfolipidico. Le proteine transmembrana invece sono proteine che hanno una forma più filamentosa e allungata e attraversano la membrana da un lato all’altro anche più volte, sono inoltre proteine canale che regolano il passaggio degli elementi. A queste sono associate i residui oligosaccaridici (6) delle proteine sporgono sulla superficie esterna contribuendo alla formazione del glicocalice. Il trasporto delle proteine transmembrana: avviene rispettando il gradiente di concentrazione (trasporto contro o verso gradiente). Le proteine transmembrana sono in grado di legare piccole molecole che traslocano attraverso la membrana andando in contro a modificazioni conformazionali: vi sono delle vere e proprie pompe composte da enzimi coinvolti nel trasporto attivo (consumano ATP per muovere ioni e soluti contro gradiente di concentrazione) e vengono chiamate ATPasi; può avvenire un uniporto, un simporto (accoppiato per evitare spreco ATP) o antiporto (trasporto accoppiato). Il trasporto può avvenire attraverso la membrana ma senza l’utilizzo di proteine transmembrana: per diffusione (trasporto di piccole molecole non polari direttamente attraverso il doppio strato fosfolipidico) e per canali (proteine multipasso che creano pori attraverso cui possono passare alcuni ioni o piccole molecole selezionate. Un esempio sono i canali per Na+, K+, Ca2+. Recettori: sono delle molecole attive che riconoscono un organo bersaglio grazie alla corrispondenza elettrostatica/sterica tra ligando e recettore. Sono composte prevalentemente dalle sporgenze che formano il glicocalice. Quando il ligando si avvicina al recettore questo si modifica e attiva una reazione biochimica della cellula stessa che risponde al ligando. Il ligando può consistere anche in un ormone che può agire come attivatore delle proteine canale. Come avviene la trasduzione del segnale e quindi l’attivazione dei geni per una certa produzione proteica in risposta? Possono esserci dei segnali lipidici attraverso membrana che arrivano al nucleo dove si legano a molecole specifiche le quali a loro volta si legano a fattori di trascrizione producendo così la proteina. Può invece anche esserci un segnale proteico, il quale si attiva proprio grazie al recettore che una volta legatosi al ligando attiva meccanismi interni che producono fattori di trascrizione che inducono un’attivazione del gene e quindi una produzione proteica. I recettori hanno anche un ruolo fondamentale in relazione all’ambiente: l’attivazione di un recettore può determinare la fase in cui la cellula si trova (quiescente o in divisione) facendo si che le proteine di membrana possano essere legate ad altre strutture cellulare e mediano la risposta della cellula all’ambiente. Il glicocalice: è presente soltanto nelle cellule animali e può essere più o meno evidente, costituisce invece la parete cellulare nelle cellule vegetali. Le funzioni del glicocalice sono diverse. Può avere funzione di riconoscimento di altre cellule simili, catalisi enzimatica, assorbimento, adesione, carica elettrica e filtro barriera. IL NUCLEO Il numero, la forma e la dimensione dei nuclei variano nei diversi tipi cellulari e sono caratteristici di ciascun tipo (ad esempio l’osteoclasto è una cellula polinucleata, o l’epitelio intestinale ha nuclei allungati e spostati verso la base). L’involucro nucleare: è formato da due membrane concentriche interrotte da pori separate da uno spazio ristretto che viene detto cisterna perinucleare. Quest’ultima e la membrana esterna dell’involucro sono in continuità col reticolo endoplasmatico (RE) tanto che sulla sua superficie vi possono essere dei ribosomi. Associato alla membrana interna vi è una struttura proteica fibrosa altamente organizzata che viene detta lamina nucleare (o fibrosa) che concorre a stabilizzare l’involucro stesso. La lamina nucleare è composta dalla polimerizzazione delle lamine che si associano a proteine e si interrompono a livello dei pori. I pori: sono dei complessi poro nucleare formatisi dalla fusione della membrana interna ed esterna; sono formati da un complesso di circa 100 proteine dette nucleoporine le quali catalizzano il trasporto per specifiche macromolecole in una o nell’altra direzione. La diffusione semplice di ioni e piccole molecole avviene invece nel lume del poro. Tra le macromolecole che possono essere trasportate dalle nucleoporine abbiamo per esempio delle subunità di ribosomi o di RNA, proteine della cromatica dei ribosomi, fattori di trascrizione ed enzimi. I pori sono inoltre un meccanismo utilizzato anche per impedire l’esportazione di prodotti non maturi come ad esempio degli introni: riconoscono sugli elementi delle specifiche sequenze di esportazione nucleare che permettono la loro fuoriuscita/entrata. Il nucleo interfasico: detto così poiché lo analizziamo tra una divisione cellulare e un’altra. Al suo interno possiamo trovare la cromatina, la quale è composta da DNA insieme agli istoni (proteine a basso peso molecolare). L’unità strutturale formata da DNA e istoni viene detta nucleosoma (8 istoni + DNA con 150 paia di basi). La cromatina ed i nucleoli sono contenuti all’interno del nucleoplasma o detta anche matrice nucleare. La cromatina è divisibile in: - Eterocromatina: è tendenzialmente trascrizionalmente inattiva e associata prevalentemente alla lamina nucleare e al nucleolo. Si presenta sempre più compatta dell’eucromatina e può essere costitutiva (corrisponde alle regioni telomeriche e centromeriche dei cromosomi) e facoltativa (trascrizione inattiva grazie a meccanismi epigenetici, la conformazione può anche variabile diventando trascrizionalmente attiva). - Eucromatina attiva: corrisponde al 10% del totale ed è responsabile della sintesi delle 50.000 proteine che formano un mammifero. - Eucromatina inattiva: è a condensazione intermedia tra le due precedenti. Il DNA in una cellula umana è lungo circa 180 cm ed il cromosoma più rande 7,4 cm. I cromosomi mantengono la loro individualità e integrità anche durante l’interfase. Le modificazioni epigenetiche: sono delle modificazioni della struttura della cromatina che non riguardano la sequenza di DNA, ma servono a mantenere costante i geni espressi da un determinato tipo cellulare che rappresentano l’1% circa del genoma. Maggiore è la compattazione del DNA, minore è la sua attività trascrizionale. All’interno dell’eterocromatina avviene infatti una ipermetilazione del DNA e la deacetilazione degli istoni. Nell’eucromatina avviene l’inverso. La matrice nucleare: è l’equivalente nucleare del citoscheletro ed è costituita da una lamina nucleare (1), un reticolo fibrogranulare interno (2) e da dei residui nucleolari (3). È formato da una serie di proteine resistenti ai detergenti e alcune proteine della matrice si legano a sequenze specifiche di DNA. La disposizione della cromatina nel nucleo durante l’interfase non è infatti casuale, ma regolata dalla matrice, la quale contribuisce così al funzionamento del genoma. Il nucleolo: è solitamente una struttura sferica e basofila presente nei nuclei delle cellule attive nella sintesi proteica. Il nucleolo non è circondato da membrana e possono essere anche da 1 a 6 per cellula e occupare dal 3% al 25% del volume nucleare. Il numero e volume del nucleolo riflettono infatti l’intensità della sintesi proteica. Sono delle strutture basofile poiché al loro interno vi sono delle sequenze di rRNA densamente concentrate che vengono trascritte e processate per formare le unità ribosomiali. Le funzioni sono infatti: sede di riproduzione degli rRNA e sede di assemblaggio delle subunità ribosomiali. Al suo interno possiamo riconoscere un organizzatore nucleolare (NOR) che contiene numerose copie di geni codificanti per la sintesi di rRNA, della cromatina associata al nucleolo, degli rRNA nascenti con i loro prodotti di degradazione, delle proteine componenti dei ribosomi, ed infine anche degli enzimi coinvolti nelle relative reazioni. IL RETICOLO ENDOPLASMATICO È una rete tridimensionale di membrane con cavità chiuse, in parte intercomunicanti che si sviluppano a partire dal nucleo (forma una vera e propria cisterna attorno al nucleo detta involucro nucleare). Queste cavità chiuse prendono il nome di cisterne, ma anche tubuli e vescicole. Il RE non è quindi in comunicazione diretta con la membrana citoplasmatica ed è possibile vederlo solo al microscopio elettronico. Possiamo individuare due tipi di reticolo, ma solitamente solo uno dei due prevale in ogni cellula in base alla loro specializzazione produttiva: Reticolo endoplasmatico rugoso (RER): è ben sviluppato nelle cellule con specializzazione nella produzione di proteine e quindi di epiteli ghiandolari (es fibroblasti che producono collagene o acini pancreatici che producono enzimi digestivi), infatti la sua funzione è quella proprio si sintetizzare proteine destinate all’esterno della cellula e ai lisosomi e organuli intrinseci di membrana. È formato dalle cisterne e dai ribosomi posti sulla loro superficie esterna. Il RER venne scoperto negli anni ‘5° grazie alla microscopia elettronica Reticolo endoplasmatico liscio (REL): ha una forma prevalentemente tubulare (tubuli e sacculi comunicanti tra loro a differenza delle cisterne affiancate del RER) e la sua superficie esterna non è associata ai ribosomi. È in continuità con il RER ma meno sviluppato di quest’ultimo e costituisce solitamente le vescicole di transizione tra il RER e l’apparato di Golgi ed inoltre non è visibile a microscopio ottico. Il REL ha diverse funzioni: - Contiene enzimi implicati nella sintesi di steroidi e fosfolipidi in collaborazione coi mitocondri, che costituiscono le componenti principali delle membrane cellulari. - Enzimi responsabili della detossificazione dei composti organici potenzialmente tossici come etanolo, barbiturici ecc. (nel fegato questi enzimi impiegati per produrre componenti bile)  - Sequestro e rilascio in maniera controllata di ioni Ca2+ che si verifica nella risposta rapida della cellula a vari stimoli esterni (funzione molto sviluppata nelle cellule muscolari in cui il REL è presente in una forma specializzata detta reticolo sarcoplasmatico). - È infine sede del metabolismo del glicogeno (sempre più sviluppata nel fegato). RIBOSOMI Sono gli organuli deputati alla sintesi proteica: sono infatti in grado di assemblare le catene polipeptidiche la cui sequenza è specificata dall’mRNA a partire dai singoli amminoacidi utilizzando molecole di tRNA. Un ribosoma è costituito da due subunità di diversa dimensione legati da un filamento di mRNA, il cui centro della subunità minore (detto ‘core’) contiene un filamento di rRNA altamente ripiegati e associato a più di 30 proteine specifiche. L’rRNA permettono un sostegno strutturale al tRNA e anche il loro posizionamento durante la sintesi della catena polipeptidica in quando il tRNA porta con sé ogni singolo amminoacido. Le proteine ribosomiali sono sintetizzate dai ribosomi nel citoplasma. I ribosomi possono trovarsi liberi nel citoplasma oppure associati al RER: i ribosomi liberi sintetizzano proteine strutturali ed enzimatiche destinate a restare nella cellula, mentre i ribosomi associati sintetizzano proteine di secrezione, di membrana e lisosomiali (passano per il RE e per l’apparato di Golgi). Quando i ribosomi sono attivi possono organizzarsi in poliribosomi o detti anche polisomi, composti da unità da 3 a 30 ribosomi. APPARATO DI GOLGI L’apparato di Golgi è un organulo dinamico che completa le modificazioni posttraduzionali delle proteine sintetizzate dal RER, le confeziona e le indirizza alla corretta destinazione, è una cosiddetta stazione intermedia nel trasporto dei prodotti di secrezione. È formato da una pila di 5 o 6 cisterne incurvate con una faccia prossimale (o nucleare o cis) convessa, una faccia mediale e una faccia distale (o periferica o trans) concava associate a vescicole e vacuoli contenenti gli enzimi e le proteine che devono essere processate. Le vescicole rappresentano infatti un vero e proprio sistema di trasporto attraverso cui i prodotti vengono trasportati all’interno delle cisterne. I prodotti arrivano quindi alla faccia prossimale avvolti da vescicole (per non entrare in contatto con il citoplasma) che provengono dal RE, vengono poi ulteriormente elaborati all’interno delle cisterne e condensati, per poi lasciare la faccia distale avvolti da altre vescicole. Funzioni dell’apparato di Golgi: - Completamento della glicosilazione - Sintesi di polisaccaridi (come glicoaminoglicani e mucina), di lipidi (sfingomielina) e glicolipidi (mediatori del riconoscimento cellulare). - Eventuale aggiunta di gruppi fosfato, solfato e acidi grassi alle proteine neosintetizzate. - Corretto smistamento delle proteine attraverso i diversi tipi di vescicole. - Selezione degli enzimi lisosomiali e loro separazione dalle proteine di secrezione. Endocitosi: assunzione di sostanze da parte della cellula attraverso la membrana, che prevede l’invaginazione e la successiva fusione della membrana con formazione di vescicole che racchiudono il materiale trasportato. Abbiamo tre tipi diversi di endocitosi: 1. Fagocitosi: ingestione di batteri e detriti cellulari (alcune cellule sono specializzate in fagocitosi come i macrofagi e neutrofili, due leucociti del sangue). Vengono compiute all’interno della cellula delle trasformazioni del citoscheletro che finiscono per circondare il batterio; i margini di questi processi si fondono a formare un vacuolo intercellulare detto fagosoma che si fonde con un lisosoma in modo che il suo contenuto venga degradato da degli enzimi litici. 2. Pinocitosi: invaginazioni della membrana più piccole che si chiudono intrappolando un modesto volume di liquido extracellulare. Si formano così delle vescicole pinocitotiche che si distaccano dalla superficie cellulare e si portano all’interno della cellula. Possono o fondersi con dei lisosomi o possono raggiungere la superficie interna della membrana opposta fondendosi con essa e riversandosi verso l’esterno (transcitosi). 3. Endocitosi selettiva: vi sono sottoforma di proteine integrali di membrana dei recettori (lipoproteine o ormoni) che sono in grado di riconoscere il ligando (molecola con affinità per il recettore) e legarlo. Quando avviene ciò i recettori dispersi si aggregano intorno al ligando e invaginandosi danno origine a delle vescicole che si distaccano all’interno della cellula. I recettori si associano a specifiche proteine sul lato citoplasmatico della membrana per formare delle fossette rivestite che diventeranno vescicole rivestite e sono formate prevalentemente da clatrina (polipeptide) attraverso l’interazione col citoscheletro. La vescicola trasporta così i ligandi e i recettori all’interno della cellula, fino ad arrivare a fondersi col CURL (compartimento endosomiale formato da vescicole e tubuli) all’interno del quale vi è un traffico di vescicole gestito dalle proteine Rab (non vanno quindi ai lisosomi come i fagosomi o le vescicole pinocitotiche). All’interno del CURL vi può essere un distacco dei ligandi dai recettori (che vengono riutilizzati e riportati alla superficie cellulare) attraverso un abbassamento del PH a 5. Il ligando può anche essere rilasciato per transcitosi o degradato da un lisosoma. PEROSSISOMI I perossisomi sono degli organuli sferici delimitati da una singola membrana, presenti in tutte le cellule eucariotiche. Il loro nome deriva dal fatto che contengono degli enzimi in grado di produrre o degradare il perossido di idrogeno (H2O2, comunemente chiamato acqua ossigenata). Gli enzimi detti catalasi sono quelli responsabili della neutralizzazione dell’H2O2 e di altri prodotti nocivi dell’ossigeno proteggendo la cellula nelle perossidazioni. La neutralizzazione avviene infatti perché l’ossigeno è indispensabile per la creazione di energia ma la sua ossidazione crea appunto prodotti come il perossido di idrogeno che hanno effetti negativi sulla parete cellulare. Abbiamo inoltre un altro tipo di enzimi detti ossidasi che ossidano acidi grassi in acetil coenzima A che poi entreranno nei mitocondri per partecipare al ciclo di Krebs, rimuovendo atomi di idrogeno che sono trasferiti all’ossigeno molecolare (O2) portando alla produzione di H202 che poi verrà degradata appunto dalle catalasi. I perossisomi so formano per gemmazione dal RE e importano gli enzimi necessari alle loro attività direttamente dai ribosomi liberi. MITOCONDRI I mitocondri sono delle strutture allungate dotate di plasticità (possono cambiare la propria forma fondendosi con altri mitocondri e dividendosi, spostandosi lungo i microtubuli citoplasmatici). Sono visibili al microscopio ottico. Ciascun mitocondrio possiede due membrane distinte e molto diverse tra loro, che creano due compartimenti: una camera interna e una camera esterna intermembranosa. La membrana esterna è una sorta di setaccio e contiene delle proteine transmembrana che vengono dette porine (formano canali attraverso cui transitano facilmente le piccole molecole come ad esempio il piruvato). La membrana interna si solleva in una serie di creste dette creste mitocondriali che si proiettano nella matrice ed aumentano la superficie, è una membrana altamente selettiva, tanto che necessita di energia per il funzionamento del trasporto attivo. I mitocondri sono la sede della produzione di energia sottoforma di ATP attraverso la fosforilazione ossidativa (rappresenta la respirazione cellulare) attraverso degli enzimi specifici, tanto che il loro numero all’interno della cellula, come il numero di creste mitocondriali è in funzione delle esigenze energetiche del tessuto (media di 1000-2000 mitocondri per cellula, un’eccezione è la cellula uovo dove ce ne sono fino a 100.000 poiché i mitocondri vengono tutti ereditati dalla parte femminile). All’interno del mitocondrio avvengono anche altri processi: nella matrice avviene il ciclo dell’acido citrico (o ciclo di Krebs), tra la camera interna e la camera esterna intermembranosa avviene invece la catena di trasporto degli elettroni (trasforma l’energia sottoforma di elettroni in ATP). Nel ciclo dell’acido citrico confluiscono i prodotti di degradazione del glucosio e degli acidi grassi che entrano nel ciclo sottoforma di Acetil CoA. DNA mitocondriale: i mitocondri si replicano in maniera indipendente dal ciclo cellulare e si originano sempre da un altro mitocondrio (mai ex novo), questo perché la matrice mitocondriale contiene un piccolo cromosoma di DNA circolare di circa 16,6 kb senza introni, dei ribosomi, un mRNA e un tRNA tutti somiglianti ai rispettivi componenti dei batteri. Nei mitocondri, infatti, oltre 100 geni controllano la sintesi delle proteine mitocondriali nei mammiferi (sono anche i geni necessari per la sintesi di un mitocondrio), dei quali solo 13 sono rimasti nei mitocondri mentre gli altri si sono spostati nel nucleo della cellula. Il DNA circolare riesce a codificare 13 proteine e 24 tRNA che cooperano con i corrispettivi nucleari. La sintesi proteica avviene grazie ai ribosomi mitocondriali presenti nella matrice che utilizzano molecole mitocondriali di tRNA e mRNA. Si ipotizza che i mitocondri per la teoria endosimbiontica derivino da una simbiosi tra batteri e cellule primitive capaci solo di respirazione anaerobia. CITOSCHELETRO È una rete complessa all’interno del citoplasma formata da microtubuli, filamenti intermedi e microfilamenti, associati a proteine accessorie per il collegamento tra di loro o con altre strutture cellulari. i microtubuli e i microfilamenti sono instabili, possono cambiare conformazione durante il corso della vita cellulare, mentre i filamenti intermedi sono fissi e mantengono lo stesso numero e la stessa struttura per tutto il ciclo cellulare. Queste strutture proteiche determinano la forma delle cellule (sono un vero e proprio scheletro cellulare), giocano un ruolo importante nel trasporto di organuli e di vescicole citoplasmatiche e consentono anche i movimenti di cellule intere. Microtubuli: sono delle strutture tubulari presenti in tutte le cellule eucariotiche e possono organizzarsi in strutture più grandi e complesse dette assonemi (sono contenuti in processi citoplasmatici detti ciglia e flagelli) composti da più microtubuli legati tra loro da ponti proteici. I microtubuli sono delle strutture cave con un diametro esterno di 25 nm. Sono dotati di una certa rigidità che gli permette di mantenere la forma cellulare e di essere una buona impalcatura per il posizionamento intracellulare degli organuli. I microtubuli sono degli eterodimeri polarizzati di alfa e beta tubulina, hanno un’organizzazione leggermente spiralizzata composta da 13 protofilamenti paralleli disposti in cerchio. Sono polimerizzati poiché presentano un polo + verso la membrana e un polo – verso il centrosoma (centro organizzatore dei microtubuli detto MTOC che dirige la polimerizzazione delle tubuline) che permette la presenza di una stabilità dinamica: i microtubuli possono autoassemblarsi nel citoplasma a partire proprio dai MTOC e quindi allungarsi, accorciarsi o scorrere sul posto (esempio i microtubuli si accorciano quando la loro depolimerizzazione dal lato negativo prevale sull’allungamento nel lato positivo). Grazie a tale dinamicità i microtubuli hanno un ruolo fondamentale nella direzione e orientamento del movimento delle vescicole secretorie, nonché un sistema microcircolatorio per il trasporto di organelli e molecole e una partecipazione al trasporto assonico dei neuroni (negli assoni microtubuli molto sviluppati perché devono trasportare vescicole per lunghe distanze).  Il trasporto di elementi sui microtubuli avviene ad opera delle proteine motrici (intermedi tra microtubuli e vescicole): le chinesine trasportano in direzione dell’estremità plus (possono essere anche bipolari), le dineine citoplasmatiche invece muovono le vescicole nella direzione opposta (solitamente verso il nucleo). Le proteine motrici possono anche far scorrere due microtubuli tra di loro quando la cellula cambia di forma. Il centrosoma è il più importante centro organizzatore dei microtubuli ed è composto da materiale pericentriolare e due centrioli di forma cilindrica (sempre presenti durante tutto il ciclo cellulare) posti perpendicolarmente tra loro e ognuno dei quali è composto da 9 triplette di microtubuli (struttura identica ai corpi basali di ciglia e flagelli con i quali sono spessi intercambiabili, una cellula che ha sviluppato le ciglia, infatti, è una cellula post-mitotica, cioè non si divide più). I centrioli hanno un ruolo importante durante la divisione cellulare in quanto formano quello che viene detto apparato mitotico: durante la duplicazione del DNA ogni centrosoma viene duplicato (vi sono quindi una coppia di centrioli l’uno). Ogni centrosoma durante la mitosi si divide a metà e vanno a posizionarsi nei due poli opposti della cellula (costituiscono due centri organizzatori del fuso mitotico, il quale insieme all’aster compare solo nella profase, i centri contengono anche materiale pericentriolare e tubulina gamma). Questa struttura serve a far migrare correttamente i cromosomi durante l’anafase della divisione cellulare sia mitotica che meiotica. Microfilamenti: sono più piccoli e flessibili rispetto ai microtubuli (6 nm di spessore) e sono presenti in tutte le cellule. Sono costituiti da subunità di actina (compone circa il 2/15% delle proteine totali). Sono riconoscibili 6 isoforme (1 nel t. muscolare scheletrico, 1 nel t. muscolare cardiaco, 2 nel t. muscolare liscio, 2 in tutte le altre cellule). I microfilamenti permettono la motilità e l’attività contrattile delle cellule, grazie a meccanismi che si basano sulla polimerizzazione spontanea e reversibile dei filamenti di actina sulle interazioni tra questi filamenti e le proteine della famiglia della miosina. I microfilamenti sono composti da subunità globulari di Actina G che si assemblano in presenza di K+ e Mg+ dando origine ad un doppio filamento avvolto a elica di actina filamentosa detta Actina F. Come avviene la formazione di un microfilamento? L’Actina G viene solitamente aggiunta a filamenti preesistenti, ma nuovi filamenti possono anche essere formati a partire da un pool di actina G grazie all’attività di proteine di nucleazione (come, ad esempio, la formina); un complesso proteico si lega così lateralmente ai filamenti di actina presenti inducendo la formazione di ramificazioni dei filamenti che polimerizzano dando origine ad una rete di microfilamenti. Anche i microfilamenti hanno una polarità sia strutturale che funzionale: i monomeri di actina vengono aggiunti rapidamente all’estremità + con idrolisi di ATP per ogni monomero inserito; questo meccanismo comporta la rapida migrazione delle subunità lungo il polimero tramite un processo chiamato treadmilling. Dove si trovano i microfilamenti nella cellula? L’actina è molto abbondante in tutti i tipi cellulari e si concentra sottoforma di reti di microfilamenti in prossimità della membrana plasmatica in un’area definita cortex cellulare. La formazione di legami crociati fra i microfilamenti organizzati in reti aumenta la viscosità del citoplasma, mentre il taglio di tali legami ne riduce la viscosità. Come le chinesine e le dineine spostano strutture lungo i microtubuli, le miosine usano ATP per trasportare le altre molecole lungo i microfilamenti con un movimento diretto verso l’estremità +. Funzioni dei microfilamenti: trasporto organuli e vescicole, formazione dell’anello contrattile per separazione delle cellule figlie durante la mitosi, cambiamenti della superficie cellulare necessari durante l’endocitosi. Filamenti intermedi: detti intermedi poiché hanno dimensioni intermedie tra microtubuli e microfilamenti, precisamente hanno uno spessore di 10 nm. Sono delle strutture a differenza degli altri due molto stabili, contribuendo a fornire maggior supporto meccanico e strutturale alla cellula. Sono costituiti da dei dimeri bastoncellari avvolti ad alfa elica disposti in modo antiparallelo per formare dei tetrameri; a loro volta i tetrameri si autoassemblano dando origine a grossi fasci di funi chiamati protofilamenti. In base alla composizione chimica delle subunità bastoncellari i filamenti intermedi possono essere classificati in 6 gruppi differenti (guardare immagine). Interazioni tra citoscheletro e matrice extracellulare Le cellule entrando in contatto con molecole accessorie e utilizzando filamenti intermedi creano delle adesioni focali o anche placche di adesione che assicurano l’ancoraggio della cellula al substrato. Tali placche di adesione vengono utilizzate nel movimento ameboide ed informano la cellula sulla loro posizione nello spazio. Il movimento cellulare Possiamo avere tre tipi di movimenti: - Movimento ameboide = è tipico dello sviluppo embrionale e fetale, dei processi di cicatrizzazione dei macrofagi, leucociti e i mastociti; avviene attraverso l’emissione di un lamellipodio, l’ancoraggio del lamellipodio al substrato tramite l’adesione focale ed infine una contrazione dell’estremità posteriore; tale processo si ottiene con trasformazioni sol/gel del citoplasma e con correnti citoplasmatiche polarizzate dovute principalmente alle interazioni tra actina e miosina. - Movimento delle ciglia = è tipico degli epiteli vibratili che determinano correnti nei liquidi che ne bagnano la superficie. - Movimento del flagello = limitato agli spermatozoi.