UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CASSINO FACOLTA DI SCIENZE MOTORIE

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CASSINO FACOLTA DI SCIENZE MOTORIE CORSO INTEGRATO DI BIOCHIMICA, BIOLOGIA & GENETICA MEDIA MODULO DI BIOLOGIA & GENETICA MEDICA AA Dott.ssa Veronica Papa Citologia Studio della struttura della cellula e delle sue parti 1

2 CARATTERISTICHE DEGLI ORGANISMI VIVENTI Sono composti da cellule Crescono e si sviluppano Si riproducono Rispondono agli stimoli Si muovono Regolano i propri processi metabolici Evolvono e si adattano all ambiente TEORIA CELLULARE Le cellule sono gli elementi costitutivi di ogni essere vivente sia animale che vegetale e si ottengono dalla divisione di cellule preesistenti. Ogni cellula funziona come un unità individuale rispondendo ad una gran varietà di stimoli ambientali. La cellula può essere quindi definita come l unità morfofunzionale della vita, ossia la più piccola unità capace di vita autonoma. Possiede infatti tutte le proprietà che definiscono la vita: 1. Riproduzione 2. Accrescimento 3. Capacità di sintesi proteica 4. Reattività agli stimoli 5. Movimento 2

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4 IL MICROSCOPIO Il microscopio è uno strumento che permette di osservare oggetti di dimensioni tali da non essere osservabili ad occhio nudo. Il principio generale di funzionamento è semplice: si illumina l oggetto con una radiazione (luce visibile o altra appropriata) e si studia la radiazione che l oggetto diffonde. Nella pratica usuale si hanno due tipi principali di microscopi: - Microscopio ottico - Microscopio elettronico Si distinguono due tipi di microscopi che, differiscono nella risoluzione e nell ingrandimento disponibile: 1. Il microscopio ottico: utilizza un fascio di luce e permette di distinguere i tipi cellulari e le strutture più voluminose. 2. Il microscopio elettronico che, invece, utilizzando un fascio di e- presenta un maggiore ingrandimento e consente di studiare l ultra struttura cellulare. I microscopi elettronici possono dare immagini bidimenzionali o 3D a seconda che siano a trasmissione o a scansione: 1. Il TEM osserva sezioni ultrasottili che vengono attraversati da un fascio di e-. L immagine trasmessa viene quindi impressa su una lastra fotografica. 2. Il SEM ha una minore risoluzione del TEM, ma permette la formazione di un immagine 3D in quanto gli e- non attraversano ma rimbalzano sulla superficie del campione. 4

5 INGRANDIMENTO Corrisponde al valore del rapporto tra le dimensioni dell immagine vista al microscopio e le dimensioni effettive dell oggetto. POTERE DI RISOLUZIONE E la capacità di uno strumento ottico di mostrare in modo distinto due punti tra loro separati; indica, quindi, la distanza minima alla quale questi possono essere distinti l uno dall altro invece di apparire come unica massa e determina il massimo livello di dettaglio che si può ottenere nell immagine. 5

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7 ORGANIZZAZIONE DELLA MATERIA VIVENTE Si definisce PROTOPLASMA la sostanza vivente che nel suo insieme forma la cellula (composti inorganici: acqua e ioni e composti organici: zuccheri, grassi proteine ed acidi nucleici). Tutte le cellule derivano dalla divisione di cellule preesistenti la cui capacità di dividersi è alla base di tutti i processi riproduttivi, di crescita e di riparazione negli organismi pluricellulari Anche la materia vivente si struttura in diversi livelli di organizzazione: Virus, viroidi (molecole di proteiche) (??????) RNA) e prioni (molecole Distinguiamo, organismi più semplici o procarioti (esclusivamente unicellulari) dagli eucarioti (unicellulari o pluricellulari, organismi strutturalmente più complessi. UNA DISTINZIONE IMPORTANTE Eucarioti Tutte le cellule degli organismi pluricellulari animali e vegetali, nonché alcuni organismi monocellulari (protozoi) Procarioti Cellule ma prive di membrana nucleare e del sistema endomembranoso interno Virus: Forme di vita non cellulari Composti unicamente da un acido nucleico e un capside proteico) 7

8 PROCARIOTI VS EUCARIOTI I batteri o procarioti rappresentano il livello più elementare di organizzazione cellulare. A differenza dei virus che sono parassiti obbligati, i batteri sono veri e propri organismi unicellulari in quanto posseggono tutte le strutture necessarie e sufficienti per condurre una vita autonoma. Sono caratterizzati dalla presenza di una membrana cellulare e di una parete con funzione di protezione e sostegno, ma differiscono dalla cellula eucariotica poiché mancano di compartimentalizzazione cellulare. La membrana nucleare è assente ed il materiale genetico (DNA) è libero nel protoplasma. 8

9 Gli eucarioti possono essere organismi sia unicellulari che pluricellulari. Sono caratterizzati da una complessa struttura interna e dalla suddivisione ad opera della membrana nucleare del protoplasma in due compartimenti distinti: 1. Il nucleo, generalmente in posizione centrale, al cui interno è contenuto il materiale genetico (esclusivamente DNA). 2. Una porzione periferica denominata citoplasma di consistenza gelatinosa che avvolge il nucleo ed è a sua volta delimitata dalla membrana plasmatica e al cui interno sono contenuti gli organelli necessari allo svolgimento delle funzioni cellulari. 9

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11 SISTEMA ENDOMEMBRANOSO E costituito da: - Membrana plasmatica - Reticolo endoplasmatico - Complesso di Golgi - Lisosomi - Vacuoli - Involucro nucleare Ognuno avente una differente funzione e struttura. 11

12 IL RETICOLO ENDOPLASMATICO 1. Sintesi: le membrane del RE contengono gli enzimi necessari alla sintesi di lipidi e carboidrati o nel caso del RER su cui sono presenti i ribosomi, delle proteine. 2. Deposito delle sostanze neo sintetizzate. Si distingue in rugoso (RER) e liscio (REL) a seconda che sia o meno associato a ribosomi. 3. Trasporto attraverso la cellula o verso l apparato di Golgi E un sistema di membrane appiattite che formano tubuli, canalicoli e sacculi, cisterne, vescicole. Ha 4 funzioni principali: 4. Detossificazione: le tossine cellulari possono essere eliminate tramite enzimi litici presenti sulle membrane del RE. 12

13 Il RER è ricco di ribosomi che conferiscono un aspetto ruvido e granulare. I polisomi (gruppi di ribosomi) associati al RER sintetizzano proteine che verrano immesse ed utilizzate all esterno della cellula. Dal RER si staccano delle vescicole che raggiungono l apparato del Golgi. 13

14 Funzioni del RER - Sintesi proteica (in collaborazione coi ribosomi) - Attacco della componente carboidratica alle proteine di secrezione (glicoproteine) -Trasferimento all apparato di Golgi Funzioni del REL - Sintesi di fosfolipidi e colesterolo di membrana - Sintesi di ormoni steroidei ormoni sessuali: testosterone ed estrogeni - Sintesi e immagazzinamento di gliceridi: fegato, adipociti - Detossificazioni di scorie e sostanze nocive (alcool, farmaci,droghe) fegato, reni - Sintesi e accumulo di glicogeno: Muscolo striato, fegato - Rimozione e accumulo di ioni calcio: contrazione muscolare COMPLESSO DEL GOLGI Presente nel citoplasma di tutte le cellule esclusi i batteri. Come il reticolo endoplasmatico è formato da una serie di membrane appiattite lisce che non presentano associazione con il ribosomi. Si riconoscono 3 elementi cellulari: 1. I sacculi impilati 2. Le vescicole 3. I vacuoli 14

15 Descritto per la prima volta da C. Golgi (Nobel per la biologia e medicina 1904) dischi membranosi appiattiti chiamati sacculi o cisterne 5-6 sacculi formano un dittiosoma elabora, smista e spedisce i vari prodotti cellulari 15

16 GOLGI: MATURAZIONE & TRASPORTO 16

17 Faccia trans o versante di maturazione La localizzazione e l estensione del Golgi variano in rapporto al tipo e allo stato funzionale della cellula. Stazione temporanea e intermedia dei prodotti di secrezione che verranno secrete per esocitosi Sintesi di polisaccaridi. Faccia cis o versante di formazione Modificazioni post-traduzionali delle proteine (glicosilazione). 17

18 LISOSOMI Vescicole delimitate da membrana contenenti enzimi litici Gli enzimi sono: - attivi a ph intorno a 5 - in grado di scindere proteine, polisaccaridi, acidi nucleici La membrana impedisce la fuoriuscita degli enzimi 18

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20 VACUOLI Strutture endocellulari cave delimitate da membrana: - Vacuoli alimentari (es. amebe e protisti) - Vacuoli contrattili per espellere acqua (es. protisti acquatici) - Vacuolo delle cellule vegetali Vacuolo delle cellule vegetali - Si forma per coalescenza di piccoli vacuoli derivati dal RE e dal Golgi - È delimitato da una membrana (tonoplasto) - Può contenere proteine, sostanze di riserva, pigmenti, sostanze tossiche IL MITOCONDRIO I mitocondri sono gli organuli cellulari cavi deputati alla produzione di energia. Variano considerevolmente di forma, dimensioni e numero a seconda del tipo cellulare. Generalmente hanno una forma allungata. Sono organuli citoplasmatici insoliti in quanto dotati di una doppia membrana Ciascun mitocondrio consiste infatti di 3 compartimenti: 1. Membrana esterna, separata tramite lo spazio intermembranoso, dalla 2. Membrana interna che, più sottile di quella interna, è ripiegata i estroflessioni dette creste mitocondriali che ne aumentano la superficie. 3. Matrice mitocondriale che occupa la cavità dell organulo. Sulla membrana interna e nella matrice mitocondriale avviene il processo di respirazione aerobica che porta alla produzione di energia sotto forma di ATP. 20

21 Variabilità di dimensione, forma e numero: Da nessuno (globulo rosso) Al 20% del volume cellulare (epatocita) Storia evolutiva Contenuto in DNA, RNA, enzimi per la sintesi proteica Capacità di riprodursi (body builders) 21

22 (a)mitocondri di epatociti che contengono granuli della matrice (artefatti di fissazione dovuti alla precipitazione del Calcio immagazzinato nei mitocondri. (b) Mitocondri del miocardio, il tessuto muscolare cardiaco. I PEROSSISOMI Contengono enzimi per trasferire idrogeno all ossigeno formando perossido di idrogeno. L H 2 O 2 formato essendo tossico viene convertito in H 2 O da enzimi contenuti anch essi nei perossisomi. Scindono gli acidi grassi in molecole più piccole utilizzate dai mitocondri durante la respirazione cellulare. Sono presenti negli epatociti hanno azione detossificante nei confronti dell alcool. 22

23 IL CLOROPLASTO Fa parte di un gruppo di organelli detti plastidi strutture tipiche della cellula vegetale. Sono caratterizzate da una doppia membrana, come i mitocondri La membrana esterna delimita il plastidio e ha una forma regolare, mentre quella interna è variamente ripiegata, generalmente forma delle lamelle dette 23

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25 IL CITOSCHELETRO Il citoscheletro è una complessa impalcatura in grado di fornire resistenza e supporto strutturale alla cellula. Provvede ai vari tipi di movimento cellulare (es la contrazione delle cellule muscolari. Ha 4 componenti principali: 1. Microfliamenti 2. Filamenti intermedi 3. Filamenti spessi 4. Microtubuli 25

26 I MICROTUBULI Sono strutture a forma di tubo cavo formate dall aggregazione di diverse molecole di tubulina. Si trovano a livello del centrosoma, la regione di citoplasma vicino al nucleo a partire dal quale i microtubuli di irradiano verso la periferia. Hanno diverse funzioni: 1. Sono i costituenti principali del citoscheletro e aumentano la stabilità della cellula 2. Durante il processo di divisione cellulare formano l apparato del fuso che permette la divisione dei cromosomi tra le cellule figlie. 3. Si aggregano a formare ciglia e flagelli. Strutture cilindriche cave di lunghezza 0.2nm-25µ e diametro 25nm La loro parete è costituita da 2 tipi di proteine: - α-tubulina e - β-tubulina unite a formare un dimero Conferiscono sostegno e forma alle cellule e consentono il movimento degli organuli 26

27 I microtubuli in molte cellule derivano dal centrosoma all interno del quale è presente 1 coppia di centrioli ognuno costituito da 9 triplette di microtubuli disposti a cerchio La divisione cellulare è preceduta dalla divisione dei centrioli 27

28 CIGLIA E FLAGELLI Si proiettano entrambi dalla superficie cellulare e determinano il movimento - Flagelli se l estroflessione è una o comunque in numero limitato e se la struttura di tale estroflessione è lunga e sottile (200 µ). - Ciglia se le estroflessioni sono numerose e di dimensioni più ridotte (2-10 µ); sono strutture molto comuni negli organismi unicellulari o pluricellulari di piccole dimensioni Negli animali: coda degli spermatozoi (flagelli) vie aeree (ciglia) 28

29 CIGLIA E FLAGELLI I microtubuli possono associarsi fra loro a formare strutture complesse: 1. Le ciglia: sono costituite da 9+2 coppie di microtubuli e sono ancorate ad un corpo basale; sono più corte dei flagelli ma più numerose. Si muovono in modo sincrono. Il loro movimento coordinato sposta i liquidi e le secrezioni presenti sulla superficie. 2. I flagelli: sono simili alle ciglia ma molto più lunghi. I flagelli spostano le cellule all interno di un mezzo liquido. Le uniche cellule umane dotate di flagelli sono gli spermatozoi. 29

30 MICROFILAMENTI Sono strutture cilindriche aventi un diamentro di circa 7 nm costituiti da molecole globulari di actina avvolte a doppia catena Sono presenti in tutte le cellule eucariotiche Contribuiscono al mantenimento della forma delle cellule Formano la porzione centrale dei microvilli 30

31 I MICROFILAMENTI Sono formati da polimeri di actina che si intrecciano a formare i filamenti. Hanno 3 funzioni: 1. Legandosi alle proteine di membrana aumentano la resistenza meccanica della cellula. 2. Sono coinvolti in associazione con la miosina (che costituisce i filamenti spessi), nei fenomeni di movimento della cellula come la contrazione muscolare. 3. Costituiscono i microvilli. I MICROVILLI Estroflessioni della membrana cellulare formate da microfilamenti. Si trovano principalmente in quelle cellule la cui funzione è quella di assorbire materiale dal liquido extracellulare come l intestino tenue e rene, dove formano una struttura specializzata nell assorbimento, visibile al MO chiamata orletto a spazzola. 31

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33 I FILAMENTI INTERMEDI Si trovano solo negli organismi pluricellulari. La loro composizione varia a seconda del tipo cellulare. Hanno le seguenti fuzioni: 1. Forniscono resistenza 2. Stabilizzano la posizione degli organuli 3. Trasportano materiale nel citoplasma. 33

34 IL NUCLEO Il nucleo è il centro di controllo di tutte le operazioni cellulari e svolge un ruolo cruciale nel controllo della vita della cellula e nel processo di divisione cellulare. Le cellule sono, nella maggior parte dei casi, mononucleate; possono essere in alcuni casi binucleate (epatiche, cartilaginee), plurinucleate (fibre muscolari scheletriche, osteoclasti) o anucleate (globuli rossi). E delimitato da un involucro nucleare discontinuo (per la presenza dei pori nucleari) che lo separa dal citosol. Attraverso i pori nucleari passano le informazioni dal citoplasma al nucleo e viceversa. Contiene il materiale genetico (DNA) ed è la sede di meccanismi indispensabili alla riproduzione cellulare e alla sintesi proteica 34

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36 40 Involucro nucleare Complesso del poro: Struttura proteica che regola il passaggio di macromolecole e particelle Lamina nucleare: Struttura costituita da proteine filamentose che contribuiscono a mantenere la forma del nucleo. 36

37 Eucromatina:DNA funzionalmente attivo; eterocromatina: domini di DNA funzionalmente inattivo. Nucleolo: Sede della sintesi dei ribosomi 37

38 Cromatina: DNA complessato a proteine istoniche e non istoniche, RNA. Eucromatina: DNA trascrivente Eterocromatina: DNA non trascrivente Facoltativa in certe condizioni diventa eucromatina Costitutiva DNA non trascrive in nessuna occasione 38

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40 NUCLEOLO E una struttura localizzata nel nucleo osservabile solo durante l interfase. Le cellule di solito contengono 2 o 3 nucleoli. Il numero e le dimensioni dei nucleoli possono variare in funzione dell attività sintetica della cellula. Sintetizza Rna ribosomiali (rrna) Le sue dimensioni variano a seconda dell attività sintetica della cellula Ricco di RNA e proteine basiche Non è rivestito da membrane Si suddivide in parte granulare e parte fibrillare La parte granulare è la più abbondante ed è ricca di ribosomi La parte fibrillare è un intreccio di fibrille contenenti DNA, RNA e proteine. Scompare durante la divisione cellulare per ricomparire alla fine del processo. Funzione: sintesi del rrna 40

41 RIBOSOMI Descritti nel 1950 da Palade (nobel per la biologia e medicina nel 1974) Organuli costituiti da rrna e proteine Formati da 2 subunità Funzione Sintesi proteica Possono essere sia liberi nel citoplasma che legati alla membrana esterna dell involucro nucleare o del Reticolo Endoplasmatico 41

42 I ribosomi sono organuli piccoli e densi di forma globose. Sono formati da due subunità :60s la più grande, e 40s la più piccola. Sono costituiti da RNA ribosomale e decine di tipi diversi di proteine. Sono fabbriche di proteine che vengono sintetizzate utilizzando l informazione fornita dal DNA, trascritta in m RNA e dai ribosomi tradotta in proteina. I ribosomi si associano a formare i poliribosomi =Ribosomi tenuti assieme da RNA messaggero dove vengono sintetizzate le proteine. 42