(MODULO 2) MECCANISMI DEL DIFFERENZIAMENTO CELLULARE

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1 (MODULO 2) MECCANISMI DEL DIFFERENZIAMENTO CELLULARE Introduzione La maggior parte degli organismi pluricellulari si sviluppa da una singola cellula (uovo fecondato o zigote) che dividendosi ripetutamente dà origine all organismo adulto, composto da tessuti e organi deputati a svolgere specifiche funzioni per la sopravvivenza dell individuo. Nel corso delle fasi iniziali dello sviluppo embrionale, ossia durante la segmentazione e la blastulazione, le cellule si dividono al fine di aumentare la dimensione dell embrione mantenendo però uno stato indifferenziato, ossia la capacità di originare tutti i tipi di cellule che compongono l organismo. Allo stadio di gastrula e nelle fasi successive invece si verifica una progressiva specializzazione delle strutture e delle funzioni dei vari tipi cellulari ed inizia la determinazione di tessuti e organi. Questa acquisizione di caratteristiche funzionali e strutturali specifiche nei diversi tipi cellulari prende il nome di differenziamento cellulare. Il differenziamento cellulare è fondamentale durante lo sviluppo embrionale, in cui a partire da poche cellule totipotenti o indifferenziate si sviluppa un organismo dotato di tessuti e organi altamente specializzati per la sopravvivenza dell organismo stesso. In tessuti e organi in cui è necessario un rinnovamento cellulare il differenziamento può continuare per tutta la vita dell individuo (ad esempio nel sistema ematopoietico, nelle gonadi, in alcuni tessuti epiteliali). In questi tessuti, generalmente, le cellule pur non essendosi ancora specializzate per la specifica funzione sono già determinate, ossia sono orientate in modo irreversibile verso uno specifico tipo di differenziamento. Il differenziamento cellulare da un punto di visto molecolare implica la sintesi preferenziale di proteine specifiche nei diversi tipi cellulari: solo nei globuli rossi è presente emoglobina, mentre caratteristica delle cellule muscolari sono la miosina e l actina, o il collagene nel tessuto connettivo e cartilagineo. Dato che in tutte le cellule di organismo è presente lo stesso patrimonio genetico, ossia contengono tutte gli stessi geni, durante il differenziamento cellulare devono essere trascritti solo i geni necessari per la sintesi di proteine specifiche per la funzione specifica del tipo cellulare. Inoltre il differenziamento comporta anche una programmazione spaziale e temporale nell attivazione di specifici geni coinvolti nella stessa funzione (espressione genica differenziale). Il meccanismo molecolare alla base del differenziamento cellulare è, infatti, l espressione differenziale di gruppi di geni che è determinata da differenti meccanismi che agiscono sia a livello della struttura della cromatina e delle caratteristiche del DNA (fenomeno detto epigenetica) sia grazie a particolari fattori che regolano l attività genica. Vediamo di seguito quali sono i principali meccanismi che regolano il differenziamento cellulare. Epigenetica Per epigenetica si intendono i fenomeni, reversibili, di regolazione dei geni tramite processi chimici che non comportano cambiamenti nella sequenza del DNA ma che sono in grado di modificare il fenotipo dell individuo e della sua discendenza. Questi fenomeni epigenetici alterano l'accesso fisico al DNA da parte delle molecole o dei complessi molecolari deputati all'espressione genica, regolando quindi il grado di funzionamento dei geni. Tra questi fenomeni importanza fondamentale hanno: la acetilazione degli istoni la metilazione del DNA

2 Eterocromatina e eucromatina A livello cromosomico la regolazione dell espressione di geni specifici dipende dalla presenza di proteine, come istoni e proteine acide, associate alla molecola di DNA. Gli istoni determinano la spiralizzazione del DNA nella struttura compatta del cromosoma e stabilizzano il DNA. Nel nucleo di cellule nello stadio di interfase (ossia lo stadio tra una divisione cellulare e quella successiva), i cromosomi o regioni specifiche dei cromosomi possono trovarsi in uno stato condensato detto eterocromatina o in uno stato despiralizzato detto eucromatina. Questi diversi tipi strutturali rappresentano condizioni funzionali dei cromosomi. Lo stato di eucromatina corrisponde ad un più lasso legame degli istoni alla catena del DNA, mentre lo stato di eterocromatina corrisponde ad un più stabile legame: il primo favorisce, il secondo limita, l accesso dell RNA polimerasi (l enzima responsabile della trascrizione del DNA), regolando pertanto la trascrizione genica. Metilazione del DNA La metilazione del DNA è una delle più importanti modificazioni del genoma dopo la replicazione cellulare. Questo processo consiste nell associare, grazie all azione di enzimi specifici, gruppi metilici alle basi del DNA, mediante un legame chimico molto stabile, il legame covalente. Nelle cellule eucariote è presente principalmente la metilazione delle citosine. La metilazione del DNA provoca una riduzione di trascrizione dei geni, pertanto questo processo incide profondamente sull espressione genica durante il differenziamento cellulare, mediante una repressione della trascrizione gene-specifica.

3 RNA nucleare eterogeneo Le cellule degli organismi superiori contengono oltre all RNA messaggero (mrna), all RNA di trasferimento (trna), all RNA ribosomale (rrna) anche un RNA nucleare eterogeneo o gigante (HnRNA) che si trova esclusivamente nel nucleo. L RNA nucleare eterogeneo viene rapidamente sintetizzato e degradato nel nucleo, senza essere trasferito nel citoplasma, e ha un peso molecolare molto elevato. L HnRNA rappresenta un precursore delle molecole di RNA messaggero che viene trasferito nel nucleo; mrna che è deputato a trasferire il messaggio contenuto nella sequenza del DNA del nucleo ai ribosomi citoplasmatici, dove la sequenza nucleotidica viene tradotta in sequenza amminoacidica a comporre specifiche proteine cellulari. All interno della molecola di HnRNA vengono selezionati solo alcuni mrna che verranno trasferiti nel citoplasma e tradotti in proteine specifiche, questo rende possibile un ulteriore controllo della trascrizione di quei geni fondamentali per il differenziamento cellulare specifico. RNA messaggero e controllo della trascrizione Il processo mediante il quale la sequenza di nucleotidi del DNA viene tradotta in una successione definita di aminoacidi nella catena polipeptidica comprende: la trascrizione della sequenza specifica di triplette (3

4 nucleotidi contigui) del DNA in una sequenza complementare di una molecola di RNA messaggero in grado di trasferire nel citoplasma il messaggio genetico; il trasferimento dell mrna sui ribosomi citoplasmatici; la traduzione a livello dei ribosomi della sequenza specifica di triplette dell RNA messaggero in una successione specifica di aminoacidi nella molecola proteica. Nel differenziamento cellulare il processo che permette la formazione di proteine specifiche per ciascun tipo cellulare è la regolazione della trascrizione di geni specifici. La trascrizione è finemente regolata grazie a fattori di trascrizione in grado di promuovere o reprimere la trascrizione dei geni specifici per ogni tipo di cellula, agendo sull attivazione o espressione dell RNA polimerasi II, enzima responsabile della trascrizione.

5 VARI TIPI DI TESSUTI Negli organismi superiori le cellule si associano fra di loro a formare tessuti che sono deputati a svolgere un ruolo nella struttura e funzione dell organismo. Tessuti con caratteristiche differenti a loro volta si uniscono per formare unità dette organi che possono associarsi a costituire complessi integrati, gli apparati o sistemi, per lo svolgimento di particolari funzioni. I tessuti fondamentali sono: epiteliale; connettivale; muscolare e nervoso. Epiteli L epitelio è costituito da cellule contigue, strettamente vicine tra di loro, con scarsa sostanza extracellulare; che formano una lamina cellulare appoggiata su una membrana basale che lo separa dal tessuto connettivo sottostante. Gli epiteli di rivestimento ricoprono le superfici esterne e interne del corpo; gli epiteli ghiandolari rivestono le superfici interne dei vasi linfatici e sanguigni e compongono le ghiandole, svolgendo quindi funzioni diverse in rapporto alla loro localizzazione. In base alla loro localizzazione e quindi in base alla loro funzione gli epiteli possono essere suddivisi in tre categorie: epiteli di rivestimento, epiteli ghiandolari o secernenti, epiteli sensoriali o neuroepiteli. Agli epiteli di rivestimento appartengono: () la cute, di origine ectodermica, che riveste la superficie esterna del corpo. () le mucose, di origine meso-endodermica, che ricoprono le superfici delle cavità comunicanti con l esterno (come il tubo digerente, l apparato respiratorio e le vie uro-genitali). () le sierose, di derivazione mesodermica, che delimitano le cavità non direttamente comunicanti con l esterno, come la pleura e il pericardio. () il rivestimento dei vasi linfatici e sanguigni, di origine meso-endodermica.

6 La pelle o cute è costituita da tre strati: () l epidermide, che rappresenta lo strato più superficiale, () il derma, costituito da tessuto connettivo, () il derma sottocutaneo, che rappresenta lo strato più profondo che entra in contatto con la muscolatura. L epidermide è costituita da un epitelio pavimentoso pluristratificato che presenta: () uno strato superficiale detto strato corneo a diretto contatto con l ambiente esterno, costituito da più strati di cellule che si appiattiscono gradualmente fino ad assumere l aspetto di sottili lamine contenenti un nucleo schiacciato e scarsi elementi cellulari; () uno strato granuloso, formato da cellule appiattite o poligonali che contengono nel citoplasma abbondanti granuli di cheratoialina composta da precursori della cheratina; () uno strato profondo detto strato malpighiano e spinoso, caratterizzato dalla presenza di cellule poliedriche con abbondanti espansioni citoplasmatiche ricche di fibrille di cheratina; () uno strato basale. L epidermide, come tutti gli epiteli di rivestimento, presenta un continuo rinnovamento delle sue componenti cellulari che dagli strati profondi migrano in superficie. Tale processo porta alla formazione di spessi strati cornei che fungono da protezione per gli strati più profondi. Nell epidermide sono presenti particolari cellule dette cheratinociti che sintetizzano cheratina, organizzata in tonofilamenti e tonofibrille, che conferisce resistenza agli strati più superficiali e, assicurando una protezione contro gli agenti esterni, regola la dispersione del calore corporeo e limita la dispersione di acqua. Inoltre sono presenti cellule, dette melanociti, che sintetizzano la melanina che si trova nel citoplasma cellulare in granuli detti melanosomi.

7 Queste cellule sono responsabili della pigmentazione cutanea. Il ruolo principale della melanina è proteggere gli stati profondi dalle radiazioni ultraviolette. Nell epidermide sono inoltre presenti cellule rotondeggianti che presentano abbondanti granuli citoplasmatici e propaggini citoplasmatiche a stretto contatto con le fibre nervose ed i bulbi piliferi. Tali cellule, dette cellule di Merkel, sono responsabili del trasferimento dello stimolo tattile dell epidermide. Il derma è composto da tessuto connettivo denso in cui si riconoscono due strati: uno strato papillare, uno strato reticolato. La differenza tra i due strati è dovuta alla diversa disposizione e compattezza delle fibre di collagene: più lasso e con un maggior numero di cellule il primo, con fasci compatti e scarsi elementi cellulari il secondo. Al di sotto del derma si trova il connettivo sottocutaneo, formato da tessuto connettivo lasso ricco di fibre elastiche che permette la mobilità della cute. Le mucose Le mucose o tonache mucose sono costituite da due strati di diversa origine e composizione: () uno superficiale epiteliale, () uno strato profondo connettivale detto tonaca o lamina propria. Al di sotto della lamina propria si trovano altri strati che nell insieme formano la parete degli organi cavi: () uno strato sottile di muscolatura liscia, la muscularis mucosae, () uno strato connettivale, la tonaca sottomucosa, () uno o più strati di tessuto muscolare liscio a formare la tonaca muscolare, la sierosa viscerale.

8 Le seriose e gli epiteli ghiandolari Le sierose, come la pleura, il pericardio e il peritoneo, sono costituite da epitelio piatto poggiato su una sottile lamina basale e da uno strato sottostante di tessuto connettivo. Gli epiteli ghiandolari costituiscono il parenchima di ghiandole esocrine ed endocrine. Epiteli sensoriali Tra le cellule degli epiteli di rivestimento si trovano cellule specializzate che intervengono in risposta a specifici stimoli. Queste cellule sensoriali sono provviste di recettori mediante i quali percepiscono gli stimoli che vengono trasmessi a neuroni sensoriali strettamente connessi a queste cellule. Cellule sensoriali sono le cellule gustative, le cellule acustiche dell organo di Corti e quelle delle macule acustiche. Il tessuto epiteliale, in rapporto alle richieste funzionali degli organi in cui si trova, presenta caratteristiche, differenze di struttura e di dimensione cellulare. A secondo del numero di strati cellulari che li compongono e della forma delle cellule dello strato superficiale, gli epiteli vengono classificati in diverse categorie. Le ghiandole Le ghiandole sono organi specializzati a sintetizzare e a secernere all esterno sostanze quali enzimi, mucopolisaccaridi, ormoni o lipidi. Nelle ghiandole l attività secernente è svolta dagli elementi epiteliali, detti epiteli ghiandolari o parenchima, mentre la funzione meccanica di sostegno delle ghiandole è fornita dal tessutoconnettivale interstiziale o stromale. Si distinguono due categorie di ghiandole sulla base del destino del prodotto di secrezione: () ghiandole esocrine, il cui prodotto di secrezione è riversato all esterno del corpo, () ghiandole endocrine, il cui prodotto di secrezione è riversato all interno del corpo.

9 Le ghiandole esocrine riversano il loro prodotto di secrezione all esterno o sulla superficie esterna del corpo, ad esempio le ghiandole sebacee e quelle sudoripare, o in cavità che comunicano con l esterno, ad esempio il fegato o il pancreas che rilasciano i loro prodotti nel lume intestinale. Le ghiandole esocrine sono dotate di dotti escretori per raccogliere e veicolare il prodotto di secrezione. Le ghiandole esocrine possono essere unicellulari o pluricellulari. Le ghiandole pluricellulari in base alla forma della cavità secernente e della ramificazione dei dotti escretori possono essere suddivise in varie categorie. Le ghiandole endocrine, quali l ipofisi, la tiroide e il pancreas riversano i prodotti di secrezione, gli ormoni, direttamente nei capillari sanguigni, pertanto non sono dotate di dotti, ma sono riccamente vascolarizzate. Il tessuto connettivo Il tessuto connettivo prende questo nome in quanto la sua funzione principale è di connettere altri tessuti nella formazione degli organi. E composto da un abbondante matrice extracellulare nella quale si trovano immerse le cellule. La sostanza intercellulare è costituita da fibre collagene, reticolari e elastiche e da una sostanza intercellulare amorfa che ha una consistenza gelatinosa. Il tessuto connettivo deriva dal mesenchimale embrionale che si forma dal mesoderma. Può essere suddiviso in quattro classi con la caratteristica comune di contenere, oltre a elementi cellulari, una sostanza intercellulare e di svolgere la funzione di connessione e di sostegno, presentando però proprietà morfologiche, funzionali e caratteristiche chimiche diverse per ogni tessuto: tessuto connettivo propriamente detto tessuto cartilagineo tessuto osseo tessuto emopoietico Il tessuto connettivo propriamente detto può essere suddiviso in: tessuto connettivo lasso tessuto connettivo denso o compatto

10 Nel primo le fibre di collagene sono scarse e sono intrecciate in modo casuale, il tessuto forma le tonache situate al di sotto degli epiteli di rivestimento e le tonache sottomucose degli organi cavi, quali lo stomaco, l intestino, le vie respiratorie. Le cellule del tessuto connettivo lasso elaborano la sostanza intercellulare amorfa e svolgono funzioni di difesa contro agenti estranei mediante processi di fagocitosi e produzione di anticorpi e di composti ad azione vasodinamica. Le cellule più abbondanti sono fibroblasti e macrofagi, ma anche plasmacellule e cellule adipose. I fibroblasti sono deputati alla produzione delle fibre collagene ed elastiche e degli elementi macromolecolari che compongono la sostanza amorfa.

11 Generalmente si trovano associati alle fibre e hanno forma allungata, ma possono presentare anche numerosi prolungamenti citoplasmatici e forma stellata. I macrofagi svolgono un ruolo fondamentale nei processi di difesa, derivano dai monociti dal sangue periferico, ma hanno caratteristiche diverse dai macrofagi circolanti. I macrofagi del tessuto connettivo lasso sono cellule stellate o fusiformi dotate di prolungamenti e sono generalmente associate alle fibre del tessuto, ma sono dotate di attività ameboide che gli permette di dirigersi verso zone di infezione dove svolgono il ruolo fondamentale di fagocitosi di materiale estraneo, quali batteri, cellule morte, detriti cellulari che si formano nel corso dell infiammazione. Il materiale fagocitato viene degradato dagli enzimi lisosomiali ed i residui espulsi dalla cellula. Nel tessuto connettivo lasso sono presenti i mastociti o mastcells, cellule di grosse dimensioni di forma allungata od ovale. La peculiarità di queste cellule è di contenere nel citoplasma numerosi granuli che contengono eparina e istamina. L eparina ha una funzione anticoagulante, mentre l istamina ha una funzione vasodilatatrice e aumenta la permeabilità dei capillari. La funzione dei mastociti è quindi di rispondere a danni traumatici dei tessuti mediante il rilascio di questi due composti. Nel tessuto connettivo denso o compatto le fibre sono molto abbondanti e organizzate in fasci che conferiscono al tessuto una notevole consistenza; nel derma le fibre sono disposte in modo irregolare, mentre nei tendini e nei legamenti le fibre sono raccolte in fasci paralleli. Il tessuto connettivo denso inoltre è presente nel parenchima delle ghiandole e forma i setti che dividono l organo in lobi e lobuli. Il tessuto connettivo ha quindi una funzione meccanica di sostegno e inoltre provvede alla nutrizione e agli scambi ionici e gassosi degli elementi cellulare di tutti gli organi. Tessuto cartilagineo Il tessuto cartilagineo è, come il tessuto osseo, un tessuto connettivo di sostegno dotato di proprietà meccaniche e fondamentale per il ricambio di elettroliti. E costituito da cellule, dette condrociti, immerse in una sostanza intercellulare composta da fibre e da matrice amorfa. Nei Mammiferi negli stadi embrionali e fetali lo scheletro è formato da cartilagine che viene sostituita durante lo sviluppo da tessuto osseo, mediante il processo di ossificazione. Durante l accrescimento la cartilagine rimane nelle zone dell epifisi e diafisi delle ossa lunghe, per permetterne lo sviluppo in lunghezza; nell adulto invece permane in corrispondenza delle superfici articolari, del naso, dell orecchio esterno, della laringe e della trachea. Nella cartilagine sono assenti nervi e vasi, per cui la nutrizione avviene per semplice diffusione attraverso la matrice del tessuto. In base alla percentuale di sostanza amorfa in relazione al numero di fibre si distinguono tre tipi di cartilagine: ialina, che rappresenta il tessuto cartilagineo più diffuso elastica fibrosa

12 Le cellule del tessuto cartilagineo o condrociti si trovano avvolte dalla sostanza intercellulare in spazi denominati lacune che possono contenere uno o più condrociti. I condrociti sintetizzano e rilasciano nello spazio intercellulare la matrice cartilaginea composta da una componente amorfa e da fibre di collagene che formano un fitto reticolo e inoltre sintetizzano granuli contenenti fosfatasi alcalina ed acida e glicoproteine fondamentali per il processo di ossificazione. La cartilagine elastica, differisce da quella ialina per la presenza di un numero maggiore di fibre nella matrice e per la sua elasticità e flessibilità. Nell adulto forma il padiglione auricolare e le cartilagine della tuba di Eustacchio. La cartilagine fibrosa è caratterizzata dalla presenza di grossi fasci di fibre immersi in una scarsa matrice cartilaginea lungo i quali si dispongono i condrociti circondati da una capsula di tessuto cartilagineo. Nell adulto formano i dischi intervertebrali e i menischi articolari. Tessuto osseo

13 Il tessuto osseo è caratterizzato dalla mineralizzazione, ossia dalla presenza di cristalli di calcio, della matrice extracellulare che gli conferisce proprietà meccaniche di durezza e resistenza alla trazione e alla pressione, ma anche flessibilità. Il tessuto osseo subisce per tutta la vita un continuo rimodellamento e rinnovamento sia per necessità meccaniche, ma soprattutto per il suo fondamentale ruolo nel regolare la concentrazione plasmatica del calcio, ione fondamentale per la maggior parte delle funzioni vitali dell individuo. Il tessuto osseo è il costituente principale delle ossa scheletriche e forma la dentina e il cemento dei denti. Lo scheletro oltre a essere l impalcatura di sostegno dell organismo, fornisce una protezione agli organi interni ed è una componente fondamentale dell apparato locomotore in quanto su di esso si inseriscono i tendini ed i muscoli. Inoltre la cavità interna delle ossa è la sede dei processi ematopoietici, ossia della produzione delle cellule del sangue. La caratteristica principale del tessuto osseo è la sua struttura lamellare. Le lamelle sono costituite da cellule e da matrice intracellulare. Le cellule ossee, come vedremo, sono gli osteociti accolti in cavità della matrice dette lacune ossee, dalle lacune si dipartono sottili canali scavati nella matrice, detti canalicoli ossei che sono in comunicazione tra loro e con i canali che ospitano i vasi sanguigni, detti canali di Havers. Esistono due tipi di tessuto osseo, spugnoso e compatto, che presentano gli stessi tipi di cellule, stessa matrice intracellulare e stessa struttura lamellare, ma differiscono per la disposizione delle lamelle.

14 Nell osso spugnoso le lamelle formano trabecole ossee intersecate fra di loro che ospitano cavità, dette cavità midollari il midollo osseo ematopoietico. L osso spugnoso è presente nelle ossa brevi, piatte e a livello dell epifisi delle ossa lunghe. Nell osso compatto che forma la porzione più superficiale, più densa, delle ossa piatte e lunghe e in cui non si riconoscono cavità evidenti, le lamelle sono disposte parallelamente in modo ordinato e compatto. Il tessuto osseo è composto da una porzione cellulare e da una matrice extracellulare. Le cellule caratteristiche del tessuto osseo sono: () osteoblasti, () osteociti, () osteoclasti. La matrice extracellulare è composta da: una porzione organica, formata principalmente da collagene, una porzione inorganica o minerale, composta da sali di fosfato di calcio e carbonato di calcio sotto forma di cristalli di idrossiapatite. Gli osteoblasti sono le cellule deputate alla deposizione della matrice ossea, sia della porzione organica, composta da collagene proteoglicani e glicoproteine, che di quella inorganica, composta essenzialmente da sali si calcio. Sono localizzati essenzialmente sulla superficie dell osso in crescita dove formano uno strato simile ad un epitelio. Sono cellule grandi con nucleo tondeggiante e citoplasma ricco di granuli che contengono i componenti essenziali alla formazione della matrice extracellulare. Quando la formazione di un osso neoformato viene completata gli osteoblasti si trasformano in osteociti, cioè osteoblasti che rimangono intrappolati all interno della matrice ossea da loro deposta. Le cellule osteoprogenitrici, ossia quelle che daranno origine ad osteoblasti maturi rimangono in stato quiescente in corrispondenza del periostio, ossia sulla superficiale dell osso e dell endostio, ossia la superficie dell osso che racchiude il canale midollare.

15 Gli osteociti sono le cellule del tessuto osseo che ha completato lo sviluppo e pertanto sono da considerarsi cellule allo stadio terminale della loro vita. Il corpo cellulare rimane racchiuso in cavità della matrice ossea dette lacune ossee. Hanno un corpo cellulare appiattito provvisto di numerosi e sottili prolungamenti raccolti in canalicoli ossei che permettono il contatto tra osteociti adiacenti e quindi il passaggio di gas e di sostanze nutritive da una cellula all altra e i vasi sanguigni contenuti nei canali di Havers. Questo sistema di canalicoli ossei è indispensabile per la vitalità del tessuto osseo in quanto la presenza di una matrice calcificata impedisce la diffusione delle sostanze nutritive e dei metaboliti.

16 Gli osteoclasti sono le cellule deputate al riassorbimento della matrice ossea, cioè alla degradazione della matrice. Tale processo porta ad un rimodellamento della superficie interna dell osso e di conseguenza dell osso stesso. Tale processo è molto abbondante durante lo sviluppo dell organismo, ossia durante la crescita dell individuo, infatti la crescita delle ossa che accompagna l accrescimento dell individuo, non può attuarsi senza un massiccio rimodellamento delle ossa. Ma tale processo continua per tutta l esistenza dell individuo ed è di importanza fondamentale per l omeostasi di ioni, quali gli ioni calcio, fondamentali per il corretto funzionamento degli organi vitali. Gli osteoclasti si originano da precursori, detti preosteoclasti, ematopoietici contenuti nel midollo osseo che appartengono alla linea monocitariamacrofagica. I pre-osteoclasti si fondono a dare origine ad osteoclasti maturi che sono cellule giganti e che contengono un elevato numero di nuclei (da 10 a 50 nuclei per cellula). L osteoclasta maturo aderisce alla superficie dell osso da rimodellare in modo da formare una zona sigillata tra la sua membrana plasmatica e la matrice dell osso. In tale zona detta, lacuna di riassorbimento o lacuna di Howship, avvengono i processi chimici che portano alla degradazione della matrice ed alla sua rimozione da parte dell osteoclasta. La membrana plasmatica dell osteoclasta che si affaccia sulla lacuna di riassorbimento, assume una conformazione a spazzola che costituisce l orletto striato formato da invaginazione della membrana plasmatica stessa al fine di aumentare la superficie di contatto tra la cellula e la matrice ossea. Nella membrana plasmatica dell osteoclasta si riconoscono altre due regioni funzionali: () la membrana apicale attraverso la quale vengono espulsi nell ambiente esterno i prodotti di degradazione della matrice ossea; () la membrana baso-laterale grazie alla quale l osteoclasta effettua gli scambi ionici necessari per il processo di degradazione. Il processo di riassorbimento della matrice ossea richiede la degradazione sia della componente organica della matrice, composta come detto essenzialmente da collagene, che la dissoluzione della componente inorganica, composta da cristalli di idrossiapatite. A tal scopo l osteoclasta rilascia all interno della lacuna di riassorbimento enzimi proteolitici in grado di digerire la porzione organica della matrice, tali enzimi possono funzionare solo in presenza di un ambiente fortemente acido.

17 La formazione di un ambiente acido è attuata mediante il rilascio da parte degli osteoclasti di ioni idrogeno (H + ) e di ioni cloro (Cl - ) grazie a pompe di membrana presenti a livello dell orletto a spazzola. Gli ioni idrogeno derivano dalla dissociazione dell acido carbonico, mentre gli ioni cloro vengono scambiati a livello della membrana baso-laterale con ioni bicarbonato. La presenza di un ambiente acido così formatosi, dissolve la componente organica e permette il corretto funzionamento degli enzimi litici. I prodotti della degradazione vengono incorporati dall osteoclasta in particolari vescicole dove vengono metabolizzati da enzimi specifici, quali la catepsina K, e quindi rilasciati nell ambiente esterno a livello della membrana apicale. La degradazione della matrice risulta pertanto nella formazione di profonde lacune di riassorbimento. Una volta completato il riassorbimento, l osteoclasta si stacca dalla matrice ossea e si muove verso una nuova zona di matrice da rimodellare. I processi di formazione del nuovo tessuto osseo, grazie agli osteoblasti, e la degradazione delle sue porzioni, grazie agli osteoclasti, sono fenomeni finemente regolati sia da fattori di omeostasi dell organismo (livello del calcio nel plasma), che da fattori fisico-meccanici, che nel loro insieme sono in grado di regolare il differenziamento e l attivazione sia degli osteoblasti che degli osteoclasti.

18 IL SANGUE Il sangue è un tessuto fluido che circola nell organismo all interno di un sistema chiuso di canali, i vasi sanguigni, attraverso il quale si realizza il trasporto di sostanze nutritive, gas, sostanze chimiche quali gli ormoni e prodotti di rifiuto. Il sangue è composto da: () cellule o elementi figurati (globuli rossi, globuli bianchi, piastrine) presenti in sospensione nel plasma e dove rappresentano circa il 40-45% del volume totale (valore ematocrito) del sangue, () una sostanza intracellulare fluida detta plasma che costituisce il 55-60% del volume del sangue. Le funzioni principali del sangue, svolte sia dal plasma che dalla porzione cellulare sono: () trasportare gas disciolti, portando ossigeno dai polmoni ai tessuti periferici e anidride carbonica dai tessuti periferici ai polmoni, dove avviene lo scambio dei gas con l ambiente esterno; () trasportare e distribuire le sostanze nutritive assorbite a livello dell apparato digerente o rilasciate dal tessuto adiposo o dal fegato;

19 () trasportare i prodotti di rifiuto, o del catabolismo, dai tessuti periferici agli organi deputati alla loro eliminazione, come i reni; () trasportare specifiche sostanze chimiche, quali enzimi e ormoni, a specifici tessuti-bersaglio; () difendere il corpo tramite il trasporto dei globuli bianchi, cellule specializzate per combattere infezioni da microrganismi e da agenti patogeni e eliminare le tossine prodotte durante processi infiammatori, infezioni o da specifiche attività metaboliche; () regolare la composizione elettrolitica dei liquidi nelle diverse zone del corpo; () regolare la temperatura del corpo assorbendo e ridistribuendo calore. Nell uomo adulto il sangue rappresenta circa l 8% del peso corporeo e il suo organismo ne contiene 5-6 litri. Il plasma è formato per più del 90% da acqua, nella quale sono disciolte numerose sostanze solide che comprendono: 1. proteine semplici sintetizzate principalmente dal fegato quali: le albumine, che hanno importanti funzioni osmotiche, le globuline, che trasportano i grassi quali i trigliceridi, gli acidi grassi o il colesterolo che non sono solubili in acqua. Delle globuline fanno parte: le immunoglobuline, essenziali nei processi immunitari in quanto attaccano le proteine estranee e gli agenti patogeni; il fibrinogeno, fondamentale nella coagulazione del sangue, interviene quando il sangue è esposto all aria o quando i vasi sono lesi. In queste condizioni il fibrinogeno precipita sotto forma di filamenti di fibrina formando una sottile rete che intrappola gli elementi figurati del sangue a tamponare la lesione. 2. proteine coniugate come lipoproteine e glicoproteine. 3. ormoni, sostanze nutritive (glucosio, vitamine, amminoacidi, lipidi), gas (anidride carbonica, ossigeno), ioni (sodio, cloruro, calcio, potassio, magnesio) e sostanze di rifiuto come l'urea. Gli elementi figurati Tutti gli elementi del sangue vengono prodotti nel midollo osseo delle ossa brevi o piatte quali sterno, corpi vertebrali e cresta iliaca e a livello delle epifisi delle ossa lunghe quali omero e femore. Le maggiori componenti cellulari del sangue sono: () globuli rossi o eritrociti () globuli bianchi o leucociti () piastrine. I globuli rossi o eritrociti (o emazie) sono elementi altamente specializzati per la funzione di trasporto dell ossigeno. Il numero medio di eritrociti nell individuo adulto è di 5 milioni/mm 3 nell uomo e di circa 4,5 milioni per mm 3 nella donna. In tutti i Mammiferi i globuli rossi sono privi di nucleo e dei principali organuli citoplasmatici che vengono persi durante il differenziamento e la maturazione cellulare. Hanno una caratteristica forma biconcava con la parte centrale schiacciata. L assenza di nucleo e degli organuli e la forma biconcava degli eritrociti assicura la massima efficienza respiratoria in quanto consentono un rapido scambio di ossigeno e anidride carbonica all interno della cellula. Il citoplasma è costituito da acqua e da piccole quantità di lipoproteine e contiene il pigmento respiratorio,

20 l emoglobina, che gli conferisce il colore rosso. L emoglobina è una grossa molecola proteica contenente ferro, che rappresenta circa un terzo del peso della cellula. L emoglobina ha la capacità di: () legare in modo reversibile l ossigeno a livello degli alveoli polmonari, dove la concentrazione di ossigeno è elevata, () trasportarlo mediante il sistema arterioso, () cederlo a livello dei tessuti dove la concentrazione è bassa. Dopo aver ceduto l'ossigeno, l'emoglobina si combina con l anidride carbonica prodotta dal metabolismo cellulare; quest ultima viene quindi trasportata dagli eritrociti, mediante il sistema venoso, a livello polmonare dove viene rilasciata. Grazie all'emoglobina, il sangue è in grado di trasportare una quantità di ossigeno 70 volte superiore a quella che sarebbe possibile se l'ossigeno fosse semplicemente disciolto nel plasma. I globuli rossi hanno una vita media di circa 4 mesi ed il loro numero si mantiene costante grazie a un meccanismo di controllo negativo, regolato dall'ormone eritropoietina. L'eritropoietina viene prodotta e rilasciata in circolo dai reni in risposta a una carenza di ossigeno, che si può verificare o in seguito a una perdita di sangue o in caso di prolungati soggiorni ad alta quota. L'ormone stimola il midollo osseo alla sintesi di nuovi globuli rossi. Quando il livello di ossigeno nei tessuti torna a valori normali, la produzione di eritropoietina viene inibita, e quindi anche i livelli di globuli rossi neoformati ritorna normale. Il gruppo sanguigno, peculiare di ogni individuo, è determinato da specifiche proteine presenti sulla membrana dei globuli rossi. Il sangue è suddiviso nei gruppi: A, B, AB, 0. In base alla presenza o meno sulla membrana plasmatica dei globuli rossi, delle proteine indicate con le lettere A e B. La proteina A è presente nel sangue di gruppo A, la proteina B nel sangue di gruppo B, entrambe le proteine sono presenti nel sangue di gruppo AB, mentre sono assenti nel sangue di gruppo 0. Nel plasma di ciascun individuo sono inoltre presenti anticorpi contro le proteine mancanti nei suoi globuli rossi: ad esempio un individuo con sangue di gruppo B possiede anticorpi contro le proteine A e per questo è necessario, in caso di trasfusioni, utilizzare sangue con gruppi sanguigni compatibili.

21 I globuli bianchi o leucociti sono cellule provviste di nucleo, citoplasma e organuli citoplasmatici; dotate di proprietà ameboide che le rendono capaci di attraversare la parete di capillari e di migrare all interno dei tessuti, sono le cellule responsabili della difesa immunitaria dell'organismo. Sono molto meno numerosi degli eritrociti e sono presenti in condizioni normali in un individuo adulto nel numero di per mm 3, che rappresenta circa l 1% delle cellule totali del sangue. Al contrario degli eritrociti che svolgono la loro attività nel sangue circolante, i globuli bianchi compiono la loro funzione e il loro ciclo vitale nei tessuti connettivi periferici, utilizzando il circolo sanguigno come sistema di trasporto. Sulla base della forma del nucleo e delle sue dimensioni e della presenza o meno di granuli citoplasmatici i leucociti vengono suddivisi in due categorie: granulociti che si suddividono in: o granulociti neutrofili o granulociti basofili o granulociti eosinofili. cellule linfoidi che si suddividono in: linfociti o monociti.

22 I globuli bianchi svolgono una funzione di difesa contro aggressori che provengono dall'esterno e come detto utilizzano il sistema circolatorio per raggiungere il luogo in cui sono presenti gli elementi estranei. Le principali funzioni delle singole classi posso essere così riassunte: () Granulociti neutrofili. Il loro compito principale è la difesa dell'organismo dalle infezioni, soprattutto quelle causate da batteri; i neutrofili infatti contengono diverse proteine e sostanze chimiche in grado di danneggiare irreversibilmente le membrane dei microrganismi patogeni e quindi distruggerli. () Granulociti eosinofili. La loro funzione principale è la difesa dell'organismo da alcuni tipi di parassiti e nelle infiammazioni da reazione immunitaria (malattie allergiche, asma bronchiale, orticaria). Contenendo perossidasi ed enzimi lisosomali sono in grado di lisare le pareti cellulari dei microrganismi.

23 () Granulociti basofili. La funzione principale di queste cellule, pur possedendo capacità fagocitaria, è di secernere sostanze anticoagulanti e vasodilatatrici come l'istamina e la serotonina, regolando le modificazioni vascolari e la permeabilità nel sito di infiammazione. I linfociti sono le cellule del sistema immunitario che costituiscono la difesa dell organismo contro l'attacco di microrganismi patogeni come virus, batteri, funghi. I linfociti producono particolari proteine, dette anticorpi, che vengono esposte sulla membrana cellulare. Gli anticorpi sono molecole proteiche in grado di legarsi a molecole di forma complementare, dette antigeni, e di riconoscerle in modo specifico. Gli anticorpi, come tutte le altre proteine, sono codificati da geni e grazie ad un meccanismo di ricombinazione di geni specifici, ogni linfocita è in grado di produrre anticorpi di una forma particolare e specifica. Questo fa sì che ciascun linfocita sia in grado di riconoscere soltanto l'antigene di forma complementare. Anche se ciascun linfocita è altamente selettivo nel riconoscimento di una sola molecola antigenica, il numero di linfociti in circolo è talmente elevato da essere in grado di riconoscere tutti gli antigeni presenti in cellule nell'organismo, sia proprie che estranee. Le cellule del sistema immunitario, cooperano fra loro per attivare, ottimizzare e rendere specifica la risposta immunitaria. Esistono diversi tipi di linfociti, con funzioni differenti: linfociti B; linfociti T, Natural Killer.

24 I linfociti B maturano e vengono attivati nel midollo osseo, e si trasformano in plasmacellule che producono e riversano nel circolo un enorme quantità di anticorpi. Questi anticorpi liberi, quando incontrano microrganismi che possiedono molecole, dette epitopi, di forma complementare, si legano ad esse formando dei complessi che vengono fagocitati da cellule in grado di riconoscerli. I linfociti T maturano e si attivano a livello del timo e si suddividono in tre categorie: () linfociti T citotossici () linfociti T helper () linfociti T soppressori. I linfociti citotossici non sono in grado di sintetizzare anticorpi ma sono in grado di esporli a livello della membrana, questo permette loro di riconoscere cellule dell organismo infettate da virus o cellule cancerogene. I linfociti citotossici rilasciando perforine, sostanze che producono lesioni sulla membrana della cellula bersaglio, provocano la morte per lisi della parete cellulare. I linfociti helper sono necessari per attivare sia i linfociti B che i linfociti Tcitotossici che non intervengono contro gli agenti estranei pur dopo il riconoscimento antigene-anticorpo. I linfociti soppressori modulano la risposta immunitaria. Il sistema immunitario deve essere in grado di riconoscere ciò che è estraneo all organismo senza aggredire le cellule dell'organismo a cui appartiene, ossia evitare una reazione autoimmune che arrecherebbe gravi danni all organismo. Questo avviene essenzialmente grazie alla fine regolazione dell attività dei linfociti T helper che sono in grado di attivare solo i linfociti T e B che hanno riconosciuto antigeni estranei all organismo e non quelli di cellule dell organismo stesso. Inoltre il sistema immunitario ha delle cellule memoria, che sono linfociti non attivi, ma che sono in grado di riattivarsi in seguito ad incontri successivi con lo stesso antigene. Nel sangue periferico e negli organi linfoidi si trova un altra classe di linfociti le cellule NK o Natural Killer. Queste cellule non presentano recettori per l'antigene e svolgono essenzialmente attività citotossica di difesa di tipo non specifico e non sono attivate da linfociti T helper. Oltre a uccidere virus, batteri, cellule infettate e cellule neoplastiche, questi linfociti regolano anche la produzione di altre cellule del sangue quali eritrociti e granulociti.

25 I Monociti sono i precursori dei macrofagi, cellule ameboidi di grosse dimensioni in grado di incorporare particelle estranee. I monociti maturano nel midollo osseo dopodichè vengono immessi nella circolazione sanguigna dove permangono per 1-2 giorni. Da qui migrano nel tessuto connettivo, dove si differenziano in macrofagi in grado di muoversi nei tessuti. In presenza di infiammazioni, i monociti migrano dai vasi sanguigni, si differenziano in macrofagi ed iniziano l attività fagocitaria, ossia inglobano nel loro citoplasma particelle o parti di cellule. Inoltre i macrofagi producono sostanze che hanno funzioni difensive, come il lisozima ed altre sostanze che regolano la funzionalità di altre cellule. I macrofagi cooperano nella difesa immunitaria, espongono sulla membrana molecole delle particelle fagocitate e li presentano alle cellule più specializzate, come i linfociti T e B. Le piastrine Le piastrine si formano dalla frammentazione dei megacariociti. Queste sono grosse cellule presenti nel midollo osseo da cui, mediante gemmazioni citoplasmatiche avvolte dalla membrana, hanno origine le piastrine. Una volta formatesi, le piastrine entrano nel circolo sanguigno dove svolgono un ruolo essenziale nel processo di coagulazione. Come i globuli rossi, le piastrine sono prive di nucleo e il loro ciclo vitale è molto breve, valutabile in giorni.

26 La lesione sulla superficie di un vaso sanguigno induce la produzione dell'enzima trombina, che catalizza la trasformazione del fibrinogeno in molecole di fibrina. Le molecole di fibrina si intrecciano fittamente tra di loro dando origine a una matrice fibrosa, una rete di filamenti proteici che immobilizza la porzione fluida del sangue e dove aderiscono le piastrine provocando la formazione del coagulo che riduce la lesione ravvicinando le superfici lese e favorendo la cicatrizzazione, difendendo l organismo da emorragie. La linfa La linfa è un liquido che scorre in vasi simili a quelli sanguigni, detti vasi linfatici. E costituita da una porzione fluida simile al plasma sanguigno e da elementi cellulari. Le cellule sono quasi esclusivamente linfociti, mentre sono completamente assenti i globuli rossi. Il circolo linfatico è fondamentale per il trasporto dei linfociti che maturano negli organi linfoidi primari o linfonodi. I linfonodi sia durante la vita fetale che quella adulta, vengono continuamente riforniti di linfociti differenziati ossia che sono già immunologicamente attivati e che derivano dal timo (linfociti T) e dal midollo osseo (linfociti B), da cui rientrano nel circolo venoso. L attività principale dei linfonodi si manifesta quando l organismo entra in contatto con sostanze antigeniche o infettive. Gli antigeni vengono sequestrati a livello dei linfonodi, così da metterli in contatto con le cellule immunocompetenti, liberare anticorpi e produrre linfociti specifici mediante un attiva linfopoiesi. Gli anticorpi e le cellule vengono riversati a livello del circolo venoso.

27 IL TESSUTO MUSCOLARE Per tessuto muscolare si intende il parenchima comune a tutti i tipi di muscolo, la cui caratteristica peculiare è la capacità di contrarsi, data dagli elementi cellulari che lo compongono. In base a caratteristiche strutturali e funzionali si distinguono: Tessuto muscolare striato scheletrico. Insieme allo scheletro è responsabile della locomozione e del movimento di tutte le parti del corpo. Caratterizzato da una striatura trasversale regolare, è costituito da grossi elementi cellulari polinucleati sinciziali, ossia derivati dalla fusione di più cellule, innervati dal sistema nervoso centrale, che si contraggono sotto il controllo della volontà. Tessuto muscolare striato cardiaco. Responsabile della contrazione cardiaca, è costituito da cellule distinte e non sinciziali; è innervato dal sistema nervoso autonomo, pertanto si contrae indipendentemente dalla volontà.

28 Tessuto muscolare liscio. E localizzato nella parete dei vasi e degli organi viscerali. Costituito da elementi cellulari mononucleati privi di striatura trasversale, è innervato dal sistema nervoso autonomo, pertanto la contrazione è indipendente dalla volontà. Il tessuto muscolare striato scheletrico Il tessuto muscolare striato scheletrico è costituito da elementi multinucleati cilindrici di notevoli dimensioni detti fibre muscolari. Le fibre muscolari associate fra di loro per mezzo di tessuto connettivo costituiscono i muscoli striati, propri del sistema locomotore. La caratteristica morfologica e funzionale più evidente di queste fibre è la presenza di una striatura trasversale dovuta alla presenza di un elevato numero di sottili fibrille, dette miofibrille, fra loro parallele e disposte lungo l asse longitudinale della fibra muscolare. Le miofibrille sono composte da due tipi di miofilamenti che, grazie alla loro disposizione all interno della miofibrille, ne determinano la striatura.

29 Come accennato precedentemente, le fibre muscolari sono sincizi polinucleati che si formano durante lo sviluppo embrionale in seguito alla fusione di singole cellule mononucleate dette mioblasti. Il numero dei nuclei nelle singole fibre dipende dalle dimensioni della fibramuscolare stessa: in fibre di grosse dimensioni può arrivare ad essere di alcune centinaia, con i nuclei che compaiono confinati alla periferia della fibra al di sotto della membrana plasmatica. Ciascuna fibra muscolare è avvolta da una membrana plasmatica, detta sarcolemma. Lo spazio tra le miofibrille è occupato dal citoplasma, denominato sarcoplasma, che contiene molti mitocondri, un apparato di Golgi molto sviluppato e un reticolo endoplasmatico liscio, che prende il nome di reticolo sarcoplasmatico, che circonda le singole miofibrille. Struttura delle miofibrille Le miofibrille sono costituite da miofilamenti che sono le unità strutturali e funzionali delle miofibrilla essendo responsabili della contrazione muscolare. Le miofibrille si distinguono per dimensioni e composizione chimica in: () filamenti spessi, composti essenzialmente da miosina. () filamenti sottili, composti principalmente da actina. La miosina è una proteina filamentosa formata da una porzione allungata, detta coda, e da un estremità globosa, detta testa. La molecola di miosina è composta da due catene identiche dette subunità pesanti e da quattro catene, identiche due a due, dette subunità leggere. Le catene pesanti costituiscono la coda e partecipano con le catene leggere alla formazione della testa. I filamenti sottili sono costituiti da actina, in grado di legarsi alla miosina, e da due proteine la tropomiosina e la troponina. I singoli filamenti sottili sono formati da due filamenti di F-actina avvolti ad elica l uno sull altro. Ogni filamento di F-actina è composto da subunità globulari proteiche di G-actina. La tropomiosina è formata da molecole proteiche allungate che si dispongono coda-coda a formare un lungo filamento che si dispone lungo il filamento di actina. La troponina è una proteina globulare disposta lungo il filamento di tropomiosina.

30 Contrazione muscolare La contrazione muscolare avviene grazie ad uno scorrimento dei miofilamenti sottili rispetto a quelli spessi senza che vi sia una diminuzione fisica della lunghezza dei filamenti medesimi. L unità strutturale e funzionale delle miofibrille prende il nome di sarcomero. E possibile riconoscervi una banda o disco Z da actina e tropomiosina che si uniscono in due sarcomeri successivi, una banda A che rappresenta la zona di sovrapposizione dei filamenti sottili e spessi e una banda I composta esclusivamente da miosina. Il sarcomero è l unità compresa tra due bande Z. Come notiamo dalla figura, nel muscolo a riposo i filamenti spessi, con le teste della miosina che sporgono all esterno del filamento spesso, si trovano staccati dai filamenti sottili. Durante la contrazione le teste della miosina entrano in contatto con le subunità di actina dei filamenti sottili: la flessione della testa di miosina comporta uno scivolamento delle miofibrille sottili e di conseguenza una contrazione dell intera miofibrilla e quindi del fascio muscolare. Perché avvenga un accorciamento significativo delle miofibrille, lo scorrimento delle miofibrille deve essere un processo ciclico, ossia le teste di miosina che sporgono dal filamento spesso si devono attaccare in successione a diverse molecole di actina in modo da provocare uno scivolamento significativo dei miofilamenti. L energia per la contrazione muscolare necessaria per i cicli di interazione tra miosina ed actina, viene fornita dall idrolisi di ATP (adenosintrifosfato) grazie all enzima ATPasi (adenosintrifosfatasi). Quando l impulso nervoso giunge alla fibra muscolare, l enzima ATPasi viene attivato e catalizza la scissione di ATP in ADP liberando l energia necessaria alla flessione della testa di miosina e allo scorrimento dei filamenti. Terminato lo stimolo nervoso, cessa la fornitura di energia, la testa della miosina si stacca dall actina e la fibra muscolare torna allo stato di riposo. L attivazione dell enzima adenosintrifosfatasi è regolata dalla presenza di ioni calcio che vengono rilasciati a livello del reticolo sarcoplasmatico in seguito allo stimolo nervoso e vengono rimossi alla fine dello stimolo stesso. Pertanto il reticolo sarcoplasmatico svolge una funzione fondamentale nella fisiologia muscolare dimostrata dalla presenza di un esteso reticolo sarcoplasmatico che circonda le singole miofibrille.