Biomedical Engineering - Bioingegneria Chimica

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BIOINGEGNERIA CHIMICA 2 Lez. 1 : I polimeri naturali: polisaccaridi, proteine e acidi nucleici. I tessuti naturali contengono acqua (70%), macromolecole, ioni e piccole molecole. Le principali macromolecole sono, in ordine di percentuale di presenza: proteine, acidi nucleici, polisaccaridi, lipidi Polimeri naturali come biomateriali? VANTAGGI SVANTAGGI Elevata affinità con l’acqua Solubili in ambiente biologico, scarse proprietà meccaniche Similitudine con ambiente biologico Potenziale innesco di rea zioni avverso (immunogenicità) Biodegradabili mediante meccanismi fisiologici Degradazione non controllabile (idrolisi, degradazione enzimatica); immunogenicità Isolabili da fonti naturali Processi di estrazione e purificazione complessi e costosi; alta variabilità della fonte; trasmissione patogeni Modificabili chimicamente per migliorarne le caratteristiche Scarsa riproducibilità delle risultanti Potenziali utilizzi in diversi settori a seconda delle caratteristiche chimico -fisiche, meccaniche, morfo logiche. SETTORE APPLICAZIONI Riparazione ferire Cerotti bioriassorbibili… Rilascio controllato di farmaci Drug delivery system… Rivestimento superficiale di altri biomateriali Coating di biomolecole per facilitare adesione delle cellule… Cosmesi Filler… Alimentare Addensanti, gelificanti… I polimeri naturali di interesse per le applicazioni biomedicali sono polisaccaridi, proteine, acidi nucleici. I polisaccaridi: I polisaccaridi, o carboidrati, sono molecole/macromolecole essenziali per i processi metabolici e per la vita. Possono essere lineari o ramificati. Possono avere carica netta positiva, negativa o neutra RUOLO UN ESEMPIO Riserva di energia Glucosio, glicogeno Impalcatura strutturale Chiosano, membrana cellulare (batteri e piante) Molecole segnale ed intermedi metabolici per processi cellulari Acido ialuronico I polisaccaridi sono composti principalmente da Carbonio (C), Ossigeno (O), Idrogeno (H). Altri gruppi funzionali: -NH 2, -SO 3; -COO. Formula bruta [CH2O] n Come li rappresento? Struttura di Fisher (lineare -1), proiezione di Hayworth (ciclica -2), rappresentazione conformazionale (sedia o barca -3); configurazione assoluta (4); rappresentazione spaziale (stecca -sfera) Classificazioni: semplici/complessi; grup po aldeidico/chetonico; numero di atomi di carbonio (esosi/pentosi); In base alla presenza di un gruppo aldeidico o chetonico: In base al numero di atomi di carbonio : triosi (3), tetrosi (4), pentosi (5), esosi (6), eptosi (7). Esosi : gruppo di monosaccaridi con sei atomi di carbonio . Pentosi : gruppo di monosaccaridi con cinque atomi di carbonio . Gli esosi hanno più centri chirali rispetto ai pentosi: il numero di possibili stereoisomeri degli esosi è superiore a quello dei pentosi. In base all’ isomeria: Isomeri : sono composti diversi che hanno la stessa formula molecolare; gli isomeri strutturali sono caratterizzati da una diversa concatenazione degli atomi; gli stereoisomeri hanno stessa concatenazione degli atomi, ma diversa orientazione degli stessi nello spazio. Stereoisomeri : si suddividono in enantiomeri e diastereoisomeri; gli enantiomeri sono stereoisomeri le cui molecole sono l’una l’immagine speculare e non sovrapponibile dell’altra; i diastereoisomeri sono coppie di stereoisomeri che non sono immagini speculari; gli epimeri sono diastereoisomeri che differiscono per la configurazione presso un solo stereocentro . Configurazione assoluta (R, S): R – rectus, diritto; l’ordine di priorità dei gruppi su un centro chirale è in senso orario. S – sinister, sinistro; l’ordine di priorità dei gruppi su un centro chirale è in senso antiorario. Direzione in cui ruota la luce polarizzata (L,D): negli zuccheri prevale la configurazione D (negli amminoacidi prevale la configurazione L) . Anomero: epimero incorporato all'interno di una struttura ad anello. ANOMERI: configurazione alfa o beta a seconda della posizione dell’ossidrile al di sotto (alfa) o al di sopra (beta) del piano della molecola. I gruppi ossidrilici e carbonilici dei monosaccaridi possono subire una reazione di ciclizzazione intramolecolare per formare emiacetali (C legato a un gruppo R, OH e un gruppo OR') o emichetali (C legato a un gruppo R, OR e un gruppo OR') che hanno cinque o sei atomi di C nell’anello. La chiusura dell’anello converte il C aldeidico in un carbonio emiacetalico asimmetrico per cui si avranno due strutture (isomeri alfa e beta) che differiscono solo per la configurazione al C -1. La differenza nella configurazione al C -1 ha impatto sulla c onformazione e funzioni del monosaccaride cosi come del polisaccaride risultante. Legame glicosidico: reazione di condensazione fra il gruppo ossidrile del carbonio anomerico del primo monosaccaride ed un gruppo ossidrile del secondo (più comuni sono C1 - C4 e C1 -C6). Possono essere di tipo alfa (es amido) o beta (es cellulosa). Amido (legame glicosidico 1 -4 tipo alfa) e cellulosa (legame glicosidico 1 -4 tipo beta) sono entrambi polimeri lineari formati da glucosio ma assumono strutture e proprietà divers e: gli enzimi umani non possono degradare il legame beta della cellulosa che è anche insolubile in acqua. Polisaccaridi come biomateriali: parametri di classificazione CARATTERISTICHE POLISACCARIDI Tipo di monosaccaridi Tipo di legame Peso molecolare (grado di polimerizzazione) Catena lineare o ramificata Ingombro sterico Presenza di gruppi funzionali (reattività chimica, possibili modifiche) Carica netta nelle condizioni di utilizzo (es. pH neutro) (positiva, negativa, neutra) Chitosano : polimero naturale cationico ottenuto dalla chitina. Forma prevalente: alfachitosano. Polisaccaridi come biomateriali: chitina e chitosano . È un polisaccaride lineare costituito da unità di D -glucosammina e N -acetil -Dglucosammina legate fra loro da legami beta (1 -4) glucosidici. Il grado di deacetilazione può variare fra 70 e 90%. Il peso molecolare varia tra 10 e 1000kDa. Le proprietà chimico -fisiche del chitosano dipendono dalle proporzioni relative delle unità di D-glucosammina e N -acetil -D-glucosammina . POLISACCARIDI USATI COME BIOMATERIALI Neutri: cellulosa, destrano, glucani Con carica positiva: chitina , chitosano Con carica negativa: alginati , acido ialuronico , polisaccaridi con gruppi solfato (eparina, eparansolfato, dermatansolfato, cheratansolfato, condroitinsolfato) PROCESSO DI OTTENIMENTO DEL CHITOSANO da gusci di crostacei 1. Deproteinizzazine e demineralizzazione dei gusci con acidi/basi 2.Deacetilazione della chitina estratta con idrolisi ad elevate temperature PROPRIETÀ CHITOSANO PER UTILIZZO BIOMEDICALE Biocompatibilità Proprietà antibatteriche (Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, …) Emostatico (favorisce la formazione di coaguli a contatto con sangue, utile nella cura di ferite) Degradabile (lisozima) Possibilità di modifiche chimica (N e O) Diversi pesi molecolari e diversi gradi di acetilazione Ottenibile in diverse forme (fili, film, tessuti, polvere) Alginato : polimero naturale anionico presente in forma di s ali con cationi bivalenti. È un polisaccaride lineare costituito da unità blocchi alternati di acido beta -Dmannuronico e alfa -L- glucuronico tra i quali si formano legami beta 1 -4 glicosidici. L’interazione di cationi bivalenti (Calcio, Bario, Sodio) con i blocchi di alfa -L-glucuronico di catene adiacenti permette la creazione di ponti ionici con conseguente gelificazione di soluzioni acquose di alginato. Le proprietà chimico -fisiche dell’alginato gelificato in soluzione acquosa dipendono dal grado di reticolazione legata alla concentrazione degli ioni bivalenti presenti in soluzione. PROPRIETÀ ALGINATO PER UTILIZZO BIOMED ICALE Biocompatibilità Approvato dall’FDA (Food and Drug administration) Bendaggi per ferite ed ustioni (cede ioni Calcio che stimolano la colonizzazione cellulare) Utilizzato per rilascio controllato di farmaci Utilizzabile come cell carrier Acido ialuronico : polimero naturale lineare anionico, famiglia dei glucosamminoglicani. Nel corpo è responsabile di varie funzioni tra cui: bilanciamento del contenuto acquoso della matrice extracellulare; conferimento di proprietà lubrificanti (cartilagine); molecola segnale. Si produce per estrazione da tessuti di origine animale e vegetale o attraverso biofermentazione. È un polisaccaride lineare costituito da ripetizione di unità disaccaridica composta da acido beta 1 -3 D -glucuronico e beta 1 -4 N -acetilglucosammina. Può essere esterificato sfruttando i gruppi carbossilici liberi dell’acido glucuronico (riduzione idrofilicità ed aumento idrofobicità). Le sue proprietà sono modificate (reticolazioe esterificazione…) per diminuire solubilità in acqua, aumentare tempo di degradazione, modificare funzionalità. Le proprietà chimico -fisiche variano a seconda della fonte; le proprietà dell’acido ialuronico estereficato dipendono dall’estere ottenuto (membrane, fibre, microsfere, spugne). PROPRIETÀ ACIDO IALURONICO PER UTILIZZO BIOMEDICALE Biocompatibilità Eccelle nti proprietà assorbenti e lubrificanti Modifiche chimiche per variare idrofobicità/idrofilicità, solubilità, tempo di degradazione Proprietà reologiche delle soluzioni dipendenti da pH, peso molecolare, conentrazione Possibilità di ottenerlo per via fe rmentativa a diverso peso molecolare Eparina: è un polisaccaride appartenente alla famiglia dei glucosamminoglicani. È una catena lineare eterogenea formata da diversi monosaccaridi legati con legame glicosidico ed è presente in natura in catene di varia lunghezza. I monosaccaridi principali sono: (a) 2 -deossi -2-sulfamino -alfa -(D) -glucosio -6-solfato; (b) alfa -(L) -acido iduronico -2-solfato; (c) 2 -acetamido -2-deossi -alfa -(D) -glucosio; (d) beta - (D) - acido glucuronico; (e) alfa -(L) - acido iduronico. Ha propri età anticoagulanti e può essere come rivestimento di biomateriali per prevenire la formazione di trombi. Cellulosa: è un polisaccaride con catena lineare neutra omogenea composta da unità monosaccaridiche di glucosio ripetute, legati da legami beta -1-4 glicosidici. Il legame beta 1-4 glicosidico, a differenza dell’alfa 1 -4 glicosidico, è molto rigido e stabile consentendo la formazione di catene molto lunghe. La cellulos a è altamente resistente alla trazio ne ed è poco solubile in acqua. È possibile estrarla dalle piante. L’essere umano non ha enzimi per rompere I legami beta per cui non possono, a differenza di alcuni ruminanti, digerire la cellulosa. Amido: è un polisaccaride con catena lineare neutra omo genea composta da unità monosaccaridiche di glucosio ripetute, legati da legami alfa -1-4 glicosidici. In natura viene prodotto dalle piante come riserva di energia. Il 20% della sua massa è composto da amilosio, un polimero lineare di glucosio legato con l egami alfa 1 -4 glicosidici, e l’80% da amilopectina, un polisaccaride altamente ramificato fo rmato da glucosio legato con legami alfa 1 -4 glicosidici. Tali legami rendono l’amido altamente solubile in acqua e digeribile dagli enzimi umani. Le proteine: Sono molecole/macromolecole essenziali per i processi metabolici e per la vita; sono polimeri lineari; possono avere carica netta positiva, negativa o neutra. RUOLO UN ESEMPIO Catalisi ATPasi, idrolasi, lipasi, ligasi Trasporto Emoglobina, mioglobina, albumina Protezione Anticorpi, fibrinogeno Contrazione Actina, miosina, tropomiosina Supporto meccanico Matrice ECM: collagene, elastina Regolazione ormonale Insulina, glucagone, calcitonina Ricezione e trasmissione degli impulsi Rodopsina (pigmento della retina) Le proteine sono composte da 20 alfa -amminoacidi, molecole in cui allo stesso atomo di carbonio in posizione alfa sono legati: un gruppo carbossilico ( -COOH); un gruppo amminico (-NH2); un idrogeno ( -H); una catena laterale ( -R). Essendo i 4 sostituenti del Carbonio alfa diversi (tranne glicina in cui R=H), gli amminoacidi sono chirali. In natura sono tutti in forma L. Allo stato libero, gli amminoacidi hanno un gruppo carbossilico , debolmente acido, ed un gruppo amminico , debolmente basico , per cui sono anfoteri , cioè esistono in forme dipolari. Il pH cui la concentrazione dell’amminoacido in forma di ione positivo è uguale alla concentrazione dell’amminoacido in forma di ione negativo è detto punto isoelettrico (PI) ed è proprio di ogni amminoacido. Il gruppo R determina le diverse proprietà degli L -alfa -amminoacidi e influisce sulla struttura molecolare della proteina. Una classificazione degli amminoacidi si basa sul gruppo R poiché condiziona la funzionalità degli amminoacidi nel pepti de e nella proteina. I 20 amminoacidi standard possono essere divisi in gruppi a seconda della carica e della polarità del gruppo R: Gruppo R contenente zolfo: cisteina e metionina Gruppo R neutro: serina, glutammina, prolina, asparagina, treonina Grupp o R acido: asparagina, acido glutammico Gruppo R basico: arginina, istidina, lisina Gruppo R alifatico: leucina, isoleucina, glicina, valina, alanina Gruppo R aromatico: triptofano, tirosina, fenilalanina Il legame peptidico è un legame ammidico che av viene in condizioni fisiologiche. Tutti gli atomi costituenti ( -NHCO -) giacciono tutti sullo stesso piano senza possibilità di libera rotazione. Le proteine hanno una composizione elementare molto simile. In particolare, il contenuto di azoto è circa il 16 -18%. «la sequenza specifica la conformazione» Struttura primaria : sequenza degli amminoacidi Struttura secondaria : conformazione assunta dalla sequenza proteinca (alfa -elica; foglietto - beta, random coil). La struttura supersecondaria si riferisce alla p resenza eventuale di domini, regioni spaziali di alfa -eliche o foglietto -beta che possono fungere da siti di legame per gli enzimi (proteine con funzioni specifiche). Struttura terziaria : conformazione dell’intera proteina; in ambiente biologico, i gruppi funzionali idrofili tendono ad esporsi all’esterno, quelli idrofobi all’interno influenzando la conformazione e la solubilità in acqua delle proteine. Struttura quaternaria : intero complesso derivante dall’associazione di subunità proteiche (protomeri); s .q. omogenea se subunità uguali, s.q. eterogenea se subunità diverse Solubilità delle proteine Fattori: pH, temperatura, polarità del solvente, carica, idrofobicità/idrofilicità; presenza di elettroliti, forza ionica. A basse concentrazioni di sali, la solubilità aumenta (mascherati gruppi carichi della proteina con riduzione dell’attrazione fra le molecole proteiche). Ad alte concentrazioni di sali, la solubilità diminuisce (sottrazione delle molecole di acqua di idra tazione, conseguente precipitazione delle molecole proteiche). Le proteine precipitano a concentrazioni di sale differente e mantengono di solito la loro conformazione (risolubilizzazione). Denaturazione delle proteine Denaturazione: alterazione della c onformazione della proteina nativa che comporta una perdita di funzionalità biologica. Non coinvolge solitamente rottura di legami peptidici. Denaturazione irreversibile : ripristinate le condizioni ottimali, la proteina NON riassume la sua conformazione na tiva (esposizione a calore, forti variazioni di pH, contatto con solventi organici e detergenti). Denaturazione reversibile : ripristinate le condizioni ottimali, la proteina riassume la sua conformazione nativa. Proteine semplici : costituite unicamente da amminoacidi. Si dividono in proteine globulari , funzionali, generalmente solubili in acqua e proteine fibrose , strutturali, generalmente insolubili in acqua. Proteine coniugate : costituite da amminoacidi ed altre componenti orga niche o inorganiche. Sono glicoproteine (zuccheri); lipoproteine (lipidi), fosfoproteine (fosfati), cromoproteine (gruppo protesico pigmentato). Emoglobina . È una cromoproteina che trasporta l’ossigeno e contiene un cofattore eme contenente ferro che fa a pparire rosso il sangue ossigenato. Enzima: proteina capace di catalizzare una reazione biochimica. Sono catalizzatori biologici. Vengono denominati di solito con il nome della sostanza su cui agiscono, con l'aggiunta del suffisso -asi . Il substrato si le ga al sito attivo dell’enzima dove avviene la reazione (meccanismo chiave - serratura). L’inibizione competitiva (legame altra molecola al sito attivo) e non competitiva (legame al sito allosterico) regola l’attività enzimatica. Proteine strutturali: nel mo ndo animale le funzioni di sostegno sono espletate da proteine strutturali che sono prevalentemente proteine fibrose. PROTEINA RUOLO Cheratina Capelli, pelle, lana, corna, piume, gusci conchiglie Fibroina Seta, ragnatela Collagene Pelle, tendine, legamenti, cartilagine, osso, vasi ematici Elastina Vasi ematici, legamenti Actina Muscolo Miosina Muscolo Collagene: è una proteina fibrosa, la principale del tessuto connettivo negli animali. Nell’uomo costituisce circa il 6% del peso corporeo. La più stabile disposizione e riarrangiamento del collagene è quella della tripla elica. Ha funzioni strutturali, meccaniche, di regolazione della permeabilità dei vasi e dell’epitelio. Il collagene è sintetizzato dai fibroblasti in forma di protocollage ne, triple eliche individuali con sequenze terminali (telopeptidi) che impediscano l’aggregazione delle triple eliche. Trasportato all’esterno della cellula, il protocollagene viene convertito in tropocollagene, unità base del collagene, formato da sequenz e lunghe 260nm in tripla elica. Il tropocollagene è formato dalla successione di più di 300 triplette, gruppi di tre aminoacidi [glicina -X-Y] n, con X e Y di solito prolina ed idrossiprolina. Il tropocollagene si aggrega in fibrille di 20 - 40 nm di diametro che si aggregano in fasci di fibre di 02, -0,4 micron. La tripla elica è stabilizzata da legami H, ponti di reticolazione (lisina), interazione fra gruppi carichi. Esistono diversi tipi di collagene, di cui i principali sono: Collagene tipo I: forma di co llagene interstiziale, fibre strutturali di ossa, dentina, tendine ; Collagene tipo II: cartilagine ; Collagene tipo III: polmoni, vasi sanguigni ; Collagene tipo IV: membrana basale di cellule epiteliali ed endoteliali ; Altri tipi di collagene (V in poi) sono più rari e si trovano in quantità residuali in cartilagine, tessuto cardiovascolare e matrice extracellulare (ECM) . Le proprietà chimico -fisiche del collagene dipendono dal tessuto di origine (fonte), dalla tipologia e da eventuali modifiche chimiche (es. reticolazione). PROPRIETÀ COLLAGENE PER UTILIZZO BIOMEDICALE Biocompatibilità Degradabilità Prodotti di degradazione ben tollerati Riconoscimento ed attivazione cellulare Possibilità di modifiche chimica (reticolazioni) Diverse tipologie disponibili Ottenibile in diverse forme (gel, spugne, membrane, granuli, film, nanoparticelle) Elastina: è una proteina strutturale, dotata di notevole elasticità (bioelastomero), presente nei tessuti animali elastici quali pelle, legamenti, pareti dei vasi sanguigni. Contiene glicina, alanina, valina, prolina. Contiene circa il 5% di amminoacidi con gruppi R carichi per cui le in terazioni fra le molecole proteiche sono deboli (elastomericità e resistenza alle alte temperature). In presenza di lisil ossi dasi e ioni rame la lisina crea reticolazioni che ne aumentano l’elasticità. È formata da molte molecole di tropoelastina ad alfa -elica, idrosolubile e con massa molecolare di circa 60 kDa, legate da legame covalente formatosi in seguito a reazione cataliz zata da lisil ossidasi. Utilizzata in fogli, gel, spugne, nanocompositi . Fibroina: è una proteina fibrosa ottenuta dalla seta. È dotata di elevatissime proprietà meccaniche (filamento, film, polvere, gel, membrane). I filamenti di seta grezza si ottengono da ragni o bachi tra cui Bombyx mori. È formata da catene polipeptidiche di circa 1000 residui amminoacidici che variano a seconda dell’origine della seta . La fibroina prodotta da Bombyx mori è formata da catene polipeptidiche di glicina, serina, alanina, tirosina ed altri amminoacidi minori. La fibroina esiste in diverse forme cristalline, tra cui silk 1, instabile ed insolubile in acqua, e silk 2, stabile e solubile in acqua, che si interconvertono spontaneamente. Utilizzata per fili di sutura. Cheratin a: l’alfa -cheratina costituisce il peso secco di unghie, corna, capelli, lana. È il principale costituente dell’epidermide cui conferisce l’impermeabilizzazione. La differenza tra la rigidezza e la flessibilità assunta nei dive rsi distretti corporei dipend e dal numero di ponti disolfuro che insieme ad altri tipi di interazioni, ne stabilizza la struttura. Colla di fibrina: si ottiene ricapitolando in vitro le ultime fasi della coagulazione ematica. Commercialmente si trova come sistema bicomponente compost o rispettivamente da (1) fibrinogeno umano liofilizzato in concentrazione decine di volte superiore alla fisiologica con fattore XIII, fibronectina e aprotinina, inibitore della degradazione delle proteine; (2) trombina e cloruro di calcio. Per le sue pro prietà è utilizzato come adesivo chirurgico, supporto di suture per guarire le ferite inducendo una coagulazione istantanea. Gli acidi nucleici: Il DNA è il polimero depositario di tutte le informazioni genetiche. Come l’ RNA , è costituito da tre elementi chimici: le basi azotate , zuccheri a 5 atomi di C , gruppi fosfato . Ha due tipi di legame: fosfodiestere e glicosidico . È possibile distinguere il nucleoside , formato dalla base azotata legata al pentosio e il nucleotide , in cui il pentosio lega gruppi fosfato. Le basi si dividono in purine (adenina e guanina) e pirimidine (timina e citosina). L’RNA ed il DNA hanno le stesse componenti ma differiscono per struttura e per una base azotata. Il DNA è formato da due catene che spazialmente sono organizzati in doppia elica , e le eliche sono tenute insieme da legami H tra coppie di basi dette complementari che sono: adenina -timina, guanina -citosina. L’RNA è formata da una singola elica composta dalle stesse basi ma la timina è sostituita dall’uracile. La doppia elica di DNA ha parametri definiti: 0,34 nm distanza tra basi contigue; 3,4nm giro completo (passo) d’elica 10 coppie di basi per passo . I cromosomi sono una forma molto condensata di cromatina; la cromatina è un comple sso di DNA e proteine, cioè ci sono delle proteine specifiche, dette istoni , attorno alle quali si avvolgono le molecole di DNA. I cromosomi sono visibili solo durante la mitosi che è il processo di duplicazione cellulare e sono composti da due cromatidi f ratelli uniti da un centromero . I geni codificano per le proteine attraverso un meccanismo che coinvolge più fasi e molecole di DNA e RNA. Nella fase di trascrizione , il DNA (1) si denatura, la doppia elica si apre in un punto per una lunghezza di circa 20 basi, (2) l’enzima RNA polimerasi trascrive una delle due eliche generando progressivamente (3) un filamento di RNA messaggero complementare al filamento di DNA trascritto. Le informazioni vengono codificate in triplette detti codoni . Più triplette codi ficano per lo stesso amminoacido. Nella fase di traduzione , l’RNA messaggero (mRNA), dato il codice genetico dei codoni, viene tradotto da una altra molecola di RNA detta RNA transfer (tRNA) in una sequenza di amminoacidi generando la proteina corrisponden te. Esiste un solo tRNA per ogni codone . Lez. 2: Le cellule ed i tessuti: organizzazione e funzione. Cellula : unità morfologica e fisiologica elementare di tutti gli organismi animali e vegetali; questi possono essere costituiti da una o più cellule. Il termine cellula è stato introdotto in biologia nel 1665 da R. Hooke, che per primo osservò le cellule al micr oscopio; furono poi M. Schleiden e T. Schwann, nel 1838 -39, a definire la cellula come unità fondamentale dei viventi (Enciclopedia Treccani). Robert Hooke (1635 -1703, britannico), filosofo naturalista, a metà del 1600 osservò una scheggia di sughero rilev ando la presenza di «fila di scatole vuote». Coniò cosi il termine cellula. Successivamente Theodor Schwann e Matthias Schleiden (1839) strutturarono la teoria delle cellule: «Tutti gli esseri viventi sono fatti di cellule che è la più piccola unità vivente di struttura e funzione di tutti gli organismi». Rudolf Virchow (50 anni dopo) affermò che «tutte le cellule provengono da ce llule» superando il principio della generazione spontanea. Le cellule costituiscono i tessuti , i tessuti costituiscono gli organi e gli organi costituiscono gli apparati o sistemi . Gli organi sono strutture costituite da due o più tessuti organizzati per svolgere una particolare funzione, e gruppi di organi con funzioni correlate costituiscono i diversi apparati. Una cellula (dal latino «cella» che significa ripostiglio o camera) è oggi definita come la struttura di base, unità funzionale e biologica di tutti gli organismi viventi conosciuti . La cellula viene talvolta chiamata « elemento costitutivo della vita » perché è la più piccola unità vitale capace di riproduzione indipendente. Le cellule si distinguono in cellule procariote e cellule eucariote . I Procarioti (eubatteri e archaea) sono organismi unicellulari e non hanno un nucleo, cioè il loro DNA non è racchiuso in alcun compartimento subcellulare circondato da una membrana. Gli Eucarioti (cellule vegetali e animali, alghe, protozoi, funghi, lieviti , muffe) hanno il DNA racchiuso in un nucleo. CELLULEPROCARIOTE CELLULE EUCARIOTE Organismi tipici Batteri ed archeobatteri Protisti, funghi, piante, animali Dimensioni tipiche ~ 1-10 μm ~10 -100μm (poche eccezioni, es. spermatozoi) Tipo di nucleo cellulare Nucleoide: nessun nucleo definito Nucleo racchiuso da doppia membrana DNA Solitamente circolare Molecole lineari (cromosomi) complessate da istoni) Sintesi di RNA e proteine Accoppiate nel citoplasma Sintesi RNA nel nucleo e delle proteine nel reticolo endoplasmatico rugoso Ribosomi 50S+30S 60S+40S Strutture citoplasmatiche Poche Numerose e racchiuse da membrane e citoscheletro Movimento cellulare Flagelli composti di flagellina Flagelli e ciglia composte di tubulina Mitocondri Nessuno Da uno a diverse migliaia Cloroplasti Nessuno Nelle alghe e nelle piante Parete cellulare Presente Presente nelle piante Organizzazione Solitamente unicellulare Unicellulare a colonie e in organismi pluricellulari (contenenti cellule specializzate) Divisione cellulare Scissione binaria Mitosi (fissione o gemmazione) e meiosi Membrane biologiche: Sono dette anche biomembrane, sono strutture sottili e flessibili che limitano aree interne alla cellula stessa, separano le cellule l’una dall’altra o la cellula dall’ambiente circostante. Il doppio strato fosfolipidico è la struttura di base di tutte le biomembrane. Membrane differenti hanno proprietà differenti determinate principalmente dai tipi di costituenti (proteine, glicoproteine, colesterolo e altri steroidi, glicolipidi). La membrana cellulare è indicata anche come membrana plasmatica . Fosfolipidi: Sono m olecole anfipatiche o anfifiliche , cioè costituite da una testa idrofila ed una coda idrofobica . Si riarrangiano nello spazio formando sponta neamente strutture a doppio strato di 3 -4 nm nell'acqua in cui le code idrofobe si pongono all’interno (lontane dall’acqua) e le teste idrofile all’esterno (prossime all’acqua). Le interazioni testa -testa e coda -coda stabilizzano la struttura nota anche co me doppio strato fosfolipidico. La membrana plasmatica è una membrana selettiva , dotata di una struttura tale da svolgere le seguenti funzioni: a) Garantire il trasporto dei nutrienti e dei rifiuti metabolici dentro/fuori la cellula grazie a proteine di tras porto selettive; b) Prevenire l’ingresso nel compartimento cellulare di materiali indesiderati dall’ambiente extracellulare; c) Prevenire la perdita dei metaboliti necessari al metabolismo cellulare; d) Mantenere la corretta composizione ionica ed il corretto pH (7.2); e) Mantenere la pressione osmotica all’interno della cellula; f) Fornire punti di ancoraggio al citoscheletro della cellula per mantenerne la forma. Citosol: noto anche come fluido intracellulare o matrice citoplasmatica, è una sostanza gelatinosa all'interno della cellula che racchiude tutto il materiale nel citoplasma e fornisce l’ambiente ideale per le reazioni biochimiche della cellula. Nell’essere umano h a un pH tra 7.0 e 7.4. Costituisce più del 50% del volume della cellula e contiene grandi quantità di macromolecole, incluse le macromolecole del citoscheletro, i ribosomi e il centrosoma, insieme a tutti i complessi proteici e soluti esterni al nucleo ed agli organelli citoplasmatici. Il citoplasma è composto dagli organelli e dal citosol insieme. Il nucleo cellulare e il suo contenuto non sono considerati parte del citoplasma. Struttura del citoscheletro : è la struttura che consente alla cellula di mante nere la sua forma e organizzazione interna. Fornisce l’adeguato supporto meccanico che consente alle cellule di svolgere funzioni essenziali come divisione e movimento. Il citoscheletro delle cellule eucariote si compone di tre classi principali di protei ne fibrose che differiscono per dimensione e composizione: (a) i microtubuli; (b) i microfilamenti (filamenti di actina); (c) i filamenti intermedi . I microtubuli sono composti dalla proteina tubulina ed è il tipo di filamento più grande, con diametro di 2 5 nm. I filamenti di actina , chiamati anche microfilamenti, sono costituiti dalla proteina actina e sono il tipo più piccolo, con un diametro di soli 7 nm. I filamenti intermedi sono costituiti da diverse subunità proteiche, sono di medie dimensioni, con un diametro di 8 -12 nm e sono componenti strutturali anche dell’involucro nucleare. Organelli : sono di diverso tipo, deputati ciascuno ad una specifica funzione ma lavorano in modo integrato per sopperire a tutte le necessità della cellula. Ciascun organ ello è separato dall’ambiente cellulare circostante da una membrana che, negli organelli eucariotici, è composta da un doppio strato lipidico simile alla membrana plasmatica. Tale isolamento consente a diverse reazioni biochimiche di avvenire simultaneamen te ma in compartimenti cellulari separati. Sistema endomembrana : è composta da tre organelli principali che svolgono diversi ruoli tra cui produzione, confezionamento ed esportazione di determinati prodotti cellulari. Gli organelli del sistema endomembran a includono: il reticolo endoplasmatico; l’apparato del Golgi; vescicole. Altri organelli sono: lisosomi; perossisomi; mitocondri. Reticolo endoplasmatico : sistema di canali continuo con la membrana nucleare e composto dallo stesso doppio strato lipidico, che consente di trasportare, sintetizzare e immagazzinare molecole. Può esistere in due forme, caratterizzate da funzioni diverse ed estensione variabile da cellula a cellula: ruvida ER (RER) e liscia ER (SER). Il RER presenta una membrana granulosa poic hé incorpora ribosomi, il SER ne è privo. Il ruolo primario del RER è la sintesi e modifica delle proteine destinate alla membrana cellulare o alla secrezione. Il SER è coinvolto nella sintesi di fosfolipidi ed ormoni steroidei. Ribosoma : Elemento coinvol to nella sintesi proteica e nella trasduzione. È composto da due subunità di RNA ribosomiale che avvolgono l’mRNA all'inizio della sintesi proteica. In genere, la proteina è sintetizzata all'interno del ribosoma e viene rilasciata all'interno del lume del RER. La proteina neosintetizzata viene successivamente glicosilata, cioè legata covalentemente ad uno zucchero, prima di essere trasportata all'interno di una vescicola per la successiva fase di traslocazione. Apparato del Golgi : è responsabile dello smis tamento, modifica e traslocazione delle molecole prodotte nel RER. Appare come un sistema costituito da dischi di membrana impilati. Si distinguono due lati, il primo che riceve le molecole inglobate in vescicole e l’altro che rilascia le molecole reinglob ate in nuove vescicole post transito nell’apparato del Golgi. Se il prodotto deve essere secreto fuori dalla cellula, la vescicola migra verso la superficie della cellula e si fonde con la membrana cellulare liberandone il carico Lisosomi : contengono circ a 50 diversi enzimi idrolitici in grado di digerire qualsiasi tipo di polimero biologico e macromolecola. Autofagia («auto -alimentazione») è il processo con cui la cellula digerisce le proprie strutture. L'idrolisi avviene perché alcune delle proteine confezionate dall’apparato del Golgi sono enzimi digestivi destinati a rimanere all'interno del la cellula per abbattere determinate sostanze. Le vescicole contenenti enzimi, rilasciate dal Golgi, possono form are nuovi lisosomi o fondersi con lisosomi esistenti. Tutti gli enzimi lisosomiali sono idrolasi attive al pH acido che si trova all’interno dei lisosomi, ma non al pH neutro (7,2) caratteristico del citosol, così da evitare la digestione incontrollata del contenuto di citosol anche in caso di rottura della membrana lisosomiale. Perossisomi : il perossisoma, come il lisosoma, è un organello che contiene principalmente enzimi. Tali enzimi sono coinvolti nel metabolismo dei lipidi e nella disintossicazione da agenti chimici. A differenza degli enzimi digestivi presenti nei lisosomi, gli enzimi dei perossisomi sono utili al trasferimento di atomi di idrogeno, prelevati da diverse molecole all’ossigeno, producendo perossido di idrogeno, necessario per neutralizz are alcune tossine come gli alcoli. Mitocondri : sono responsabili della produzione di ATP, principale molecola utilizzata dalla cellula come fonte di energia. È costituito da una membrana a doppio strato lipidico esterno e da una struttura similare a dopp io strato interno, separata da uno spazio intermembrana. La membrana interna è ripiegata in avvolgimenti , detti creste, che sono visibili all’interno dell’organello, ed è il sito dove avvengono le reazioni biochimiche coinvolte nella respirazione cellulare (conversione dell'energia immagazzinata in sostanze nutritive, come il glucosio, in ATP). La matrice interna contiene il DNA mitocondriale, molecole di DNA circolari simili a quelle trovati nei batteri e presenti in più copie per organello, e gli enzimi responsabili delle reazioni fondamentali del metabolismo ossidativo, noto come ciclo di Krebs. Nucleo : è considerato il centro di controllo della cellula poiché immagazzina tutte le istruzioni genetiche per la produzione di proteine. Gli eucarioti possono essere mononucleati o multinucleati. Il nucleo è circondato dalla membrana nucleare costituita da due membrane, ciascuna delle quali è costituita da un doppio strato fosfolipidico, in cui si intercalano i pori nucleari , strutture deputate al passaggio di proteine, RNA e soluti tra nucleo e citoplasma. I complessi dei pori nucleari (NPC) sono proteine che rivestono i pori regolando il passaggio da e verso il nucleo. Il nucleoplasma è il fluido semisolido all'interno del nucleo dove c'è la cromatina Alcuni c romosomi hanno sezioni di DNA che codificano per l'RNA ribosomiale. All’interno del nucleo è visibile il nucleolo che aggrega l’RNA ribosomiale con le proteine associate per assemblare le subunità ribosomiali, trasportate successivamente nel citoplasma att raverso gli NPC. I tessuti: Un tessuto è un insieme di cellule che svolgono la stessa funzione, condividono le caratteristiche morfologiche e sono disposte secondo uno schema ordinato per espletare le funzioni specifiche del tessuto. Oltre alla compon ente cellulare, una parte sostanziale del volume tessutale è lo spazio extracellulare, riempito da un network di macromolecole che costituiscono la matrice extracellulare (ECM). Si classificano in 4 macrocategorie: epiteliale , connettivo , muscolare e nervo so . Tessuto epiteliale o epitelio: Riveste l'esterno delle superfici del corpo, cavità, condotti, ghiandole fungendo da barriera fisica e impermeabilizzazione rispetto ad agenti chimici, fisici, biologici. Espleta le funzioni di protezione (pelle), assorbimento (intestino), escrezione (reni), recezione sensoriale (orecchio), secrezione (ghiandole). È un tessuto altamente cellularizzato, con poca o assenza di ECM, in cui fra cellule adiacenti si formano connessioni note come giunzioni cellulari . La lamina basale è una miscela di glicoproteine e collagene che ancora l’epitelio e lo separa dal sottostante tessuto connettivo. Le cellule sono «polarizzate», con differenze di struttura e funzione tra il rivestimento esterno o apicale e parte basale vicino a lle strutture corporee sottostanti. I tessuti epiteliali sono classificati in base alla forma delle cellule e al numero di strati formati. Le cellule possono essere: squamose (appiattite e sottili); cuboidali (cellule a forma di cubo); colonnari (simili a colonne rettangolari ). Il numero di strati cellulari individua diversi epiteli: semplice (ogni cellula poggia sulla lamina basale); stratificato (solo lo strato cellulare più in basso poggia sulla lamina basale); pseudostratificato (tessuto con un singol o strato di cellule di forma irregolare); di transizione (epitelio stratificato con forma cellulare variabile). Tessuto muscolare: È caratterizzato dalla capacità di essere contrattile se stimolato. I movimenti muscolari sono di due tipi: volontari (movimento degli arti per effetto della forza a trazione generata dalla contrazione muscolare fra due punti di ancoraggio alle ossa); involontari (battito cardiaco). Il tessuto muscolare si divide in: muscoloscheletrico (volontario); muscolare liscio ; mu scolare cardiaco . Tessuto muscoloscheletrico: Costituisce circa il 40% del tessuto muscolare. È attaccato alle ossa e la sua contrazione rende possibile la locomozione, le espressioni del volto, la postura e qualsiasi altro movimento volontario del corpo. I muscoli del tessuto muscoloscheletrico generano calore come sottoprodotto della contrazione partecipando all'omeostasi termale. Le cellule muscolari si chiamano miociti ed il loro numero resta relativamente costante per tutta la vita. È organizzato in fasci circondati da tessuto connettivo. Al microscopio ottico, le cellule muscolari appaiono striate con molti nuclei schiacciati lungo le membrane. La striatura è dovuta alla regolare alternanza delle proteine contrattili actina e miosina. Le cellule sono multinucleate come a risultato della fusione dei molti mioblasti che si fondono per formare ogni fibra muscolare lunga. Tessuto muscolare liscio: È il componente contrattile dell’apparato digerente, sistema urinario e riproduttivo, nonché di vie aeree ed arterie. La contrazione è responsabile del movimento involontario degli organelli interni. Ogni cellula è a forma di fuso con un singolo nucleo e non sono visibili striature. Tessuto muscolare cardiaco: È il componente delle pareti del cuore contrattile. Le sue cellule, note anche come cardiomiociti appaiono striate al microscopio. I cardiomiociti sono cellule singole tipicamente con un nucleo centrale. Si contraggono in modo sincrono secondo ritmi intrinseci senza nessuna stimolazione esterna. I cardiomi ociti sono legati l’un l’altro attraverso giunzioni cellulare specializzate chiamati dischi intercalare, formando le fibre muscolari cardiache lunghe e ramificate. Tessuto nervoso: È un tessuto eccitabile, che consente la propagazione di segnali elettroch imici in forma di impulsi nervosi tra le diverse regioni del corpo. Le cellule del tessuto nervoso sono specializzate nel trasmettere e ricevere impulsi. Due principali classi di cellule compongono il tessuto nervoso: i neuroni , che propagano le informazi oni tramite impulsi elettrochimici (potenziali d’azione), biochimicamente collegati al rilascio di segnali chimici; la neuroglia o cellule gliali , che svolgono un ruolo essenziale nel supportare i neuroni e nel modulare la propagazione delle informazioni. I neuroni mostrano una morfologia caratteristica che ben si adatta al ruolo di cellule conduttrici, con tre parti principali: il corpo cellulare (soma) che comprende la maggior parte del citoplasma, gli organelli ed il nucleo; i dendriti che si diramano d al corpo cellulare e appaiono come sottili estensioni deputati a ricevere segnali chimici da altri neuroni e trasferire l’impulso nervoso al soma; l'assone che si estende dal corpo del neurone ed è avvolto da una guaina mielinica che funge da isolante ed incrementa la trasmissione del potenziale d'azione. L'assone trasporta il potenziale d'azione ad un'altra cellula eccitabile: quando un neurone è sufficient emente stimolato, genera un potenziale di azione che si propaga lungo l'assone verso la sinapsi. La sinapsi è il divario tra due cellule nervose o tra una cellula nervosa ed il suo bersaglio. Nella sinapsi si trasmette l'impulso per mezzo di segnali moleco lari (neurotrasmettitori) rilasciati nella sinapsi per stimolare il neurone prossimale o la cellula bersaglio, stimolandone una risposta. Neuroglia o cellule gliali comprendono: Astrociti : caratterizzati da una forma a stella, hanno molte funzioni, tra c ui la regolazione della concentrazione di ioni nello spazio intercellulare, l’assorbimento e/o la rottura di alcuni neurotrasmettitori, la formazione della barriera emato -encefalica Microglia : proteggono il cervello dalle infezioni Oligodendrociti : respon sabili della produzione di mielina nel sistema nervoso centrale (cervello e midollo spinale), mentre le cellule di Schwann producono mielina nel sistema nervoso periferico Cellule ependimali (ependimociti): rivestono il midollo spinale e i ventricoli del cervello e sono coinvolte nella produzione, secrezione, circolazione del liquido cerebrospinale e si suppone che agiscano come cellule staminali neurali; Cellule satellite : piccole cellule che circondano i neuroni sensoriali, gangli simpatici e parasimpat ici ed aiutano a regolare l'ambiente chimico esterno. Tessuto connettivo: Lega insieme le cellule ed i tessuti, con funzioni di protezione, supporto e integrazione di tutte le parti del corpo. Il suo ruolo è tenere in posizione, connettere ed integrare organi e sistemi. È molto vascolarizzato fatta eccezione per tendini, legame nti e cartilagini. È costituito da molti tipi di cellule specializzate ( residenti o migranti ) insieme a una grande quantità di matrice extracellulare (ECM) secreta dal tessuto connettivo specifico, prodotta principalmente da fibroblasti, e costituita da s ostanza fondamentale e fibre. Le proprietà del tessuto connettivo (forza, distensibilità, flessibilità, ecc.) sono determinati dal tipo di fibre presenti, dal loro orientamento, dalle relative quantità di fibre e dalla sostanza fondamentale. La sostanza fondamentale è composta da proteoglicani (proteine con catene laterali polisaccaridiche grandi, non ramificate, cariche) che legano l'acqua, dando alla sostanza fondamentale una consistenza gelatinosa, e glicoproteine (proteine con catene laterali polisacc aridiche piccole, ramificate, neutre). È composto da tre tipi principali di fibre: di collagene , reticolari , elastiche . Fibre di collagene: fasci di fibrille (matrici lineari di collagene tipo I fra loro «cross -linked») residenti nello spazio extracellula re, che donano all’ECM elevata resistenza alla trazione; Fibre reticolari : fibre di collagene corte, fini (collagene di tipo III), ampiamente ramificate a formare un «network»; Fibre elastiche : microfibrille lunghe e sottili costituito da numerose protein e microfibrillari, glicoproteine, fibrillina, fibulina ed elastina amorfa che forma «network» ramificati nell'ECM e permettono al tessuto connettivo di allungarsi e contrarsi. I tessuti connettivi possono essere classificati in tre categorie in base alle c aratteristiche della ECM in termini di sostanza fondamentale e tipi di fibre: tessuto connettivo propriamente detto che comprende tessuto connettivo denso e lasso ; tessuto connettivo di supporto ; tessuto connettivo fluido . Tessuto connettivo propriamente detto: Caratterizzato da una varietà di tipi di cellule e fibre proteiche sospese in una sostanza di base viscosa. Comprende il tessuto connettivo denso e lasso . Tessuto connettivo lasso : altamente cellularizzato, ha una disposizione delle fibre poco comp atta (fibre di elastina più fini e fibre di collagene più spesse con grandi spazi fra loro) . È altamente vascolarizzato e include i seguenti tessuti connettivi: areolare , che riempie gli spazi tra le fibre muscolari, circonda i vasi sanguigni e linfatici e sostiene gli organi nella cavità addominale; adiposo , che immagazzina grasso ed isola il corpo; reticolare , che è una struttura di supporto per gli organi molli come la milza e il fegato . Tessuto connettivo denso : caratterizzato da un fitto «network» di c ollagene e alcune fibre elastiche in una matrice viscosa. Fornisce elasticità, resistenza a trazione, protezione ed include due tipi di tessuto connettivo: denso regolare , in cui le fibre sono parallele tra loro al fine di migliorare forza a trazione e res istenza allo stiramento nella direzione dell’orientamento delle fibre (es: legamenti e tendini); denso irregolare , con fibre distribuite casualmente che danno il tessuto una maggiore resistenza in tutte le direzioni (es: derma della pelle; parete arteriosa). Tessuto connettivo di supporto: Caratterizzato da cellule specializzate e fibre densamente «impaccate» in una matrice. Fornisce struttura e forza al corpo. Include la cartilagine , una forma non vascolarizzata di tessuto connettivo composto d a condrociti incorporati in una matrice gelatinosa di condroitina solfato e vari tipi di collagene fibrillare, solitamente posizionata all'estremità delle articolazioni, gabbia toracica, orecchio, naso, gola e tra i dischi intervertebrali. Include anche le ossa , in cui è presente una matrice rigida, composta da collagene fibrillare e cristalli di idrossiapatite, calcificata a causa dei sali di calcio depositati (matrice ossea minerale) . Il tessuto connettivo di supporto è il costituente principale dello sch eletro e la principale componente cellulare è costituita da osteoblasti , osteociti e osteoclasti . Tessuto connettivo fluido: caratterizzato da varie cellule specializzate che circolano in una ECM liquida, costituita da un fluido acquoso contenente sali, s ostanze nutritive, proteine disciolte e fibre. Ne sono esempi sangue, plasma, cellule del sangue e linfa, il liquido interstiziale che è nel sistema linfatico . Cellule del tessuto connettivo: Il tessuto connettivo è eterogeneo, con molte tipologie cellula ri e diverse architetture tissutali. Strutturalmente, tutti i tessuti connettivi contengono cellule incorporate in un ECM stabilizzata dalle proteine. La natura chimica e la disposizione fisica dell'ECM e delle proteine variano tra i tessuti, riflettendo c osì la varietà di funzioni che il tessuto connettivo svolge nel corpo: l'ECM è predominante in tessuti con funzione meccanica (legamenti, tendine e ossa), mentre la componente cellulare predomina nei tessuti specializzati per la protezione o il manteniment o metabolico. Le cellule del tessuto connettivo sono classificate in due categorie: cel ulle residenti , normalmente sono presenti in numero relativamente costante; cellule migranti , cioè globuli bianchi, compresi i leucociti granulari (basofili, eosinofili e neutrofili) e leucociti non granulari (linfociti e monociti), che migrano attraverso il tessuto connettivo extravasando dal sistema vascolare e sono presenti in alta numerosità in caso di processo infiammatorio. Cellule residenti: Fibroblasti : sono il fenotipo più abbondante nel tessuto connettivo propriamente detto. Sono responsabili della produzione della sostanza fondamentale che delle fibre della ECM. Osteoblasti : hanno origine da cellule staminali mesenchimali immature (preosteoblasti), producono l’osteoide, un precursore dell’osso fatto di collagene di tipo I successivamente mineralizzato grazie alla deposizione di idrossiapatite. Alcuni osteoblasti maturi intrappolati in tale processo divengono osteociti, responsabili della regolazione d ella formazione ossea e del riassorbimento osseo Cellule adipose : la funzione principale è immagazzinare i grassi, di solito i trigliceridi, nel citoplasma. Mastociti : derivati dal midollo osseo, sono cellule funzionalmente simili a basofili nel sangue, per cui hanno grandi granuli secretori che immagazzinano sostanze farmacologicamente attive (eparina, istamina) e rapidamente secernono altre biomolecole (fattori chemiotattici) ma, a differenza dei basofili, rimangono prevalentemente nei tessuti e non circ olano nel sangue; sono più abbondanti nella pelle, nel tratto gastrointestinale e nei capillari. Macrofagi : cellule fagocitarie, sono componenti essenziali del sistema immunitario e derivano da monociti del sangue. Se stimolati rilasciano citochine, piccol e proteine che agiscono come sostanze chimiche messaggere. Rappresentano una popolazione stabile in tutti i tessuti connettivi, ma in caso di infiammazione il loro numero aumenta perché le citochine reclutano altri macrofagi per raggiungere il sito infiamm ato e stimolano la loro attività. In qualche circostanza, i macrofagi si fondono formando cellule giganti multinucleate che circondano il materiale estraneo troppo grande per essere fagocitato dai singoli macrofagi. Cellule migranti: Neutrofili o polimorf onucleocit i: sono leucociti granulari con un nucleo con tre -cinque lobi collegati da sottili fili di cromatina e un citoplasma contenente granuli fini e poco appariscenti. Sono il tipo di cellule immunitarie fagocitarie più abbondanti nel sangue: grazie ad un processo noto come chemiotassi, raggiungono rapidamente le aree di infezione o ferite dove producono sostanze antimicrobiche. Eosinofili (o acidofili) : sono un tipo di granulociti con un nucleo contenente due lobi collegati da un sottile filo di cromat ina ed un citoplasma contenente granuli di dimensioni uniformi. Similmente ai neutrofili, sono cellule fagocitarie attive e mobili, che rispondono a segnali chemiotattici rilasciati nel sito tessutale danneggiato. Basofili : sono il minor numero di granuloc iti e costituiscono meno dell’1% dei leucociti circolanti. Sono caratterizzati da un nucleo lobato e da citoplasma contenente granuli di dimensioni variabili. In accordo con il processo di chemiotassi, raggiungono i tessuti infiammati ma, non essendo cellu le fagocitarie, se stimolati, rilasciano sostanze chimiche contenuti nei loro granuli, come eparina, istamina, enzimi proteolitici, e altri mediatori infiammatori che hanno un ruolo nella reazione infiammatoria. Linfociti : sono parte del sistema immunitari o e si attivano in risposta a sostanze estranee in corpo. Costituiscono il 28% - 42% dei globuli bianchi. Regolano o partecipano all'immunità acquisita, sono responsabili delle reazioni immunologiche ad agenti estranei. A seconda del tipo di risposta immun itaria che provocano, si dividono in linfociti B e linfociti T Linfociti B o cellule B : sono coinvolti nella risposta immunitaria umorale. Dopo aver incontrato una sostanza estranea (o antigene), la cellula B si differenzia in una plasmacellula, che secern e le immunoglobuline o anticorpi che riconoscono batteri, virus e tossine Linfociti T o cellule T : sono coinvolti nella regolazione della produzione di anticorpi da parte dei linfociti B (T -helper) come nell'attaccare direttamente antigeni estranei (Tsoppr essore). I linfociti T partecipano alla risposta immunitaria cellulo -mediata. I linfociti T possono anche distruggere le cellule del corpo invase da virus o diventate tumorali (Tkiller). Monociti : sono le cellule più grandi del sangue e costituiscono il 7% della popolazione leucocitaria. Sono attivamente mobili e fagocitarie, in grado di ingerire agenti infettivi e altre particelle di grandi dimensioni. Solitamente entrano nelle aree tessutali infiammate più tardi dei granulociti, migrando dal midollo osseo nel flusso sanguigno. Dopo un periodo di ore, i monociti entrano nei tessuti target e differenziano in macrofagi. Matrice extracellulare (ECM): È la componente non cellulare che riempie lo spazio tra le cellule e tiene insieme le cellule nei tessuti, for nendo l'impalcatura fisica per i costituenti cellulari ed i segnali necessari per l’innesco dei processi di morfogenesi, differenziazione e per l'omeostasi dei tessuti. È compost a da acqua, proteine e polisaccaridi: è tessuto -specifica , cioè ogni tessuto ha un ECM con una composizione e topologia uniche ; è eterogenea ed altamente dinamica , essendo costantemente rimodellata, enzimaticamente o non enzimaticamente, ed i suoi componenti molecolari sono soggetti a una miriade di modifiche posttraduzionali. Var ia da un tessuto a un altro, all'interno di un tessuto, da uno stato fisiologico a una condizione patologica. È composto da una varietà di macromolecole secrete localmente e assemblate in un reticolo complesso organizzato in stretta associazione con la su perficie delle cellule che le hanno secrete. Le principali classi di macromolecole sono: glicosamminoglicani ; proteine . Glicosamminoglicani o mucopolisaccaridi : sono un gruppo eterogeneo di polisaccaridi anionici solitamente legati a proteine. Mostrano un 'ampia varietà di funzioni che riflettono le loro peculiari proprietà tra cui potere tamponante, idratazione, legame e resistenza a stress meccanici. Sulla superficie delle cellule i glicosamminoglicani fungono da corecettori consentendo alle cellule di ri conoscere proteine specifiche, aderire alla ECM e tra loro e guidare il processo che consente la formazione ed il funzionamento dei tessuti. Proteine ECM fibrose : sono incorporati in gel formati da glicosamminoglicani, conferiscono funzioni sia struttura li che adesive alla matrice. Le principali sono collagene, elastina, fibronectina, laminina. Adesione cellulare all’ECM: è un processo che avviene in più fasi. Nella fase di attacco cellulare , la cellula mantenendo una forma tondeggiante, si attacca all' ECM con un processo mediato da coppie recettore -ligando e dalle integrine. Nella fase di adesione , le cellule proiettano filopodia, protuberanze del citoscheletro, al fine di creare il numero massimo di legami con il substrato. Progressivamente, i legami cellula - substrato diventano via via sempre più stabili, la cellula si appiattisce ( spreading ), aumentando la superficie di contatto con il substrato sottostante fino a raggiungere una adesione stabile . I contatti focali non solo legano le cellule all'ECM, ma trasducono anche segnali dentro e fuori dalla cellula, influenzando una varietà comportamenti cellulari, come la proliferazione e la migrazione. Lez. 3: Meccanismi di difesa e fenomeni riparativi dell’organismo umano . Meccanismi di riparazione: in caso di insulto o danno, il corpo mette in atto meccanismi di riparazione naturali che ripristinano quando possibile la continuità tessutale e la funzionalità. I segnali molecolari, gli anticorpi, le cellule del sistema immunitario vengono convogliati nella zona di interesse attraverso il torrente ematico ed il sistema circolatorio. Sistema circolatorio: un’arteria è un vaso sanguigno che trasporta il sangue lontano dal cuore. Si dirama in vasi di lume sempre più piccolo fino alle arteriole che si ramif icano ulteriormente in minuscoli capillari. Le arteriole confluiscono in altri minuscoli capillari detti venule, di 8 -100μm di diametro, che convogliano il sangue verso vene via via più grandi dopo che i nutrienti sono stati rilasciati ed i prodotti di sca rto caricati nel torrente ematico. Le vene riportano il sangue al cuore chiudendo il ‘circuito’. Le arterie e le arteriole hanno pareti più spesse di vene e venule perché sono più vicine al cuore e nel ricevere il sangue pompato dal cuore sono sottoposte a d una pressione nettamente superiore. Qualsiasi tipo di vaso ha un lume, che è un passaggio cavo attraverso cui scorre il sangue; nelle arterie il diametro del lume è più piccolo rispetto alle vene perché ciò permette di mantenere la pressione di sangue ci rcolante a livelli adeguati. La combinazione fra pareti più spesse e diametro del lume più piccolo fanno sì che il lume arterioso abbia una sezione trasversale diversa rispetto al lume venoso. Le arterie e le vene mostrano tre strati distinti, chiamati tu niche: la tunica intima ; la tunica media ; la tunica avventizia . Tunica intima o tunica interna : è lo strato più interno e più sottile composto da tessuto epiteliale e connettivo . Il rivestimento della tunica intima è costituito da un epitelio squamoso spe cializzato chiamato endotelio , che riveste il lume di tutto il sistema vascolare incluso le pareti interne del cuore. La membrana basale , o lamina basale, separa l’endotelio dal tessuto connettivo sottostante, fornendo resistenza, preservando la flessibili tà, la permeabilità alle molecole. L'endotelio rilascia sostanze biochimiche locali chiamate endoteline che inducono la contrazione della muscolatura liscia all'interno dello strato intermedio della parete del vaso aumentando la pressione sanguigna. Tunica media : è lo strato intermedio, più spesso nelle arterie e più sottile nelle vene. È costituito da strati di cellule muscolari lisce , disposti in fogli circolari e supportati da tessuto connettivo costituito da fibre elastiche. All’esterno della tunica med ia, le cellule della muscolatura liscia sono organizzate in strati longitudinali. La vasocostrizione e la vasodilatazione, che corrispondono a contrazione/rilassamento del vaso si realizzano grazie al tessuto muscolare liscio che aumentando/diminuendo il d iametro del lume del vaso, incrementa/decrementa la pressione sanguigna. Tunica avventizia o tunica esterna : è lo strato più esterno ed è più spesso nelle vene. È composta da tessuto connettivo che, nei vasi sanguigni, contiene anche nervi e capillari dett i «vasa vasorum » («vasi del vaso») per fornire alle cellule nutrimento e drenaggio dei rifiuti. Capillari : sono canali microscopici con diametro che varia da 5 a 10 μm il cui flusso è detto microcircolazione . Forniscono sangue ai tessuti attraverso un pro cesso detto perfusione che consente lo scambio di gas e altre sostanze fra il sangue trasportato dai capillari e le cellule e fluidi (fluido interstiziale) dei tessuti adiacenti. Sono costituiti da uno strato di endotelio con occasionale presenza di tessut o connettivo. Il tipo più comune di capillare, detto capillare continuo , si trova in quasi tutti i tessuti vascolarizzati. È caratterizzato da un rivestimento endoteliale completo