2-2 Cellular Transport

CELLULAR RESPIRATION CELLULAR RESPIRATION What is it? Cellular respiration is the process by which cells break down glucose (a simple sugar) and other organic molecules to release energy in the form of ATP (adenosine triphosphate), which powers cell activities. Overall equation: C6H12O6 + 6O2 ⟶ 6CO2 + 6H2O + ATP (energy) Stages of Cellular Respiration 1. Glycolysis (in the cytoplasm) • Where it happens: Cytoplasm (outside mitochondria) • What happens: o One molecule of glucose (6 carbons) is split into two molecules of pyruvate (3 carbons each). o 2 ATP are used to start the process. o 4 ATP are produced (net gain = 2 ATP). o 2 NADH (electron carriers) are also produced. Summary of glycolysis products per glucose: • 2 ATP (net gain) • 2 NADH • 2 Pyruvate 2. Krebs Cycle (Citric Acid Cycle) (in the mitochondrial matrix) • Where it happens: Mitochondrial matrix • What happens: o Each pyruvate (3C) is converted to acetyl-CoA (2C) before entering the cycle. o Acetyl-CoA combines with oxaloacetate (4C) to form citric acid (6C). o Through a series of enzyme-controlled reactions, citric acid is broken down, releasing CO₂, ATP, NADH, and FADH₂. Summary of Krebs Cycle products (per 2 pyruvates): • 2 ATP • 6 NADH • 2 FADH₂ • 4 CO₂ (exhaled as waste) 3. Electron Transport Chain (ETC) & Oxidative Phosphorylation (in the inner mitochondrial membrane) • Where it happens: Inner mitochondrial membrane (cristae) • What happens: o NADH and FADH₂ donate high-energy electrons to proteins in the ETC. o As electrons move through the chain, protons (H⁺) are pumped across the membrane, creating a proton gradient. o This gradient powers ATP synthase, which makes lots of ATP (like a turbine powered by flowing water). o Oxygen acts as the final electron acceptor, combining with electrons and hydrogen to form water (H₂O). Summary of ETC products: • About 34 ATP • H₂O Total Energy Yield from One Glucose (Aerobic Respiration) • Glycolysis → 2 ATP • Krebs Cycle → 2 ATP • ETC → ~34 ATP Total: ~38 ATP (usually 36 in eukaryotes due to energy costs) Anaerobic Respiration (When Oxygen is Absent) If oxygen is not available, cells switch to fermentation: • Alcoholic Fermentation (yeast & some bacteria): pyruvate → ethanol + CO₂ • Lactic Acid Fermentation (muscles & some bacteria): pyruvate → lactic acid These processes only make 2 ATP per glucose, much less efficient than aerobic respiration. Key Takeaway: Cellular respiration is like the cell’s power plant: glycolysis breaks glucose into smaller pieces, the Krebs cycle extracts more high-energy electrons, and the ETC uses those electrons to generate the bulk of ATP. Oxygen is essential for the final step, which is why we need to breathe to stay alive.

LESSON 4. Cellular Respiration • Define cellular respiration • Identify the stages of clan respiration You have just learned how the energy from the sun is captured, processed, and stored in the form of glucose. Cellular respiration, another important life process, is the means by which cells release the stored energy in glucose to make adenosine triphosphate (ATP). The primary goal of this life process is to convert stored energy into usable form, such as ATP, for the cells to carry out their functions. Cellular respiration involves several chemical reactions. The reactions can be summed up in the following equation: C6 H12 O6 + 602 ----- 6 CO₂ +6H₂O + ATP Glucose oxygen carbon dioxide water energy Aerobic respiration reactions, or cellular respiration that takes place in the presence of oxygen, can be grouped into three stages glycolysis, Krebs cycle, and electron transport chain (ETC). Stage 1: Glycolysis Glycolysis is the process that breaks down one molecule of 6-C glucose into 3-C pyruvates or pyruvic acids. It also releases four molecules of ATP. This process occurs in the cytoplasm of the cell. The following is the step-by-step process of glycolysis. Take note that several enzymes are involved in this process. 1. The first step of glycolysis requires energy. It can only proceed when the two ATP molecules donate energy to the glucose by transferring a phosphate group with the help of an enzyme, producing glucose 6-phosphate 2. Then, a specific enzyme promotes the rearrangement of the atoms, producing the fructose 6-phosphate. 3. The action of the enzyme in step 2 promotes the transfer of a phosphate group from another ATP molecule, forming fructose 1,6-bisphosphate. 4. The resulting fructose 1,6-bisphosphate molecules, with the help of another enzyme, splits into two molecules, each with three carbon backbones. These two sugars are dihydroxyacetone phosphate and glyceraldehyde 3-phosphate. 5. Another important enzyme then rapidly interconverts the molecules of dihydro-xyacetone phosphate and glyceraldehyde 3-phosphate. This produces two molecules of glyceraldehyde 3-phosphate or 3-phosphoglyceraldehyde (PGAL) 6. The succeeding step involves another enzyme-mediated action. The hydrogen (H) from PGAL is transferred to the oxidizing agent, nicotinamide adenine dinucleotide (NAD), which forms NADH. A phosphate (P) is also added from the cytosol of the cell to oxidize the two molecules of PGAL, forming two 1.3-bisphosphoglycerate. 7. A phosphate (P) from 1,3-biphosphoglycerate is transferred to ADP to form ATP. This happens for each of the two 1,3-bisphosphoglycerate. resulting to a yield of two ATP and two 3-phosphoglycerate molecules. 8. A phosphate is transferred from 3-phosphoglycerate molecules from the third carbon to the second carbon, forming 2-phosphoglycerate molecules A hydrogen atom and a hydroxyl ((OH) group is released, which then combines to form water (H2O). The removal of H2O from 2-phosphoglycerate results in the formation of 2- phosphoglycerate molecules. 9. A hydrogen atom and a hydroxyl ((OH) group is released, which then combines to form water (H2O). The removal of H2O from 2-phosphoglycerate results in the formation of two phosphoenolpyruvic acid (PEP) 10. Phosphate (P) from PEP is transferred to ADP (and forms ATP) and the final product, pyruvic acid. This reaction yields two molecules of pyruvic acid and two ATP molecules In summary, a single glucose molecule that undergoes the process of glycolysis produces two molecules of pyruvic acid, four molecules of ATP, two molecules of NADEL and two molecules of H.O. However, only two molecules of ATP are counted as net products since two molecules of ATP are spent throughout the process. Stage II: Krebs Cycle The Krebs cycle, named after its proponent Sir Hans Adolf Krebs, is a cyclical series of enzyme-controlled reactions. This stage of cellular respiration occurs in the matrix of the mitochondria. It is sometimes. called the citric acid cycle (CAC) since it produces citric acid. Citric acid contains three carboxyl (COOH) groups; hence, it is also called the tricarboxylic acid cycle (TCA). This requires the pyruvic acids produced during glycolysis. The main function of this cycle is to produce high-energy-yielding molecules, namely, NADH and flavin adenine dinucleotide (FADH) that will later on be used in the electron transport chain reaction. Figure 6-7. Summary of glycolysis and corresponding products in each reaction presented (See Appendix F on page 285 for an enlarged and complete version of the image.) An initial process is needed for the Krebs cycle to begin. As a pyruvate molecule from glycolysis enters the mitochondrion, it undergoes an important preliminary ate to form acetyl-CoA reaction. Coenzyme-A (COA) combines with pyruvate help of an enzymatic complex. This conversion also produces CO, and NADH. The Krebs cycle is summarized as follows. Take note that several enzymes are involved in this process. 1. The Krebs cycle technically begins when the acetyl-CoA combines with oxaloacetic acid (OAA), a 4-C molecule, to produce citric acid, a 6-C molecule. 2. With the aid of an enzyme, the citric acid now goes through a series of reactions that releases energy. Water molecule is removed from the citric acid and is returned in a different location. The-OH group is repositioned, forming the molecule isocitrate. 3. Isocitrate is then oxidized, forming the a-ketoglutarate, a 5-C molecule. The byproducts of this reaction are NADH and CO, 4 The a-ketoglutarate loses its CO, and a coenzyme-A is added in its place. The decarboxylation occurs with the help of NAD, which then becomes NADH. The resulting molecule is called succinyl-CoA. 5. Succinyl-CoA is converted into succinate. Also in this reaction, a molecule of guanosine triphosphate (GTP) is synthesized. The GTP molecule has similar structure and energy properties to that of ATP and is used by cells the same way. The free phosphate group attacks the succinyl-CoA molecule, which detaches the COA. Then, phosphate is attached to GDP to come up with GTP, similar to the process that occur in ATP synthesis (from ADP to ATP). 6. Two hydrogens are removed from succinate, A molecule of flavin adenine dinucleotide (FAD), a coenzyme similar to NAD, is reduced to FADH, as it takes the hydrogens from the succinate. This reaction produces the fumarate. 7. Fumarate is then converted into malate as the addition of a water molecule is catalyzed. The final reaction is the regeneration of oxaloacetate. The resulting byproduct of this regeneration is NADH Recall that two pyruvate molecules were produced during glycolysis, causing the Krebs cycle to turn twice. Each tuts produces three molecules of NADH, single ATH one FADIH, and the by-product CO, which is exhaled. Stage III: Electron Transport Chain The electron transport chain (ETC) is a series of photon pumps on the inner membrane of the mitochondrion. Electron transport is the last stage of the cellular respiration. In this stage, the energy from NADH and FADH, from the Krebs cycle is transferred to ADP to produce ATP. This process is generally known as oxidative phosphorylation. This energy coupling mechanism in the cell was revealed by the work of Peter stored energy in the form of proton (1) gradient to phosphorylate (add phosphate) ADP and produce ATP. The pumping of hydrogen sons across the inner membrane creates higher concentration ions in the inner membrane than on the outside of the membrane. This chemiosmotic gradient causes the ions to flow back across the membrane where the concentration of ions is lower. ATP synthase lined in the matrix serve as a channel protein, helping the ions to move across the membrane. The chemiosmotic gradient powers the phosphorylation of ADP to ATP, which also occurs in the ATP synthase. After passing through the ETC, the oxygen, being the final hydrogen acceptor, combines with two electrons and two protons, forming a water molecule. Water is a by-product of cellular respiration and is excreted. MINI TEST 6-3 1. Which energy-releasing pathway yields the most ATF in each glucose molecule? 2. Briefly describe the two stages of aerobic respiration that follow glycolysis: (a) Krebs cycle (b) Electron transport chain Anaerobic Respiration Most cells carry out arrobic respiration when oxygen is present. Aerobic respiration is an efficient process that yields a lot of ATP. However, many organisms thrive in mud, marshes, animal gut, canned goods, sewage treatment pond, and deep oceans where oxygen is scarce. Organisms that can live without oxygen are called anaerobes. Cellular respiration that proceeds without the presence of oxygen is called anaerobic respiration. In the event that the oxygen supply becomes low, aerobic cells also perform fermentation and lactic acid fermentation anaerobic pathways. There are two common anaerobic pathways in these cells, alcoholic fermentation and lactic acid fermentation. In alcoholic fermentation, ethyl alcohol and carbon dioxide are produced by some cells using the pyruvate from glycolysis. Each pyruvate molecule is rearranged into acetaldehyde and carbon dioxide, which is eventually released. NADII gives up electrons to acetaldehyde to form ethanol Fermentation is widely used in the industry. Yeast, a fungus used in making bread. can undergo anaerobic respiration. Bakers aux sugar, flour, water, and yeast to form the bread dough. The dough rises due to the carbon dioxide and alcohol released by the yeast cells trapped in air bubbles. Beer and wine manufacturers, we yeast to ferment the sugars in wheat and grape juice, forming alcoholic beverages such as beer and wine. In some cells, glycolysis produces two pyruvates, two NADH molecules, and two ATP molecules. Pyruvate itself becomes the final acceptor of the electrons from the NADH that produces the final product: lactate. Oftentimes, this product is called lactic acid. Human skeletal muscles can carry out fermentation when the blood cannot supply the cells with adequate oxygen during strenuous activities. When lactic acid builds up in the muscles, fatigue, burning sensation, and cramps result. Lactic acid will continue to build up until there is adequate supply of oxygen. Lactic acid is then converted back into pyruvate in the liver. Muscles also restore normal functions. Have you ever wondered why milk or cream turns sour after some time? Bacterial cells that undergo fermentation are responsible in producing lactate that turns the milk sour. These bacteria are used in manufacturing yogurt and sour milk products. Fermentation pathways do not breakdown and utilize the glucose completely. ATP is no longer produced beyond the process of glycolysis. Thus, energy produced is just enough for some single-celled organisms, or the energy can only be used by multicellular organisms for a short period.

The endoplasmic reticulum (EN-doh-PLAZ-mik ri-TIK-yuh-luhm), abbre- viated ER, is a system of membranous tubes and sacs, called cisternae (sis-TUHR-nee). The ER functions primarily as an intracellu- lar highway, a path along which molecules move from one part of the cell to another. The amount of ER inside a cell fluctuates, depending on the cell’s activity. There are two types of ER: rough and smooth. The two types of ER are thought to be continuous. Rough Endoplasmic Reticulum The rough endoplasmic reticulum is a system of interconnected, flattened sacs covered with ribosomes, as shown in Figure 4-15. The rough ER produces phospholipids and proteins. Certain types of proteins are made on the rough ER’s ribosomes. These proteins are later exported from the cell or inserted into one of the cell’s own membranes. For example, ribosomes on the rough ER make digestive enzymes, which accumulate inside the endoplasmic retic- ulum. Little sacs or vesicles then pinch off from the ends of the rough ER and store the digestive enzymes until they are released from the cell. Rough ER is most abundant in cells that produce large amounts of protein for export, such as cells in digestive glands and antibody-producing cells. Smooth Endoplasmic Reticulum The smooth ER lacks ribosomes and thus has a smooth appear- ance. Most cells contain very little smooth ER. Smooth ER builds lipids such as cholesterol. In the ovaries and testes, smooth ER produces the steroid hormones estrogen and testosterone. In skeletal and heart muscle cells, smooth ER releases calcium, which stimulates contraction. Smooth ER is also abundant in liver and kidney cells, where it helps detoxify drugs and poisons. Long-term abuse of alcohol and other drugs causes these cells to produce more smooth ER. Increased amounts of smooth ER in liver cells is one of the factors that can lead to drug tolerance. As Figure 4-15 shows, rough ER and smooth ER form an interconnected network. Copyright © by Holt, Rinehart and Winston. All rights reserved. reticulum from the Latin rete, meaning “net”; reticulum means “little net” Word Roots and Origins The endoplasmic reticulum (ER) serves as a site of synthesis for proteins, lipids, and other materials. The dark lines in the photo represent the membranes of the ER, and the narrow lighter areas between the dark lines show the channels and spaces (cisternae) inside the ER. FIGURE 4-15 Smooth ER Ribosomes Rough ER Cisternae 82 CHAPTER 4 GOLGI APPARATUS The Golgi apparatus, shown in Figure 4-16, is another system of flattened, membranous sacs. The sacs nearest the nucleus receive vesicles from the ER containing newly made proteins or lipids. Vesicles travel from one part of the Golgi apparatus to the next and transport substances as they go. The stacked membranes modify the vesicle contents as they move along. The proteins get “address labels” that direct them to various other parts of the cell. During this modification, the Golgi apparatus can add carbohydrate labels to proteins or alter new lipids in various ways. VESICLES Cells contain several types of vesicles, which perform various roles. Vesicles are small, spherically shaped sacs that are surrounded by a single membrane and that are classified by their contents. Vesicles often migrate to and merge with the plasma membrane. As they do, they release their contents to the outside of the cell. Lysosomes Lysosomes (LIE-suh-SOHMZ) are vesicles that bud from the Golgi appa- ratus and that contain digestive enzymes. These enzymes can break down large molecules, such as proteins, nucleic acids, car- bohydrates, and phospholipids. In the liver, lysosomes break down glycogen in order to release glucose into the bloodstream. Certain white blood cells use lysosomes to break down bacteria. Within a cell, lysosomes digest worn-out organelles in a process called autophagy (aw-TAHF-uh-jee). Lysosomes are also responsible for breaking down cells when it is time for the cells to die. The digestion of damaged or extra cells by the enzymes of their own lysosomes is called autolysis (aw-TAHL-uh-sis). Lysosomes play a very important role in maintaining an organism’s health by destroying cells that are no longer functioning properly. Copyright © by Holt, Rinehart and Winston. All rights reserved. The Golgi apparatus modifies many cellular products and prepares them for export. FIGURE 4-16 CELL STRUCTURE AND FUNCTION 83 Peroxisomes Peroxisomes are similar to lysosomes but contain different enzymes and are not produced by the Golgi apparatus. Peroxisomes are abundant in liver and kidney cells, where they neutralize free radicals (oxygen ions that can damage cells) and detoxify alcohol and other drugs. Peroxisomes are named for the hydrogen peroxide, H2O2, they produce when breaking down alco- hol and killing bacteria. Peroxisomes also break down fatty acids, which the mitochondria can then use as an energy source. Other Vesicles Specialized peroxisomes, called glyoxysomes, can be found in the seeds of some plants. They break down stored fats to provide energy for the developing plant embryo. Some cells engulf material by surrounding it with plasma membrane. The resulting pocket buds off to become a vesicle inside the cell. This vesicle is called an endosome. Lysosomes fuse with endosomes and digest the engulfed material. Food vacuoles are vesicles that store nutrients for a cell. Contractile vacuoles are vesicles that can contract and dispose of excess water inside a cell. Protein Synthesis One of the major functions of a cell is the production of protein. The path some proteins take from synthesis to export can be seen in Figure 4-17. In step , proteins are assembled by ribosomes on the rough ER. Then, in step , vesicles transport proteins to the Golgi apparatus. In step , the Golgi modifies proteins and pack- ages them in new vesicles. In step , vesicles release proteins that have destinations outside the cell. In step , vesicles containing enzymes remain inside the cell as lysosomes, peroxisomes, endo- somes, or other types of vesicles. 5 4 3 2 1 Copyright © by Holt, Rinehart and Winston. All rights reserved. Proteins are assembled by ribosomes on the rough ER. Vesicles carry proteins from the rough ER to the Golgi apparatus. Proteins are modified in the Golgi apparatus and enter new vesicles. Some vesicles release their proteins outside the cell. Other vesicles remain in the cell and become lysosomes and other vesicles. Nucleus

What is a Plant Cell? Plant cells are eukaryotic cells that vary in several fundamental factors from other eukaryotic organisms. Both plant and animal cells contain a nucleus along with similar organelles. One of the distinctive aspects of a plant cell is the presence of a cell wall outside the cell membrane. Plant Cell Structure Just like different organs within the body, plant cell structure includes various components known as cell organelles that perform different functions to sustain itself. These organelles include: Cell Wall It is a rigid layer which is composed of polysaccharides cellulose, pectin and hemicellulose. It is located outside the cell membrane. It also comprises glycoproteins and polymers such as lignin, cutin, or suberin. The primary function of the cell wall is to protect and provide structural support to the cell. The plant cell wall is also involved in protecting the cell against mechanical stress and providing form and structure to the cell. It also filters the molecules passing in and out of it. The formation of the cell wall is guided by microtubules. It consists of three layers, namely, primary, secondary and the middle lamella. The primary cell wall is formed by cellulose laid down by enzymes. Cell membrane It is the semi-permeable membrane that is present within the cell wall. It is composed of a thin layer of protein and fat. The cell membrane plays an important role in regulating the entry and exit of specific substances within the cell. For instance, cell membrane keeps toxins from entering inside, while nutrients and essential minerals are transported across. Nucleus The nucleus is a membrane-bound structure that is present only in eukaryotic cells. The vital function of a nucleus is to store DNA or hereditary information required for cell division, metabolism and growth. 1. Nucleolus: It manufactures cells’ protein-producing structures and ribosomes. 2. Nucleopore: Nuclear membrane is perforated with holes called nucleopore that allow proteins and nucleic acids to pass through. Plastids They are membrane-bound organelles that have their own DNA. They are necessary to store starch and to carry out the process of photosynthesis. It is also used in the synthesis of many molecules, which form the building blocks of the cell. Some of the vital types of plastids and their functions are stated below: Leucoplasts They are found in the non-photosynthetic tissue of plants. They are used for the storage of protein, lipid and starch. Chromoplasts They are heterogeneous, colored plastid which is responsible for pigment synthesis and for storage in photosynthetic eukaryotic organisms. Chromoplasts have red-, orange- and yellow-colored pigments which provide color to all ripe fruits and flowers. Central Vacuole It occupies around 30% of the cell’s volume in a mature plant cell. Tonoplast is a membrane that surrounds the central vacuole. The vital function of the central vacuole apart from storage is to sustain turgor pressure against the cell wall. The central vacuole consists of cell sap. It is a mixture of salts, enzymes and other substances. Golgi Apparatus They are found in all eukaryotic cells, which are involved in distributing synthesized macromolecules to various parts of the cell. Ribosomes They are the smallest membrane-bound organelles which comprise RNA and protein. They are the sites for protein synthesis, hence, also referred to as the protein factories of the cell. Mitochondria They are the double-membraned organelles found in the cytoplasm of all eukaryotic cells. They provide energy by breaking down carbohydrate and sugar molecules, hence they are also referred to as the “Powerhouse of the cell.” Lysosome Lysosomes are called suicidal bags as they hold digestive enzymes in an enclosed membrane. They perform the function of cellular waste disposal by digesting worn-out organelles, food particles and foreign bodies in the cell. In plants, the role of lysosomes is undertaken by the vacuoles. Chloroplasts It is an elongated organelle enclosed by phospholipid membrane. The chloroplast is shaped like a disc and the stroma is the fluid within the chloroplast that comprises a circular DNA. Each chloroplast contains a green colored pigment called chlorophyll required for the process of photosynthesis. The chlorophyll absorbs light energy from the sun and uses it to transform carbon dioxide and water into glucose. Structure of Chloroplast Chloroplasts are found in all higher plants. It is oval or biconvex, found within the mesophyll of the plant cell. The size of the chloroplast usually varies between 4-6 µm in diameter and 1-3 µm in thickness. They are double-membrane organelle with the presence of outer, inner and intermembrane space. There are two distinct regions present inside a chloroplast known as the grana and stroma. • Grana are made up of stacks of disc-shaped structures known as thylakoids or lamellae. The granum of the chloroplast consists of chlorophyll pigments and are the functional units of chloroplasts. • Stroma is the homogenous matrix which contains grana and is similar to the cytoplasm in cells in which all the organelles are embedded. Stroma also contains various enzymes, DNA, ribosomes, and other substances. Stroma lamellae function by connecting the stacks of thylakoid sacs or grana. The chloroplast structure consists of the following parts: Membrane Envelope It comprises inner and outer lipid bilayer membranes. The inner membrane separates the stroma from the intermembrane space. Intermembrane Space The space between inner and outer membranes. Thylakoid System (Lamellae) The system is suspended in the stroma. It is a collection of membranous sacs called thylakoids or lamellae. The green colored pigments called chlorophyll are found in the thylakoid membranes. It is the sight for the process of light-dependent reactions of the photosynthesis process. The thylakoids are arranged in stacks known as grana and each granum contains around 10-20 thylakoids. Stroma It is a colorless, alkaline, aqueous, protein-rich fluid present within the inner membrane of the chloroplast present surrounding the grana. Grana Stack of lamellae in plastids is known as grana. These are the sites of conversion of light energy into chemical energy. Chlorophyll It is a green photosynthetic pigment that helps in the process of photosynthesis. Functions of Chloroplast Following are the important chloroplast functions: • The most important function of the chloroplast is to synthesize food by the process of photosynthesis. • Absorbs light energy and converts it into chemical energy. • Chloroplast has a structure called chlorophyll which functions by trapping the solar energy and is used for the synthesis of food in all green plants. • Produces NADPH and molecular oxygen (O 2 ) by photolysis of water. • Produces ATP – Adenosine triphosphate by the process of photosynthesis. • The carbon dioxide (CO2) obtained from the air is used to generate carbon and sugar during the Calvin Cycle or dark reaction of photosynthesis. Mitochondria “Mitochondria are membrane-bound organelles present in the cytoplasm of all eukaryotic cells, that produce adenosine triphosphate (ATP), the main energy molecule used by the cell.” What are Mitochondria? Popularly known as the “Powerhouse of the cell,” mitochondria (singular: mitochondrion) are a double membrane-bound organelle found in most eukaryotic organisms. They are found inside the cytoplasm and essentially function as the cell’s “digestive system.” They play a major role in breaking down nutrients and generating energy-rich molecules for the cell. Many of the biochemical reactions involved in cellular respiration take place within the mitochondria. The term ‘mitochondrion’ is derived from the Greek words “mitos” and “chondrion” which means “thread” and “granules-like”, respectively. It was first described by a German pathologist named Richard Altmann in the year 1890. Structure of Mitochondria • The mitochondrion is a double-membraned, rod-shaped structure found in both plant and animal cell. • Its size ranges from 0.5 to 1.0 micrometers in diameter. • The structure comprises an outer membrane, an inner membrane, and a gel-like material called the matrix. • The outer membrane and the inner membrane are made of proteins and phospholipid layers separated by the intermembrane space. • The outer membrane covers the surface of the mitochondrion and has a large number of special proteins known as porins. Cristae The inner membrane of mitochondria is rather complex in structure. It has many folds that form a layered structure called cristae, and this helps in increasing the surface area inside the organelle. The cristae and the proteins of the inner membrane aid in the production of ATP molecules. The inner mitochondrial membrane is strictly permeable only to oxygen and ATP molecules. A number of chemical reactions take place within the inner membrane of mitochondria. Mitochondrial Matrix The mitochondrial matrix is a viscous fluid that contains a mixture of enzymes and proteins. It also comprises ribosomes, inorganic ions, mitochondrial DNA, nucleotide cofactors, and organic molecules. The enzymes present in the matrix play an important role in the synthesis of ATP molecules. Functions of Mitochondria The most important function of mitochondria is to produce energy through the process of oxidative phosphorylation. It is also involved in the following process: 1. Regulates the metabolic activity of the cell 2. Promotes the growth of new cells and cell multiplication 3. Helps in detoxifying ammonia in the liver cells 4. Plays an important role in apoptosis or programmed cell death 5. Responsible for building certain parts of the blood and various hormones like testosterone and estrogen 6. Helps in maintaining an adequate concentration of calcium ions within the compartments of the cell 7. It is also involved in various cellular activities like cellular differentiation, cell signaling, cell senescence, controlling the cell cycle and in cell growth. Disorders Associated with Mitochondria Any irregularity in the way mitochondria function can directly affect human health, but often, it is difficult to identify because symptoms differ from person to person. Disorders of the mitochondria can be quite severe; in some cases, they can even cause an organ to fail.

CHARACTERISTICS OF LIFE The world is filled with familiar objects, such as tables, rocks, plants, pets, and automobiles. Which of these objects are living or were once living? What are the criteria for assigning something to the living world or the nonliving world? Biologists have established that living things share seven characteristics of life. These characteristics are organization and the presence of one or more cells, response to a stimulus (plural, stimuli), homeostasis, metabolism, growth and development, reproduction, and change through time. Organization and Cells Organization is the high degree of order within an organism’s internal and external parts and in its interactions with the living world. For example, compare an owl to a rock. The rock has a spe- cific shape, but that shape is usually irregular. Furthermore, differ- ent rocks, even rocks of the same type, are likely to have different shapes and sizes. In contrast, the owl is an amazingly organized individual, as shown in Figure 1-2. Owls of the same species have the same body parts arranged in nearly the same way and interact with the environment in the same way. Copyright © by Holt, Rinehart and Winston. All rights reserved. ORGANISM (Barn Owl) ORGAN (Owl’s Ear) TISSUE (Nervous Tissue Within the Ear) CELL (Nerve Cell) Every living organism has a level of organization. The different levels of organization for a complex multicellular organism, such as an owl, are shown in the figure below. FIGURE 1-2 THE SCIENCE OF LIFE 7 All living organisms, whether made up of one cell or many cells, have some degree of organization. A cell is the smallest unit that can perform all life’s processes. Some organisms, such as bacteria, are made up of one cell and are called unicellular (YOON-uh-SEL-yoo-luhr) organisms. Other organisms, such as humans or trees, are made up of multiple cells and are called multicellular (MUHL-ti-SEL-yoo-luhr) organisms. Complex multicellular organisms have the level of orga- nization shown in Figure 1-2. In the highest level, the organism is made up of organ systems, or groups of specialized parts that carry out a certain function in the organism. For example, an owl’s ner- vous system is made up of a brain, sense organs, nerve cells, and other parts that sense and respond to the owl’s surroundings. Organ systems are made up of organs. Organs are structures that carry out specialized jobs within an organ system. An owl’s ear is an organ that allows the owl to hear. All organs are made up of tissues. Tissues are groups of cells that have similar abilities and that allow the organ to function. For example, nervous tissue in the ear allows the ear to detect sound. Tissues are made up of cells. A cell must be covered by a membrane, contain all genetic information necessary for replication, and be able to carry out all cell functions. Within each cell are organelles. Organelles are tiny structures that carry out functions necessary for the cell to stay alive. Organelles contain biological molecules, the chemical compounds that provide physical structure and that bring about movement, energy use, and other cellular functions. All biological molecules are made up of atoms. Atoms are the simplest particle of an ele- ment that retains all the properties of a certain element. Response to Stimuli Another characteristic of life is that an organism can respond to a stimulus—a physical or chemical change in the internal or external environment. For example, an owl dilates its pupils to keep the level of light entering the eye constant. Organisms must be able to respond and react to changes in their environment to stay alive. ORGANELLE (Mitochondrion) BIOLOGICAL MOLECULE (Phospholipid) ATOM (Oxygen) cell from the Latin, cella meaning “small room,” or “hut” Word Roots and Origins www.scilinks.org Topic: Characteristics of Life Keyword: HM60257 mb06se_bios01.qxd 5/18/07 10:37 AM Page 7 8 CHAPTER 1 Homeostasis All living things, from single cells to entire organisms, have mecha- nisms that allow them to maintain stable internal conditions. Without these mechanisms, organisms can die. For example, a cell’s water content is closely controlled by the taking in or releas- ing of water. A cell that takes in too much water will rupture and die. A cell that doesn’t get enough water will also shrivel and die. Homeostasis (HOH-mee-OH-STAY-sis) is the maintenance of a stable level of internal conditions even though environmental conditions are constantly changing. Organisms have regulatory systems that maintain internal conditions, such as temperature, water content, and uptake of nutrients by the cell. In fact, multi- cellular organisms usually have more than one way of maintain- ing important aspects of their internal environment. For example, an owl’s temperature is maintained at about 40°C (104°F). To keep a constant temperature, an owl’s cells burn fuel to produce body heat. In addition, an owl’s feathers can fluff up in cold weather. In this way, they trap an insulating layer of air next to the bird’s body to maintain its body temperature. Metabolism Living organisms use energy to power all the life processes, such as repair, movement, and growth. This energy use depends on metabolism (muh-TAB-uh-LIZ-uhm). Metabolism is the sum of all the chemical reactions that take in and transform energy and materials from the environment. For example, plants, algae, and some bacteria use the sun’s energy to generate sugar molecules during a process called photosynthesis. Some organisms depend on obtaining food energy from other organisms. For instance, an owl’s metabolism allows the owl to extract and modify the chemi- cals trapped in its nightly prey and use them as energy to fuel activities and growth. Growth and Development All living things grow and increase in size. Some nonliving things, such as crystals or icicles, grow by accumulating more of the same material of which they are made. In contrast, the growth of living things results from the division and enlargement of cells. Cell division is the formation of two new cells from an existing cell, as shown in Figure 1-3. In unicellular organisms, the primary change that occurs following cell division is cell enlargement. In multi- cellular life, however, organisms mature through cell division, cell enlargement, and development. Development is the process by which an organism becomes a mature adult. Development involves cell division and cell differen- tiation, or specialization. As a result of development, an adult organism is composed of many cells specialized for different func- tions, such as carrying oxygen in the blood or hearing. In fact, the human body is composed of trillions of specialized cells, all of which originated from a single cell, the fertilized egg. This unicellular organism, Escherichia coli, inhabits the human intestines. E. coli reproduces by means of cell division, during which the original cell splits into two identical offspring cells. FIGURE 1-3 Observing Homeostasis Materials 500 mL beakers (3), wax pen, tap water, thermometer, ice, hot water, goldfish, small dip net, watch or clock with a second hand Procedure 1. Use a wax pen to label three 500 mL beakers as follows: 27°C (80°F), 20°C (68°F), 10°C (50°F). Put 250 mL of tap water in each beaker. Use hot water or ice to adjust the tem- perature of the water in each beaker to match the temperature on the label. 2. Put the goldfish in the beaker of 27°C water. Record the number of times the gills move in 1 minute. 3. Move the goldfish to the beaker of 20°C water. Repeat observations. Move the goldfish to the beaker of 10°C. Repeat observations. Analysis What happens to the rate at which gills move when the temp- erature changes? Why? How do gills help fish maintain homeostasis? Quick Lab mb06se_bios01.qxd 5/18/07 10:37 AM Page 8 THE SCIENCE OF LIFE 9 Reproduction All organisms produce new organisms like themselves in a process called reproduction. Reproduction, unlike other characteristics, is not essential to the survival of an individual organism. However, because no organism lives forever, reproduction is essential for the continuation of a species. Glass frogs, as shown in Figure 1-4, lay many eggs in their lifetime. However, only a few of the frogs’ off- spring reach adulthood and successfully reproduce. During reproduction, organisms transmit hereditary informa- tion to their offspring. Hereditary information is encoded in a large molecule called deoxyribonucleic acid, or DNA. A short segment of DNA that contains the instructions for a single trait of an organism is called a gene. DNA is like a large library. It contains all the books—genes—that the cell will ever need for making all the struc- tures and chemicals necessary for life. Hereditary information is transferred to offspring during two kinds of reproduction. In sexual reproduction, hereditary information recombines from two organisms of the same species. The resulting offspring are similar but not identical to their parents. For example, a male frog’s sperm can fertilize a female’s egg and form a single fer- tilized egg cell. The fertilized egg then develops into a new frog. In asexual reproduction, hereditary information from different organisms is not combined; thus the original organism and the new organism are genetically the same. A bacterium, for example, reproduces asexually when it splits into two identical cells. Change Through Time Although individual organisms experience many changes during their lifetime, their basic genetic characteristics do not change. However, populations of living organisms evolve or change through time. The ability of populations of organisms to change over time is important for survival in a changing world. This factor is also impor- tant in explaining the diversity of life-forms we see on Earth today.

Riassunto lezione precedente Caratteristiche generali degli epiteli: ● avascolarizzati ● innervati ● capacità rigenerativa Funzioni: ● Barriera ● Secrezione Specializzazioni del dominio apicale: ● Microvilli, orletto a spazzola ● Stereociglia ● Ciglia Specializzazioni del dominio laterale ● Giunzioni cellulari [Qui inizia la lezione di oggi] Classificazione morfo-funzionale degli epiteliali di rivestimento ⮚ Epiteli pavimentosi: se le cellule sono pavimentose ⮚ Epiteli cubici: se le cellule sono cubiche, quindi altezza e larghezza si equivalgono ⮚ Epiteli cilindrici: se le cellule hanno altezza maggiore della larghezza. Possono essere sia monostratificati quindi epiteli semplici, oppure pluristratificati Nell’ epitelio pluristratificato il nome dell’epitelio lo capiamo dall’ultimo strato, per esempio se l’ultimo strato ha cellule appiattite l’epitelio sarà pavimentoso, se l’ultimo strato ha cellule cubiche sarà cubico stratificato. Non importa la forma delle cellule degli strati inferiori. Possono inoltre essere pluristratificati o epiteli di transizione. Classificazione in base alle specializzazioni ⮚ Epiteli ciliati ⮚ Epiteli non ciliati La morfologia dell’epitelio riflette un po’ la sua funzione, per esempio l’epitelio semplice si trova dove non serve una grande protezione da stress meccanico. Per esempio: epitelio squamoso semplice: nel polmone, dove devono essere facilitati gli scambi gassosi di ossigeno e anidride carbonica. Epitelio cubico semplice: nei dotti delle ghiandole esocrine; nei tubuli renali dove abbiamo sempre assorbimento o secrezione Epitelio colonnare semplice: riveste l’intestino, anche qui con funzione di assorbimento. Pseudostratificato: già visto nella lezione precedente, lo troviamo ad esempio nella trachea, ed è un epitelio ciliato, dove le ciglia non servono a spostarsi. Gli epiteli semplici li troveremo in zone non sottoposte a grandi stress meccanici, ma dove c’è bisogno di facilitare la funzione di assorbimento e scambio. Mentre gli epiteli stratificati li troviamo per esempio dell’epidermide, cavità orale dell’esofago, vagina, ovvero sedi anatomiche solitamente esposte a stress meccnici. Epitelio di transizione: tipico della vescica, la cui caratteristica fondamentale è l’estensione. Esempio di epitelio pavimentoso semplice: Endotelio ovvero l’epitelio dei vasi sanguigni I vasi possono essere molto diversi fra loro ⮚ Capillare: epitelio associato alla lamina basale ⮚ Arterie: endotelio e lamina basale, e lamina elastica (formata da elastina, favorisce la dilatazione del vaso) che formano la tonaca intima; strato intermedio, tonaca media dove troviamo cellule muscolari lisce; tonaca avventizia di tessuto connettivo ⮚ Vene: stessa struttura, ma è più abbondante lo strato di tonaca avventizia (tessuto connettivale) rispetto alle arterie, dove la più abbondante è la tonaca media. Nell’immagine si vede come la dimensione di vene e arterie può cambiarne la morfologia. CAPILLARI La funzione dell’epitelio è di favorire gli scambi tra il torrente circolatorio e i tessuti. I capillari sono costituiti da una “barriera” formata dalle cellule dell’endotelio e la lamina sottostante. dall’immagine possiamo vedere all’interno del capillare un globulo rosso, quindi il diametro di un capillare è molto ridotto, può essere anche più piccolo di un globulo rosso, che per passare si deve deformare. Si vede il globulo rosso, la piastrina e la cellula endoteliale a formare la parete del capillare, dove c’è l’asterisco è una zona più elettrondensa che rappresenta la giunzione occludente. Le strutture più sottili sono capillari Le arteriole le riconosciamo dalle cellule muscolari lisce. Possiamo vedere le cellule endoteliali che costituiscono la parete di questi vasi. Classificazione dei capillari A seconda della zona anatomica dove ci troviamo cambia la morfologia dei capillari. ⮚ Capillari continui: cellule endoteliali giustapposte fra loro, giunzioni occludenti, lamina basale contigua, passaggio di sostanze è ampiamente regolato dalla cellula stessa. Possiamo trovare associati al capillare i periciti, che sono cellule staminali e vescicole che fanno pinocitosi (endocitosi di particelle liquide) ⮚ Capillari fenestrati: dove devono essere favoriti gli scambi. Si formano fenestrazioni tra le cellule della parete del capillare. Recenti studi pensano che queste fenestrazioni siano il risultato di un’abbondante pinocitosi. ⮚ Capillari discontinui/sinusoidi: le fenestrazioni sono ancora più grandi e la lamina basale è discontinua, quindi passaggio favorito. Esempio in microscopia elettronica del capillare continuo e fenestrato nella prima immagine il capillare è continuo, non ci sono interruzioni della lamina basale, non ci sono fenestrazioni, sono evidenti le giunzioni cellulari, si vedono le vescicole di pinocitosi. Nella seconda immagine ci sono interruzioni delle cellule endoteliali. In questa immagine invece vediamo un e sinusoide in cui le fenestrazioni sono più grandi, la lamina basale è discontinua, quindi passa anche il plasma. Associato alla cellula endoteliale possiamo trovare il Pericita, cellula staminale mesenchimale (cellula mesenchimale da origine a tessuto osseo, muscolare). Queste cellule hanno capacita di migrare e differenziarsi. Se per esempio rimuoviamo i periciti e induciamo una lesione per esempio a livello della spina dorsale dell'animale c’è impossibilità di rigenerazione del tessuto. CONDIZIONI PATOLOGICHE È importante mantenere la continuità di questo epitelio, infatti la lesione dell’endotelio è patologica, si chiama Arterosclerosi una delle maggiori cause di morte. la lesione parte dalla tonaca intima (endotelio, lamina basale), per esempio causata da alti livelli di colesterolo. Infiltrazione, i monociti si depositano tra lamina elastica ed endotelio, i monociti migrano in questa zona, assorbono lipidi intorno a queste cellule schiumose e si può formare questa lesione che può far sforzare di più il cuore, o provocare un embolo. Istologia di un vaso normale e un vaso con arterosclerosi. La colorazione è la Tricromica di Masson, che colora in viola i nuclei, in rosso il citoplasma e tessuto muscolare, in blu il collagene. Essendo il collagene il principale componente del tessuto connettivo nella seconda immagine notiamo deposizioni di tessuto connettivo in seguito alla lesione. [il professore nomina Histology guide, un sito consultabile online dove troviamo la maggior parte delle sezioni e immagini istologiche che lui spiega a lezione] MESOTELIO Altro esempio di epitelio pavimentoso semplice è il mesotelio, che riveste o le parti interne del corpo: mesotelio parietale; o gli organi: mesotelio viscerale. Per esempio la pleura viscerale riveste direttamente il polmone e la pleura parietale la parete del torace. Mesotelio che riveste il rene: singolo strato di cellule pavimentose. Mesotelio cardiaco: abbiamo una parete esterna: pericardio parietale; poi il liquido pericaridico che riduce l’attrito; e pericardio viscerale: diretto contatto col cuore. Nell’istologia del mesotelio vediamo uno strato di cellule e sotto la lamina basale le grosse cellule bianche sono di tessuto adiposo. Questo tipo di epitelio lo troviamo per esempio nell’intestino. Peritoneo parietale: parte esterna Dopo la parete muscolare c’è la sierosa, mesotelio Viscerale, composto da cellule pavimentose semplici, lamina basale. ALVEOLO POLMONARE Nell’alveolo Polmonare l’epitelio pavimentoso semplice svolge un ruolo fondamentale, perché deve facilitare gli scambi gassosi. Strato sottile: pneumocita dell’epitelio alveolare Capillare con globulo rosso Giunzioni occludenti tra pneumociti PATOLOGIA Rottura degli alveoli polmonari, per esempio inalando particolato, o col fumo di sigaretta, c’è il collasso dell’alveolo polmonare, quindi infiltrazione di particolato: Enfisema; oppure con un’infezione per esempio polmonite vediamo la presenza di essudato ricco di leucociti, quindi le cellule infiammatorie. EPITELIO CUBICO SEMPLICE Il nucleo della cellula è rotondo, non pù schiacciato come nelle cellule pavimentose. La cellula ha larghezza e altezza simili. Questo tipo di tessuto si trova nei dotti di alcune ghiandole, o le cellule secernenti dei follicoli tiroidei. Quindi con funzione di trasporto o secrezione. EPITELIO CILINDRICO SEMPLICE Nucleo solitamente posizionato nella parte più vicina alla lamina basale, la cellula è alta e stretta. Tra le cellule epiteliali troviamo le cellule mucipare caliciformi. Cripte intestinali Spesso troviamo una presenza abbondante di microvilli che formano l’orletto. Nelle immagini vediamo lo stesso tessuto trattato con due colorazioni diverse, nella Tricromica di Masson la struttura colorata di azzurro è la lamina basale. Nelle cripte intestinali abbiamo sia assorbimento e secrezione. ● Enterociti: dedicati all’assorbimento ● Enteroendocrine: disperse nell’epitelio, considerate i maggiori organi esocrini del nostro organismo, rilasciano Somatotossina e istamina ● Cellule di Paneth: secernono sostanze antimicrobiche, funzione di protezione ● Cellule staminali: soprattutto nella parte più basale della cripta ● Cellule caliciformi Quelle indicate dalla freccia sono giunzioni occludenti PATOLOGIA La morfologia egli epiteli è importante, alterazioni di questi tessuti sono associate a patologie. Per esempio perdita di continuità dell’epitelio dell’intestino che è rivelatore di una trasformazione neoplastica. Le cellule epiteliali assumono funzione mesenchimale e possono invadere la sottomucosa. È importante individuare la lesione prima che invada la sottomucosa perché mentre l’epitelio è avascolarizzato nella sottomucosa ci sono i vasi sanguigni, e il tumore può fare metastasi. EPITELIO CILINDRICO SEMPLICE CILIATO nelle tube uterine abbiamo sia cellule ciliate che non ciliate, che provengono dalla stessa cellula iniziale che poi differenzia. [legge la slide accanto] EPITELIO PSEUDOSTRATIFICATO Come si può riconoscere? A prima vista sembra pluristratificato perché i nuclei sono posti su nuclei differenti, ma non è così, perché tutte le cellule poggiano sulla lamina basale. Ma non tutte le cellule arrivano nello strato apicale. Quindi il nucleo è delocalizzato nella parte più grande della cellula. Possono essere ciliati o non ciliati. L’epididimo per esempio ha specializzazioni ma sono Stereociglia, quindi è epitelio pluristratificato non ciliato. Mentre un esempio di epitelio pseudostratificato ciliato è la trachea. Le ciglia sono un po’ più corte. (si riconosce la trachea perché sotto l’epitelio ci sono dischi di cartillagine) All’interno dell’epitelio della trachea possiamo trovare cellule mucipare caliciformi, che secernono muco, e non sono ciliate. Evidente nell’immagine con microscopio elettronico a scansione. TESSUTO EPITELIALE Epiteli pluristratificati Abbiamo visto gli epiteli semplici, quindi un unico strato di cellule e zero stratificazioni. Adesso vedremo alcune delle caratteristiche degli epiteli pluristratificati, che ovviamente presentano più strati di cellule; spesso la forma delle cellule cambia all’interno dei vari strati, e il nome viene dato dallo strato più superficiale. In questo caso abbiamo epitelio pluristratificato pavimentoso, anche se in effetti la cellula dello strato basale è cubica. Qual è il ruolo di questi epiteli? È quello di garantire maggiore protezione. Una delle caratteristiche di questi epiteli è che la rigenerazione, il turn-over che si fa, cioè il cambio del tessuto, è garantito dallo strato basale, perché nello strato profondo abbiamo le cellule staminali. Può essere non cheratinizzato, e lo troviamo nella bocca, nella faringe, nell’esofago, nella vagina e nel retto, oppure cheratinizzato, che è l’epitelio caratteristico dell’epidermide. Ad esempio in questo caso (foto sopra) che tipo di epitelio è? Pluristratificato pavimentoso, perché le cellule circondate di azzurro nell’ultimo strato, danno un epitelio pavimentoso. Nell’esofago abbiamo un epitelio pluristratificato non cheratinizzato. Come si può notare subito sotto l’ultimo strato abbiamo il tessuto connettivo, con la presenza di vasi sanguigni e con la mucosa muscolare. Qual è una delle caratteristiche istologiche che già si può apprezzare, come prima osservazione di questo epitelio? Cosa cambia tra questo strato (1) e questo altro strato (2) ? La densità dei nuclei. L’aspetto dello strato basale, normalmente, è appunto caratterizzato dalla maggior presenza dei nuclei, perché come accennato, sono presenti le cellule staminali, quindi le cellule sono ancora capaci di replicarsi, per rimpiazzare le cellule che sono presenti negli strati più superficiali, che sono sfaldate dallo stress meccanico. In alcuni animali anche l’esofago ha un epitelio cheratinizzato. Una delle tecniche che possiamo utilizzare per rivelare la presenza di cellule staminali, di cellule che stanno proliferando nello strato basale, è l’immunoistochimica, con la quale usiamo un anticorpo, in questo caso un anticorpo rivolto verso una proteina chiamata CD156, che è un marcatore, una proteina, presente solo nelle cellule staminali; quindi se noi coloriamo il tessuto, facciamo un’ibridazione con un anticorpo rivolto verso questa proteina, questo anticorpo è legato ad un enzima, che fa precipitare il substrato (in foto di colore marrone), e al microscopio ottico possiamo vedere dove sono presenti le cellule staminali. L’alternativa è invece coniugare l’anticorpo con il fluoroforo, e andare ad osservare con un microscopio a fluorescenza. La pelle: l’epidermide Spesso troviamo in questo tipo di epiteli, questi ripiegamenti degli strati basali, ma anche negli strati più superficiali, cosa che è evidente anche nell’epidermide. La cute è composta sia da un epitelio chiamato epidermide, sia dal derma sottostante che è un tessuto di natura connettivale. A seconda della sede anatomica che si sta analizzando, possiamo avere una cute sottile o una cute più spessa, quello che cambia è proprio lo spessore dell’epidermide, in particolare dell’ultimo strato. Questo è un esempio di cute sottile (sx), mentre questa è una cute spessa (dx). Si può apprezzare come, ad esempio, siano presenti dei ripiegamenti degli strati basali, ma in parte anche degli strati più superficiali. Dove sono più evidenti queste pieghe, ad esempio? Dove si formano le impronte digitali, viene accentuato il ripiegamento dello strato superficiale. Qui (sempre immagine sopra a dx) possiamo notare che nello strato superficiale, rispetto allo strato basale, non sono presenti i nuclei. A differenza dell’esofago in cui i nuclei sono presenti anche negli strati più superficiali, nell’epidermide le cellule proprie degli strati superficiali (i cheratinociti) perdono i nuclei. Infatti così facendo viene creato lo strato chiamato cheratina. Ovvero nello strato corneo, quello più superficiale, non abbiamo la presenza di nuclei. Quello che cambia all’interno dei vari strati è la presenza o meno di determinati tipi di giunzioni. Nello strato basale sicuramente troviamo una giunzione, che non è presente negli altri strati, ovvero gli emidesmosomi. Questo perché l’emidesmosoma è una giunzione che si trova tra la cellula epiteliale e la lamina basale, che ovviamente è a contatto solo con l’ultimo strato. Quindi l’emidesmosoma qui colorato di verde (immagine sopra), è presente solo nello strato basale. Mentre cominciamo a vedere la presenza di desmosomi tra una cellula e l’altra, che si mantengono nello strato basale ma anche nello strato spinoso. Lo strato granuloso è caratterizzato ad esempio dalla presenza di giunzioni occludenti e aderenti, che quindi rendono impermeabile l’epidermide e impediscono il passaggio di sostanze attraverso questo strato. Questi ultimi tipi di giunzioni le troviamo anche nello strato lucido, mentre i desmosomi corneificati o corneodesmosomi, li troviamo nello strato corneo. Anche il numero di cellule dei vari strati è pressoché costante. Strato basale Tramite questa sezione dell’epidermide andiamo ad ingrandire lo strato basale, a contatto con il tessuto connettivo sottostante, e possiamo vedere, come è rappresentato questo stato, ovvero la presenza massiva di nuclei, dovuti alla proliferazione delle cellule, che infatti sono positive a quest’altro marcatore, che è un importante regolatore del ciclo cellulare Ki67. Se facciamo l'immunoistochimica per questo fattore, le cellule degli strati basali lo respingono, perché sono in attiva proliferazione. Quindi se per esempio abbiamo una lesione dell’epidermide, sicuramente questo marcatore non reagirà. Quindi le cellule perdono la capacità di proliferare, nello strato spinoso e nello strato granuloso la perdono totalmente, e addirittura nello strato corneo perdono proprio il nucleo, quindi è impossibile che la cellula si replichi. E questa è l’importanza dello strato basale, che regola il turnover di questo tessuto che è di circa 30-40 giorni, cioè una cellula passa dallo strato basale a quello corneo in 30-40 giorni, e così facendo si rinnova totalmente l’epidermide. Se guardiamo lo strato basale o germinativo, abbiamo una cellula piuttosto piccola, tondeggiante, prolifera e sono presenti sia desmosomi, sia emidesmosomi. Strato spinoso Nello strato spinoso, è presente uno spazio intercellulare tra una cellula e l’altra. Si possono osservare delle spine, questi sono dei processi citoplasmatici, che servono poi a connettere un cheratinocita e l’altro. Ovvero in queste spine sono presenti i desmosomi. In questo strato inizia il differenziamento cellulare, il cheratinocita inizia ad esprimere le cheratine, quindi perde la capacità di proliferare. Strato granuloso Lo strato granuloso è chiamato così, proprio per il suo aspetto istologico, per la presenza di granuli all’interno del citoplasma in ambiente cellulare. Normalmente dovrebbe riportare 3 file di cellule in questo strato, visualizzando la presenza dei granuli in ogni cellula. Questi granuli contengono proteine come cheratoialina, filegrina e loricrina, sostanze che serviranno, poi, a rendere l’epidermide resistente. Le giunzioni tra una cellula ed un’altra sono desmosomi e giunzioni occludenti, infatti, se noi facciamo l’immunofluorescenza per proteine come la claudina, che colora le giunzioni più immature, possiamo colorare anche cellule degli strati limitrofi; se invece utilizziamo l’immunofluorescenza per l’occludina, che è una giunzione più matura, si può vedere com’è proprio più localizzata e ristretta allo strato granuloso. Inoltre si può notare (foto sotto) anche la microscopia elettronica con le giunzioni occludenti. Qui (sotto) possiamo vedere una bellissima immunoistochimica proprio con la claudina, dove possiamo vedere la sezione dell’epidermide con l’immunoistochimica. E qui già possiamo vedere alcune cellule, che perdono il nucleo negli strati più superiori dello strato granuloso, e la cosa risulta poi evidente nello strato corneo, dove i nuclei sono assenti, che è la caratteristica fondamentale, con la quale si riconosce questo strato. Strato corneo La cellula quindi forma queste lamine, prive di nucleo, il citoplasma è farcito di cheratina aggregata, le giunzioni sono dei desmosomi modificati e sono rivestiti da un involucro cellulare corneificato, ovvero: involucrina, loricrina, filamenti di cheratina e molecole lipidiche, che rendono lo strato impermeabile. La cheratina va classificata tra i filamenti intermedi importanti nel citoscheletro. Infatti si ricordi la presenza dei filamenti sottili di actina, di tubulina e poi a seconda del tessuto possiamo avere dei determinati filamenti intermedi. In particolare, la cheratina forma il filamento intermedio nell'epitelio. I desmosomi, ovvero la giunzione tra un cheratinocita e l’altro, è regolata dal pH. Per questo è importante mantenere il pH della cellula, perché via via che aumentiamo l’acidità del pH, promuoviamo lo sfaldamento dei cheratinociti e quindi il ricambio dello strato più superficiale. In alcune sedi come, ad esempio, il palmo della mano e dei piedi, è presente un ulteriore strato, che è definito lucido, proprio per il suo aspetto istologico, ed è presente tra lo stato corneo e lo strato granuloso. Qui (sotto) abbiamo una microscopia elettronica a trasmissione di una sezione di tessuto di epidermide sottile, dove si possono vedere i cheratinociti nei vari strati. Questa la si può sempre colorare artificialmente e si può così riconoscere la struttura dei vari strati. Quindi sostanzialmente salendo dallo strato basale allo strato corneo, abbiamo il differenziamento dei cheratinociti dalle cellule staminali che sono in grado di replicarsi. Si ricordi infatti che per cellula staminale non si intende solo una cellula che è in grado di differenziarsi ma è anche in grado di autoregolarsi. Dunque da una parte formerà una nuova progenie di cellule staminali in grado di differenziarsi, dall’altra i cheratinociti iniziano il processo di differenziamento passando allo strato spinoso. Iniziano quindi ad esprimere le cheratine, cambiano la forma, cambiano il tipo di giunzione, fino a produrre l’involucro di cheratina nello strato corneo e questo ha un timing ben preciso a seconda della zona. Per capire l’importanza dell’aspetto molecolare di questo differenziamento (non verrà richiesto all’esame) si faccia presente che tutti i geni del differenziamento dell’epidermide sono presenti nei cluster presenti nel cromosoma umano. Ovvero sono presenti tutti i geni necessari per il progredire del differenziamento dei cheratinociti all’interno dell’epidermide. All’interno degli epiteli non abbiamo solo i cheratinociti, ma abbiamo quattro tipi cellulari: -i cheratinociti -i melanociti - le cellule di Langerhans - le cellule di Merkel I melanociti Sono i responsabili della produzione della melanina, che è un pigmento, che viene formato dalla ossidazione della tirosina, ad opera della tirosinasi, viene accumulata all’interno dei melanosomi, di queste vescicole, e poi vengono rilasciate dal melanocita e vanno a fondere con le cellule dei cheratinociti dello strato spinoso, e formano una sorta di barriera, al di sopra del nucleo delle cellule dello strato spinoso. La funzione importante della melanina è (oltre a “renderci più attraenti d’estate”) proteggere il nucleo delle cellule dell’epidermide dai raggi ultravioletti, per impedire l’insorgere di mutazioni. I melanociti si possono identificare nello strato basale, e infatti possiamo mettere in evidenza la presenza dei melanociti con dei marcatori (come, per esempio, le tirosinasi che formano la melanina), che sono localizzati nello strato basale. In questo caso possiamo vedere, nell’epitelio della cornea, la presenza dell’immunofluorescenza, dei melanociti marcati con questo marcatore specifico del melanocita (e che quindi sono proprio nello strato basale). Quest’ultimo in particolare è positivo alla p-caderina che è quindi un marcatore del melanocita della cellula nello strato basale. Mentre la cheratina/la pan cheratina marca gli strati superiori. Cosa succede se abbiamo una iperplasia del melanocita? A cosa ci si sta predisponendo? Al melanoma. Quindi sotto un punto di vista medico istologico, prima di avere la trasformazione tumorale, i melanociti diventano più abbondanti e di dimensioni più irregolari. In particolare li troviamo anche negli strati superiori e non solo nello strato basale quando viene effettuato l’esame istologico. Cellule di Langerhans Le cellule di Langerhans sono delle cellule del sistema immunitario, che derivano dalla famiglia dell’ovocita dei macrofagi, troviamo cellule derivate da questa famiglia in diversi tessuti, e nell’epidermide si differenziano nelle cellule di Langerhans. Per esempio nell’osso differenziano nell’osteoclasto, oppure nel connettivo in macrofagi. Quindi sono tutte cellule che derivano dall’ovocita (da questa famiglia), e che hanno delle caratteristiche comuni, come la capacità di fagocitare, o di presentare l’antigene. Sono marcate ad esempio dall’antigene Cd1, e sono la prima sentinella dell’epidermide per i noxa patogena. Ovvero possono fagocitare e possono attivare la risposta immunitaria in caso di patogeni. Qui possiamo vedere una cellula di Langerhans, all’interno di uno strato spinoso, con questi lunghi processi citoplasmatici, che caratterizzano la cellula di Langerhans, ma anche le altre cellule della stessa famiglia. Cellula di Merkel Infine abbiamo la cellula di Merkel, che è responsabile della percezione sensitiva, quindi tramite il tatto, è più abbondante in alcune zone anatomiche, come ad esempio i polpastrelli e le labbra. In questa microscopia elettronica a trasmissione, possiamo vedere, la cellula di Merkel sopra al nucleo, è presente nello strato basale, perché subito sotto dal tessuto connettivo arrivano le terminazioni nervose, che prendono contatto diretto con la cellula di Merkel. Quindi la cellula di Merkel funziona da meccanorecettore, che trasmette direttamente al sistema nervoso la percezione meccanica. E qui possiamo vedere la giunzione con una cellula nervosa e la presenza delle cellule di Schwann, che sono delle cellule di sostegno associate al neurone, che stabilizzano le giunzioni con le sinapsi dei neuroni, e hanno poi la funzione di formare la guaina mielinica lungo l’assone. Non esistono solo le cellule di Merkel come recettori del tatto associati alla cute (lo vedremo poi con anatomia), esistono terminazioni nervose libere, corpuscoli dei bacilli e altre strutture. Abbiamo poi gli epiteli pluristratificati pavimentosi. Ma abbiamo la distribuzione limitata anche degli epiteli pluristratificati cubici (in foto a dx), che sono presenti in alcuni solchi maggiori e in alcune ghiandole esocrine (la funzione è sempre quella di trasporto). Lo stratificato colonnare, che è molto raro nei mammiferi (in foto a sx), presenta sempre alcuni dotti di alcune ghiandole esocrine. È caratterizzato di solito da due strati: uno di cellule cubiche e uno superiore di cellule cilindriche o colonnari. Infine abbiamo l’epitelio di transizione, che a seconda dello stato rilassato o disteso dell’organo, ha una conformazione differente. Quando la vescica è rilassata, abbiamo un maggior numero di strati, le cellule superficiali hanno questa forma a cupola; quando, invece, la vescica è piena l’epitelio/il tessuto si distende, e questo anche grazie alla presenza delle giunzioni tra una cellula epiteliale e l’altra, le cellule cambiano di forma e ci appaiono più schiacciate, ad esempio negli strati più superficiali (quindi diminuisce il numero di strati). Questa caratteristica permette una grande capacità di distensione. Cosa intendiamo con Metaplasia? Intendiamo un processo che è ancora reversibile, dove la cellula epiteliale passa da un tipo di epitelio a un altro, perché sottoposta, ad esempio a stress, o costante infiammazione o infezione virale. Quindi la metaplasia è il primo passo della trasformazione carcinogenica a cellule squamose o ad adenocarcinoma. Per esempio in foto è presente la cervice uterina, dove l’epitelio colonnare semplice converte, quando abbiamo metaplasia, in epitelio squamoso stratificato, che è ovviamente disfunzionale. Per esempio se si prendesse la trachea di ratto, esposta o meno al fumo di sigaretta (ovvero un fattore stressogeno), le cellule sono sottoposte continuamente a sostanze infiammatorie, che possono causare la mutazione dell’epitelio della trachea, che è pseudostratificato ciliato, ad un epitelio che invece è stratificato. Quindi ovviamente, in questo caso si ha una perdita di funzione dell’epitelio della trachea.

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