CITOLOGIA

CITOLOGIA (X, p. 461; App. II, 1, p. 626)

Le metodiche chimiche, biofisiche, fisiologiche e morfologiche hanno particolarmente sviluppato la c. dinamica conducendo ad un profondo mutamento nel quadro della disciplina. Tuttavia i dati costruttivi morfologici, rivalutati ed ampliati dall'indagine submicroscopica elettronica, debbono essere ancora considerati come il punto di convergenza di tutte le altre conoscenze. Si può quindi avere un quadro generale della moderna c. esaminando le nuove concezioni strutturali e le relative interpretazioni del valore dei costituenti della cellula, quali la membrana limite cellulare, lo ialoplasma, gli organelli endocellulari, il nucleo (v. tav. f. t.).

Membrana limite. - La membrana limite delle cellule, o plasmalemma, è ben dimostrabile al microscopio elettronico in materiali fissati in acido osmico o in liquidi permanganici tamponati (fig. 1): essa è visibile anche in molti casi nei quali l'indagine microscopica aveva sostenuto l'esistenza di sincizî. La membrana limite appare come un velamento di spessore sensibilmente costante di circa 100 Å dotato di un sensibile arresto elettronico. Le immagini alle alte resolvibilità, che dimostrano un aspetto pluristratificato della membrana, reperti di indagini a luce polarizzata ed alcune analisi chimiche hanno suggerito l'interpretazione che la membrana limite sia generalmente formata da due film proteici, tra i quali è sistemato uno strato mono- o bimolecolare di lipidi orientati con l'asse maggiore perpendicolarmente alla superficie. Tale modello costruttivo non ha confermato le ipotesi prima avanzate sulla struttura delle membrane cellulari in base agli studî dei fenomeni della permeabilità. In proposito si deve però rilevare che il problema dei rapporti tra organizzazione strutturale delle membrane e passaggio di sostanze dal mondo esterno alla cellula e viceversa è oggi sensibilmente cambiato: pur riconoscendo infatti che la duplice natura della membrana limite può adattarsi alle antecedenti ipotesi funzionali della membrana limite (del filtro o della solubilità), l'indagine submicroscopica e l'uso di sostanze marcate con isotopi hanno dimostrato che il passaggio di materiali, anche di elevato peso molecolare, dal mondo esterno all'interno della cellula, è legato a fenomeni dinamici di microfagocitosi submicroscopica di goccioline liquide nelle quali le molecole sono disciolte (pinocitosi submicroscopica).

Membrane limite di complessità maggiore sono dimostrabili nelle cellule differenziate: anche negli esseri unicellulari il plasmalemma è sovente più spesso ed ha una stratificazione più complicata.

Ialoplasma. - Il citoplasma fondamentale, o ialoplasma, otticamente omogeneo all'esame in vivo, risulta all'indagine submicroscopica elettronica di struttura assai complessa (fig. 2). Gli aspetti più frequenti sono quelli di un tenuissimo reticolo filamentoso dello spessore di poche decine di Å, di regola cosparso di granuli assai più grossi e densi, o quelli di un sistema di sottili lamine anch'esse coperte di granuli: le membrane circoscrivono spazî microvescicolari, tubolari, laminari, comunicanti tra di loro: questi ultimi aspetti vengono definiti dagli autori anglosassoni con l'espressione impropria di "reticolo endoplasmico", e dagli autori svedesi con il termine di "citomembrane" delimitanti spazî detti "cisterne". Forma, ordine di grandezza, densità delle strutture vescicolari del citoplasma sono assai variabili anche in una stessa cellula, e il fatto è interpretato come espressione di un'alta dinamicità e modificabilità continua delle strutture durante l'attività vitale. Struttura a trabecolato e strutture laminari possono essere presenti nella medesima cellula con prevalenza più o meno netta dell'una sull'altra: in generale nelle cellule embrionarie poco differenziate, nelle cellule tumorali, è più frequente l'aspetto del trabecolato, mentre negli elementi meglio differenziati, prevale la struttura a membrane.

Le indagini che hanno cercato di stabilire l'esatta equivalenza in vivo di queste immagini si sono principalmente basate sui risultati delle indagini chimiche e fisiche dello ialoplasma purificato dagli altri organelli cellulari tramite l'ultra-centrifugazione, e sugli studî del dinamismo cellulare, che oltre alle tecniche già usate (come quelle dello studio della viscosità, della birifrangenza di flusso, ecc.) si sono arricchiti delle analisi sulle catene degli enzimi cellulari, sulle trasformazioni e sostituzioni molecolari tramite la marcatura con isotopi radioattivi. Tali studî costituiscono il capitolo della citochimica che è oggi uno dei fondamentali capitoli della citologia.

Dal complesso dei risultati di tutte le ricerche si possono trarre alcune conclusioni generali.

Lo stato fisico dello ialoplasma è riconducibile al modello dei cosiddetti gel reticolari dispersi fortemente idratati: non può mai essere considerato uno stato di sol, perché i sol sono privi di struttura. I materiali costruttivi di questo gel reticolare sono lunghe molecole filamentose proteiche più o meno vincolate tra di loro, organizzate in un reticolo tridimensionale. Ad esso inoltre sono unite strutture submicroscopiche granulari e di tipto membranoso che, in modo diverso da una cellula all'altra, sepimentano nel citoplasma spazî probabilmente a contenuto un poco differente. Detta interpretazione è in accordo con le conoscenze sui caratteri ottici dello ialoplasma e permette d'interpretare le immagini elettroniche come una sufficiente stabilizzazione delle parti dense, che forse sono soltanto un poco esagerate nella loro apparenza dalla deposizione della sostanza fissatrice e di contrasto (acido osmico).

All'architettura del gel reticolare sono legate altre sostanze, i lipidi e specialmente gli enzimi, la cui ordinata azione presuppone l'esistenza di meccanismi regolatori.

Alla complessa interazione dei diversi costituenti, all'azione degli enzimi, si devono le proprietà di dinamismo ed evoluzione continua del sistema che per la stessa conservazione delle proprietà vitali deve subire continui processi di trasformazione legati al metabolismo.

Ogni stabilizzazione del sistema è già un artefatto: le immagini statiche di esso, anche se perfettamente equivalenti, hanno scarso valore agli effetti dell'interpretazione generale del fenomeno evolutivo.

La concezione attuale della struttura dello ialoplasma non è una conferma della teoria dell'organizzazione molecolare di A. Frey-Wyssling, ma ne è un ulteriore perfezionamento.

Organelli endocellulari. - Vengono qui considerate soltanto le parti formate del citoplasma che sono attributo costante delle cellule anche poco differenziate: sono in genere dimostrabili anche all'esame ottico in vivo.

Mitocondrî. - Le indagini submicroscopiche hanno confermato che i mitocondrî sono organelli granulari o bastonciniformi, di forma e grandezza variabili, presenti in tutte le cellule. Nonostante la loro forma definita, hanno notevole plasticità e dinamicità, come è stato dimostrato dagli studî microcinematografici in vivo (M. Chèvremont e collaboratori).

All'indagine submicroscopica i mitocondrî appaiono formati da una membrana limite che si spinge nell'interno con setti che suddividono i microcondrî in scomparti più o meno completi (fig. 3). Il contenuto è dotato di modico assorbimento elettronico. I mitocondrî possono essere isolati con la centrifugazione frazionata e studiati chimicamente. È stato dimostrato che hanno composizione enzimatica sensibilmente costante: contengono in modo quasi esclusivo i sistemi enzimatici della respirazione ed i principali sistemi fornitori di energia. Sono da considerare organelli che separano nel loro interno numerosi enzimi regolandone la dispersione e l'azione nello ialoplasma.

Ergastoplasma. - L'ergastoplasma, dimostrato dalla microscopia ottica in talune cellule, risulta all'indagine submicroscopica elettronica costituito da lamine proteiche ricchissime di granuli di ribonucleoproteine: le lamine delimitano cisterne, di regola sotto forma di lamine appiattite (fig. 4). La struttura dell'ergastoplasma ha sensibili analogie con quella del cosiddetto reticolo endoplasmico del quale rappresenta un perfezionamento ed una particolare organizzazione. L'esame di molte cellule ha dimostrato che le strutture laminari dell'ergastoplasma possono trovarsi sparse, isolate o a piccoli gruppi, sicché sono sfuggite all'indagine ottica. L'ergastoplasma è attributo costante delle cellule che esercitano attività proteino-sintetiche come cellule secernenti esocrine ed endocrine, i fibroblasti in attività fibrillo-genetica, le plasmacellule in attività di produzione degli anticorpi.

Unendo i dati morfologici ed i dati chimici, ne è nata l'interpretazione che l'ergastoplasma è una zona specializzata del citoplasma, dove per attività degli enzimi e sul modello degli acidi nucleici viene realizzata la sintesi dei corpi proteici più specializzati.

Campi o zone di Golgi. - Le indagini al microscopio elettronico hanno dimostrato che nella sede delle zone di Golgi esistono sistemi canalicolari, delimitati da membrane sottili, prive di acido ribonucleico e tra le quali è interposta una sostanza finemente granulare in generale piuttosto opaca agli elettroni (fig. 5). Sulla base di questo reperto si va oggi riesaminando il complesso delle numerose e diverse immagini che la microscopia ottica aveva compreso nel termine di apparato reticolare interno di Golgi. Appare molto probabile che talune di queste immagini siano artefatti, come del resto era già stato in parte supposto (da A. Pensa e da E. Borghese). L'immagine elettronica sembra avvicinarsi a quelle descritte da A. Corti sotto il termine di lacunoma o di vacuoma da J. Parat.

Poco si sa sinora sulla natura chimica delle zone di Golgi, perché esse sono difficilmente isolabili in forma pura dal citoplasma: sembrano ricche di fosfolipidi. La zona di Golgi appare particolarmente sviluppata e in modificazione continua nelle cellule a secrezione esocrina: S. Palay ha quindi sostenuto che la zona di Golgi è legata alla raccolta del materiale secretivo per la formazione dei granuli di secreto. Questa teoria ha certamente valore per le cellule secernenti, ma non spiega l'attività delle zone di Golgi nelle cellule che non producono secreti.

Centrioli, centrosfera, fuso mitotico. - Le indagini elettroniche hanno dimostrato che i centrioli hanno una particolare struttura tubulo-filamentosa: in generale sono contenuti in un'area di citoplasma più trasparente, al bordo della quale iniziano le strutture filamentose dell'astrosfera. Detta zona è stata considerata da M. Bessis e A. Policard come la zona direttiva delle attività dinamiche della cellula, sotto il termine di centro cellulare. Indagini a luce polarizzata, microradiografiche ed elettroniche, illustrando le peculiarità del fuso di divisione, ne hanno prospettato il valore nel meccanismo della divisione mitotica. Sebbene il movente iniziale di questo complesso fenomeno rimanga ancora oscuro, risulterebbe da questi studî che talune fasi della mitosi, come sistemazione e migrazione dei cromosomi, sono legate a proprietà intrinseche molecolari del fuso mitotico.

Paraplasmi ed altri inclusi. - È stato facilmente confermato dalle indagini submicroscopiche che i lipidi vengono separati nel citoplasma sotto forma di gocciole: per contro il glicogene è probabilmente disperso in forma appena sopra-molecolare, non in granuli come appare dopo fissazione. Le indagini hanno inoltre rivelato che molti inclusi granulari specifici di determinati stipiti cellulari hanno una complicata struttura submicroscopica (per es. i cloroplasti). I materiali inerti, residui di fagocitosi, cristalli, ecc. sono in generale separati dal citoplasma tramite una membrana che ha caratteri simili alla membrana limite (vacuoli). Lo stesso fenomeno si verifica anche nella formazione di vacuoli a contenuto acquoso.

Nucleo. - Le indagini elettroniche hanno fornito chiare immagini sulla struttura della membrana nucleare. Essa presenta duplice stratificazione e lo strato profondo in generale è portatore di una serie regolare di pori a densità e grandezza variabile a seconda dei nuclei: i due strati possono avere tra di loro rapporti complessi. Nei macronuclei delle uova e dei protozoi, lo strato poroso è molto spesso e resistente ed ha un aspetto molto caratteristico (fig. 6).

Le indagini submicroscopiche elettroniche non hanno portato modificazioni essenziali alle concezioni già avanzate sull'organizzazione dei materiali contenuti nel nucleo. I dati attuali appoggiano la tesi dell'esistenza di una struttura proteica filamentosa alla quale sono legati gli acidi nucleici sotto forma di granuli.

Peculiare e complessa organizzazione di questo tipo si trova nel nucleolo. L'architettura è la base per l'organizzazione dei filamenti dei cromosomi, sui quali si sistemano regolarmente le parti nucleiniche.

Progressi più importanti sono stati realizzati nello studio della dinamica nucleare, tramite il concorrere di studî chimici, biochimici, fisiologici e morfologici sui costituenti nucleinici del nucleo. Iniziando dalle fondamentali ricerche di T. Casperson eseguite con lo studio degli spettri di assorbimento ultravioletto caratteristici di questi corpi, l'indagine cariologica si è arricchita di importantissime conoscenze sull'organizzazione molecolare, sullo stato cristallino, sulle modificazioni qualitative e quantitative degli acidi nucleici nelle diverse fasi dell'attività cellulare. Sono particolarmente vaste e sistematiche le indagini eseguite da J. Brachet e dalla sua scuola sugli esseri unicellulari in diverse condizioni sperimentali. Le ricerche hanno dimostrato che le attività del nucleo sono ancora più complesse e vaste di quelle finora prospettate: è stato infatti dimostrato che i costituenti essenziali, cioè gli acidi nucleici, sono sempre connessi in modo più o meno stretto con tutti i meccanismi di sintesi delle proteine. Di conseguenza processi di accrescimento, sintesi di nuova sostanza, produzione di proteine specifiche, la differenziazione istologica, la realizzazione dei caratteri genetici, sono legati in modo più o meno diretto alle proprietà molecolari degli acidi nucleici. I fenomeni partono da un'attività del nucleo nella produzione degli acidi nucleici, ma mentre l'acido ribosio-nucleico prodotto nella zona del nucleolo viene passato nel citoplasma, l'altro acido nucleico (il desossi-) rimane contenuto nel nucleo.

Non è oggi chiarito quale sia l'intimo meccanismo del processo con il quale gli acidi nucleici svolgano le loro attività. L'ipotesi più seguita è che gli acidi nucleici, nonostante la loro struttura paracristallina e la relativa semplicità di costituzione chimica, formano, attraverso minime modificazioni della sistemazione spaziale dei loro monomeri, stampi specifici che servono come modello per la costruzione di proteine specifiche. È evidente da tutto ciò che i problemi dell'attività biologica del nucleo e degli acidi nucleici sono i fondamentali della citologia moderna: questi studî sono basilari per il citologo, per il biochimico e per il genetista.

Alcune considerazioni generali. - La c. come branca morfologica distinta è nata in conseguenza dell'affermarsi della dottrina dello stato cellulare della sostanza vivente: accettato infatti il principio che non esiste organizzazione vitale senza stato cellulare, la c. doveva essere la disciplina base di tutta la biologia. Sebbene le indagini già di una trentina di anni fa abbiano largamente svalutato la rigidità assoluta della dottrina cellulare, si deve riconoscere che le indagini chimiche e fisiche moderne, superata la fase iniziale di studio e identificazione dei costituenti delle sostanze organizzate, sono arrivate ad impostare il vero problema della c., quello della sistemazione ed organizzazione delle macromolecole costitutive nel realizzare le strutture viventi. La citochimica è quindi rientrata in contatto con la morfologia, contatto reso possibile dall'attuale sviluppo delle indagini submicroscopiche, arrivate con il loro potere risolutivo fin press'a poco a livello molecolare.

La c. ha assunto così il compito di coordinare studî di indirizzi e metodiche differenti, ma convergenti a un unico problema, quello di identificare quali siano le basi delle attività vitali: praticamente sono entrate nel campo della c. anche le analisi delle organizzazioni vitali subcellulari come quelle dei batterî, dei virus ed ultravirus. Sebbene la fase attuale sia ben lontana dall'aver raggiunto questo traguardo, appare dai dati noti l'esistenza di una base generale comune rappresentata dalla dispersione in acqua di macromolecole proteiche e nucleiniche che sono le essenziali basi costruttive delle organizzazioni vitali. La cellula possiede una simile organizzazione, ma essa rappresenta già una manifestazione vitale molto più complessa perché vi sono presenti strutture più stabili e complesse del livello submicroscopico e microscopico. L'edificio cellulare è altamente dinamico, in continua modificazione, e tende a conservare i suoi caratteri e a propagarli ad altri elementi sfuggendo alla degradazione entropica delle sostanze non organizzate. Un tale sistema, che deve le sue caratteristiche proprio al suo dinamismo, non è definibile staticamente, ma soltanto attraverso la ricostruzione della sua evoluzione temporale. Risulta così che la classica c. basata sulla descrittiva morfologica delle cellule e delle loro apparenze strutturali è oggi tramontata. La c. moderna è una disciplina molto vasta nella quale collaborano chimici, fisici, morfologi e fisiologi: è scienza basilare di tutta la biologia, perché le sue conoscenze sono le conoscenze di base per ogni sottobranca delle varie scienze biologiche. Vedi tav. f. t.

Bibl.: Cell Chemistry, studî in onore di Otto Warburg, in Biochim. Biophisica Acta, XII (1953); E. De Robertis, W. Nowinski e F. Saez, General cytology, Filadelfia 1954; G. Levi, Trattato di istologia, Torino 1954; A. Frey-Wyssling, Die submikroskopische Struktur des Cytoplasmas. Protoplasmatologia, vol. II, Vienna 1955; M. Chèvremont, Cytologie et histologie, Liegi 1955-56; L. V. Heilbrunn, The dynamics of living protoplasm, New York 1956; J. Brachet, Biochemical cytology, New York 1957; Frontiers in cytology, a cura di S. Palay, New Haven 1958; J. Brachet e J. Mirsky, The cell, New York e Londra 1959.