Definizione di citolisi
La citolisi, nota anche come lisi osmotica, si verifica quando una cellula scoppia e rilascia il suo contenuto nell’ambiente extracellulare a causa di un grande afflusso di acqua nella cellula, superando di molto la capacità della membrana cellulare di contenere il volume extra. Questo è un problema soprattutto per le cellule che non hanno una parete cellulare resistente per resistere alla pressione interna dell’acqua.
L’acqua può diffondere lentamente attraverso il doppio strato lipidico della membrana cellulare, ma il trasporto rapido richiede la presenza di canali transmembrana selettivi chiamati acquaporine. Queste proteine integrali di membrana permettono il movimento dell’acqua mentre impediscono l’accesso a molti soluti e ioni.
Le cellule di solito hanno una concentrazione di sali e ioni più alta del loro ambiente immediato, specialmente negli organismi unicellulari che vivono in corpi di acqua dolce e questo può portare all’afflusso di acqua. La maggior parte delle cellule hanno meccanismi interni per gestire il movimento costitutivo dell’acqua. Tuttavia, quando c’è un cambiamento improvviso nella tonicità dell’ambiente extracellulare, o un cambiamento nella struttura della membrana, l’acqua può inondare la cellula e causarne lo scoppio.
L’immagine mostra l’impatto della concentrazione di ioni extracellulari sulla struttura cellulare. La citolisi è una causa di morte cellulare negli organismi multicellulari quando i loro fluidi corporei diventano ipotonici. La lisi osmotica è anche usata da alcune particelle virali replicate per uscire dalla loro cellula ospite e continuare il processo infettivo.
Tuttavia, la citolisi ha anche un ruolo funzionale ed è usata dal sistema immunitario per distruggere selettivamente le cellule tumorali o quelle infettate da alcuni patogeni.
Tipi di citolisi
La citolisi può essere causata da molti fattori, dalla tonicità del fluido extracellulare all’attività di altre cellule che influenzano la struttura della membrana cellulare.
Citolisi da ambiente ipotonico
Quando le cellule sono poste in un ambiente di acqua pura, l’acqua inonda la cella e la fa scoppiare. Per esempio, i globuli rossi subiranno l’emolisi quando sono posti in acqua distillata e questo può essere misurato dalla comparsa di emoglobina nella soluzione. Una soluzione contenente 0,9 grammi di cloruro di sodio (NaCl, o sale comune) in 100 ml di acqua è considerata isotonica, o contenente la stessa concentrazione di sale dell’interno di un globulo rosso. Soluzioni con concentrazioni di sale inferiori causeranno lo scoppio di queste cellule. Pertanto, le iniezioni endovenose di acqua distillata pura possono essere estremamente dannose, soprattutto per le fragili membrane cellulari degli eritrociti o dei globuli rossi.
Citolisi da agenti patogeni
I virus sono altamente specifici nella loro scelta dell’ospite. Inoltre, la maggior parte di essi sono adattati per infettare non solo un particolare organismo, ma uno specifico tipo di cellule all’interno dell’ospite. I virus non possono funzionare al di fuori del loro ospite e hanno bisogno di dirottare il macchinario cellulare per subire il metabolismo e avviare la riproduzione. Tuttavia, dopo molteplici cicli di duplicazione, la presenza di particelle di virioni può sopraffare la cellula ospite. A questo punto, i virus possono compromettere la membrana cellulare in un modo che porta all’ingresso dell’acqua e alla citolisi finale. Una volta che la cellula subisce la lisi, i virus vengono rilasciati permettendo loro di ripetere il ciclo infettivo con nuove cellule ospiti nello stesso tessuto.
La specificità dei virus per il loro ospite può essere potenzialmente sfruttata nella terapia del cancro. Il fenomeno dei virus che inducono una remissione dal cancro è stato osservato fin dal 1800. Molti virus infettano preferenzialmente le cellule tumorali lasciando intatte le cellule normali perché la malignità smorza la risposta antivirale di una cellula. Questi virus possono indurre la citolisi nelle cellule tumorali e quindi contribuire al trattamento. Nel 2011, è stato segnalato che una particella di virus induce la citolisi nelle linee cellulari tumorali, nelle cellule che iniziano il tumore e nel tessuto tumorale primario dei pazienti. Nel 2015, la FDA statunitense ha approvato la prima terapia virale del melanoma.
La citolisi batterica è stata osservata a causa di una crescita eccessiva di lattobacilli nella vagina. La vagina delle donne adulte è normalmente colonizzata da lattobacilli e, in basso numero, questi batteri proteggono dalle infezioni fungine. Tuttavia, alcune donne presentano sintomi di infezione fungina che è resistente al trattamento con farmaci antimicotici. In questi casi, le donne che hanno perdite pesanti, prurito e nessun batterio patogeno o fungo negli strisci umidi mostrano anche una maggiore abbondanza di lattobacilli. Le perdite sono causate dalla citolisi delle cellule epiteliali vaginali dovute all’infezione batterica da parte dei lattobacilli.
Citolisi dal sistema immunitario
Il sistema immunitario usa una varietà di metodi per indurre la citolisi – negli agenti patogeni così come nelle cellule infette o cancerose del corpo. Tra i più potenti mediatori di citolisi nel sistema immunitario ci sono le cellule T e le cellule Natural Killer (NK). Entrambe queste cellule possono indurre una cellula a subire l’apoptosi o rilasciare proteine chiamate perforine che formano canali sulla membrana cellulare. Quando l’acqua entra nella cellula attraverso questi canali, essa subisce una lisi osmotica. Inoltre, le cellule NK possono anche agire attraverso il sistema immunitario adattativo, interagendo con le cellule T e gli anticorpi rilasciati dalle cellule B. Attraverso il sistema degli anticorpi e del complemento, le cellule patogene possono essere lise attraverso la formazione di una struttura transmembrana ad anello sulla membrana cellulare dalle proteine del complemento.
Questo metodo di citolisi può portare ad una complicazione importante quando c’è istoincompatibilità tra la madre e il feto. Quando un particolare tipo di anticorpo (IgG) passa attraverso la placenta e riconosce gli antigeni sul sangue fetale, può attivare il sistema del complemento così come l’immunità innata causando l’emolisi di quei globuli rossi. Il bambino nasce con sintomi simili all’itterizia.
Le cellule killer naturali sono anche cruciali per il meccanismo di difesa del corpo contro la formazione di tumori. Quando le cellule cancerose downregolano l’espressione degli antigeni di superficie, le cellule potenti del sistema immunitario adattativo non possono riconoscere queste cellule o montare una risposta immunitaria contro di loro. Le cellule NK possono attivare una risposta infiammatoria, attrarre altre cellule citotossiche e insieme indurre la lisi osmotica o l’apoptosi sulle cellule precursori del tumore.
Funzioni della citolisi
La citolisi è spesso usata come strumento di sopravvivenza da varie cellule. Mentre gli organismi unicellulari e gli agenti patogeni la usano per respingere l’attacco o ottenere l’accesso a nuovi ospiti, gli organismi multicellulari usano la citolisi durante una risposta immunitaria o per rimuovere le cellule danneggiate e pericolose dal loro corpo.
Prevenzione della citolisi
Nonostante i suoi molti usi, è importante per un organismo controllare quando e come avviene la citolisi. Le piante hanno un meccanismo di difesa naturale contro la citolisi perché contengono una dura parete cellulare. Quando una cellula vegetale è posta in un ambiente ipotonico e l’acqua si precipita dentro, la parete cellulare esercita una pressione opposta sulla membrana cellulare, impedendole di espandersi o rompersi. In un ambiente ipertonico, la cellula subisce una perdita di acqua, nota anche come plasmolisi. In una soluzione isotonica, c’è una quantità uguale di acqua che entra ed esce dalla cellula, lasciando il suo volume complessivo intatto. Nelle soluzioni ipotoniche, quando l’acqua entra nella cellula, il vacuolo assorbe gran parte dell’acqua in eccesso, proteggendo il citoplasma dalla diluizione.
La parete cellulare crea anche una pressione inversa, facendo uscire l’acqua dalla cellula, pur mantenendo il turgore ottimale. Questo turgore permette alle piante di rimanere erette in assenza di un sistema scheletrico interno.
I protisti unicellulari come l’ameba e il paramecio contengono un organello chiamato vacuolo contrattile che è coinvolto nella prevenzione della citolisi. Si tratta di una struttura pulsante che subisce cicli ripetuti di diastole (acqua che entra nel vacuolo) e sistole (acqua che viene pompata fuori dalla cellula). Il meccanismo esatto di queste contrazioni non è noto, ma questi organelli sembrano funzionare anche quando le cellule sono poste in una soluzione ad alta concentrazione di sale.
Gli organismi multicellulari hanno di solito un meccanismo sofisticato per assicurare che tutte le loro cellule siano immerse in una soluzione isotonica. Nell’uomo e in altri mammiferi, questo è il sistema di organi escretori formato dalle unità funzionali dei nefroni nel rene. Quando il sangue viene filtrato nel rene, sali, ioni, prodotti di scarto, ammoniaca e acqua in eccesso vengono rimossi ed espulsi a intervalli regolari, permettendo all’organismo di mantenere l’omeostasi. Se c’è un aumento dell’assunzione di acqua, c’è un aumento concomitante dell’eliminazione dell’acqua attraverso il sistema escretore. Questo sistema è sotto la regolazione di un’elaborata rete di ormoni e altre risposte fisiologiche e assicura che tutte le cellule del corpo siano principalmente esposte a un fluido extracellulare isotonico. Le cellule presenti sull’interfaccia con il mondo esterno – sia sulla pelle che nel rivestimento dell’apparato digerente – sono protette dalla citolisi attraverso uno strato idrofobico fatto di oli o cere.
Occasionalmente, il sistema escretore è sopraffatto quando un organismo imbibisce improvvisamente una grande quantità di acqua in relazione alle riserve di sale del corpo. Questa è chiamata intossicazione da acqua e i sintomi derivano dall’effetto della citolisi nelle cellule del cervello.
- Sistema immunitario adattivo – Un sottoinsieme del sistema immunitario nei vertebrati che è capace di memoria immunologica. Le seconde e successive esposizioni a un particolare patogeno evocano risposte rapide e specializzate.
- Crenazione – Contrazione di una cellula dopo l’esposizione a una soluzione ipertonica.
- Tonicità – Una misura della concentrazione relativa di soluti in due soluzioni separate da una membrana semipermeabile. Tonicità determina la direzione e l’estensione della diffusione attraverso la membrana.
- Pressione di turgore – Pressione dell’acqua che spinge la membrana cellulare contro la parete cellulare di una cellula vegetale.
Quiz
1. Quale di queste soluzioni causerà la citolisi nei globuli rossi? 0,9% NaCl
B. 1,5% NaCl
C. 0,4% NaCl
D. Acqua di mare
2. Quale di questi NON induce la citolisi? Mettere le cellule in un ambiente ipertonico
B. Azione delle perforine sulle membrane cellulari
C. Attività del complesso di attacco alla membrana da parte delle proteine del complemento
D. Distruzione della struttura della membrana da parte dei virus
3. Quale di questi metodi è usato dall’ameba per prevenire la citolisi?
A. Parete cellulare
B. Sistema di organi escretori
C. Vacuolo contrattile
D. Tutto quanto sopra
