Biologia cellulare

Biologia cellulare dei lipidi

I lipidi sono molecole non solubili in acqua. I loro legami chimici covalenti (C-C, C-H) contengono molta energia. I lipidi sono una forma efficiente per immagazzinare molta energia in poco spazio. Gli animali usano l'energia in eccesso per sintetizzare lipidi che immagazzinano finché l'energia non è necessaria; quando avranno bisogno di energia, potranno degradare i lipidi e rilasciare l'energia immagazzinata nei loro legami chimici.

Lipidi e membrane

Lipidi modificati mediante collegamento a un gruppo chimico idrofilico (quindi molecole bipolari) giocano un ruolo fondamentale in quanto si associano spontaneamente in membrane.

Funzioni dei lipidi

• Immagazzinamento di energia (grassi e oli)
• Membrane cellulari (fosfolipidi)
• Cattura energia luminosa (carotenoidi)
• Ormoni e vitamine (steroidei e acidi grassi modificati)
• Isolamento termico
• Isolamento elettrico dei nervi
• Repulsione di acqua (cere e oli)

La lunghezza delle catene e la presenza, o l'assenza, di legami insaturi influenzano la fluidità di membrana. La fluidità e la capacità di formare delle strutture più o meno ordinate richiede che le singole strutture si possano stabilizzare a vicenda anche senza formare legami covalenti. La stabilizzazione delle code sarà fatta mediante legami di Van der Waals (se le code sono vicine tra loro) e interazioni idrofobiche (le molecole idrofobiche si raggruppano per avere meno superficie di contatto con l'acqua).

Caratteristiche dei lipidi

Ogni legame doppio introduce un ripiegamento; le molecole vicine non riescono a compattarsi tra loro a temperatura ambiente in modo da formare una struttura quasi solida. Per portarlo eventualmente a uno stato solido ci vuole una temperatura bassa.

Trigliceridi e fosfolipidi

Anche quando si formano i fosfolipidi, ogni catena avrà delle caratteristiche di saturazione e lunghezza. I fosfolipidi hanno un gruppo di testa polare e due code idrocarburiche idrofobiche. Normalmente nella membrana, i fosfolipidi derivati dal glicerolo hanno un acido grasso saturo e uno che può essere (poli)insaturo. Gli acidi grassi polinsaturi (omega 3, omega 6, ecc.) sono abbondanti negli organismi che vivono in acque fredde; se gli organismi eterotermi avessero acidi grassi prevalentemente saturi, essi sarebbero solidi e la membrana non funzionerebbe.

Le code, insieme alle molecole di colesterolo, condizionano la fluidità di membrana; in tutte le membrane c'è un mix di fosfolipidi diversi e lipidi derivati dalla sfingosina diversi. Le teste polari sono importantissime per stabilire contatti con le molecole polari presenti nell'ambiente acquoso intra o extra cellulare. I due ambienti sono molto diversi, quindi non deve stupire che le teste dei fosfolipidi siano diverse nel foglietto interno e in quello esterno.

Tutti i lipidi di membrana derivati dal glicerolo sono fosfolipidi, vedremo che esistono anche fosfolipidi derivati dalla sfingosina. "Fosfolipidi" perché c'è il terzo gruppo OH del glicerolo esterificato con un gruppo fosfato che a sua volta è legato a piccole molecole polari più o meno voluminose.

Dobbiamo sempre pensare allo spazio che occupano le molecole che formano le teste, possono essere più piccole o più grosse. La fosfatidilserina è un aminoacido con carica netta negativa e questo è funzionalmente importante. L'unico lipide derivato dalla sfingosina che è un fosfolipide è la sfingomielina.

Influenza della saturazione

Una catena satura è più lunga di una catena con lo stesso numero di atomi di carbonio che ha legami insaturi. Le microstrutture della membrana plasmatica ricche di lipidi con catene sature (esempio raft lipidici) sono più spesse delle altre zone; molte proteine di membrana hanno sequenze di aa transmembrana più lunghe di quelle che lavorano in ambiente ottimale nelle zone insature (troveremo proteine con caratteristiche particolari nelle microregioni ricche di catene sature).

Esiste un lipide di membrana, particolarmente concentrato nel lipide interno, l'inositolo, che troveremo anche legato all'ancora lipidica GPI.

Lipidomica

Negli ultimi anni si è sviluppato il campo della lipidomica, ma le informazioni sono ancora poche. Gli esperti si stanno concentrando su come le concentrazioni relative dei diversi tipi di lipidi nelle cellule conferiscano proprietà biofisiche particolari alla membrana. Esempi: la fosfatidilcolina ha una testa abbastanza grossa quindi può essere rappresentata da un cilindro, la fosfatidiletanolammina con le teste piccole forma una specie di cuneo, il colesterolo è più piccolo ma comunque può essere associato a un cilindro.

Micelle e liposomi

Micelle: In un ambiente acquoso, i fosfolipidi si dispongono a formare una specie di cuffia con le code rivolte verso il grasso e la testa rivolta all'ambiente acquoso (è un sistema per esempio per veicolare i grassi nella linfa).

Liposomi: Quando la quantità di lipidi è maggiore ma non così ampia come nelle membrane, servono per separare due ambienti acquosi; le teste sono verso l'ambiente acquoso, le code in mezzo. Sono studiati in farmacologia come eventuali veicoli per trasportare farmaci a tessuti danneggiati, nella maggior parte dei casi con poco successo, è difficile trovare una specificità di consegna del farmaco alla cellula che ne ha davvero bisogno. Inoltre, questi liposomi fatti in modo sintetico possono essere abbastanza tossici. Il doppio strato della membrana non è altro che un grosso liposoma.

Colesterolo

Colesterolo: È totalmente diverso dal punto di vista chimico da fosfolipidi e sfingolipidi. È anfipatico, ha una piccola testa polare OH, quattro anelli che formano una struttura planare e una coda più o meno plastica piuttosto voluminosa con tre gruppi metilici. La testa si inserisce tra le teste dei fosfolipidi, aumenta l'impermeabilizzazione; gli anelli piatti e la coda si organizzano parallelamente alle code dei lipidi, vanno a interferire con la compattazione e la fluidità della membrana. Si trova preferenzialmente con certi lipidi. Può formare dei ponti idrogeno con il gruppo carbossilico di un acido grasso, così è stabilmente legato ai lipidi. Si formano legami idrofobici e di Van der Waals con le code, la testa si infila negli spazi tra le teste polari e contribuisce a sigillare gli spazi e a rendere difficile la diffusione dell'acqua attraverso il doppio strato lipidico. L'acqua può passare per osmosi, se alla cellula serve più acqua può entrare attraverso le porine, è importante che la parte interna della membrana sia il più idrofobico possibile.

Sfingolipidi

Sfingolipidi: fosfolipidi derivati dalla sfingosina. Rilevati all'inizio nel sistema nervoso, avevano un ruolo enigmatico (da qui il nome). Contribuiscono alla velocità di propagazione dell'impulso nervoso, regolano il grado di isolamento elettrico. Disfunzioni di questi sfingolipidi portano a gravi patologie, possono essere dovute ad aberrazioni genetiche che portano a un'insufficiente degradazione di sfingolipidi nei lisosomi, malattie da accumulo lisosomiale, nei lisosomi dei neuroni si accumulano lipidi non digeriti.

Il colesterolo ama molto questi lipidi, la concentrazione è molto elevata nei rafts lipidici. La parte di glicolipidi e glicoproteine è presente sul foglietto esterno, contribuisce a identificare una cellula come appartenente a un certo tessuto e permette anche l'interazione con le altre molecole del tessuto, fa parte delle zone di riconoscimento specifico tra le cellule.

Sono derivati da un amino alcool, la sfingosina. La sfingosina ha una lunga catena alifatica quasi tutta saturata tranne per un unico legame doppio, ha un acido grasso che forma un legame amidico con questo gruppo NH che può legarsi a un acido grasso formando il ceramide. Il ceramide è un intermedio per la sintesi dei lipidi di membrana derivati dalla sfingosina ma è anche una molecola che può essere rilasciata nei processi di sintesi o di degradazione della membrana, è un mediatore di diversi processi (dell'apoptosi ma anche della formazione di micro vescicole che le membrane rilasciano nell'ambiente esterno). Il gruppo laterale può essere legato a teste molto diverse. È una delle principali componenti della guaina mielinica. Ha funzione strutturale ma anche di segnalazione, nei processi di trasduzione del segnale in cui viene attivato l'enzima che taglia la testa agli sfingolipidi lasciando il ceramide, il ceramide è mediatore a seconda della cellula di vari processi (differenziamento, proliferazione, apoptosi).

La testa può essere derivata dal gruppo fosfato, nel caso della sfingomielina. Si possono formare glicolipidi, con un'abbondanza di zuccheri nella parte polare, possono essere pochi o in modo ramificato con grande variabilità di teste polari. La sfingomielina ha una testa di fosfocolina o fosfoetanolammina, gli altri sono tutti glicolipidi, i più semplici possono avere 1 o 2 residui di zuccheri, i più complessi (gangliosidi) hanno combinazioni di zuccheri ramificati che spesso hanno 1 o diversi residui di acido sialico, danno origine a famiglie molto diversificate. È importante sapere che i monosaccaridi legati, avendo gruppi OH sopra e sotto l'anello, possono formare strutture lineari o ramificate, questo dà una grande variabilità. Famiglia degli acidi sialici: derivati acidi che possono avere gruppi molto diversi. L'acronimo è NANA (N-acetil neuramid acid), la classificazione terrà presente quanti residui di acido sialico si hanno legati ai lipidi, più residui ci sono più sarà la carica negativa. Gli altri zuccheri hanno gruppi polari OH che possono essere coinvolti in legami idrogeno con altri zuccheri o con proteine. I gruppi carichi negativamente dell'acido sialico attrarranno cationi o aa con carica positiva, gli altri zuccheri possono stabilire ponti idrogeno.

Molti di questi sfingolipidi si sono rivelati recettori per microorganismi e per le loro tossine, dei portali per l'adesione di molti microorganismi che hanno spesso delle proteine che riconoscono degli zuccheri, ossia lectine, che sfruttano per aderire e invadere gli organismi. Molti sfingolipidi si stanno rivelando modulatori della velocità di crescita o del differenziamento e sono importantissimi nella adesione della cellula alla matrice extracellulare quindi nei legami non covalenti che la membrana stabilisce con l'ambiente extracellulare. Esistono più di 400 combinazioni di 7 tipi di monosaccaridi, ogni monosaccaride ha vari gruppi OH e la possibilità di collegamento è molto varia. Molte differenze sono derivate dal tipo di zucchero e dal numero di residui di acido sialico.

In molti lipidi del sistema nervoso esiste un ulteriore legame chimico a questi zuccheri che è il gruppo solfato, vengono chiamati solfatidi e partecipano all'organizzazione del neurone, delle varie cellule della glia. Costituiscono fino al 15% della materia bianca del cervello. Diverse distrofie collegate al sistema nervoso sono derivate da una insufficiente degradazione nei lisosomi di questi lipidi particolari. I sulfatidi per esempio danno origine alla leucodistrofia metacromatica; i celebrosidi (hanno solo uno zucchero) aumentano nella malattia di Krabbe a causa della mancanza dell'enzima lisosomiale galattosidasi, ci sono altre diverse patologie collegate alla degradazione inefficiente dei lipidi. Molte combinazioni di zuccheri che si trovano legati agli sfingolipidi sono simili a quelli che si trovano legati alle proteine e molte di queste contribuiscono a determinare i gruppi sanguigni. L'antigene 0 ha una zona di residui di zuccheri di base, A e B hanno un tipo di zuccheri diversi collegati a questo, N-acetilglucosamina nel caso del gruppo A e il galattosio del gruppo B; la differenza è avere o non avere questi zuccheri alle estremità (è solo un esempio, non lo chiede all'esame).

Nel campo dell'immunologia suddividono sfingolipidi che contengono acido sialico in classi.

Ruolo degli sfingolipidi

• Protettivo: contribuiscono a proteggere la cellula da ambienti estremi o in cui si svolgono delle digestioni enzimatiche che potrebbero mettere a repentaglio la membrana stessa della cellula. Sono importanti anche nella risposta a cAMP, sono coinvolti nella modulazione dei canali per il cloro, ecc. Molti non sono importanti solo nel sistema nervoso ma la loro presenza è molto importante anche nell'intestino. La presenza di sfingolipidi nell'intestino è importante perché sono lipidi abbastanza resistenti agli enzimi che sono utilizzati per degradare i lipidi della dieta, tutte le zone in cui deve esserci una resistenza alla degradazione dei lipidi questi sfingolipidi compaiono in concentrazione abbastanza elevata.
• Propagazione dell'impulso nervoso: avendo una quantità di cariche negative che possono richiamare cationi in modo diversificato, contribuiscono alla diversa concentrazione di cariche a ridosso della membrana quindi contribuiscono a creare campi elettrici diversi in varie zone.
• Isolanti elettrici: molti sfingolipidi fungono da isolanti, permettono di creare un potenziale di membrana.
• Riconoscimento cellula-cellula: contengono molecole che sono recettori per molecole di adesione presenti su altre cellule, il richiamo dei globuli bianchi nelle zone di infezione è basato su riconoscimento di zuccheri presenti sui lipidi dei globuli bianchi che vengono riconosciute da proteine (selettine) che hanno un dominio extracellulare che riconosce sequenze di zuccheri e questi selezionano il globulo bianco che verrà invitato a passare attraverso dei varchi tra l'endotelio che si deve aprire e andare nell'ambiente danneggiato sotto.

Vi invito a guardare questi domini particolari delle proteine che permettono di farle sporgere anche a grande distanza dalla membrana, questi domini sono di tipo epithelial growth factor quindi la loro struttura aminoacidica è quella che si trova in EGF. La presenza di zuccheri in vari tipi di proteine può contribuire a richiamare proteine che non attraversano la membrana ma che lavorano a ridosso del foglietto; questa attrazione di tipo non polare fra gli aa e i lipidi può contribuire a tenere la proteina più ravvicinata. Il termine "adsorbito" vuol dire che è un processo di avvicinamento in superficie, la proteina viene legata alla superficie della cellula.

Nella membrana plasmatica troveremo glicoproteine e proteoglicani con compiti diversi; le glicoproteine avranno legate covalentemente delle sequenze di monosaccaridi che non sono mai molto elevate, possono essere diverse tra loro, ramificate, molte di queste sequenze sono simili alle sequenze legate ai lipidi. I proteoglicani della membrana plasmatica invece hanno sul versante extracellulare delle catene lunghe di zuccheri che sono polimeri di un amino zucchero e di uno zucchero acido, possono essere solfatati o meno, hanno compito di co-recettori ossia collaborano con i recettori per ricevere segnali. In questa figura la membrana è vista come una struttura che fa da intermediario; verso l'ambiente intracellulare è sostenuta meccanicamente da proteine del citoscheletro (soprattutto filamenti di actina che sono molto plastici e malleabili, molto dinamici), mentre le strutture rivolte verso l'ambiente extracellulare prenderanno contatto con le proteine, i liquidi, gli ioni, le piccole molecole in soluzione quindi con compiti di interazione del tutto diversi.

Fluidità e movimento dei lipidi

Il concetto di fluidità è legato alla libertà di movimento di un singolo fosfolipide o sfingolipide nell'ambito dello stesso foglietto, questa libertà dipende dalla minore o maggiore intensità dei legami fra le code. Il passaggio di un lipide da un foglietto all'altro, da un punto di vista fisiologico, ha una probabilità bassa, la testa polare viene respinta dalle code, se serve questo passaggio di molecole da un foglietto all'altro, serve l'azione di enzimi specifici chiamati flippasi. Sono stati studiati soprattutto per spiegare la sintesi di fosfolipidi nel reticolo endoplasmatico liscio; tutti i fosfolipidi sono costruiti e sintetizzati in un singolo foglietto del reticolo endoplasmatico liscio (quello rivolto verso il citosol), però lo smistamento dei vari lipidi tra un foglietto e l'altro viene fatto da enzimi specifici che li aiutano a passare.

Sono stati studiati anche nell'apoptosi quando la fosfatidilserina viene catapultata dall'altra parte, oppure nel campo dell'aggregazione piastrinica perché le piastrine per aggregarsi richiedono all'inizio la traslocazione della fosfatidilserina dall'interno all'esterno, il richiamo di calcio, il richiamo della proteina annexina. Le annexine promuovono la formazione del tappo piastrinico, proprio da questo campo le conoscenze nel campo dell'aggregazione piastrinica hanno permesso di sviluppare quella tecnica istochimica basata sull'annexina che deve poi essere coniugata con il fluorocromo. Si è visto che queste vescicole sono arricchite in fosfatidilserina nell'ambiente esterno quindi si stanno studiando le varie flippasi che sono coinvolte in questo processo, e questo processo della serina dall'interno all'esterno sembra essere fisiologicamente importante per la fusione della vescicola con altre cellule.

Lipid composition in membrane

• I lipidi derivati dalla sfingosina sono presenti soprattutto nel foglietto esterno.
• La fosfatidilcolina (ha la testa molto voluminosa con tre gruppi metilici) è presente soprattutto nel foglietto esterno.
• La fosfatidilserina è soprattutto presente nell'ambiente interno.
• La fosfatidiletanolammina è più presente nell'ambiente interno ma c'è anche nell'ambiente esterno.
• Il fosfatidilinositolo è soprattutto presente nell'ambiente interno.