Biologia cellulare della cellula

La membrana plasmatica - Capitolo 10

La membrana plasmatica è un agglomerato di molecole lipidiche (si compone di due strati di fosfolipidi) che formano un mosaico fluido o fluido bidimensionale. Le molecole lipidiche, cioè i grassi, rappresentano circa il 50% della massa, e quasi tutto il rimanente è costituito da proteine. Tutte le molecole lipidiche nelle membrane cellulari sono anfipatiche, cioè hanno un’estremità idrofilica (che ama l’acqua) o polare ed un’estremità idrofobica (che teme l’acqua) o non polare. I lipidi di membrana più abbondanti sono i fosfolipidi, i quali sono costituiti da una testa polare e da due code idrocarburiche idrofobiche e in genere, una di queste due code, ha uno o più doppi legami cis (cioè, è insatura), mentre l’altra non ne contiene (cioè è satura). I fosfolipidi principali sono i fosfogliceridi che hanno un’ossatura di glicerolo a 3 atomi di carbonio.

Tipi di fosfolipidi

Possiamo distinguere 3 diversi fosfolipidi che predominano nella membrana plasmatica:

• Fosfatidilatanolammina
• Fosfatidilcolina
• Fosfatidilserina

Ognuno caratterizzato da una specifica funzione; sono inoltre presenti anche gli sfingolipidi, molecole che al posto del glicerolo presentano una molecola di sfingosina. Sono presenti i glicolipidi, che hanno struttura simile agli sfingolipidi differendo per il gruppo di testa legato al fosfato sostituito da uno zucchero, e il colesterolo, uno steroide.

Caratteristiche della membrana plasmatica

Le quattro caratteristiche della membrana plasmatica sono la semipermeabilità, la fluidità, la dinamicità dei componenti della membrana e l’asimmetria.

1. Semipermeabilità

La membrana plasmatica è semipermeabile, permette il passaggio solamente di determinati fluidi selezionati. Nello specifico è impermeabile alle molecole solubili in acqua (idrosolubili) o polari, è impermeabile a piccole molecole dotate di carica come ad esempio gli ioni e, in generale, a molecole di grandi dimensioni. Essa è permeabile a piccole molecole liposolubili cioè solubili nei grassi, quindi tutte le molecole che sono apolari (ad esempio NH₃), è permeabile a piccoli gas come ad esempio l’ossigeno biatomico (O₂), CO₂ e l’acqua (H₂O).

2. Fluidità

Un’altra delle sue proprietà è la fluidità, la membrana può cambiare forma, si modifica. Per fare ciò non si serve solo del citoscheletro ma, ad esempio, altre proteine si possono inserire nella membrana, poggiarsi ed alterare la forma perché o ci imprimono la loro forma o gli mettono un minimo di curvatura.

La fluidità dipende da:

• Lunghezza della catene carboniose degli acidi grassi; catene più corte fanno sì che i doppi legami cis rendono più difficile il comportamento così che la membrana rimane fluida a temperature più basse.
• Presenza di legami multipli; maggiore è il numero di acidi grassi insaturi e maggiore sarà la fluidità della membrana.
• Temperatura; una temperatura più alta comporta una maggiore fluidità.

I lipidi e le proteine si raggruppano in domini specifici chiamati zattere lipidiche che sono separazioni di fase su larga scala. Si concentrano in zone dinamiche e possono cambiare posizione.

3. Dinamicità dei componenti della membrana

Le molecole fosfolipidiche nei doppi strati lipidici migrano molto raramente dal monostrato (chiamato anche foglietto) su un lato a quello sull’altro lato. Tale processo, noto come flip-flop, avviene in una scala temporale di ore per ogni singola molecola. Le singole molecole lipidiche ruotano rapidamente intorno al loro asse maggiore e le catene idrocarburiche sono flessibili. Come la maggior parte dei lipidi di membrana, le proteine non attraversano capovolgendosi (flip-flop) il doppio strato lipidico, ma ruotano intorno ad un asse perpendicolare al piano del doppio strato (diffusione rotazionale). Inoltre molte proteine di membrana sono capaci di muoversi lateralmente all’interno della membrana (diffusione laterale). La velocità della diffusione laterale delle proteine di membrana può essere misurata usando la tecnica del recupero della fluorescenza dopo fotosbiancamento (FRAP). Il metodo in genere comporta la marcatura della proteina con un gruppo fluorescente specifico. Ciò si può fare o con un ligando fluorescente come un anticorpo marcato con sostanze fluorescenti che si lega alla proteina o con la tecnologia del DNA ricombinante per esprimere la proteina fusa con la proteina fluorescente verde (GFP). Il gruppo fluorescente viene quindi sbiancato in una piccola area con un raggio laser e si misura il tempo necessario affinché proteine adiacenti di membrana che portano la GFP non sbiancata diffondano nell’area sbiancata. Da queste misurazioni FRAP si può calcolare il coefficiente di diffusione per la particolare proteina della superficie cellulare marcata. Il coefficiente di diffusione è calcolato mediante un grafico della velocità di recupero: maggiore è il coefficiente di diffusione della proteina di membrana, più veloce è il recupero.

4. Asimmetria

La membrana è asimmetrica perché i glicolipidi si trovano solamente nel monostrato non citosolico del doppio strato lipidico quindi all’esterno della membrana. Tali molecole tendono a legarsi fra loro, in parte tramite legami idrogeno fra i loro zuccheri e in parte tramite forze di van der Waals fra le catene idrocarburiche e possono raggrupparsi in zattere lipidiche. Le funzioni dei glicolipidi sono diverse come proteggere la membrana dalle condizioni estreme (come basso pH e alte concentrazioni di enzimi degradativi), alterare il campo elettrico attraverso la membrana e la concentrazione di ioni sulla superficie della membrana, e hanno un ruolo importante anche nei processi di riconoscimento cellulare. L’asimmetria dei lipidi è funzionalmente importante, specialmente nella conversione di segnali extracellulari in intracellulari. L’enzima proteina chinasi C (PKC), che è attivato in risposta a vari segnali extracellulari, si lega alla faccia citosolica della membrana plasmatica, dove è concentrata la fosfatidilserina, e richiede questo fosfolipide carico negativamente per la sua attività.

Le proteine di membrana

Mentre il doppio strato lipidico determina la struttura base delle membrane plasmatiche, le proteine sono responsabili della maggior parte delle funzioni della membrana, servendo da recettori specifici, da enzimi, da proteine di trasporto e così via. Come i lipidi, le proteine transmembrana sono anfipatiche, avendo regioni che sono idrofobiche e regioni che sono idrofiliche. (Le loro regioni idrofobiche passano attraverso la membrana e interagiscono con le code idrofobiche delle molecole lipidiche all’interno del doppio strato, mentre le regioni idrofiliche sono esposte all’acqua su ciascun lato della membrana.)

Alcune proteine di membrana attraversano una o più volte il doppio strato lipidico, altre invece interagiscono con la sua superficie esterna oppure interna e vengono chiamate proteine periferiche. Esiste un’altra categoria di proteine di membrana, le proteine ancorate alla membrana mediante lipidi. Queste proteine sono prodotte come proteine transmembrana a singolo passaggio nel RE. Le proteine della superficie extracellulare, sono sempre legate ad un’ancora di glicosilfosfatidilinositolo (GPI).

Molte proteine di membrana, quindi, si estendono attraverso il doppio strato lipidico. In alcune di queste proteine transmembrana, la catena polipeptidica attraversa il doppio strato lipidico come una α singola elica: queste sono definite proteine transmembrana a singolo passaggio; in altre, invece, la α catena polipeptidica attraversa il doppio strato molte volte, sia come una serie di eliche che come un β foglietto sotto forma di un barile chiuso, un cosiddetto barile β: queste sono definite proteine transmembrana a passaggi multipli. (Le proteine a barile β sono abbondanti nella membrana esterna dei mitocondri, dei cloroplasti e di molti batteri.)

Le eliche transmembrana delle proteine di membrana a singolo passaggio non contribuiscono al ripiegamento dei domini proteici sui due lati della membrana. Le eliche transmembrana delle proteine di membrana a passaggi multipli occupano posizioni specifiche nella struttura della proteina ripiegata che sono determinate da interazioni fra le eliche adiacenti. Queste interazioni sono cruciali per la struttura e la funzione dei canali e dei trasportatori che spostano molecole attraverso le membrane cellulari. (In queste proteine le eliche transmembrana α adiacenti nella struttura ripiegata schermano molte eliche transmembrana dai lipidi di membrana). Le eliche transmembrana sono inserite nel doppio strato lipidico in sequenza da un traslocatore proteico. Quando un’elica transmembrana appena sintetizzata è rilasciata nel doppio strato lipidico, inizialmente è circondata da molecole lipidiche. Quando la proteina si ripiega, i contatti fra le eliche spostano una parte delle molecole lipidiche che circondano le eliche. Le proteine transmembrana a passaggi multipli che hanno i loro segmenti disposti come invece barili α che come eliche sono rigide e tendono a cristallizzare facilmente. Alcune sono proteine che formano pori, generando canali pieni d’acqua come, ad esempio, le porine. Le catene laterali polari degli amminoacidi rivestono il canale acquoso all’interno, mentre le catene laterali non polari si proiettano dall’esterno del barile per interagire con il nucleo idrofobico del doppio strato lipidico. Anse di catena polipeptidica spesso sporgono nel lume del canale, restringendolo in modo che soltanto certi soluti possono passare. Non tutte le proteine a barile β sono proteine di trasporto, alcune formano barili più piccoli che sono riempiti completamente da catene laterali di amminoacidi che si proiettano nel barile; tali proteine funzionano principalmente da recettori o da enzimi.

La grande maggioranza delle proteine transmembrana è glicosilata e per tale ragione le catene di oligosaccaridi sono sempre presenti sul lato non citosolico della membrana. Un’altra differenza importante fra le proteine sui due lati della membrana deriva dall’ambiente riducente del citosol. Questo ambiente diminuisce la probabilità che si formino legami disolfuro (S-S) intracatena o intercatena fra residui di cisteina sul lato citosolico delle membrane. Poiché per la maggior parte le proteine della membrana plasmatica sono glicosilate, i carboidrati rivestono la superficie di tutte le cellule eucariotiche. Questi carboidrati si trovano sotto forma di catene di oligosaccaridi legate covalentemente alle proteine (glicoproteine) e ai lipidi (glicolipidi) di membrana. Sono presenti anche come catene polisaccaridiche di molecole integrali di membrana di proteoglicano. Una delle funzioni dello strato di carboidrati è quella di proteggere la cellula dal danno meccanico e chimico, e di tenere varie altre cellule a distanza, impedendo interazioni cellula-cellula non desiderate.

In generale le proteine di membrana possono essere solubilizzate soltanto da agenti che rompono le associazioni idrofobiche e distruggono il doppio strato lipidico. Tali agenti sono appunto i detergenti, piccole molecole anfipatiche con struttura variabile, molto più solubili in acqua che nei lipidi.

Il trasporto di membrana - Capitolo 11

La membrana plasmatica è semipermeabile e questa caratteristica le permette di mantenere costante il suo ambiente interno. Il passaggio di quasi tutte le molecole è mediato da specifiche proteine di trasporto inserite nel doppio strato lipidico. Le membrane cellulari permettono all’acqua e alle molecole non polari di permearle per diffusione semplice, tuttavia, devono lasciar passare anche varie molecole polari, come ioni, zuccheri, amminoacidi, nucleotidi e molti metaboliti cellulari: le “proteine di trasporto di membrana” sono le responsabili del trasferimento di questi soluti attraverso le membrane.

Il trasporto transmembrana è uno dei tre tipi di trasporto presenti nella cellula: il trasporto transmembrana è un trasporto regolato, che fa passare soluti da un ambiente topologicamente distinto di organelli di membrana al citosol o viceversa. Gli altri due tipi sono il trasporto vescicolare, che sono due ambienti topologicamente identici e il trasporto nucleo-citosol, che fa passare da un ambiente topologicamente distinto dal citosol ad un altro.

Classi principali di proteine di trasporto

Tutte le proteine di trasporto risultano essere proteine di membrana a passaggi multipli ed è possibile distinguerle in due classi principali: trasportatori e canali.

I trasportatori (detti anche carrier o permeasi) sono proteine che trasportano molecole all'interno e all'esterno delle membrane, e possono seguire o meno il gradiente elettrochimico. Mentre il movimento transmembrana mediato da trasportatori può essere sia attivo che passivo, quello mediato da canali è sempre passivo. Entrambi i tipi di trasporto di ioni, attivo e passivo, sono influenzati dal gradiente elettrochimico (gradiente di concentrazione + potenziale transmembrana).

I canali invece possono solo assecondare il gradiente e interagiscono con il soluto da trasportare molto più debolmente, per questo mediano il trasporto solo in una direzione e non si alterano. Essi formano pori acquosi che si estendono attraverso il doppio strato lipidico.

I trasportatori sono complessi proteici che permettono di trasportare, attivamente o passivamente, una molecola idrofila attraverso la membrana. Nonostante le differenze sostanziali di tipo in tipo presentano tutti una struttura comune costituita da 10 o più alfa-eliche che attraversano la membrana le quali presentano siti di legame per il soluto da trasportare; la disposizione delle alfa-eliche è detta pseudo-simmetrica in quanto presenta “ripetizioni invertite”; ciò significa che le due metà del trasportatore (quella extracellulare e quella citosolica) sono simili, permettendo che venga invertita la direzione del trasporto nel caso di variazioni di gradiente.

Funzionamento dei trasportatori

I trasportatori si legano al soluto che devono far passare e, tramite una serie di cambiamenti conformazionali, lo portano fuori. Ciò avviene in maniera molto simile ad una reazione enzima-substrato, con la differenza che il substrato in questo caso non cambia composizione. Quando la particella si lega al trasportatore aperto questo cambia conformazione per aprirsi successivamente dal lato opposto da cui era aperto precedentemente; il canale non mette mai in comunicazione ambiente extracellulare e citosol.

Le pompe, invece, mediano solo da trasporto attivo. Le pompe sono dei trasportatori che per poter trasportare un soluto solo attivamente sfruttano l’energia proveniente dall’idrolisi dell’ATP. Quando il trasportatore è saturo (cioè, quando tutti i siti che legano il soluto sono occupati), la velocità di trasporto è massima. Questa velocità, chiamata Vmax, è caratteristica del trasportatore specifico e riflette la velocità con cui il trasportatore può passare fra i suoi due stati conformazionali. Inoltre, ciascun trasportatore ha una costante di legame per il suo soluto, indicata con Km, uguale alla concentrazione di soluto quando la velocità di trasporto è metà del suo valore massimo. I trasportatori permettono il passaggio di molte molecole necessarie alla vita cellulare, come glucosio e aminoacidi.

Trasporto passivo

Tutte le proteine canale ed alcune proteine trasportatrici permettono ai soluti di attraversare la membrana soltanto passivamente (in discesa), un processo chiamato trasporto passivo o diffusione facilitata. Il trasporto passivo consiste nel passaggio di molecole secondo gradiente di concentrazione senza dispendio di energia: quindi si passa da un comparto a maggior concentrazione a uno a minor concentrazione.

Trasporto attivo

Le cellule richiedono anche proteine di trasporto che pompino attivamente certi soluti attraverso la membrana contro gradiente di concentrazione (in salita): questo processo, noto come trasporto attivo, è mediato da trasportatori, che sono chiamati anche “pompe”. Nel trasporto attivo, l’attività di pompaggio della proteina trasportatrice è direzionale perché è accoppiata ad una fonte di energia metabolica, come idrolisi di ATP o un gradiente ionico. Le pompe sono, infatti, proteine transmembrana con uno o più siti di legame per l’ATP dal lato citoplasmatico. Le cellule svolgono questo trasporto attivo in tre modi principali:

• Mediante trasportatori accoppiati, i quali accoppiano il trasporto in salita di un soluto al trasporto in discesa di un altro soluto;
• Mediante pompe alimentate da ATP, accoppiando il trasporto in salita all’idrolisi di ATP;
• Mediante pompe spinte dalla luce o da un potenziale redox, accoppiando il trasporto in salita con un input di energia derivata dalla luce.

Il trasporto attivo può essere spinto anche da gradienti ionici: alcuni trasportatori trasportano semplicemente un singolo soluto da un lato all’altro della membrana e si chiamano uniporti. Altri, con cinetica più complessa, fungono da trasportatori accoppiati, in cui il trasferimento di un soluto dipende dal trasporto di un secondo soluto. Il trasporto accoppiato comporta o il trasferimento simultaneo di un secondo soluto nella stessa direzione, eseguita da simporti chiamati anche cotrasportatori, o il trasferimento di un secondo soluto nella direzione opposta, eseguito da antiporti, chiamati anche scambiatori.

Lo stretto accoppiamento fra il trasporto di due soluti permette a questi trasportatori di raccogliere l’energia conservata nel gradiente elettrochimico di un soluto, in genere uno ione, per trasportare l’altro. In questo modo, l’energia rilasciata durante il movimento di uno ione inorganico lungo il gradiente elettrochimico viene usata come forza per pompare altri soluti in salita, contro il loro gradiente.