Membrana cellulare, organelli e trasporto

Le membrane cellulari

Le membrane plasmatiche separano la cellula dall’ambiente esterno, o nel caso delle membrane degli organelli, le endomembrane separano i compartimenti dal citoplasma. Tutte le membrane sono composte da lipidi e proteine e condividono di base la stessa struttura; hanno inoltre una dimensione che oscilla tra i 6-8 nm, a seconda del tipo di lipidi. I lipidi sono essenzialmente rappresentati da fosfolipidi, molecole anfipatiche con una testa polare e una coda apolare.

Essendo anfipatici, i fosfolipidi tendono ad autoassemblarsi per eliminare il disturbo causato dall’acqua in un doppio strato, dove le code si troveranno a contatto tra loro e lontane dalla soluzione acquosa. Oltre a diminuire il disturbo creato dall’acqua, la formazione del doppio strato è anche favorita dal punto di vista energetico: le molecole si organizzano in modo tale da non lasciare margini liberi a contatto con l’acqua. La fosfatidilcolina è il fosfolipide più comune delle membrane cellulari (formata da colina, gruppo fosfato, glicerolo che funge da ponte tra testa e code, e acidi grassi).

I lipidi di membrana vanno a formare un fluido bidimensionale entro il quale essi possono spostarsi e scambiarsi di posto. La fluidità del doppio strato lipidico può essere studiata in membrane artificiali ottenute per aggregazione spontanea di molecole lipidiche anfipatiche in acqua; ad esempio, aggiungendo acqua a fosfolipidi puri si ottengono vescicole chiuse di forma sferica che prendono il nome di liposomi, considerati come possibili vettori per farmaci. Oltre ai movimenti di scambio tra i fosfolipidi, si osservano movimenti di ribaltamento meno frequenti ma non impossibili (Flip-Flop).

Fluidità della membrana

Ad una data temperatura, il grado di fluidità di un doppio strato dipende dalla sua composizione e in particolare dalla natura delle code idrocarburiche: le code possono essere sature (C—C) oppure presentare insaturazioni che formano gomiti e quindi creano spazio tra i fosfolipidi. Tante più insaturazioni sono presenti, tanto più è fluida la membrana. Anche la lunghezza delle catene influenza la fluidità di membrana; più le code sono brevi, minore è la loro tendenza ad interagire tra loro e di conseguenza sarà maggiore la fluidità di membrana.

Le cellule dei batteri e degli estremofili devono adattarsi a cambiamenti di temperatura; la lunghezza delle code e le insaturazioni vengono continuamente adeguati. Ad esempio, a temperature più alte la cellula produce lipidi di membrana con code più lunghe e viceversa. Nelle cellule animali, la fluidità di membrana è regolata anche dall’introduzione di colesterolo, che rappresenta il 20% in peso di tutti i lipidi. Le molecole di colesterolo riempiono gli spazi tra i fosfolipidi che creano gomiti; in tal modo, il colesterolo rende il doppio strato più rigido e meno permeabile.

Assemblaggio della membrana e asimmetria dei due strati

Nelle cellule eucariotiche, i nuovi fosfolipidi sono prodotti sul lato citosolico del reticolo endoplasmatico utilizzando acidi grassi liberi come substrato. Nonostante questa disposizione iniziale asimmetrica, la membrana cresce omogeneamente su entrambi i lati grazie alla presenza di una famiglia di enzimi, le flipasi, che rimuovono i fosfolipidi dal foglietto a contatto con lo spazio extracellulare e li capovolge.

La membrana ha due facce distinte, quella interna e quella esterna. Tra i lipidi, quelli che mostrano una distribuzione decisamente asimmetrica sono i glicolipidi, che si trovano nel foglietto esterno della membrana plasmatica ed espongono i loro gruppi glucidici all’esterno della cellula, acquisiti nel Golgi.

Le proteine di membrana

Le proteine di membrana svolgono molteplici funzioni. Ogni tipo di membrana della cellula contiene un diverso corredo di proteine e in diversa quantità; infatti, le percentuali di lipidi e proteine variano in base al tipo di membrana (es. nei neuroni saranno più abbondanti i lipidi che fungono da isolanti e meno abbondanti le proteine). Mediamente, si ha dal 30 al 50% di proteine e dal 50 al 70% di lipidi, mentre nella membrana mitocondriale interna questa percentuale si ribalta: 75% di proteine e 25% di lipidi.

L’evidenza più diretta del fatto che le proteine sono inserite nello spessore della membrana si è ottenuta con la tecnica della criofrattura: si congela la cellula e si frattura con una lama; le fratture che si creeranno casualmente si inseriranno anche tra i due strati della membrana: quello che rimane sono incavi (zone dove alloggiavano le proteine) e rilievi (proteine).

Il congelamento avviene esponendo le cellule ad una temperatura molto bassa in modo che le cellule si solidifichino velocemente. Essendo la cellula una struttura acquosa, si formerebbero altrimenti cristalli d’acqua che distruggerebbero tutte le strutture; in questo modo, invece, l’acqua vetrifica.

Inoltre, per studiare in modo approfondito una proteina, essa deve essere separata da tutte le altre componenti della cellula. Qui entrano in gioco i detergenti, piccole molecole anfipatiche che possiedono una sola coda idrofoba e che disgregano il doppio strato lipidico; in soluzione acquosa, i detergenti sono soliti formare micelle. Poiché sono anfipatiche, la porzione idrofila dei detergenti si associa alle proteine, che passano in soluzione sotto forma di complessi lipidi-detergente, che poi possono essere separati.

Associazione delle proteine alla membrana

• Proteine transmembrana: si dispongono attraverso il doppio strato sporgendo da entrambi i lati. Presentano sia regioni idrofile che regioni idrofobe; le prime saranno a contatto con l’ambiente acquoso, mentre quelle idrofobe si trovano a contatto col doppio strato. Possono attraversare il doppio strato una o più volte, prendendo il nome di monopasso o multipasso.
• Elica α associata al monostrato: si trovano quasi interamente nel citosol e sono associate al foglietto citosolico del doppio strato mediante un’elica α anfipatica.
• Legate a lipidi: si trovano interamente al di fuori della membrana e vi sono ancorate per mezzo di uno o più gruppi lipidici ai quali sono unite a loro volta con legami covalenti.
• Associate a proteine: legate all’una o all’altra faccia della membrana e trattenute in posizione soltanto da interazioni con altre proteine di membrana.

Nelle proteine che attraversano i doppi strati lipidici abbondano gli amminoacidi con gruppi -R idrofobi. L’assenza di acqua dal doppio strato induce gli atomi dell’ossatura del polipeptide a formare tra loro legami idrogeno, il cui numero massimo è raggiunto quando il polipeptide è ripiegato ad α elica. In queste eliche transmembrana, le catene laterali idrofobe si affacciano all’esterno dell’elica ed entrano in contatto con i lipidi, mentre i legami a idrogeno tra gli atomi dell’ossatura rimangono all'interno. Diverse α eliche che contengono amminoacidi con gruppi -R idrofili e idrofobi si associano tra di loro a delimitare canali per il passaggio di sostanze idrofile, disponendo dal lato del canale i gruppi idrofili ed esternamente al canale i gruppi idrofobi.

Anche se α elica è la conformazione di gran lunga più comune nelle proteine transmembrana, alcune proteine assumono la conformazione β foglietto ripiegati in modo da formare una struttura a manicotto detta cilindro β o barile β. Come nel caso dei canali formati dalle α eliche, le catene laterali idrofile guardano verso l’interno del canale. Un esempio di proteina cilindro β sono le porine, che si trovano nelle membrane dei mitocondri, dei cloroplasti e nella membrana dei batteri.

Le cellule possono limitare lo spostamento delle proteine di membrana

Poiché le membrane sono fluidi bidimensionali, molte delle proteine possono spostarsi al suo interno al pari dei lipidi. Questa diffusione delle proteine fu inizialmente dimostrata fondendo una cellula umana con una cellula di topo e poi monitorando la distribuzione proteica della grossa cellula ibrida ottenuta. Inizialmente, le proteine umane e quelle del topo sono distribuite nella propria metà, ma dopo poco tempo i due insiemi vengono uniformemente distribuiti su tutta la superficie.

In realtà, in seguito si è scoperto che le cellule hanno tutti gli strumenti per confinare le proteine in determinate aree della membrana, creando domini di membrana. Le proteine possono essere collegate a strutture esterne o interne alla cellula, oppure possono creare barriere che confinano certi componenti in un dato dominio di membrana (esempio: dominio apicale, laterale e basale) attraverso specializzazioni come le giunzioni. Nelle cellule epiteliali che compongono il rivestimento dell’intestino, le proteine di trasporto per i nutrienti sono confinate nel dominio apicale e altre proteine coinvolte nel trasporto di soluti verso l’esterno della cellula epiteliale sono confinate sulla superficie basale e laterale. Questa distribuzione asimmetrica è mantenuta da una giunzione che si forma lungo la linea di adesione cellula-cellula, chiamata giunzione stretta.

La superficie della cellula è rivestita di carboidrati. I glicolipidi e la porzione glicosilata delle proteine si trovano esclusivamente sul foglietto esterno. Le glicoproteine sono proteine che contengono una catena oligosaccaridica. Tutti questi carboidrati formano uno strato carboidratico detto glicocalice; esso ha svariate funzioni:

• Concorre alla protezione della cellula dai danni meccanici.
• Quando assorbono acqua, i carboidrati rendono scivolosa la superficie cellulare, permettendo, ad esempio, ai globuli rossi di scorrere entro lo stretto lume dei capillari o ai globuli bianchi di uscire dal torrente ematico.
• Ruolo importante nel riconoscimento cellula-cellula, come ad esempio nel riconoscimento tra spermatozoo e uovo.
• Mediano l’adesione cellulare.

Nelle membrane esistono micro-domini denominati zattere lipidiche (raft), composti da sfingolipidi e colesterolo, più spesse rispetto alle regioni circostanti e ricche in colesterolo; le code di questi lipidi sono molto ordinate e questo conferisce maggiore rigidità a queste zone. Si distinguono inoltre altri tipi di microdomini di membrana: le caveole, anch’esse ricche in sfingolipidi e proteine ma morfologicamente diverse dalle zattere, in quanto hanno una forma a fiasco rovesciato e sono costituite da una proteina, la caveolina. Le caveole sono coinvolte nel meccanismo dell’endocitosi non mediata da recettori e nella segnalazione cellulare.

Elettroforesi: gel posto in una soluzione elettrolitica che possa condurre, si attaccano elettrodi alla vaschetta formando un polo negativo e uno positivo e le proteine migrano sul gel, le più voluminose viaggiano più piano mentre le più piccole viaggiano più velocemente e quindi si possono separare.

Le principali proteine sono quelle alfa-elica, un po’ meno comuni sono le β foglietto. Le proteine possono essere più o meno associate alla membrana; le più blandamente associate sono quelle attaccate a proteine integrali, ancora quelle associate a lipidi sono sempre blandamente associate. Le proteine monopasso sono quelle con una porzione carbossilica e una amminica e passano una sola volta da dentro a fuori, le multipasso invece presentano più rientranze (non è detto che la porzione amminica sia sempre verso l’esterno). Se voglio isolare le proteine integrali, devo dissolvere la membrana usando dei detergenti.

La maggior parte degli amminoacidi che formano una proteina sono non carichi e quindi idrofobici; per questo motivo si trovano soprattutto all’interno del doppio strato, mentre i gruppi R idrofobici sono esposti verso il citosol e verso lo spazio extracellulare. In particolare, gli amminoacidi idrofilici si assoceranno tra loro mentre quelli idrofobici saranno associati alla membrana. I barili (o porine) beta formano grossi canali trans membrana e si ritrovano in alcuni distretti o tipi cellulari, come ad esempio nelle membrane batteriche; però certi batteri gram negativi hanno una parete cellulare dove trovo queste proteine dette porine o barili o cestelli che sono selettivi per quanto riguarda la dimensione (solo molecole sotto una certa dimensione possono attraversarli). Queste porine sono formate principalmente da proteine ripiegate a beta foglietto.

Le proteine possono spostarsi all’interno del doppio strato con qualche eccezione. Studio della fluidità del doppio strato lipidico e della mobilità delle proteine: fusione cellule umane e di topo perché hanno anticorpi anti specifici. Ha dimostrato che le proteine si sono mosse e sono andate alla deriva. Altre proteine possono restare vincolate a rimanere in una regione della membrana; ad esempio, nelle cellule polarizzate, le proteine sul versante apicale non è necessario che si spostino, alcune proteine possono essere vincolate legandosi ad elementi del citoscheletro, lo stesso possono essere ancorate per mezzo di filamenti extracellulari, oppure le proteine che si trovano sul versante laterale che fungono da giunzioni; queste proteine impediscono, ad esempio, alle proteine del versante apicale di spostarsi troppo e limitano la loro mobilità.

Nelle membrane esistono micro domini detti zattere lipidiche, ricche ad esempio di colesterolo, dove la membrana in quel punto ha una composizione lipidica diversa dalla membrana circostante. Queste zattere ospitano proteine e volendo potrebbero anche essere fattori di limitazione del movimento delle proteine. Queste zone sono molto meno fluide rispetto alla media della membrana circostante perché le code sono fortemente saturate. Le caveole sono allo stesso modo microdomini di membrana caratterizzati dalla presenza della caveolina, una famiglia di proteine. Le caveole sono coinvolte nel processo di endocitosi non mediata da recettori e spesso sono sfruttate da patogeni (virus e batteri) per entrare nella cellula.

Diffusione e trasporto attraverso le membrane cellulari

Per garantire gli scambi con l’ambiente esterno, la cellula deve poter scambiare materiale: trasporto. Esistono sostanzialmente tre tipi di trasporto: la diffusione, il trasporto passivo e il trasporto attivo.

La diffusione semplice

La diffusione semplice è un tipo di trasporto bidirezionale che si muove verso l’equilibrio; i soluti che attraversano le membrane per diffusione semplice sono:

• Piccole molecole non polari: si sciolgono facilmente nei doppi strati lipidici e quindi li attraversano velocemente (O2 e CO2). La permeabilità ai gas è necessaria alle cellule per i processi respiratori.
• Molecole polari prive di carica: diffondono anch’esse rapidamente purché siano abbastanza piccole, ad esempio l’acqua e l’etanolo passano piuttosto in fretta, mentre il glucosio è quasi incapace di attraversarla.

I doppi strati lipidici sono impermeabili invece a tutte le molecole dotate di carica elettrica, compresi anche tutti gli ioni inorganici seppur piccolissimi come Na⁺ e K⁺. La carica elettrica e la forte attrazione per le molecole d’acqua impedisce a queste molecole di penetrare nella porzione idrocarburica del doppio strato.

I criteri secondo i quali le molecole attraversano la membrana sono due: idrofilia/idrofobia e dimensione. Per prevedere se una molecola di sintesi, ad esempio, sarà in grado di attraversare il doppio strato lipidico, si misura il coefficiente di partizione acqua/olio che misura l’idrofilia/idrofobia delle molecole. A parità di coefficiente, le molecole più piccole attraversano più velocemente il doppio strato della membrana. Più è alto, maggiore sarà la tendenza ad attraversare il doppio strato.

Concentrazione ionica interna ed esterna: il potenziale di membrana

Poiché le membrane cellulari sono impermeabili agli ioni inorganici, le cellule vive sono in grado di mantenere concentrazioni ioniche interne diverse rispetto alle concentrazioni ioniche del fluido extracellulare. Na⁺, ad esempio, è il catione inorganico più abbondante all’esterno, la cui elevata concentrazione è bilanciata da Cl^- extracellulare, mentre K⁺ è il più abbondante all’interno e la sua presenza è bilanciata da acidi nucleici, metaboliti, anioni inorganici, ma soprattutto da proteine. La diversa distribuzione degli ioni all’interno e all’esterno della membrana genera una differenza di potenziale elettrico detta potenziale di membrana; nelle cellule animali, il potenziale di membrana a riposo varia tra -20 mV e -200 mV. Questo potenziale, negativo perché le cariche negative sono maggiori all’interno della cellula, è necessario alla cellula per effettuare il trasporto di determinati metaboliti e per fornire alle cellule eccitabili un modo per comunicare tra loro.

Trasporto passivo: la diffusione facilitata

Il trasporto passivo consiste in un tipo di trasporto che non ha bisogno di energia per potersi realizzare; infatti, i soluti si spostano da un lato all’altro della membrana seguendo il gradiente di concentrazione, quindi non c’è spesa di energia da parte della cellula. La diffusione facilitata, però, al contrario della diffusione semplice, avviene tramite proteine di trasporto. Le proteine di trasporto offrono generalmente ad una particolare classe di piccole molecole solubili in acqua (es. ioni, zuccheri o amminoacidi) e relativamente piccole un passaggio attraverso la membrana. La diffusione facilitata nel caso di molecole prive di cariche dipende esclusivamente dal suo gradiente di concentrazione, mentre nel caso di molecole dotate di carica entra in gioco anche un’altra forza, ossia il potenziale di membrana che è negativo all’interno.