Appunti di Biologia

Proteine di membrana

La membrana contiene le proteine e la fluidità di membrana è importante per il loro movimento. Le proteine transmembrana si possono dividere in:

Proteine integrali

• Con una o più eliche transmembrana. Possono essere mono o multipasso e possono essere associate ad un solo lato (monotopiche).

Proteine periferiche

• Bloccano la proteina integrale di membrana attraverso deboli interazioni. Entra in contatto con le teste idrofile del monostrato fosfolipidico. Sono appoggiate alla membrana esterna o interna e sono legate tramite interazioni di carica.

Proteine legate ai lipidi

• Sono presenti i legami covalenti con un fosfolipide o con un acido grasso, incluso in un monostrato. La proteina si associa grazie al GPI solo se esterna, poiché gli zuccheri si trovano solo sulla superficie esterna (glicosil fosfatidil-inositolo). Hanno legami tra le proteine periferiche e catene di acidi grassi o fosfolipidi.

La proteina multipasso è formata a partire da una catena polipeptidica. L’estremità ammino-terminale è rivolta verso l’ambiente extracellulare, mentre l’estremità carbossi-terminale è rivolta verso il citosol. Le regioni di proteine inserite nel doppio strato fosfolipidico sono composte da aminoacidi con gruppi R apolari. Es. Glicoforina è una proteina dei globuli rossi che crea un rivestimento zuccherino (glicosilata) idrofilo che avvolge l’eritrocita; inoltre, aumenta la solubilità nel sangue dell’eritrocita e lo isola.

Oligosaccaridi e glicocalice

Gli oligosaccaridi della superficie cellulare determinano per ciascun tipo cellulare un marker d’identificazione. Il glicocalice è lo strato superficiale glucidico esterno delle cellule ed è composto da oligosaccaridi legati covalentemente a proteine o lipidi per formare glicoproteine e glicolipidi. La glicosilazione dei gruppi sanguigni varia il gruppo sanguigno, quindi il marker d’identificazione sarà differente. Viene usato nel riconoscimento cellula-cellula ed è importante nel mediare le risposte infiammatorie. Protegge la cellula da sollecitazioni meccaniche o dall’ambiente circostante, filtra le sostanze che devono entrare nella cellula e favorisce l’assorbimento dei metaboliti.

Funzioni delle proteine di membrana

Non tutte le cellule possiedono le stesse proteine. Le proteine, a livello di una membrana possono avere:

1. Funzione di trasporto: non è un trasporto casuale, ma può essere selettivo per ioni o tramite proteine pompa.
2. Attività enzimatica: la proteina di membrana ha un sito catalitico a cui si dovrà associare il substrato corretto.
3. Trasduzione del segnale: la proteina si lega al sito ed è in grado di cedere un messaggio selettivo che arriva dall’ambiente esterno.
4. Riconoscimento tra cellule
5. Adesione intracellulare
6. Adesione al citoscheletro e alla matrice extracellulare

Il citoscheletro costituisce lo scheletro della cellula e limita i movimenti delle proteine integrali di membrana sul lato citoplasmatico della cellula. Per dimostrare il movimento delle proteine all’interno del citoscheletro venne eseguito un esperimento “recovery fluorescence after photobleaching” (FRAP):

1. Le proteine sulla membrana cellulare vengono marcate con del colorante fluorescente.
2. Attraverso un raggio laser una piccola regione viene sbiancata e decade il segnale fluorescente.
3. Dopo un certo intervallo di tempo, nell’area sbiancata erano visibili alcuni segnali rossi, quindi, se le proteine marcate sono mobili, i loro movimenti casuali porteranno alcune proteine marcate nell’area sbiancata.

Le proteine hanno un certo grado di mobilità e le proteine integrali sono in grado di muoversi, anche se lentamente (non tutte le proteine possono muoversi, dipende dalla cellula e la percentuale varia). I due strati fosfolipidi possono differire tra di loro per: la composizione dei fosfolipidi, l’orientamento spaziale delle proteine e perché i carboidrati sono confinati esclusivamente all’esterno della cellula. Le membrane derivano da membrane preesistenti e il loro accrescimento è determinato dall’inserimento di lipidi e proteine nella matrice fluida del doppio strato.

Zattere lipidiche

Sono regioni formate da accumuli di proteine, colesterolo e sfingolipidi, hanno uno spessore maggiore (le code di acidi grassi sono più lunghe rispetto agli altri) e sono centri di assemblaggio di recettori per molecole segnale. La capacità dei fosfolipidi di organizzarsi in ambiente acquoso creando delle vescicole è stato sfruttato per produrre i liposomi. I liposomi sono delle vescicole lipidiche usate come sistema di trasporto per i farmaci. La membrana formata da fosfolipidi può fondersi con quella delle cellule e trasportare farmaci all’interno. Hanno una superficie funzionalizzata con specifiche proteine che permettono ai liposomi di legarsi alle cellule bersaglio.

Epitelio e trasporto di membrana

La cellula epiteliale è polarizzata, ha una regione apicale, una basale e due laterali, ognuna con morfologia e funzionalità diverse:

• Membrana apicale (microvilli + glicocalice): regolazione dell’ingresso di materiali nutritivi e acqua tramite proteine trasportatrici, regola la secrezione e ha la funzione di protezione.
• Membrana laterale: ha una media adesione tra cellula-cellula, svolge il ruolo di comunicazione cellulare.
• Membrana basale: possiede proteine transmembrana che si legano al tessuto connettivo sottostante per la creazione di gradienti ionici.

L’epitelio è formato da cellule a mutuo contatto con scarsa matrice extracellulare tra di loro che poggiano su una membrana basale. Pneumociti => avvolgono l’alveolo polmonare, e il passaggio di CO₂ e O₂ tra l’alveolo e i capillari avviene tramite delle fessure (capillari defenestrati).

Trasporto di membrana

La membrana plasmatica è semipermeabile, permette solo a certe molecole o ioni di attraversarla. Ha una permeabilità selettiva, lascia permeare per diffusione semplice molecole apolari (ormoni steroidei) e piccole molecole polari (acqua o gas). Nelle cellule deve essere garantita l’omeostasi (equilibrio tra ambiente interno ed esterno). Ogni cellula è in grado di accumulare sostanze a concentrazioni diverse dall’ambiente circostante. La cellula scambia con l’ambiente sostanze nutritive (zuccheri, aminoacidi) e regola la concentrazione intracellulare di ioni (sodio, potassio, calcio ecc.).

Il passaggio dell’acqua attraverso la membrana avviene per osmosi. È un fenomeno per cui si ha un flusso di solvente (acqua) tra due soluzioni separate da una membrana semipermeabile dovuto alle differenze di concentrazione. L’acqua fluisce dalla soluzione meno concentrata a quella più concentrata.

Effetti delle soluzioni a diverse concentrazioni saline sul volume della cellula

• Soluzione isotonica: i soluti nel liquido sono presenti in modo uguale alla concentrazione di soluti nei globuli rossi.
• Soluzione ipertonica: l’acqua è ricca di sali rispetto alla cellula, quindi la cellula perde acqua e raggrinzisce.
• Soluzione ipotonica: il globulo rosso ha all’interno più soluti rispetto ai soluti presenti nell’acqua, la cellula richiama l’acqua dall’esterno gonfiandosi fino a scoppiare.

Acquaporine

Le acquaporine sono proteine integrali di membrana che lasciano passare miliardi di molecole di acqua in file in un secondo. Nel 1992 Agree e dei suoi collaboratori ingegnerizzarono oociti di anfibio affinché esprimessero questa proteina e posero le cellule in un mezzo ipotonico: le cellule si gonfiarono fino a scoppiare e scoprirono così le acquaporine. Scoprirono 11 diverse tipologie di acquaporine nei vertebrati, di cui successivamente vennero identificate due sottofamiglie:

• Acquaporine del trasporto dell’acqua: garantisce solo il trasporto dell’acqua.
• Acqua-glicoproteine (nei batteri): lascia passare acqua, glicerolo e molecole neutre.

Le acquaporine sono costituite da una proteina tetramerica (4 monomeri identici), ed ogni monomero contiene 6 segmenti transmembrana. Le acquaporine umane sono presenti in maggior quantità nei reni (si trovano nel nefrone => reni), nei capillari polmonari, nelle cellule secretorie delle ghiandole salivari e negli eritrociti, cioè dove serve regolare efficientemente il passaggio di acqua.

Tipi di trasporto

Questo schema propone quattro tipologie di trasporto diverse:

Diffusione semplice

Movimento diretto e spontaneo attraverso il doppio strato fosfolipidico. Le proteine utilizzate per il trasporto sono di tre classi: proteine pompa, trasportatrici e canale.

Trasporto passivo/diffusione facilitata

Senza consumo di energia poiché a favore di gradiente di concentrazione:

• Proteina canale: il soluto da trasportare è uno ione, il quale possiede un proprio canale.
• Proteina trasportatrice: il soluto ha un suo trasportatore, proteina vettrice, il quale riconoscerà la molecola da trasportare, la legherà e la trasporterà verso il lato desiderato della cellula.

Trasporto attivo

Consuma energia (ATP) poiché avviene contro gradiente:

• Proteina trasportatrice: trasporto dall’ambiente intracellulare all’ambiente extracellulare.

A questi poi si aggiungono processi di:

• Endocitosi: processo attraverso il quale la cellula prende molecole dallo spazio extracellulare piegando la sua membrana attorno ad esse e formando una vescicola.
• Esocitosi: processo che utilizza le vescicole per rilasciare sostanze nello spazio extracellulare.
• Pinocitosi: permette di internalizzare le gocce di liquidi.

Il gradiente elettrochimico è una forza che media il trasporto da un ambiente all’altro in cui il soluto presenta la carica; è determinato dalla somma del gradiente di concentrazione del soluto e della differenza di potenziale tra i due lati della membrana.

Proteine canale

Sono proteine selettive transmembrana che trasportano gli ioni, la cui concentrazione è controllata sia nell’ambiente extracellulare che in quello citoplasmatico. Consentono il transito di ioni in entrambe le direzioni, ma è il gradiente che determina la direzione. I canali ionici sono importanti per determinare il potenziale di membrana.

Diffusione facilitata

Il trasporto dipende dal potenziale elettrochimico (somma di forze chimiche ed elettriche). Il potenziale è una forza che riesce a spostare uno ione da un lato all’altro della membrana, gli ioni vengono trasportati secondo un gradiente di concentrazione e di carica.