Riassunto esame Istologia ed embriologia, Prof. Bertini Giuseppe, libro consigliato Istologia umana, Giuseppe Bertini

POTENZIALE DI MEMBRANA

In una cellula, nei pressi della membrana plasmatica ho una differenza netta di potenziale elettrico chiamato potenziale di membrana.

In particolare, il potenziale elettrico ha segno positivo fuori dalla membrana e segno negativo all’interno della membrana. Questo

potenziale elettrico, che è universale per tutte le cellule, si chiama anche potenziale di riposo e serve a particolari cellule (nervose e

muscolari) che riescono a manipolare il potenziale di membrana per inviare segnali elettrici.

N.B. Non è vero che l’interno della cellula è complessivamente elettricamente negativo e l’esterno elettricamente positivo, poiché in

realtà i due fluidi (interni ed esterni) isolati risultano essere entrambi complessivamente neutri dal punto di vista elettrico. Il potenziale

elettrico (e quindi la carica elettrica netta), infatti, si osserva solo a cavallo della membrana (1 nm dal margine della membrana

plasmatica della cellula) e non influenza in alcun modo lo spazio intracellulare e lo spazio extracellulare.

Oltre alla pompa sodio-potassio che favorisce l’entrata di potassio e l’uscita di sodio ci sono anche vari canali ionici per l’entrata e la

fuoriuscita del potassio che tendono a far fuoriuscire nuovamente il potassio dalla cellula bilanciando il gradiente di concentrazione

(trasporto passivo). Quando gli ioni potassio escono dalla cellula si viene a creare un potenziale elettrico positivo all’esterno della

+

membrana poiché la carica positiva (K ) è fuoriuscita e quindi l’esterno della membrana ha assunto una carica positiva in più e un

potenziale elettrico negativo nel margine interno della membrana poiché la carica positiva è stata persa dalla parte interna della

cellula che quindi si viene a trovare con una carica positiva in meno. Quando il potassio raggiunge un equilibrio dinamico tra tendenza

ad uscire e impedimento ad uscire dovuto all’accumulo delle cariche elettriche allora si riscontra un potenziale di membrana

misurabile in millivolt. In situazioni standard la cellula ha potenziale di membrana uguale al potenziale di riposo e quindi uguale a

-70mV che non è, però, un numero valido universalmente per tutte le cellule. Se ad una cellula dovesse venire a mancare ATP, come

in caso di ipossia, le pompe che necessitano di energia per funzionare (trasporto attivo) smettono piano piano di funzionare ma il

potenziale di membrana non si annulla istantaneamente ma ci vogliono diversi minuti poiché piano piano anche il sodio comincia a

passare attraverso la membrana. Variazioni del potenziale di membrana, determinate da modificazioni della permeabilità agli ioni

sodio e potassio, possono essere usate dalla cellula per trasferire informazioni da un punto all’altro della superficie, per trasmettere

informazioni tra cellule vicine, per attivare meccanismi di trasporto facilitato e per regolare funzioni all’interno della cellula stessa.

ORGANIZZAZIONE DELLE CELLULE EUCARIOTI

Tutti gli elementi della cellula derivano da processi di invaginazioni della membrana, terminati col distacco

di esse e la formazione di comparti distinti. Come il plasmalemma, questa membrana neoformata ha un

bilayer fosfolipidico con componente proteica, ma la composizione di fosfolipidi e delle proteine è diversa:

il corredo proteico determina l’identità di ciascuna delle componenti interne della cellula. La cellula

eucariote si divide nel comparto delle endomembrane e nel citosol. Anche il nucleo è considerato ora

parte del citosol, con cui è in continuità grazie ai pori nucleari. N.B. differenze nei termini:

CITOSOL: soluzione acquosa all’interno del quale si svolge la maggioranza delle reazioni della cellula

o CITOPLASMA: la somma di citosol e comparti membranosi.

o PROTOPLASMA: materiale all’interno della cellula (insieme di nucleo e citoplasma)

o

La membrana è divisa in due foglietti, che formano il bilayer fosfolipidico: il foglietto E

(“Extracellulare”) è a contatto col materiale extracellulare, il foglietto P (“Protoplasma”) è a

contatto col citosol. La composizione fosfolipidica dei due foglietti è leggermente diversa.

Nelle membrane interne dei comparti, il foglietto E “guarda” verso l’interno, mentre il

foglietto P verso l’esterno. 10

SISTEMA DI ENDOMEMBRANE

La presenza di endomembrane all’interno della cellula costituisce in essi compartimenti distinti e le diverse parti del comparto

endomembranoso hanno morfologie, identità e funzioni differenti. Le endomembrane hanno una struttura di base identica a quella

del plasmalemma e formano una varietà di organelli con specifiche morfologie e funzioni. La membrana di ciascun organello è

caratterizzata da una particolare composizione lipidica, e soprattutto, proteica; infatti, ciò che distingue i vari organelli cellulari è il

corredo di proteine presenti sulla loro membrana. Gli organelli sono anche spazialmente distinti, tuttavia i comparti intramembranosi

sono in costante comunicazione fra loro grazie al fatto che le membrane si fondono ad altre attraverso il “traffico vescicolare”. Da un

organello all’altro, dal plasmalemma agli organelli e dagli organelli al plasmalemma c’è quindi un intenso e continuo traffico di

membrane, sottoforma di vescicole. Le vescicole si formano continuamente all’interno delle cellule, separandosi dapprima dalla

membrana di origine, muovendosi spazialmente per raggiungere la membrana bersaglio e fondendosi essa.

TRAFFICO VESCICOLARE

Il traffico vescicolare si basa su due meccanismi complementari:

• la formazione di vescicole a partire da una membrana di origine

• la fusione della vescicola con il target

È importante specificare che il traffico vescicolare è un fenomeno fortemente asimmetrico, infatti, la membrana di origine, da cui

emerge una vescicola, viene definita “ampia” mentre la vescicola destinata alla membrana bersaglio è un corpuscolo di dimensioni

minori. Terminologia:

FUSIONE: è l’unione fra la vescicola e la membrana bersaglio. I

§ passaggi fondamentali del processo sono: fusione dei foglietti P

(gialli), fusione dei foglietti E (blu) e separazione della vescicola.

Come risultato finale la vescicola diventa parte integrante della

membrana bersaglio. È un meccanismo che riguarda l’esocitosi

ma anche tutto il traffico interno alla cellula, come nel caso

dell’endosoma. Tutti i comparti interni di una cellula sono

soggetti a fusione di vescicole, tuttavia, questa non si definisce

come esocitosi.

FISSIONE: gemmazione, vescicolazione, produzione di un

§ comparto membranoso nuovo a partire dalla membrana di

origine. Una membrana si invagina progressivamente fino alla

formazione di un sacchetto, il cui collo si restringe fino al

distacco della vescicola.

Endocitosi: consiste nella fissione di una vescicola dal plasmalemma nel citoplasma. Considerato un unico comparto membranoso,

§ dato dall’insieme di tutti gli organelli, l’endocitosi consiste nell’invaginazione di un piccolo lembo di membrana a forma di

“sacchetto” il cui collo si strozza progressivamente fino a essere completamente separato dal plasmalemma. Il risultato di questo

processo è la formazione di una vescicola. Il meccanismo di separazione della vescicola dalla membrana di origina si chiama

“fissione” ed è complementare alla fusione della vescicola con la membrana bersaglio.

Esocitosi: consiste nella fusione di una vescicola citoplasmatica con il plasmalemma. Durante questo processo non viene mai

§ interrotta la continuità della membrana, non si osserva alcuna lacerazione, non avviene contaminazione fra il citosol e lo spazio

extracellulare. Lo spazio contenuto all’interno di una vescicola è topologicamente equivalente allo spazio contenuto in qualsiasi

parte del comparto membranoso e allo spazio extracellulare.

Domanda: “Questo tipo di equivalenza può essere paragonabile a quella del canale digerente?”

Risposta: “Si, immaginando di essere dentro al canale digerente è come se fossi fuori dal corpo” 11

Il processo di fusione di una vescicola con la membrana target non è un processo spontaneo, la fusione è un meccanismo indotto e

accompagnato da una classe di proteine di membrana, le SNARE. Queste sono proteine integrali di membrana e si differenziano in

due classi:

SNARE espresse sulla superficie delle vescicole, le V-SNARE

§ SNARE presenti sulla membrana target, le T-SNARE

§

STRUTTURA: le SNARE hanno una parte incorporata con la membrana per ancorarsi

saldamente ad essa, ed una parte allungata, filamentosa, che sporge verso il citosol.

Quando le SNARE entrano a contatto si “attorcigliano” e si stringono ancorandosi

fra loro; questo è un meccanismo attivo e a dispendio energetico che serve per

forzare l’adesione delle membrane fino alla loro fusione. L’evento di

attorcigliamento delle SNARE è chiamato “zipping”.

N.B. Esocitosi ed endocitosi sono fenomeni riguardanti esclusivamente le vescicole ed il plasmalemma, e non le endomembrane.

Durante il traffico vescicolare si osserva uno spostamento di membrana, mantenendo però fisso l’orientamento dei foglietti, sia per

l’endocitosi che per l’esocitosi. Inoltre, in media, per ogni esocitosi si verificherà sempre un’endocitosi; oppure, ogni volta in cui si

verifica la gemmazione di una vescicola a partire da un comparto, avverrà fusione da qualche altra parte nella cellula, per mantenere

costanti le funzioni della membrana.

Domanda: “Esistono punti specifici sulla membrana nei quali può avvenire l’esocitosi, oppure le proteine SNARE sono sparse?”

Risposta:” No, esistono delle zone di membrana specializzate, per esempio nelle cellule ghiandolari le vescicole contengono del

prodotto di secrezione e devono fare esocitosi attraverso un determinato lato della cellula, quello che comunica con la destinazione

finale della secrezione. Quindi la cellula dirige il traffico vescicolare. I meccanismi di traffico vescicolare non si interrompono mai, anche

quando la cellula e i suoi organelli hanno raggiunto dimensioni stabili e definite”

ENDOCITOSI MEDIATA DA CLATRINA

Tutto inizia dal plasmalemma, che possiede dei recettori. Il pool di

proteine citosoliche interagisce con i recettori formando un

rivestimento sul versante citosolico (interno della membrana, quindi

con il foglietto P della membrana). La presenza di tale rivestimento

provoca l’incurvamento della membrana. L’incurvamento della

membrana porta quest’ultima ad assumere una forma a sacchetto

(la dimensione di questa struttura è variabile, più o meno decine di

nanometri): si sta infatti formando la vescicola. Il progressivo incurvamento della membrana da solo non basta per formare una

vescicola vera e propria; in