3. La membrana cellulare

LIPIDI

 Le tre classi principali di lipidi che formano una membrana sono:

fosfolipidi, glicolipidi e steroli (colesterolo).

- Fosfolipidi: comprendono i fosfogliceridi e gli sfingolipidi. I

fosfogliceridi sono cosiddetti per la presenza di un gruppo

fosforico ed uno scheletro di glicerolo che insieme alla colina o

inositolo formano la testa fortemente idrofila della molecola;

inoltre solo digliceridi. I sfingolipidi sono così chiamati per la

presenza di sfingosina. Gli acidi grassi presenti nei fosfolipidi

possono essere insaturi, cioè possono presentare doppi legami. Il

legame insaturo determina un ripiegamento della molecola che

contribuisce sia a rendere la membrana più fluida, sia a creare

spazi dove si posiziona il colesterolo.

Sono distribuiti tra i due trasti della membrana in modo ineguale

sia nei tipi che nel grado di insaturazione.

- Glicolipidi: ai lipidi si aggiungono i carboidrati. I più comuni sono

i cerebrosidi, glicolipidi neutri (la testa ha un solo zucchero privo

di carica) e i gangliosidi con carica negativa e testa

oligosaccaridica. Svolgono funzione di mediatori

cellula/ambiente, di smistamento delle proteine e

determinazione gruppo sanguigno.

- Steroli: il più importante è il colesterolo. Mancano nelle

membrane dei mitocondri e cloroplasti e nelle cellule

procariotiche dove sono presenti molecole simili dette opanoidi.

Il colesterolo è una molecola meno flessibile e più rigida ed è per

questo che ha un ruolo molto importante nel modulare la fluidità

della membrana: ad alta temperatura, il colesterolo inibisce il

movimento delle catene di acidi grassi dei fosfolipidi, riducendo

la fluidità della membrana e inibendo l’ingresso di piccole

molecole; a bassa temperatura l’effetto è opposto.

IL DOPPIO STRATO LIPIDICO

Ogni membrana cellulare ha la propria composizione lipidica

caratteristica (100 fosfolipidi) che può determinare lo stato fisico ed

influenzarne l’attività delle proteine.

Proprietà di membrana dovute al doppio strato lipidico:

- Struttura doppio strato le membrane non hanno mai un



margine libero (sempre continue e ininterrotte);

- Flessibilità del doppio strato lipidico le membrane sono



deformabili;

2

CITOLOGIA E ISTOLOGIA 5-9 ottobre

- Facilità la fusione e la gemmazione;

- Mantiene l’appropriata composizione interna di una cellula;

- Separa le cariche elettriche tra le due facce della membrana.

I fosfolipidi essendo distribuiti in maniera ineguale tra i due monostrati,

determinano la prima proprietà della membrana: l’asimmetria.

L’asimmetria riflette le differenti funzioni dei due monostrati. L’80% dei

lipidi che contengono colina sono situati nel monostrato esterno. Il 90%

dei lipidi con teste senza carica netta o con carica netta negativa sono

localizzati nel monostrato interno dove sono coinvolti nelle trasmissioni di

segnali dall’esterno all’interno della cellula. I glicolipidi sono solo nel

monostrato esterno dove i carboidrati sono coinvolti in eventi di

segnalazione e riconoscimento. L’asimmetria della membrana è

determinata durante la sua biogenesi e una volta stabilita tende a

mantenersi.

Movimenti dei lipidi:

- Movimento a “flip-flop” o movimento trasversale: evento

termodinamicamente sfavorevole, quindi raro. È più frequente

nelle membrane con proteine chiamate flippasi o traslocatori di

fosfolipidi (aumento della distribuzione asimmetrica). Avviene

una volta alla settimana o una volta in diverse ore;

- Rotazione e diffusione laterale avvengono liberamente,

rapidamente e casualmente, circa 10 milioni di volte al

secondo.

I movimenti dei lipidi sono responsabili della seconda proprietà della

membrana: la fluidità (diffusione laterale di lipidi veloce, diffusione

laterale delle proteine più lenta). Le membrane funzionano correttamente

solo allo stato fluido. La fluidità cambia con la temperatura. Ogni doppio

strato ha una caratteristica temperatura di transizione T . La fluidità della

m

membrana cellulare dipende dai tipi di lipidi che contiene: dalla

lunghezza delle catene degli acidi grassi e dal loro grado di insaturazione.

Fluidità e permeabilità dipendono anche dal contenuto in colesterolo. A

temperature superiori al T rende la membrana meno fluida

m

(intercalazione molecole rigide). A temperature inferiori al T rende la

m

membrana più fluida (impedisce impacchettamento catene

idrocarburiche – stabilizza la fluidità della membrana). Eucarioti e

procarioti regolano la fluidità variando la composizione lipidica della

membrana. Importante nei pecilotermi e negli animali ibernanti

(adattamento omeoviscoso). La fluidità della membrana è importante

perché:

- È un perfetto compromesso tra una struttura rigida ed ordinata

in cui la mobilità è assente ed una in cui le molecole non

possono essere orientate, situazione priva di possibilità di

organizzazione;

- Permette interazioni nello spessore della membrana come

l’assemblaggio di gruppi di proteine in punti particolari

(giunzioni, sinapsi);

- Una membrana rigida non permetterebbe molti processi

cellulari quali movimento, accrescimento, secrezione,

endocitosi e divisione.

Se la temperatura si abbassa per mantenere la fluidità della membrana:

3

CITOLOGIA E ISTOLOGIA 5-9 ottobre

- Si desaturano i legami singoli nelle catene di acidi grassi;

- Si riducono gli atomi di carbonio;

- Si aumenta la percentuale di colesterolo.

LIPID RAFT

Sono piattaforme galleggianti (ricche di colesterolo, fosfatidilcolina e

glicolipidi) che concentrano particolari proteine coinvolte nel rilevamento

e nella risposta ai segnali chimici che arrivano dall’ambiente esterno. Le

zolle lipidiche del monostrato esterno sono accoppiate alle zolle lipidiche

dello stato interno cosicché il segnale recepito dal recettore all’esterno

può essere trasmesso all’interno.

PROTEINE

 In relazione al loro rapporto con il doppio strato si riconoscono:

- Proteine integrali (o intrinseche): sono immerse nello strato

idrofobico o vincolate a esso tramite una coda di

glicosilfosfatidilinositolo (GPI). Sono anfipatiche. Possono

contenere un o più gruppi idrofobici, che attraversano

completamente la membrana da parte a parte (sporgono da

entrambi i lati).

- Proteine periferiche (o estrinseche): sono fortemente idrofiliche

(senza sequenze idrofobiche) e legate debolmente alla

superficie, non penetrano nel doppio strato lipidico e sono

associate solo con la superficie interna o quella esterna.

- Proteine di membrana ancorate ai lipidi: caratteristiche di

entrambe le precedenti (sono periferiche ma legate allo stato

idrofobico); dal lato interno unite con legame covalente ad

acido grasso e dal lato esterno unite con legame covalente al

glicolipide glicosilfosfatidilinositolo (GPI).

Funzioni delle proteine di membrana:

- Enzimatiche (glucosio fosfatasi – REL);

- Trasportatore di elettroni (citocromo coinvolte nei processi

ossidativi);

- Trasportatori di soluti (proteine di trasporto, proteine canale,

ATPasi);

- Recettoriale (es. per ormoni, neurotrasmettitori);

- Comunicazione intercellulare (connessioni);

- Secrezione e assorbimento di sostanze (esocitosi, endocitosi);

- Ruolo strutturale (connessioni tra le membrane e la matrice

extracellulare, citoscheletro, nucleoscheletro, pori nucleari).

Le proteine, come i lipidi, sono orientate asimmetricamente nel doppio

strato: - Le proteine periferiche sono connesse ad uno od all’altro lato;

- Le proteine integrali collegano entrambi i monostrati ma sono

orientate asimmetricamente: le regioni di una proteina esposte

su un lato sono strutturalmente e chimicamente differenti dalle

regioni esposte sull’altro lato;

- L’orientamento viene determinato durante la biogenesi e

mantenuto membrana funzionalmente asimmetrica.



Molte proteine di membrana solo glicosilate: hanno degli zuccheri legati

nella loro parte terminale. Le glicoproteine svolgono un ruolo molto

importante nel riconoscimento cellula-cellula. Contribuiscono alla

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CITOLOGIA E ISTOLOGIA 5-9 ottobre

formazione del glicocalice: formato da glicolipidi, glicoproteine e

proteoglicani. Il glicocalice è una struttura che caratterizza la cellula e

ha funzione di protezione, è un rivestimento di zucchero.

Le proteine sono libere di muoversi nella membrana, ma ci sono dei

meccanismi che bloccano il loro movimento, come ad esempio le

proteine che si legano in grossi complessi, oppure delle giunzioni

serrate, o giunzioni di ancoraggio.

MOVIMENTO DI SOSTANZE ATTRAVERSO LA MEMBRANA CELLULARE

Trasporto passivo NON MEDIATO: non implica consumo di energia.

 - Diffusione semplice: le molecole diffondo a caso in entrambe le

direzioni ma il flusso netto è secondo il gradiente di

concentrazione con una velocità proporzionale al gradiente.

Questo tipo di trasporto è limitato alle piccole molecole apolari

(O , CO , etanolo) ed all’acqua.

2 2

L’acqua, priva di carica, diffonde liberamente e si comporta in

modo particolare. Un soluto disciolto in H2O interrompe le

ordinate interazioni tra le molecole di H2O aumentando

l’entropia e diminuendo l’energia libera. L’H2O si sposta

sempre verso zone con energia libera più bassa, dove la

concentrazione del soluto è più alta. Nelle cellule, spesso,

tende a spostarsi verso l’interno.

In soluzione ipotonica, guadagno netto di acqua, la

 cellula si gonfia;

In soluzione ipertonica, perdita netta di acqua, la cellula

 si raggrinzisce;

In soluzione isotonica, ne guadagno, ne perdita.



Trasporto passivo MEDIATO: non implica consumo di energia.

 - Diffusione facilitata: se la sostanza è troppo grande o troppo

polare interviene una proteina di trasporto che media il

trasporto secondo gradiente di concentrazione (molecole non

cariche) o gradiente elettrochimico (ioni), senza apporto di

energia. La funzione della proteina di trasporto è di facilitare la

diffusione “in discesa” attraverso una barriera altrimenti

impermeabile. Si possono classificare come proteine integrali

con diversi segmenti di transmembrana. Dal punto di vista

funzionale si dividono in:

Proteine carrier: sono proteine di transmembrana.

 Operano secondo il modello delle conformazioni

alternative, proteggendo così i gruppi polari del soluto.

Possiedono dei siti di legame specifici per le molecole

da trasportare, una volta avvenuto il legame, il

trasportatore subisce un cambio conformazionale, in

questo modo la molecola legata viene trasferita