Appunti di citologia

Membrane cellulari

Le membrane sono una delle caratteristiche fondamentali delle cellule e delimitano i contorni della cellula dai suoi diversi compartimenti e dall'ambiente che la circonda. Le membrane biologiche svolgono diverse funzioni fondamentali che sono tutte correlate tra loro. Infatti, delimitano i contorni delle cellule, servono come siti di attacco di specifiche proteine come enzimi e recettori, regolano il movimento di molecole dall'interno all'esterno della cellula o in direzione opposta e contengono i recettori necessari per rilevare i segnali esterni e mediare le interazioni tra due cellule e la loro adesione.

Permeabilità e tipi di membrane

Insieme alla funzione di delimitare i confini, è molto importante il concetto di permeabilità in quanto le membrane sono selettivamente permeabili a determinate molecole come acqua e ioni, mentre non sono permeabili nei confronti di molecole di grosso calibro come per esempio le proteine che vengono introdotte all'interno della cellula solo in caso di presenza di specifici trasportatori. La membrana di permeabilità, ovvero quella che circonda la cellula, viene detta membrana plasmatica, mentre le membrane intercellulari sono quelle che servono per delimitare i confini interni cellulari e distinguere un compartimento da un altro.

Funzioni delle membrane

Le membrane costituiscono il sito di ancoraggio di alcuni enzimi e alcune proteine specifiche. Per esempio, molti enzimi sono caratteristici della membrana plasmatica o delle membrane degli organelli interni e per questo possono essere utilizzati come marcatori molecolari per identificare particolari membrane. Un esempio è la glucosio-fosfatasi, un enzima presente nella membrana del reticolo endoplasmatico.

Un'altra funzione è quella del trasporto: le sostanze nutritive devono essere portate all'interno della cellula mentre le sostanze di rifiuto devono essere eliminate. Questo avviene per la presenza di proteine di membrana con funzione di trasporto. Ogni proteina è capace di trasportare una molecola sola oppure una serie di molecole simili tra loro. L'acqua presenta un trasportatore specifico noto come acquaporina, che permette un trasporto veloce attraverso le membrane delle cellule renali per permettere una rapida eliminazione dell'urina.

Trasduzione del segnale e comunicazione

Le membrane cellulari possiedono, inoltre, la capacità di rilevare e trasmettere i segnali elettrici e chimici. Questo fenomeno viene definito trasduzione del segnale e si usa per descrivere il rilevamento di specifici segnali sulla superficie esterna della cellula e i meccanismi specifici con cui questi segnali vengono trasmessi all'interno della cellula. Alcune molecole segnale, come gli ormoni, accedono all'interno della cellula direttamente mentre in altri casi sono presenti delle proteine recettoriali di membrana. Per esempio, le membrane delle cellule muscolari e del fegato contengono i recettori per l'insulina che permette la regolazione del livello di glucosio.

L'adesione e la comunicazione tra le cellule sono mediate da particolari tipi di proteine. Nello sviluppo embrionale sono presenti le caderine che presentano delle sequenze extracellulari di aminoacidi in grado di legare ioni calcio e stimolare l'adesione tra cellule simili in un tessuto. Altri tipi di proteine di membrana sono quelle che formano le giunzioni aderenti che tengono unite le cellule e giunzioni strette o Tight che sigillano e bloccano il passaggio di fluidi tra le cellule.

Comunicazioni intercellulari

Le comunicazioni intercellulari sono dovute anche alla presenza di giunzioni comunicanti nelle cellule animali e dai plasmodesmi nelle cellule vegetali. La base della struttura delle membrane è un doppio strato lipidico descritto come un mosaico fluido in cui le proteine sono presenti in modo discontinuo. In base alle differenze della natura della connessione con il doppio strato lipidico, vennero riconosciute tre distinte classi di proteine di membrana in base al modo con cui interagiscono con il doppio strato lipidico.

Classificazione delle proteine di membrana

• Proteine integrali di membrana: Sono immerse nel doppio strato dove sono mantenute in questa localizzazione dall'affinità dei segmenti idrofobici della proteina per la parte interna idrofoba del doppio strato lipidico.
• Proteine periferiche: Sono molto più idrofile e sono pertanto localizzate sulla superficie della membrana, dove sono connesse con legami non covalenti alle teste polari dei fosfolipidi e alle porzioni idrofile di altre proteine di membrana.

I lipidi sono un importante componente della parte fluida della membrana. I lipidi più abbondanti sono i fosfolipidi e le membrane che contengono molti tipi diversi di fosfolipidi, comprendono i fosfogliceridi derivati dal colesterolo e gli sfingolipidi derivati dalla sfingosina. I più comuni fosfogliceridi sono la fosfatidilcolina e la fosfatidilserina. I glicolipidi sono formati dall'aggiunta di carboidrati ai lipidi. Alcuni glicolipidi sono derivati dalla sfingosina e sono per questo chiamati glicosfingolipidi.

Gli esempi più comuni sono gangliosidi e cerebrosidi. I cerebrosidi e i gangliosidi sono particolarmente abbondanti nelle membrane delle cellule del cervello e dei nervi. I gangliosidi presenti sulla superficie della membrana plasmatica sono antigeni riconosciuti da anticorpi nelle reazioni immunitarie comprese quelle dei gruppi sanguigni. Oltre a fosfolipidi e glicolipidi sono presenti gli steroli. Lo sterolo più importante è il colesterolo, molto importante per stabilizzare le membrane del nostro corpo.

Ruolo degli acidi grassi e asimmetria della membrana

Con l'eccezione degli steroli, tutti gli acidi grassi fanno parte delle molecole di tutti i lipidi di membrana. Essi sono indispensabili per la struttura delle membrane poiché le loro catene idrocarburiche costituiscono un importante barriera idrofoba nei riguardi della diffusione di soluti polari. La maggior parte degli acidi grassi delle membrane ha una lunghezza tra 12 e 20 atomi di carbonio, con una maggiore frequenza degli acidi grassi delle membrane che hanno 16-18 atomi di carbonio.

La maggior parte dei lipidi presenti nella membrana sono distribuiti tra loro in maniera ineguale nei due monostrati e questo porta ad una asimmetria della membrana che comprende delle differenze sia nei tipi di lipidi presenti sia nel grado di insaturazione degli acidi grassi nelle molecole dei fosfolipidi. Per esempio, la maggior parte dei glicolipidi presenti nella membrana plasmatica di una cellula animale è ristretta rispetto all'esterno. L'asimmetria della membrana è dovuta durante la sua biogenesi attraverso l'inserimento all'interno di ciascuno dei due monostrati dei diversi lipidi o di differenti proporzioni dei vari lipidi. Tale movimento viene detto flip flop o diffusione trasversale. Questo movimento avviene spesso nel caso dei fosfolipidi che presentano nelle membrane del reticolo endoplasmatico delle proteine denominate traslocatori di membrana o flippasi che catalizzano il movimento.

Componenti proteiche della membrana

Per quanto riguarda la componente proteica, si distinguono proteine integrali, proteine periferiche e proteine ancorate ai lipidi. La maggior parte delle proteine integrali di membrana è rappresentata da molecole anfipatiche con una o più regioni idrofobe che presentano affinità per la regione interna idrofoba del doppio strato lipidico. Queste proteine sono definite proteine integrali di membrana perché le loro regioni idrofobiche sono associate alla parte interna della membrana e non possono essere facilmente rimosse. Queste proteine possiedono anche una o più regioni idrofile che sporgono all'esterno della membrana nella fase acquosa su uno o entrambi i lati della membrana.

Molte proteine transmembrana sono ancorate al doppio strato lipidico da uno o più segmenti idrofobi, uno per ogni volta che la proteina attraversa il doppio strato lipidico. Diversamente dalle proteine integrali di membrana, alcune proteine associate alla membrana sono prive di sequenze idrofobe distinte e quindi non penetrano all'interno del doppio strato lipidico. Queste proteine di membrana mediante forze elettrostatiche deboli o legami ad idrogeno si collegano alle superfici della membrana con le porzioni idrofile delle proteine integrali e probabilmente con le teste polari dei lipidi di membrana.

Le proteine periferiche vengono rimosse dalla membrana molto più facilmente delle proteine integrali e di solito possono essere estratte mediante variazioni del pH o della forza ionica. Le proteine ancorate ai lipidi hanno delle caratteristiche delle proteine periferiche che delle proteine integrali. Le proteine di membrana ancorate agli acidi grassi vengono sintetizzati nel citosol e poi legate in maniera covalente ad un acido grasso saturo integrato nel doppio strato lipidico e unite tra loro da un legame covalente ad un acido grasso saturo come può essere l'acido palmitico.

Funzioni delle proteine di membrana

Le proteine di membrana svolgono diverse funzioni: alcune di esse sono enzimi; affini agli enzimi ci sono le proteine che si occupano del trasporto di elettroni; altre proteine sono quelle con funzione di trasporto che facilitano il movimento attraverso le membrane di nutrienti come gli zuccheri ed aminoacidi e le proteine canale che forniscono dei passaggi idrofili attraverso membrane per il resto idrofobe. A questa categoria appartengono le ATPasi di trasporto che sfruttano l'energia dell'ATP per pompare ioni da una parte all'altra delle membrane.

Le proteine di membrana sono impegnate anche nei processi di comunicazione intercellulare e ne sono esempio le proteine chiamate connessoni nelle giunzioni comunicanti tra cellule animali e quelli che costituiscono i desmotubuli dei plasmodesmi tra cellule vegetali. Altre funzioni cellulari in cui le proteine di membrana giocano un ruolo molto importante comprendono la secrezione e l'assorbimento di diverse sostanze mediante esocitosi ed endocitosi. Altre proteine di membrana sono coinvolte nell'autofagia, un processo durante il quale le cellule digeriscono i loro organelli e le strutture danneggiate che non occorrono più. Un ultimo gruppo di proteine che sono associate alla membrana sono quelle che svolgono un ruolo strutturale nella stabilizzazione e nel modellamento della membrana cellulare.