biologia animale

Biologia della membrana

La membrana svolge numerose funzioni per l'economia della cellula:

• Rappresenta una barriera fisica di divisione con l'ambiente circostante
• Mantiene una diversa concentrazione dei soluti tra il plasma e l'ambiente circostante
• Capta segnali provenienti dall'esterno grazie a dei recettori
• Media la comunicazione tra il citoplasma e l'ambiente extracellulare
• Contiene delle proteine necessarie alla cellula o all'ambiente circostante

Le membrane

Il modello a mosaico fluido è formato da un doppio strato fosfolipidico contenente proteine che svolgono determinate funzioni:

• Legami non covalenti tra lipidi e proteine (es. legami elettrostatici, forze di Van der Waals)
• Componente lipidica che dà struttura alla membrana e la rende permeabile alle sostanze apolari e parzialmente impermeabile a quelle polari (barriera)
• Componente proteica che svolge la maggior parte delle funzioni (tipi di proteine: trasportatrici, recettoriali e mediatrici dell'adesione della cellula con l'ambiente circostante)

Le membrane sono strutture:

• Sottili: hanno dimensioni di pochi nanometri
• Dinamiche: all'interno della membrana lipidi e proteine sono in grado di muoversi
• Fluide: devono essere mantenute tali altrimenti non lavorano, hanno temperature di transizione di fase (es. di congelamento, al di sotto di questa temperatura diventano cristalline e non funzionano più)
• Asimmetriche: la composizione lipidica e quella proteica cambiano a seconda dello strato in cui si trovano (citosolico: verso il citoplasma; non citosolico: verso l'esterno)

Composizione lipidica

I lipidi complessi con catene zuccherine sono legati alla struttura dei glicerofosfatidi. La struttura di base è l'acido fosfatidico, una molecola di glicerolo (alcol con 3 gruppi ossidrilici, di cui uno legato al gruppo fosfato mentre gli altri due formano un legame estereo con due acidi grassi, di cui uno saturo e uno insaturo). La catena può contenere fino a 20 atomi di carbonio.

Il gruppo fosfato:

• Forma un legame estereo con 4 molecole:
  • Fosfatidil-colina (amminoalcol)
  • Fosfatidil-etanolammina (amminoalcol)
  • Fosfatidil-serina (amminoacido)
  • Fosfatidil-inositolo (polialcol ciclico)
• È completamente dissociato, quando si forma il legame estereo rimane sempre negativo

La fosfatidil-serina:

• Ha una carica negativa
• È un primo esempio di asimmetria della membrana plasmatica: quando una cellula sta bene, la fosfatidil-serina si trova nel lato citosolico; quando una cellula attua la morte programmata, la fosfatidil-serina si sposta verso il lato esterno per controllare se la cellula sta andando incontro all'apoptosi

Le catene zuccherine sono importanti in questo processo:

• Riconoscono il gruppo sanguigno
• Agiscono come recettori: riconoscono e legano molecole nell'ambiente extracellulare

Colesterolo

La sua struttura è diversa dagli altri lipidi (molecola più piccola) ed è costituita da tre porzioni:

• Porzione polare (piccola e costituita da un gruppo ossidrile)
• Porzione apolare:
  • Prima zona: struttura apolare rigida, 4 anelli di carbonio chiusi insieme
  • Seconda zona: struttura apolare non rigida formata da una catena alifatica

Il colesterolo si posiziona incuneando la testa polare verso le teste polari degli altri lipidi e incuneando la porzione rigida e quella non rigida all'interno, tra le code degli acidi grassi e gli altri lipidi. La sua presenza comporta un irrigidimento della membrana, in quanto limita il movimento dei lipidi:

• La parte degli acidi grassi vicina alla parte rigida del colesterolo ha scarsa libertà di movimento
• La parte degli acidi grassi vicina alla parte non rigida del colesterolo ha maggiore libertà di movimento

Il colesterolo influenza la temperatura di congelamento: se si incunea, impedisce le interazioni tra le code di acido grasso, diminuendo il loro impacchettamento e abbassando di conseguenza la loro temperatura di congelamento. Minore è l'interazione tra gli acidi grassi, maggiore è la fluidità. Per diminuire le interazioni tra di essi si può:

• Aumentare l'insaturazione
• Creare catene più corte

Proteine di membrana

La cellula contiene il 50% di lipidi e il 50% di proteine (che sono più grandi e voluminose dei lipidi e presentano un peso maggiore, sono meno in numero). Le proteine corrispondono a:

• Il 75% del peso complessivo della membrana interna
• Il 25% della guaina mielinica (funzione isolante)

Le catene polisaccaridiche sono corte, mentre le catene oligosaccaridiche sono lunghe e entrambe sporgono sull'ambiente esterno. Le proteine mediano eventi adesivi ancorandosi a proteine di ricezione, altre cellule riconoscono e legano molecole nell'ambiente extracellulare.

Le proteine possono essere parzialmente o completamente inserite nel doppio strato e funzionano da trasportatori o recettori. Si trovano sulla superficie della membrana e sono legate ad essa da legami deboli che possono essere rotti facilmente (cambiando il pH, la concentrazione ionica o la concentrazione di sale). Sono legate ad assi tramite ancore, cioè molecole oppure acidi grassi.

La separazione delle proteine integrali è un processo complesso, in quanto risulta necessario distruggere il doppio strato fosfolipidico in cui esse sono incuneate, per distruggerlo è necessario utilizzare dei tensioattivi (molecole anfipatiche o anfilitiche con testa polare e coda apolare), tali molecole si incuneano tra i fosfolipidi, distruggendo la membrana e liberando le proteine integrali.

La capacità di movimento delle proteine è limitata in quanto sono molto voluminose (processo abbastanza lento) sia nei due strati della membrana che nei vari lati di essa (ovvero i domini). La posizione delle proteine di membrana è mantenuta da stratagemmi (eventi adesivi o interazioni con altre molecole) che riescono ad immobilizzarle.

Membrana e riconoscimento cellulare

Esistono 32 sistemi di suddivisione dei gruppi sanguigni, noi ne consideriamo due: ABO e Rh.

Sistema ABO (1901)

• Divisione in quattro gruppi: A, B, AB, 0
• Agglutinogeni:
  • Gruppo A: antigene A
  • Gruppo B: antigene B
  • Gruppo AB: antigene A e antigene B
  • Gruppo 0: antigene H
• Gli antigeni A e B hanno i rispettivi anticorpi
• Agglutinine:
  • Gruppo A: anticorpi anti-B
  • Gruppo B: anticorpi anti-A
  • Gruppo AB: nessun anticorpo
  • Gruppo 0: anticorpi anti-A e anti-B

Sistema Rh (1940)

Metodo di divisione dei gruppi sanguigni che si basa sul riconoscimento di una molecola sulla membrana dell'eritrocita, una proteina del fattore Rh. Questo sistema divide gli individui in due gruppi: le agglutinine anti-Rh si formano solo nel momento in cui un individuo Rh-negativo entra in contatto con un individuo Rh-positivo.

Esempio: parto, madre Rh-negativa e feto Rh-positivo. Prima gravidanza: nessun problema, il sangue della madre non contiene anticorpi anti-Rh al momento del parto ma inizia a produrli in seguito. Seconda gravidanza: il fattore sviluppato nella prima diventa pericoloso, la madre trasmette al feto anticorpi anti-Rh che portano alla morte del feto a causa della formazione di ammassi e alla lisi dei globuli rossi (stato di anemia).

Agenti di istocompatibilità

Le proteine transmembrana distinguono:

• Molecole self (con le quali il sistema immunitario non deve attivarsi)
• Molecole non self (con le quali il sistema immunitario si deve attivare)

Sono state scoperte intorno agli anni '40 del '900 mediante degli studi sui topi. Sono strutturate in due porzioni:

• 1 porzione fissa
• 1 porzione variabile, che varia a seconda dell'antigene e dell'individuo

Forma una sorta di tasca esposta sulla superficie della cellula che lega dei peptidi (sequenze brevi di amminoacidi) derivanti da proteine digerite (scisse o frammentate) all'interno della cellula. I peptidi vengono riconosciuti dai linfociti T che decidono se essi derivano da una proteina endogena o esogena (non propria dell'organismo: si attiva il sistema immunitario).

Ci sono due classi di antigeni (differenza relativa alla loro localizzazione e all'origine del peptide che riconosce il linfocita T):

• I classe: sono su tutte le cellule (tranne globuli rossi e cellule germinali), i peptidi legati alla tasca derivano dalla digestione di proteine endogene (self)
• II classe: sono sulle cellule immunocompetenti (fanno parte del sistema immunitario e rappresentano l'antigene), i peptidi legati alla tasca derivano dalla demolizione di proteine esogene (non-self) o di un batterio (una volta riconosciuti dai linfociti T si attiva la risposta immunitaria)

Le cellule immunocompetenti sono dette APC (cioè che presentano l'antigene) e sono: macrofagi e cellule dendritiche. Il legame tra peptidi e linfociti T avviene all'interno della cellula dove si formano delle vescicole delimitate da una doppia membrana sulla quale sono presenti gli antigeni. Tramite il fenomeno dell'esocitosi la vescicola si fonde con la membrana plasmatica e l'antigene e il peptide vengono esposti sulla membrana; la cellula T riconosce il peptide grazie alla presenza di un recettore sulla superficie.

• Se il peptide è esogeno, il recettore dà avvio a una risposta immunitaria (alta affinità)
• Se il peptide è endogeno, il recettore lo lega ma non dà avvio a una risposta immunitaria (bassa affinità)

La capacità di discernere tra self e non-self è dovuta ai recettori presenti sulle cellule T, che la acquistano grazie a un processo di maturazione molto specifico durante il quale i linfociti T che non funzionano bene vengono eliminati (linfociti autoreattivi: si legano con alta affinità agli antigeni self e avviano una risposta immunitaria non gradita e inopportuna). Le due classi sono suddivise in diverse sottoclassi e gli antigeni sono codificati da una trentina di geni presenti all'interno del cromosoma 6, ciascun gene presenta un gran numero di alleli: circa 2000, con i quali si possono formare una grande varietà di catene della parte variabile della molecola (è molto difficile trovare due individui che non abbiano legami di parentela e presentino lo stesso corredo di antigeni di istocompatibilità, per gli HLA-1 e gli HLA-2). Quando si deve fare un trapianto di organo o tessuto si deve cercare un individuo con maggiore affinità possibile (alta percentuale di compatibilità).

Glicocalice

Il glicocalice è un rivestimento zuccherino formato da catene polisaccaridiche e proteine più voluminose che si trovano sulla superficie cellulare:

• Funzione protettiva, come una pellicola
• Riconoscimento dei gruppi sanguigni del sistema ABO
• Assorbimento di molecole (es. cellule dell'intestino) grazie ad enzimi digestivi che trasformano le macromolecole

Funzioni della membrana: trasporto

La membrana permette il passaggio di soluti da un compartimento all'altro per mantenere diversa la concentrazione tra ambiente intracellulare e extracellulare:

• Sodio: più concentrato nell'ambiente extracellulare
• Potassio e calcio: più concentrati nell'ambiente intracellulare

Anche a livello della membrana degli organelli ci sono sistemi di trasporto che mantengono concentrazioni diverse tra l'interno e l'esterno di essi:

• Calcio: più concentrato nel reticolo endoplasmatico
• Protoni: più concentrati nel lisosoma (pH = 5, citoplasma: pH = 7)

Ai lati della membrana è presente una differenza di carica positiva: potenziale di riposo o di membrana, diverso per ogni tipo di cellula = -20 L x L -100. Nei neuroni: -70mV avviene secondo gradiente di concentrazione, il soluto passa dal compartimento in cui è più concentrato a quello in cui è meno concentrato, questo processo è spontaneo e continua fino a quando la concentrazione tra i due compartimenti è uguale, non richiede il consumo di energia.

Diffusione semplice: il soluto passa attraverso piccoli spazi tra i fosfolipidi del doppio strato.

Diffusione facilitata: intervento di proteine transmembrana (di canale o trasportatori) avviene contro gradiente di concentrazione, il soluto dal compartimento in cui è meno concentrato a quello in cui è più concentrato, questo processo non è spontaneo e richiede il consumo di energia (idrolisi di composti con un gruppo fosfato), avviene sempre con l'aiuto di proteine transmembrana.

Trasporto passivo

Diffusione semplice possono passare:

• Piccole molecole idrofobiche
• Molecole polari di piccole dimensioni

Non possono passare:

• Molecole polari di grandi dimensioni
• Ioni (perché grandi e dotati di carica)

La velocità è maggiore con:

• Maggiore gradiente di concentrazione
• Minore grandezza delle molecole
• Maggiore carattere idrofobico (quindi la solubilità)

Osmosi: le cellule vivono in un ambiente isotonico, non in un ambiente ipo- o ipertonico. Membrana semipermeabile:

• Permeabile alle molecole del solvente
• Impermeabile alle molecole di soluto

Equilibrio: molecole dx → sx = molecole sx → dx. Pressione osmotica extracellulare = pressione osmotica intracellulare. Al loro interno è presente un canale nel quale l'acqua passa secondo gradiente.

È un metodo più veloce e massivo della via translipidica. Le proteine molto presenti a livello dei tubi renali e delle cellule epiteliali secernenti sono le aquaporine scoperte negli anni '90. Il premio Nobel è stato assegnato per la scoperta delle aquaporine.

Diffusione facilitata carrier:

1. Legano con alta affinità una o più molecole di soluto
2. Cambiano conformazione (diminuendo l'affinità di legame)
3. Rilasciano le molecole dall'altro lato

Caricano il soluto da un lato e lo rilasciano dall'altro, come nel caso delle aquaporine e dei canali ionici. Un esempio di permeasi passiva è il GLUT 4 espresso a livello degli adipociti.