Biologia animale

Struttura e funzione delle membrane cellulari

Le membrane cellulari che rivestono le strutture interne della cellula e la cellula stessa sono formate da lipidi, proteine e in minor quantità anche da carboidrati. Il ruolo delle membrane cellulari è quello di creare un ambiente interno rispetto ad un ambiente esterno e formare una barriera di permeabilità. La cellula deve poter comunicare con l’ambiente circostante perché deve mantenere un equilibrio. Per fare questo, sono presenti sulla membrana delle proteine specifiche che hanno il compito di trasportare sostanze che normalmente, per la loro natura chimica, non potrebbero passare attraverso la membrana. Permettono quindi il passaggio di ioni o di molecole polari di grandi dimensioni.

Funzioni delle membrane nelle cellule eucariote e procariote

Le membrane servono per fare organizzazione all’interno delle cellule eucariote, in questo modo i compartimenti interni (organelli) possono svolgere funzioni specifiche. Inoltre, permettono alle cellule di svolgere più processi biologici e regolarli finemente. Sulle membrane troviamo anche proteine che svolgono la funzione di recettori del segnale, che quindi ricevono segnali dall’ambiente esterno e lo trasmettono in modo tale da permettere al nucleo di rispondervi. Sono presenti anche proteine di riconoscimento che riconoscono cellule dello stesso tipo e vi si legano per formare i tessuti.

Nelle cellule procariote, che non presentano organelli circondati da membrana, gli enzimi per svolgere alcune funzioni si trovano associati direttamente alla membrana plasmatica. In questo caso, le membrane sono in grado di formare dei DOMINI che avvicinano gli enzimi coinvolti in uno stesso processo cellulare che non è metabolico. Si tratta di una via di segnalazione in cui ci sono una serie di reazioni a catena. Un enzima produce un prodotto che è il substrato di quello successivo; se gli enzimi si trovano a grande distanza, il prodotto ci impiega molto tempo ad arrivare sul secondo enzima, la membrana si organizza ad avvicinare tutte le molecole coinvolte nello stesso processo in modo tale che le reazioni chimiche avvengano in maniera più rapida. Questo processo è svolto sia dalle membrane plasmatiche che da membrane interne.

Ruolo dei carboidrati e lipidi nelle membrane

I carboidrati si trovano legati alle proteine come glicoproteine o legate ai lipidi come glicolipidi. Sono sempre presenti solo su uno dei due lati della membrana. Nelle membrane plasmatiche, la parte oligosaccaridica è sempre rivolta verso l’esterno. Svolgono una funzione di riconoscimento. Le glicoproteine portano una cellula a riconoscere una cellula dello stesso tipo in modo da formare un tessuto, oppure sono recettori che ricevono segnali dall’ambiente esterno.

La struttura portante delle membrane è fatta da fosfolipidi che sono divisi in fosfogliceridi e fosfosfingolipidi. In alcune membrane sono anche presenti glicolipidi e sfingolipidi. Vi si trovano anche gli steroli. Sono tutte molecole anfipatiche. Questa loro caratteristica chimica è stata fondamentale dal punto di vista evolutivo perché conferisce un maggiore vantaggio.

Classificazione e sintesi dei lipidi di membrana

• Fosfogliceridi: costituiti da uno scheletro di glicerolo, tre atomi di carbonio. A due ossidi di questo alcool si legano due acidi grassi che possono essere saturi o insaturi. In condizioni normali quando abbiamo il doppio legame gli acidi grassi hanno la conformazione cis. È presente un gruppo fosfato che lega sempre una molecola polare. Prende il nome di acido fosfatidico, quindi la molecola di partenza per fare i fosfogliceridi che devono contenere una molecola polare. La molecola polare e il fosfato sono la testa polare del fosfolipide.
• Fosfosfingolipidi: formato da uno scheletro di sfingosina: presenta due gruppi relativi, l’ossidrile e il gruppo amminico, il gruppo amminico lega una molecola di acido grasso formando la ceramide. Le due code idrocarburiche che si trovano nei fosfogliceridi sono formate da una sola coda idrocarburica della sfingosina e un acido grasso saturo o insaturo. La ceramide non è un fosfogliceride. Per formare un fosfosfingolipide devo avere un gruppo fosfato che va a legarsi all’ossidrile e devo avere una molecola polare. La testa polare di un fosfosfingolipide è fatta dalla molecola polare e dal gruppo fosfato.
• Glicosfingolipidi: hanno come scheletro di partenza la ceramide, cioè la sfingosina. All’ossidrile libero della ceramide si lega un monosaccaride, una piccola catena oligosaccaridica. Si ottiene una molecola anfipatica perché la catena oligosaccaridica è quella fortemente polare, la parte restante è quella idrofobica.
• Glicoglicerolipidi: ci possono essere anche glicolipidi in cui la parte oligosaccaridica non si lega allo scheletro portante della ceramide ma a quello del glicerolo: ha una struttura che ricorda quella dei fosfoglicerolipidi: glicerolo, due acidi grassi e una catena oligosaccaridica. Entrambe le classi di glicolipidi si ritrovano sulla faccia esterna della membrana cellulare in modo che la parte oligosaccaridica sia rivolta verso l’esterno.
• Steroli: sono molecole anfipatiche. Nel caso delle cellule animali si ha il colesterolo. Non lo si trova sulle membrane dei mitocondri e dei cloroplasti. Nelle cellule procariote sono presenti gli hopanoidi, sulle cellule vegetali sono presenti i fitosteroli. Si legano alle proteine con due modi diversi e vengono legati con legame covalente alla catena laterale di uno specifico amminoacido che è recettivo per questi carboidrati. Il legame covalente di questi carboidrati viene fatto a livello del RER. Le glicoproteine vengono sintetizzate sui ribosomi del RER. Nel RER si trovano tutti quegli enzimi in grado di legare i vari zuccheri per formare la catena oligosaccaridica. Nel RER si ha un primo attacco di monosaccaridi che poi vengono rimaneggiati nel golgi. La catena funzionale definitiva fuoriesce dal golgi come glicoproteina. Nelle glicoproteine si trovano di solito Galattosio, Mannosio, N-acetilglucosammina, acido sialico. La catena oligosaccaridica si lega sempre alla catena laterale di un amminoacido specifico e si può formare un legame covalente con l’ossidrile di un amminoacido formando un legame glicosilico oppure si può legare un gruppo amminico alla catena laterale di un amminoacido. Questo dipende dagli enzimi presenti nel RE e nel Golgi. Queste proteine sono destinate a essere trasportate verso la membrana in modo da esporre verso l’esterno la parte oligosaccaridica.

Funzioni delle glicoproteine e dei microvilli

In alcuni tessuti del nostro organismo, come quello intestinale, sono presenti grandi quantità di queste glicoproteine: hanno una funzione di recettori, di segnalazione di adesione. Rendono solubili le sostanze presenti nell’ambiente esterno e ne facilitano l’ingresso nella cellula. Questo accade nel glicocalice: le nostre cellule intestinali sono molto specializzate, fatte da estroflessioni della membrana che prendono il nome di microvilli che aumentano la superficie cellulare rispetto al volume interno e riuscire ad assorbire una maggior quantità di sostanze nutrienti che arrivano nel tratto intestinale. Per mantenerle in soluzione e permettere l’ingresso più facile nella cellula attraverso i microvilli, gli eritrociti del nostro tratto intestinale sono ricoperti da una struttura polisaccaridica che ricorda la capsula dei batteri. È una struttura appiccicosa fatta dall’abbondanza di glicoproteine e glicolipidi. Quest’abbondanza la troviamo anche sulla superficie del nostro tratto respiratorio.

Permeabilità e trasporto attraverso la membrana

La membrana è una barriera molto idrofobica. Se ci fossero solamente i lipidi attraverso la membrana potrebbero passare soltanto sostanze che hanno la stessa natura chimica dei lipidi, cioè sostanze idrofobiche e apolari. Attraverso la membrana possono passare liberamente anche sostanze polari come l’acqua e l’urea. Altre molecole come gli ioni non possono passare liberamente attraverso il doppio strato fosfolipidico. Le nostre membrane sono selettivamente permeabili perché fanno passare solamente determinate sostanze grazie alla presenza di proteine specializzate situate sulla membrana plasmatica che sono in grado di permettere il passaggio di ioni e molecole organiche polari come gli zuccheri, gli amminoacidi, le proteine stesse.

Tra i vari meccanismi di trasporto troviamo il trasporto passivo che riguarda sia ciò che passa da solo attraverso la membrana sia ciò che passa attraverso l’ausilio di proteine. È un trasporto che non richiede l’uso di energia (ATP). Il trasporto passivo si suddivide in diffusione facilitata e diffusione semplice. E questo dipende dal tipo di sostanza che viene trasportata. La diffusione semplice permette il passaggio di gas, acqua e sostanze lipidiche apolari. La diffusione facilitata permette il passaggio di molecole polari attraverso la membrana senza consumare energia attraverso l’ausilio di proteine.

Trasporto attivo e ruolo dell'adenosina trifosfato

Un altro tipo di trasporto è il trasporto attivo che richiede energia e si suddivide in trasporto attivo diretto e trasporto attivo indiretto. Quando l’adenosina trifosfato viene usata per fornire energia, l’energia viene ricavata dall’idrolisi dei legami fosfoanidridi. L’idrolisi prevede il distacco dell’ultimo fosfato da secondo. I fosfati vengono indicati con alfa, beta e gamma. L’adenosina trifosfato viene trasformata in adenosina difosfato e in fosfato inorganico.

Un soluto è in grado di muoversi attraverso la membrana senza l’ausilio di proteine o con l’ausilio di proteine ma senza consumare energia. Si possono muovere secondo gradiente di concentrazione, quindi dalla zona più concentrata alla zona meno concentrata. Nelle cellule tutto tende all’equilibrio. Se ho due compartimenti separati da una membrana questi compartimenti avranno una differente concentrazione. Avranno quindi la tendenza di stabilire un equilibrio, cioè di fare in modo che la concentrazione sia la stessa.

Il gradiente di concentrazione è la forza che permette di spostare un soluto attraverso trasporto passivo dalla zona più concentrata a quella meno concentrata. Il trasporto attivo invece avviene contro gradiente di concentrazione dalla zona meno concentrata a quella più concentrata e per avvenire necessita di proteine di trasporto e di energia. Dato che il movimento è contrario, questi movimenti vengono chiamati pompe. In questo caso si parla di gradiente elettrochimico. Lo ione può essere carico positivamente o negativamente. Tutte le membrane degli esseri viventi portano un accumulo di cariche positive verso il foglietto esterno della membrana e un accumulo di cariche negative verso il foglietto interno della membrana.

Nelle nostre membrane si può calcolare una differenza di potenziale pari a -60 mV. La presenza di una differenza di potenziale è alla base della possibilità dei nostri neuroni di trasmettere l’impulso elettrico. Avendo questa differenza di potenziale quando si va a vedere il trasporto di uno ione devo vedere sia la sua diversa concentrazione tra l’interno e l’esterno ma anche la distribuzione delle cariche sulle due facce della membrana. Si tratta di un movimento passivo secondo gradiente di concentrazione senza consumo di energia se la concentrazione è maggiore per entrambi gli ioni all’esterno rispetto all’interno. Se faccio muovere il catione verso l’interno ho come forza motrice la differenza di concentrazione e la presenza di cariche negative verso l’interno, quindi il suo movimento sarà molto veloce. Se faccio muovere un anione, la forza che lo spinge verso l’interno sarà la differenza di concentrazione e non la parte elettrica perché fino a quando c’è una grande differenza di concentrazione tende ad entrare, poi ad un certo punto rallenta.

Proteine trans-membrana e canali ionici

Sia la diffusione semplice che facilitata sono un movimento spontaneo. Se si ha una membrana che separa i due compartimenti con un soluto a differente concentrazione, l’energia cinetica posseduta dalla molecola concentrata nel compartimento A spingerà in maniera spontanea il soluto attraverso la membrana o per diffusione semplice o con l’ausilio di proteine per raggiungere il compartimento in cui è assente fino a quando non si raggiunge una condizione di equilibrio. L’equilibrio è sempre dinamico, infatti quando raggiungo l’equilibrio raggiungo la stessa velocità con cui le molecole di A passano in B e la stessa velocità con cui le molecole di B passano ad A.

Sono proteine trans-membrana che attraversano completamente il doppio strato fosfolipidico, formano un canale interno alla membrana e hanno nella parte interna amminoacidi idrofilici perché devono far passare ioni quindi molecole cariche. La parte esterna è ricca di amminoacidi idrofobici. Ci sono tre tipologie di canali:

• Canali ionici: sono selettivi per gli ioni e sono regolati, quindi fanno passare o uno ione o una famiglia di ioni solo in un determinato momento. Avviene solo dopo che questi canali hanno ricevuto uno stimolo.
• Acquaporine: sono deputate al trasporto di acqua.
• Porine: si trovano nelle membrane esterne del mitocondrio o del cloroplasto e non sono specifici come i canali ionici. Sono sempre aperti. Hanno un diametro discreto e fanno passare sia ioni che soluti in base alla loro dimensione. Non c’è un filtro di specificità.

Proteine trans-membrana fatte a foglietto beta sempre aperte. Le sostanze passano tra l’esterno e l’interno fino a quando non si è raggiunta una condizione di equilibrio. Quando c’è equilibrio le sostanze passano in entrambe le direzioni. Sono canali che attraversano completamente il doppio strato fosfolipidico e sono selettivi soltanto per le molecole di acqua. Vennero scoperte da Peter Agre. Sono presenti soprattutto a livello dei reni dove c’è una grande esigenza di scambiare rapidamente l’acqua. Sono state trovate anche in organismi unicellulari come funghi e lievito. È sempre carico di uno ione in particolare o di una famiglia di ioni: il movimento di questo ione avviene solo in caso di uno stimolo specifico. Normalmente questi canali sono chiusi e vengono aperti quando c’è l’esigenza di far passare uno ione secondo gradiente di concentrazione.

Regolazione dei canali e trasporto specifico

Ci possono essere anche canali regolati dal voltaggio, quindi dalla differenza di potenziale. Questo per esempio accade nelle nostre cellule nervose che risentono del cambio di differenza di potenziale che ad un certo punto si può realizzare in una cellula e si aprono. Quando si ha una carica positiva maggiore verso l’esterno, sotto segnalazione chimica le cellule nervose ribaltano la differenza di potenziale. La membrana diventa + verso l’interno e - verso l’esterno. Questo è il segnale che ci porta ad aprire il canale ionico. Ci possono essere molecole chiamate ligandi che vanno a riconoscere il canale e li inducono all’apertura. Ci possono essere messaggeri esterni o intracellulari. Ci possono essere proteine aperte da uno stimolo di tipo meccanico. In assenza di un segnale il canale rimane chiuso. Se passato lo stimolo il canale non si chiude in tempo, lo ione può nuovamente fuoriuscire.

Per quanto riguarda i soluti polari non ci sono canali, ma ci sono le proteine trasportatrici permeasi o carrier. Sono sempre proteine integrali di membrana, ma non formano un canale. Riescono a riconoscere in maniera specifica il soluto da trasportare. La loro specificità è simile a quella agli enzimi che hanno delle regioni tridimensionali della loro struttura che riconoscono la struttura del substrato. Lo stesso tipo di riconoscimento viene fatto dalla permeasi e il suo soluto. Il soluto dà un segnale alla proteina che va incontro a un cambio di conformazione. Le proteine sono in grado di esistere in due conformazioni tridimensionali diverse con funzioni leggermente diverse e vengono chiamate proteine allosteriche. Sono specifici, infatti è il soluto a dare il segnale per il cambio di conformazione. Quando si raggiunge l’equilibrio funzionano anche al contrario. Il cambio di conformazione permette al soluto di passare senza prendere contatto con le code degli acidi grassi.

Tipologie di proteine e loro ruolo nel trasporto

• Proteine uniporto: trasportano una sola sostanza attraverso la membrana.
• Proteine simporto: trasportano due molecole in contemporanea nella stessa direzione e sono le permeasi o carrier.
• Proteine antiporto: permettono il passaggio di due molecole in direzioni opposte. Queste proteine sono coinvolte nel trasporto attivo.

Le proteine sono saturabili perché per poter trasportare la sostanza attraverso la membrana devono riconoscere quella sostanza. La sostanza va a riconoscere una regione specifica del trasportatore, vi si lega con interazioni deboli e si ha il cambio di conformazione che è alla base del trasporto attraverso la membrana. Se ho tutte le proteine carrier occupate non passa più la sostanza e avrò una velocità di trasporto che ha raggiunto il suo valore massimo. Con la diffusione semplice questo non accade perché in questo caso all’aumentare della sostanza aumenta anche la velocità di trasporto. Se la concentrazione della sostanza all’esterno della cellula è grande e la aumento continuamente, aumento il gradiente di concentrazione, cioè la differenza tra l’interno e l’esterno. Aumenta la velocità con cui passano queste sostanze fino a raggiungere l’equilibrio.

Nel caso del trasporto facilitato si ottiene un grafico che è un’iperbole. È caratterizzato da una fase iniziale in cui la velocità di trasferimento è direttamente proporzionale alla concentrazione come nella diffusione semplice, ma si arriva ad un certo punto in cui si ottiene la velocità massima, oltre alla quale anche se si aggiunge sostanza all’esterno non...