Biologia cellulare

BIOLOGIA CELLULARE LIPIDI

Sono molecole non solubili in acqua

• I loro legami chimici covalenti (C-C, C-H) contengono molta energia

• I lipidi sono una forma efficiente per immagazzinare molta energia in poco spazio

• Gli animali usano l’energia in eccesso per sintetizzare lipidi che immagazzinano finché l’energia non

• è necessaria; quando avrà bisogno di energia potrà degradare i lipidi e rilasciare l’energia

immagazzinata nei suoi legami chimici

Lipidi modificati mediante collegamento ad un gruppo chimico idrofilico (quindi molecole bipolari)

• giocano un ruolo fondamentale in quanto si associano spontaneamente in membrane

Funzioni dei lipidi:

immagazzinamento di energia (grassi e oli)

• membrane cellulari (fosfolipidi)

• cattura energia luminosa (carotenoidi)

• ormoni e vitamine (steroidei e acidi grassi modificati)

• isolamento termico

• isolamento elettrico dei nervi

• repulsione di acqua (cere e oli)

•

La lunghezza delle catene e la presenza, o l’assenza, di legami insaturi influenzano la fluidità di membrana.

La fluidità e la capacità di formare delle strutture più o meno ordinate richiede che le singole strutture si

possano stabilizzare a vicenda anche senza formare legami covalenti.

La stabilizzazione delle code sarà fatta mediante:

legami di Van der Waals (se le code sono vicine tra loro),

• interazioni idrofobiche (le molecole idrofobiche si raggruppano per avere meno superficie di contatto

• con l’acqua) Ogni legame doppio introduce un ripiegamento, le molecole vicine non

riescono a compattarsi tra loro a temperatura ambiente in modo da

formare una struttura quasi solida, per portarlo eventualmente ad uno

stato solido ci vuole una temperatura bassa. Trigliceride

Anche quando si formano i FOSFOLIPIDI ogni catena avrà delle caratteristiche di saturazione e lunghezza.

I fosfolipidi hanno un gruppo di testa polare e due code idrocarburiche idrofobiche. Normalmente nella

membrana i fosfolipidi derivati dal glicerolo hanno un acido grasso saturo e uno che può essere

(poli)insaturo. Gli acidi grassi polinsaturi (omega 3, omega 6, ecc) sono abbondanti negli organismi che

vivono in acque fredde; se organismi eterotermi avessero acidi grassi prevalentemente saturi, essi sarebbero

solidi e la membrana non funzionerebbe.

Le code, insieme alle molecole di colesterolo, condizionano la fluidità di membrana; in tutte le membrane

c’è un mix di fosfolipidi diversi e lipidi derivati dalla sfingosina diversi. Le teste polari sono importantissime

per stabilire contatti con le molecole polari presenti nell’ambiente acquoso intra o extra cellulare, i 2

ambienti sono molto diversi quindi non deve stupire che le teste dei fosfolipidi siano diverse nel foglietto

interno e in quello esterno.

Tutti i lipidi di membrana derivati dal glicerolo sono fosfolipidi, vedremo che esistono anche fosfolipidi

derivati dalla sfingosina. “Fosfolipidi” perché c’è il 3 gruppo OH del glicerolo è esterificato con un gruppo

fosfato che a sua volta è legato a piccole molecole polari più o meno voluminose.

Dobbiamo sempre pensare allo spazio che occupano le molecole che formano le teste, possono essere più

piccole o più grosse.

La fosfatidilserina è un aminoacido con carica netta negativa e questo è funzionalmente importante. L’unico

lipide derivato dalla sfingosina che è un fosfolipide è la sfingomielina.

Una catena satura è più lunga di una catena con lo stesso numero di atomi di carbonio che ha legami insaturi,

le microstrutture della membrana plasmatica ricche di lipidi con catene sature (esempio raft lipidici) sono più

spesse delle altre zone; molte proteine di membrana hanno sequenze di aa trasmembrana più lunghe di quelle

che lavorano in ambiente ottimale nelle zone insature (troveremo proteine con caratteristiche particolari nelle

micro regioni ricche di catene sature).

Esiste un lipide di membrana, particolarmente concentrato nel lipide interno, l’inositolo, che troveremo

anche legato all’ancora lipidica GPI.

Negli ultimi anni si è sviluppata la lipidomica, ma le informazioni sono ancora poche, gli esperti si stanno

concentrando su come le concentrazioni relative dei diversi tipi di lipidi nelle cellule conferiscono proprietà

biofisiche particolari alla membrana. Esempi: la fosfatidilcolina ha una testa abbastanza grossa

quindi può essere rappresentata da un cilindro, la

fosfatidiletanolammina con le teste piccole forma una

specie di cuneo, il colesterolo è più piccolo ma comunque

può essere associato a un cilindro.

Micelle: In un ambiente acquoso i fosfolipidi si dispongono a formare una specie di cuffia con le code rivolte

verso il grasso e la teste rivolte l’ambiente acquoso (è un sistema per esempio per veicolare i grassi nella

linfa).

Liposomi: Quando la quantità di lipidi è maggiore ma non così ampia come nelle membrane. Servono per

separare 2 ambienti acquosi, le teste sono verso l’ambiente acquoso, le code in mezzo. Sono studiati in

farmacologia come eventuali veicoli per trasportare farmaci a tessuti danneggiati, nella maggior parte dei

casi con poco successo, è difficile trovare una specificità di consegna del farmaco alla cellula che ne ha

davvero bisogno. Inoltre questi liposomi fatti in modo sintetico possono essere abbastanza tossici.

Il doppio strato della membrana non è altro che un grosso liposoma.

COLESTEROLO: È totalmente diverso dal punto di vista chimico da fosfolipidi e sfingolipidi. È

anfipatico, ha una piccola testa polare OH, 4 anelli che formano una struttura planare e una coda più o meno

plastica piuttosto voluminosa con 3 gruppi metilici. La testa si inserisce tra le teste dei fosfolipidi, aumenta

l’impermealizzazione; gli anelli piatti e la coda si organizzano

parallelamente alle code del lipidi, vanno a interferire con la

compattazione e la fluidità della membrana. Si trova preferenzialmente

con certi lipidi. Può formare dei ponti idrogeno con il gruppo

carbossilico di un acido grasso, così è stabilmente legato ai lipidi. Si

formano legami idrofobici e di Van der Waals con le code, la testa si

infila negli spazi tra le teste polari e contribuisce a sigillare gli spazi e a

rendere difficile la diffusione dell’acqua attraverso il doppio strato

lipidico.

L’acqua può passare per osmosi, se alla cellula serve più acqua può entrare attraverso le porine, è importante

che la parte interna della membrana sia il più idrofobico possibile.

SFINGOLIPIDI: fosfolipidi derivati dalla sfingosina. Rilevati all’inizio nel sistema nervoso, avevano un

ruolo enigmatico (da qui il nome). Contribuiscono alla velocità di propagazione dell’impulso nervoso,

regolano il grado di isolamento elettrico. Disfunzioni di questi sfingolipidi portano a gravi patologie,

possono essere dovute ad aberrazioni genetiche che portano ad un’insufficiente degradazione di sfingolipidi

nei lisosomi, malattie da accumulo lisosomiale, nei lisosomi dei neuroni si accumulano lipidi non digeriti.

Il colesterolo ama molto questi lipidi, la concentrazione è molto elevata nei rafts lipidici. La parte di

glicolipidi e glicoproteine è presente sul foglietto esterno, contribuisce a identificare una cellula come

appartenente ad un certo tessuto e permette anche l’interazione con le altre molecole del tessuto, fa parte

delle zone di riconoscimento specifico tra le cellule.

Sono derivati da un amino alcool, la sfingosina. La sfingosina ha una lunga catena alifatica quasi tutta satura

tranne per un unico legame doppio, ha un acido grasso che forma un legame amidico con questo gruppo NH

che può legarsi ad un acido grasso formando il ceramide. Il ceramide è un intermedio per la sintesi dei lipidi

di membrana derivati dalla sfingosina ma è anche una molecola che può essere rilasciata nei processi di

sintesi o di degradazione della membrana, è un mediatore di diversi processi (dell’apoptosi ma anche della

formazione di micro vescicole che le membrane rilasciano nell’ambiente esterno). Il gruppo laterale può

essere legato a teste molto diverse. È una delle principali componenti della guaina mielinica. Ha funzione

strutturale ma anche di segnalazione, nei processi di trasduzione del segnale in cui viene attivato l’enzima

che taglia la testa agli sfingolipidi lasciando il ceramide, il ceramide è mediatore a seconda della cellula di

vari processi (differenziamento, proliferazione, apoptosi).

La testa può essere derivata dal gruppo fosfato, nel caso della sfingomielina.

Si possono formare glicolipidi, con

un’abbondanza di zuccheri nella parte polare,

possono essere pochi o in modo ramificato con

grande variabilità di teste polari. La

sfingomielina ha una testa di fosfocolina o

fosfoetanolammina, gli altri sono tutti

glicolipidi, i più semplici possono avere 1 o 2

residui di zuccheri, i più complessi

(gangliosidi) hanno combinazioni di zuccheri

ramificati che spesso hanno 1 o diversi residui

di acido sialico, danno origine a famiglie molto

diversificate. È importante sapere che i monosaccaridi legati, avendo gruppi OH sopra e sotto l’anello,

possono formare strutture lineari o ramificate, questo dà una grande variabilità.

Famiglia degli acidi sialici: derivati acidi che possono avere gruppi molto diversi.

L’acronimo è NANA (N-acetil neuramid acid), la classificazione terrà presente

quanti residui di acido sialico si hanno legati ai lipidi, più residui ci sono più sarà la

carica negativa. Gli altri zuccheri hanno gruppi polari OH che possono essere

coinvolti in legami idrogeno con altri zuccheri o con proteine. I gruppi carichi

negativamente dell’acido sialico attrarranno cationi o aa con carica positiva, gli altri

zuccheri possono stabilire ponti idrogeno.

Molti di questi sfingolipidi si sono rivelati recettori per microorganismi e per le loro

tossine, dei portali per la adesione di molti microorganismi che hanno spesso delle

proteine che riconoscono degli zuccheri, ossia lectine, che sfruttano per aderire e

invadere gli organismi.

Molti sfingolipidi si stanno rivelando modulatori della velocità di crescita o del

differenziamento e sono importantissimi nella adesione della cellula alla matrice

extracellulare quindi nei legami non covalenti che la membrana stabilisce con

l’ambiente extracellulare.

Esistono più di 400 combinazioni di 7 tipi di monosaccaridi, ogni monosaccaride ha vari gruppi OH e la

possibilità di collegamento è molto varia. Molte differenze sono derivate dal tipo di zucchero e dal numero di

residui di acido sialico.

In molti lipidi del sistema nervoso esiste un’ulteriore legame chimico a questi zuccheri che è il gruppo

solfato, vengono chiamati SOLFATIDI e partecipano all’organizzazione del neurone, delle varie cellule

della glia. Costituiscono fino al 15% della materia bianca del cervello.

Diverse distrofie collegate al sistema nervoso sono derivate da una insufficiente degradazione nei lisosomi di

questi lipidi particolari. I sulfatidi per esempio danno origine alla leucodistrofia metacromatica, i celebrosidi

(hanno solo uno zucchero) aumentano nella malattia di Krabbe a causa della mancanza dell’enzima

lisosomiale galattosidasi, ci sono altre diverse patologie collegate alla degradazione inefficiente dei lipidi.

Molte combinazioni di zuccheri che si trovano legati agli sfingolipidi sono simili a quelli che si trovano

legati alle proteine e molte di queste contribuiscono a determinare i gruppi sanguigni. L’antigene 0 ha una

zona di residui di zuccheri di base, A e B hanno un tipo di zuccheri diversi collegati a questo, N-

acetilglucosamina nel caso del gruppo A e il galattosio del gruppo B, la differenza è avere o non avere questi

zuccheri alle estremità (è solo un esempio, non lo chiede all’esame).

Nel campo dell’immunologia suddividono sfingolipidi che contengono acido sialico in classi.

Ruolo degli sfingolipidi:

protettivo: contribuiscono a proteggere la cellula da ambienti estremi o in cui si svolgono delle

• digestioni enzimatiche che potrebbero mettere a repentaglio la membrana stessa della cellula. Sono

importanti anche nella risposta a cAMP, sono coinvolti nella modulazione dei canali per il cloro, ecc.

Molti non sono importanti solo nel sistema nervoso ma la loro presenza è molto importante anche

nell’intestino. La presenza di sfingolipidi nell’intestino è importante perché sono lipidi abbastanza

resistenti agli enzimi che sono utilizzati per degradare i lipidi della dieta, tutte le zone in cui deve

esserci una resistenza alla degradazione dei lipidi questi sfingolipidi compaiono in concentrazione

abbastanza elevata.

Propagazione dell’impulso nervoso: avendo una quantità di cariche negative che possono richiamare

• cationi in modo diversificato, contribuiscono alla diversa concentrazione di cariche a ridosso della

membrana quindi contribuiscono a creare campi elettrici diversi in varie zone.

Isolanti elettrici: molti sfingolipidi fungono da isolanti, permettono di creare un potenziale di

• membrana.

Riconoscimento cellula-cellula: contengono molecole che sono recettori per molecole di adesione

• presenti su altre cellule, il richiamo dei globuli bianchi nelle zone di infezione è basato su

riconoscimento di zuccheri presenti sui lipidi dei globuli bianchi che vengono riconosciute da

proteine (selettine) che hanno un dominio extracellulare che riconosce sequenze di zuccheri e questi

selezionano il globulo bianco che verrà invitato a passare attraverso dei varchi tra l’endotelio che si

deve aprire e andare nell’ambiente danneggiato sotto.

Vi invito a guardare questi domini particolari delle proteine che permettono di farle sporgere anche a grande

distanza dalla membrana, questi domini sono di tipo epitelial growth factor quindi la loro struttura

aminoacidica è quella che si trova in EGF. La presenza di zuccheri in vari tipi di proteine può contribuire a

richiamare proteine che non attraversano la membrana ma che lavorano a ridosso del foglietto, questa

attrazione di tipo non polare fra gli aa e i lipidi può contribuire a tenere la proteina più ravvicinata.

Il termine “adsorbito” vuol dire che è un processo di avvicinamento in superficie, la proteina viene legata

alla superficie della cellula.

Nella membrana plasmatica troveremo glicoproteine e proteoglicani con compiti diversi, le glicoproteine

avranno legate covalentemente delle sequenze di monosaccaridi che non sono mai molto elevate, possono

essere diverse tra loro, ramificate, molte di queste sequenze sono simili alle sequenze legate ai lipidi. I

proteoglicani della membrana plasmatica invece hanno sul versante extracellulare delle catene lunghe di

zuccheri che sono polimeri di un amino zucchero e di uno zucchero acido, possono essere solfatati o meno,

hanno compito di co recettori ossia collaborano con i recettori per ricevere segnali.

In questa figura la membrana è vista come una struttura che fa da intermediario; verso l’ambiente intra

cellulare è sostenuta meccanicamente da proteine del citoscheletro (soprattutto filamenti di actina che sono

molto plastici e malleabili, molto dinamici), mentre le strutture rivolte verso l’ambiente extracellulare

prenderanno contatto con le proteine, i liquidi, gli ioni, le piccole molecole in soluzione quindi con compiti

di interazione del tutto diversi.

Il concetto di fluidità è legato alla libertà di movimento di un singolo fosfolipide o sfingolipide nell’ambito

dello stesso foglietto, questa libertà dipende dalla minore o maggiore intensità dei legami fra le code.

Il passaggio di un lipide da un foglietto all’altro, da un punto di vista fisiologico, ha una probabilità bassa, la

testa polare viene respinta dalle code, se serve questo passaggio di molecole da un foglietto all’altro, serve

l’azione di enzimi specifici chiamati flippasi. Sono stati studiati soprattutto per spiegare la sintesi di

fosfolipidi nel reticolo endoplasmatico liscio; tutti i fosfolipidi sono costruiti e sintetizzati in un singolo

foglietto del reticolo endoplasmatico liscio (quello rivolto verso il citosol), però lo smistamento dei vari

lipidi tra un foglietto e l’altro viene fatto da enzimi specifici che li aiutano a passare. Sono stati studiati anche

nell’apoptosi quando la fosfatidilserina viene catapultata dall’altra parte, oppure nel campo

dell’aggregazione piastrinica perché le piastrine per aggregarsi richiedono all’inizio la traslocazione della

fosfatidilserina dall’interno all’esterno, il richiamo di calcio, il richiamo della proteina annexina. Le

annexine promuovono la formazione del tappo piastrinico, proprio da questo campo le conoscenze nel

campo dell’aggregazione piastrinica hanno permesso di sviluppare quella tecnica istochimica basata

sull’annexina che deve poi essere coniugata con il fluorocromo. Si è visto che queste vescicole sono

arricchite in fosfatidilserina nell’ambiente esterno quindi si stanno studiando le varie flippasi che sono

coinvolte in questo processo, e questo processo della serina dall’interno all’esterno sembra essere

fisiologicamente importante per la fusione della vescicola con altre cellule. Esistono lipidi che sono presenti

in % molto maggiore nel foglietto esterno rispetto all’interno e viceversa, per esempio:

i lipidi derivati dalla sfingosina sono presenti soprattutto

• nel foglietto esterno,

la fosfatidilcolina (ha la testa molto voluminosa con 3

• gruppi metilici) è presente soprattutto nel foglietto

esterno,

la fosfatidilserina è soprattutto presente nell’ambiente

• interno,

la fosfatidiletanolammina è più presente nell’ambiente

• interno ma c’è anche nell’ambiente esterno,

il fosfatidilinositolo è soprattutto presente nell’