Biologia molecolare, I parte

Biologia molecolare: membrana e trasporto

Confronto tra cellule eucariote e procariote

Una differenza principale tra la cellula eucariote e la procariote è il fatto che le cellule procariotiche siano molto piccole e quelle eucariote sono più grandi e soprattutto sono suddivise in compartimenti mentre una cellula procariote non ha nemmeno la membrana nucleare. Esse hanno soltanto la membrana plasmatica e la parete batterica. Mentre nel citoplasma di una cellula eucariote ci sono un sacco di compartimenti che dividono le regioni della cellula.

Strutture cellulari e funzioni

I microfilamenti che sono strutture del citoscheletro, sono strutture che servono proprio a formare lo scheletro della cellula. Microfilamenti e citoscheletro sono presenti nelle cellule eucariote e assenti in quelle procariote. La membrana plasmatica serve per creare una barriera tra il citoplasma e tutti gli organelli che sono contenuti nel citoplasma e l'ambiente extracellulare.

Funzioni della membrana plasmatica

Quindi una prima funzione della membrana plasmatica è quella di mantenere inalterata l'omeostasi del citoplasma. Questo significa che la membrana plasmatica serve a mantenere inalterata la concentrazione di tutti quei soluti che si trovano all'interno della cellula (ioni, zuccheri, lipidi). Per mantenere l'omeostasi, la concentrazione di soluti all'interno del citoplasma costante, c'è bisogno che la cellula regoli il trasporto dei soluti tra l'esterno e l'interno e viceversa. La regolazione del trasporto di soluti è alla base del mantenimento dell'omeostasi.

Interazione con l'ambiente extracellulare

La membrana plasmatica serve a collegare l'ambiente intracellulare con l'ambiente extracellulare perché la cellula non è un sistema chiuso ma un sistema aperto che deve comunicare con l'esterno e queste comunicazioni vengono attuate grazie alla presenza della membrana plasmatica. La membrana plasmatica serve all'interazione fisica fra cellule perché grazie alla membrana plasmatica e alle proteine che si trovano sulla membrana plasmatica le cellule prendono contatto fra di loro. Inoltre, la membrana plasmatica serve a prendere contatto con le strutture extracellulari.

Matrice extracellulare

Le strutture extracellulari è la cosiddetta matrice extracellulare. La matrice extracellulare è una sorta di pavimento su cui tutte le cellule del nostro corpo, ad eccezione di quelle del sangue, sono attaccate. Quindi quando si parla di cellule del fegato, cellule del muscolo, cellule del cervello, cellule dell'epidermide, tutte le cellule di tutti i tessuti che noi abbiamo a eccezione di quelle del sangue, tutte le altre cellule che formano i tessuti sono cellule che per sopravvivere devono stare attaccate a una struttura cellulare che si chiama matrice extracellulare e sono attaccate alla matrice extracellulare grazie alla presenza della membrana plasmatica.

Cellule del sangue e cellule tumorali

Le cellule del sangue non sono adese alla matrice extracellulare perché per loro natura vivono in sospensione. Tanto è vero che vengono trasportate attraverso il flusso sanguigno. Quindi sono cellule che per loro natura sopravvivono staccate dalla matrice extracellulare. Mentre tutte le altre cellule che formano i nostri tessuti devono stare attaccate alla matrice extracellulare. Se cellule sane si staccano dalla matrice extracellulare, in poche ore muoiono perché hanno bisogno di stare attaccate a questo pavimento. Se non muoiono vuol dire che sono cellule malate.

Comportamento delle cellule tumorali

Ad esempio, le cellule tumorali sono cellule che hanno cambiato il loro comportamento per cui sono cellule che sono diventate svincolate dal loro legame alla matrice extracellulare. Per cui, se sono prese delle cellule tumorali di tessuti solidi e sono staccate dalla matrice extracellulare loro sopravvivono benissimo al contrario delle cellule sane che hanno bisogno di essere attaccate alla matrice extracellulare. L'attacco delle cellule alla matrice extracellulare avviene grazie alla presenza della membrana plasmatica e alle proteine inserite nella membrana plasmatica.

Struttura della membrana plasmatica

La membrana plasmatica è una struttura lipidica quindi è formata da lipidi, in particolare è formata da fosfolipidi e uno steroide particolare che è il colesterolo. I fosfolipidi sono detti anfipatici perché hanno una testa polare, che è idrofila che può prendere contatto con l'acqua e una coda idrofoba (apolare) che al contrario della testa, questa non può prendere contatto con l'acqua, non può formare legami con l'acqua. I fosfolipidi della membrana possono essere di due tipi a seconda dello scheletro di cui sono costituiti.

Tipi di fosfolipidi

Si parla di glicerofosfolipidi, se lo scheletro è una molecola di glicerolo e di sfingofosfolipidi se lo scheletro è una molecola di sfingosina. Un glicerofosfolipide ha uno scheletro di glicerolo, che è una molecola formata da tre atomi di carbonio. A due di questi tre atomi di carbonio sono attaccati due acidi grassi. Gli acidi grassi sono lunghe molecole di atomi di carbonio. Un acido grasso di 16 atomi di carbonio è l'acido palmitico, che poi può essere allungato o fatto diventare insaturo.

Acidi grassi saturi e insaturi

In generale, gli acidi grassi sono queste lunghe catene di atomi di carbonio che legano a un'estremità un gruppo carbossilico (COO). Questi acidi grassi possono essere saturi o insaturi. Gli acidi grassi saturi sono quelli acidi grassi che hanno tutti legami semplici, non hanno doppi legami. Un esempio è l'acido stearico. Invece, l'acido linoleico e l'acido α-linoleico sono acidi grassi insaturi perché presentano doppi legami. Basta un doppio legame perché un acido grasso sia considerato insaturo.

Formazione dei glicerofosfolipidi

Quindi ritornando ai glicerofosfolipidi, i glicerofosfolipidi sono lipidi di membrana che hanno come struttura: una molecola di glicerolo, a cui a due dei tre atomi di carbonio della molecola di glicerolo sono legati degli acidi grassi. Un acido grasso al carbonio c-1 e un acido grasso al c-2. Questi acidi grassi si legano al glicerolo tramite il proprio gruppo carbossilico. Questi acidi grassi possono essere sia saturi che insaturi. Quindi possono contenere sia legami singoli sia doppi legami.

Acido fosfatidico e glicerofosfolipidi

Al terzo atomo di carbonio del glicerolo si lega un gruppo fosfato. Questo fosfato si lega al carbonio in posizione 3 del glicerolo. Anche se il glicerolo è legato a due acidi grassi e ad un gruppo fosfato al carbonio 3, ancora non si parla di glicerofosfolipidi ma di acido fosfatidico o fosfatidato. Precursore del glicerofosfolipide. Il glicerofosfolipide si forma quando al gruppo fosfato legato al carbonio in posizione 3 del glicerolo si lega un'altra molecola che individua il tipo di fosfolipide. Quindi, a seconda della molecola che si lega alla molecola di acido fosfatidico, si formano i diversi glicerofosfolipidi della membrana.

• La fosfatidilcolina se all'acido fosfatidico si lega la colina.
• La fosfatidiletanolammina se all'acido fosfatidico si lega l'etanolammina.
• La fosfatidilserina se si lega la serina.
• Il fosfatidilinositolo se si lega l'inositolo.

Sfingofosfolipidi

Gli sfingofosfolipidi hanno lo scheletro formato da sfingosina. La sfingosina è un lungo lipide che contiene un gruppo amminico che può legarsi nuovamente a un acido grasso. Quando il gruppo amminico della sfingosina si lega all'acido grasso, si forma un altro lipide che si chiama ceramide. Al gruppo amminico si lega un acido grasso attraverso il proprio gruppo carbossilico e così si forma un nuovo lipide che si chiama ceramide. La ceramide ha anche un altro gruppo che è il gruppo ossidrile (OH).

Formazione dei glicosfingolipidi

Questo gruppo ossidrile può essere il punto di legame di due tipi di molecole: un gruppo fosfato o uno zucchero. Se si lega uno zucchero si formano i glicosfingolipidi, se si lega il gruppo fosfato che a sua volta si lega a un'altra molecola a formare un particolare fosfosfingolipide. Un componente fondamentale delle membrane è il colesterolo.

Ruolo del colesterolo

Il colesterolo è formato da tanti atomi di carbonio uniti tra loro, anche a formare quattro strutture ad anello. La particolarità del colesterolo è che presenta un gruppo ossidrile (OH). Questo gruppo ossidrile serve al colesterolo per legarsi ai fosfolipidi di membrana. Il colesterolo di per sé è un lipide molto importante perché è il precursore di un sacco di altre molecole come gli acidi biliari, la vitamina D e gli ormoni steroidei. Quindi, il colesterolo è il punto di partenza per la sintesi di altre molecole.

Organizzazione dei fosfolipidi

Se si prendono i fosfolipidi e si mettono in una soluzione acquosa si vede che si dispongono come un doppio strato fosfolipidico in cui le teste polari dei fosfolipidi si dispongono verso l'acqua e le parti apolari quindi le code si dispongono le une contro le altre a formare questa struttura idrofoba che forma il doppio strato fosfolipidico. Se si parla di una membrana plasmatica, le teste di fosfolipidi saranno rivolte da una parte verso il citoplasma dall'altra parte verso l'ambiente extracellulare mentre le code che sono idrofobe formeranno la porzione interna del doppio strato fosfolipidico.

Flessibilità della membrana plasmatica

La membrana plasmatica non è una struttura rigida ma è una struttura che può muoversi e si muove a seconda della temperatura, passando da una fase di gel a una fase fluida. Per cui se a una membrana plasmatica viene aumentata la temperatura dell'ambiente in cui si trova, questa membrana passa da una fase di gel a una fase fluida in cui le code dei fosfolipidi cominciano a muoversi. La temperatura che fa passare la membrana plasmatica da una fase di gel a una fase fluida viene detta temperatura di transizione.

Fattori che influenzano la mobilità della membrana

La mobilità della membrana plasmatica dipende da vari fattori: la lunghezza degli acidi grassi, il grado di saturazione degli acidi grassi che formano fosfolipidi e la presenza di colesterolo. Una membrana plasmatica portata alla temperatura di transizione, che è la temperatura alla quale una membrana può passare dalla fase di gel a una fase fluida dipende fondamentalmente da questi tre fattori: dalla lunghezza degli acidi grassi, dal grado di saturazione degli acidi grassi e dalla presenza di colesterolo perché tutti e tre questi fattori influenzano la mobilità delle code dei fosfolipidi e quindi influenzano la mobilità della membrana plasmatica.

Effetto della lunghezza degli acidi grassi

Più un acido grasso ha una catena lunga più avrà bisogno di spazio per poter essere inserito nel doppio strato fosfolipidico, avendo bisogno di più spazio blocca le code dei fosfolipidi adiacenti. Per cui, la lunghezza della catena degli acidi grassi diminuisce la fluidità della membrana. Così come anche la presenza di acidi grassi insaturi, che contengono dei doppi legami, aumenta la fluidità della membrana. Quindi i fosfolipidi che contengono acidi grassi insaturi aumentano la mobilità della membrana rispetto a fosfolipidi che contengono acidi grassi tutti saturi.

Movimento e fluidità della membrana

Quindi acidi grassi che contengono solo legami semplici. Se i fosfolipidi sono costituiti da acidi grassi insaturi nel punto in cui c'è l'insaturazione e quindi la presenza del doppio legame, si forma una curvatura per cui se sono accanto un acido grasso saturo e un acido grasso insaturo o due acidi grassi insaturi chiaramente non saranno mai impacchettati perfettamente come nel caso di acidi grassi saturi perché queste curvature nella struttura dell'acido grasso insaturo fa sì che si mantenga libero un sacco di posto tra i due fosfolipidi adiacenti per cui questi due fosfolipidi hanno più spazio per muoversi rispetto a due fosfolipidi saturi adiacenti. Questo è il motivo per cui acidi grassi insaturi aumentano la mobilità della membrana plasmatica.

Ruolo del colesterolo nella mobilità della membrana

Il colesterolo invece diminuisce la mobilità della membrana plasmatica perché attraverso il gruppo ossidrile (OH), il colesterolo forma un legame a idrogeno con il gruppo carbossilico (COOH) dell'acido grasso che si è legato al glicerolo e si interpone fra i glicerofosfolipidi. Interponendosi fra i glicerofosfolipidi occupa tutto lo spazio. Nella membrana dove c'è il colesterolo non c'è più spazio e quindi i fosfolipidi che sono situati accanto al colesterolo non si possono più muovere. Questo è il motivo per cui il colesterolo diminuisce la mobilità della membrana plasmatica.

Zone della membrana plasmatica

Fondamentalmente, i fattori che influenzano la mobilità della membrana sono tre e sono: la lunghezza degli acidi grassi, il grado di saturazione degli acidi grassi e la presenza di colesterolo. Ci sono delle zone della cellula caratterizzate da una grossa percentuale di colesterolo e sono zone rigide perché il colesterolo frapponendosi fra due glicerofosfolipidi impedisce la loro mobilità. Sono strutture in cui la membrana plasmatica è rigida, non ha possibilità di muoversi. Queste regioni della membrana plasmatica caratterizzate da una grossa percentuale di colesterolo si chiamano raft lipidici e possono essere raft lipidici lineari oppure raft lipidici invaginati.

Importanza dei raft lipidici

Sono regioni della membrana plasmatica molto importanti perché sono quelle zone della membrana plasmatica che sono ricche di particolari proteine. Quindi all'interno della membrana plasmatica si inseriscono proteine che servono per captare i segnali dell'ambiente extracellulare e per portare questi segnali all'interno della cellula. Sono proteine all'interno della membrana plasmatica che servono alla cosiddetta trasduzione del segnale. Quando questi raft lipidici sono invaginati, queste strutture invaginate vengono chiamate caveole perché sono ricche di una proteina che è chiamata caveolina. I raft lipidici che si chiamano anche microdomini di membrana sono delle zone che per loro natura caratterizzate dalla presenza di una grossa percentuale di colesterolo.

Movimenti dei fosfolipidi

Sono delle zone di membrana rigide per la mobilità ma sono importanti perché sono zone che presentano inserite nel doppio strato fosfolipidico delle proteine che servono a captare dall'esterno dei segnali extracellulari e a trasferire questi segnali dall'esterno all'interno della cellula in maniera che la cellula risponda ai segnali extracellulari che si trovano nell'ambiente esterno alla cellula stessa. Questi segnali a cui le cellule vanno incontro possono essere segnali ormonali di qualunque tipo (insulina, glucagone) tutti gli ormoni sono ormoni che si trovano nell'ambiente extracellulare e che devono essere captati dalle cellule, presi dalle cellule e poi le cellule rispondono a questi segnali.

Tipi di movimento dei fosfolipidi

Un fosfolipide può andare incontro a tre tipi di movimento: un movimento rotatorio in cui il fosfolipide può ruotare su se stesso, ruota intorno al proprio asse oppure il fosfolipide può compiere un movimento trasversale in cui un fosfolipide si sposta da una zona a un'altra del foglietto fosfolipidico rimanendo però sempre sullo stesso foglietto fosfolipidico oppure può compiere un movimento detto a flip flop che avviene rarissimamente perché è un tipo di movimento sfavorito dal punto di vista energetico, cioè la cellula utilizzerebbe troppa energia per compiere questo movimento a flip flop.

Movimento a flip flop

Questo movimento a flip flop prevederebbe che il fosfolipide passi da un foglietto fosfolipidico all'altro. Per cui se un fosfolipide si trova nella parte del foglietto lipidico che guarda il citoplasma con questo movimento a flip flop si porterebbe sul foglietto fosfolipidico che guarda l'ambiente extracellulare. La cellula consumerebbe un sacco di energia per cui questo movimento non avviene quasi mai se non in una condizione particolare, cioè quando una cellula decide di suicidarsi.

Apoptosi e movimento a flip flop

Una cellula sana può decidere di suicidarsi quando si accorge di avere incamerato una quantità di sbagli tali e quegli sbagli non si possono riparare e non devono essere ereditati dalle cellule figlie. Per cui, quando in una cellula si accumulano un sacco di errori gravi, la cellula ha due strade: la prima strada è quella di tentare di riparare questi errori, se questi errori vengono riparati allora la cellula continua la sua vita normale altrimenti se questi errori non possono essere riparati, la cellula decide di suicidarsi e attiva la cosiddetta morte cellulare programmata che è l'apoptosi.

Segnalazione della cellula in apoptosi

Quando una cellula si suicida perché attiva la morte cellulare programmata cioè l'apoptosi avviene un movimento a flip flop di un fosfolipide di membrana, in particolare della fosfatidilserina. La fosfatidilserina che normalmente si trova sul foglietto fosfolipidico che guarda il citoplasma nelle cellule in cui viene attivata l'apoptosi fa il movimento a flip flop e si viene a trovare sul foglietto fosfolipidico che guarda l'ambiente extracellulare. Quindi le cellule che hanno la fosfatidilserina sul foglietto fosfolipidico che guarda l'ambiente extracellulare è una cellula che ha attivato il processo di apoptosi.

Proteine della membrana plasmatica

All'interno della membrana plasmatica si trovano le proteine, che sono portate alla membrana plasmatica da una via di trasporto delle proteine che si chiama via vescicolare che è una via in cui le proteine vengono portate alla membrana plasmatica e non solo alla membrana plasmatica, in cui le proteine che devono andare alla membrana plasmatica vengono tradotte e sintetizzate al livello del reticolo endoplasmatico rugoso, poi vengono passate al Golgi e poi dal Golgi vengono veicolate sulla membrana plasmatica. Tutto questo avviene grazie alla presenza di vescicole che si generano da un compartimento donatore e che vanno verso il compartimento accettore.

Funzioni principali della membrana plasmatica

Una delle funzioni principali della membrana plasmatica è quella di regolare il trasporto di qualunque tipo di sostanza che deve passare da dentro la cellula a fuori la cellula e viceversa. Tutto questo per mantenere inalterata l'omeostasi quindi la concentrazione di soluto all'interno della cellula. La membrana plasmatica è formata da un doppio strato fosfolipidico, in cui tutte le molecole polari di grosse dimensioni ma anche piccole non passano attraverso il doppio strato fosfolipidico. Passano però i gas, la CO₂, l'O₂ e molecole apolari. Per tutte le altre, compresi gli ioni, c'è bisogno di sistemi di trasporto. Questi sistemi di trasporto avvengono grazie a proteine che si trovano inserite all'interno della membrana plasmatica che sono proteine canale o proteine carrier.

Attraverso la membrana plasmatica passano gas, molecole idrofobiche, molecole polari di dimensioni molto piccole.