Riassunto esame Biologia cellulare, prof. Ambrosino, libro consigliato Biologia molecolare della cellula,Alberts, Johnson, Lewis

La membrana plasmatica

Il doppio strato lipidico

La membrana plasmatica racchiude la cellula, ne definisce i contorni e mantiene le differenze essenziali fra il citosol e l’ambiente extracellulare. La membrana è costituita da un doppio strato lipidico: le molecole lipidiche, cioè i grassi, rappresentano circa il 50% della massa, e quasi tutto il rimanente è costituito da proteine. Tutte le molecole lipidiche nelle membrane cellulari sono “anfipatiche”, cioè hanno un’estremità “idrofilica” (che ama l’acqua) o polare ed un’estremità “idrofobica” (che teme l’acqua) o non polare.

I lipidi di membrana più abbondanti sono i fosfolipidi, i quali sono costituiti da una testa idrofila, rappresentata dal residuo di acido fosforico esterificato al gruppo alcolico primario del glicerolo e legato ad una sostanza idrofila come la colina, e da due code idrocarburiche idrofobiche, rappresentate da due acidi grassi legati al glicerolo (normalmente contengono fra 14 e 24 atomi di carbonio) e in genere, una di queste due code, ha uno o più doppi legami cis (cioè, è insatura). Quattro fosfolipidi principali predominano nella membrana plasmatica: fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina e sfingomielina.

Formazione spontanea di doppi strati

Sono la forma e la natura anfipatica delle molecole lipidiche che permettono la formazione spontanea di doppi strati in ambienti acquosi. Le molecole idrofiliche si dissolvono prontamente in acqua perché contengono gruppi carichi o gruppi polari che possono formare interazioni elettrostatiche favorevoli o legami idrogeno con le molecole d’acqua. Le molecole idrofobiche, invece, sono insolubili in acqua perché tutti i loro atomi sono privi di carica e non polari e perciò non possono formare interazioni energeticamente favorevoli con le molecole d’acqua.

Per questa ragione, le molecole lipidiche si aggregano spontaneamente per racchiudere le loro code idrofobiche all’interno ed esporre le loro teste idrofiliche all’acqua. A seconda della loro forma, ciò può avvenire in due modi: molecole lipidiche a forma di cuneo possono formare “micelle” sferiche con le code verso l’interno, mentre molecole lipidiche a forma di cilindro possono formare fogli bimolecolari, o doppi strati, con le code idrofobiche racchiuse fra i gruppi di testa idrofilici. In questa disposizione energeticamente più favorevole le teste idrofiliche sono a contatto con l’acqua su ciascuna superficie del doppio strato e le code idrofobiche sono schermate dall’acqua all’interno.

Caratteristiche della membrana

Secondo il modello a mosaico fluido proposto da Singer e Nicolson nel 1972, la membrana plasmatica è discontinua, fluida e asimmetrica.

Discontinuità

È discontinua perché le proteine integrali interrompono la struttura lipidica; nel modello precedente, invece, le proteine erano descritte solo perifericamente associate alla struttura lipidica centrale che si considerava, quindi, continua.

Fluidità

È fluida perché si comporta come un fluido, dato che i lipidi possono, per movimento termico, diffondere lateralmente all’interno del proprio strato. La fluidità del doppio strato lipidico dipende molto anche dalla sua composizione. Il doppio strato lipidico di molte membrane cellulari, infatti, non è composto esclusivamente da fosfolipidi, ma contiene anche colesterolo e glicolipidi.

Le molecole di colesterolo aumentano le proprietà di permeabilità del doppio strato lipidico, il quale non forma struttura continue all’interno della membrana, ma è inserito fra i fosfolipidi o gli sfingolipidi, sulla mobilità dei quali svolge un ruolo di modulazione: restringe, infatti, la mobilità sia delle teste idrofiliche sia delle code idrofobiche, diminuendo di conseguenza la mobilità del foglietto lipidico quando è presente in elevate concentrazioni; quando la sua concentrazione è bassa, invece, l’anello steroideo disperde le code idrofobiche facendo passare la membrana da un minore a un maggior grado di fluidità.

Asimmetria

L’asimmetria della membrana è dovuta alla distribuzione asimmetrica di alcuni lipidi e di molti peptidi e, soprattutto, alla localizzazione esclusiva dei glucidi, legati sia a proteine sia a lipidi, sulla faccia esoplasmatica della membrana. Per quel che riguarda i lipidi, ad esempio, è noto che, nei globuli rossi, gli sfingolipidi e la fosfatidilcolina sono più abbondanti nella faccia esoplasmatica, mentre la fosfatidilserina, la fosfaetalonamina e il fosfoinositolo si trovano in maggior quantità nella faccia citoplasmatica.

Le molecole lipidiche con l’asimmetria più estrema nella distribuzione di membrana sono quelle che contengono zuccheri chiamati “glicolipidi”. Queste molecole si trovano esclusivamente nel monostrato non citosolico del doppio strato lipidico, le quali tendono ad associarsi fra loro, in parte tramite legami idrogeno e in parte tramite forze di van der Waals. I glicolipidi si trovano in tutte le membrane plasmatiche animali, dove costituiscono circa il 5% delle molecole lipidiche del monostrato esterno. I glicolipidi più complessi sono i “glangliosidi”, i quali sono più abbondanti nelle membrane delle cellule nervose, dove costituiscono il 5-10% circa della massa lipidica totale.

Rafts lipidici

La membrana plasmatica contiene “rafts lipidici”, o “zattere lipidiche”, arricchiti in sfingolipidi, colesterolo ed alcune proteine di membrana. La maggior parte delle molecole lipidiche nelle membrane cellulari sono disposte in modo casuale nel monostrato lipidico in cui risiedono. Le forze di attrazione di van der Waals fra le code di acidi grassi vicini non sono sufficientemente selettive da tenere insieme gruppi di molecole di questo tipo.

Tuttavia, per alcune molecole lipidiche, come gli sfingolipidi, che tendono ad avere catene di acidi grassi lunghe e sature, le forze di attrazione possono essere sufficientemente forti da trattenere transitoriamente molecole adiacenti vicine formando piccoli microdomini chiamati appunto “rafts” lipidici. Si pensa che la membrana plasmatica delle cellule animali contenga molti di questi “rafts” lipidici, che sono ricchi sia di sfingolipidi che di colesterolo.

Proteine di membrana

Mentre il doppio strato lipidico determina la struttura base delle membrane plasmatiche, le proteine sono responsabili della maggior parte delle funzioni della membrana, servendo da recettori specifici, da enzimi, da proteine di trasporto e così via. Come i loro vicini, i lipidi, le proteine transmembrana sono anfipatiche, avendo regioni che sono idrofobiche e regioni che sono idrofiliche.

Le loro regioni idrofobiche passano attraverso la membrana e interagiscono con le code idrofobiche delle molecole lipidiche all’interno del doppio strato, mentre le regioni idrofiliche sono esposte all’acqua su ciascun lato della membrana. Le proteine di membrana sono differentemente localizzate rispetto alla struttura portante lipidica: alcune attraversano una o più volte il doppio strato lipidico, altre invece interagiscono con la sua superficie esterna oppure interna.

Questa differente localizzazione fa definire come “integrali” o intrinseche le prime e come estrinseche o “periferiche” le seconde. Le proteine periferiche situate sulla superficie esterna o la parte esterna delle proteine integrali mediano le interazioni con il mondo esterno, mentre quelle periferiche interne o la parte interna delle proteine integrali mediano i rapporti con il mondo interno citoplasmatico.

Esiste una terza categoria di proteine di membrana, le “proteine ancorate” alla membrana mediante lipidi. Queste, che hanno una o due catene aciliche legate covalentemente allo scheletro lipidico, non attraversano la struttura lipidica, ma interagiscono con questa mediante la loro componente lipidica. Le lipidoproteine rivolte verso il citosol sono, in genere, ancorate mediante una catena acilica legata ad una glicina presente all’aminoterminale, oppure da un’ancòra prenilica legata ad una cisteina del carbossiterminale. Le lipidoproteine della superficie extracellulare, invece, sono sempre legate ad un’ancòra di glicosilfosfatidilinositolo (GPI).

Molte proteine di membrana, quindi, si estendono attraverso il doppio strato lipidico. In alcune di queste proteine transmembrana, la catena polipeptidica attraversa il doppio strato lipidico come una singola α elica: queste sono definite “proteine transmembrana a singolo passaggio”; in altre, invece, comprese quelle responsabili del trasporto transmembrana di ioni e di altre piccole molecole solubili in acqua, la catena polipeptidica attraversa il doppio strato molte volte, sia come una serie di eliche che come un foglietto α β sotto forma di un barile chiuso: queste sono definite “proteine transmembrana a passaggi multipli”. Le proteine a barile sono abbondanti nella membrana esterna dei mitocondri, dei cloroplasti e di molti batteri.

Trasporto di membrana

La membrana plasmatica è definita selettivamente permeabile e questa caratteristica le permette di mantenere costante il suo ambiente interno. La selettività è assicurata dal fatto che il passaggio di quasi tutte le molecole e degli ioni è mediato da specifiche proteine di trasporto inserite nel doppio strato lipidico. Le membrane cellulari permettono all’acqua e alle molecole non polari di permearle per diffusione semplice, tuttavia, devono lasciar passare anche varie molecole polari, come ioni, zuccheri, amminoacidi, nucleotidi e molti metaboliti cellulari: le “proteine di trasporto di membrana”, quindi, sono le responsabili del trasferimento di questi soluti attraverso le membrane.

Trasportatori

Tutte le proteine di trasporto risultano essere proteine di membrana a passaggi multipli ed è possibile distinguerle in due classi principali: trasportatori e canali.

I trasportatori (chiamati anche proteine trasportatrici, o permeasi) si legano al soluto specifico da trasportare e subiscono una serie di cambiamenti conformazionali reversibili per trasferire il soluto legato attraverso le membrane. Una proteina trasportatrice, infatti, si alterna fra due conformazioni, così che il sito di legame per il soluto è accessibile sequenzialmente su un lato del doppio strato e poi sull’altro. Quando il trasportatore è saturo (cioè, quando tutti i siti che legano il soluto sono occupati), la velocità di trasporto è massima. Questa velocità, chiamata Vmax, è caratteristica del trasportatore specifico e riflette la velocità con cui il trasportatore può passare fra i suoi due stati conformazionali. Inoltre, ciascun trasportatore ha una costante di legame per il suo soluto, indicata con Km, uguale alla concentrazione di soluto quando la velocità di trasporto è metà del suo valore massimo. I trasportatori permettono il passaggio di molte molecole necessarie alla vita cellulare, come glucosio e aminoacidi. Il trasportatore più noto è il GLUT1, presente nella membrana dei globuli rossi e trasporta glucosio;

Proteine canale

Le proteine canale, invece, interagiscono con il soluto da trasportare molto più debolmente, permettendo il passaggio di acqua e di determinati ioni inorganici secondo il gradiente di concentrazione. A differenza dei trasportatori, i canali possono essere aperti o chiusi e la loro apertura, quando sono chiusi, può avvenire in seguito ad una precisa segnalazione. Un discorso a parte si deve fare per le “acquaporine”, una classe di proteine integrali che forma pori per il passaggio selettivo di acqua. Conosciute anche con il nome di canali acqua, le acquaporine sono costituite da 4 subunità proteiche, ognuna delle quali agisce come un canale. In questo caso le molecole passano secondo il gradiente di concentrazione in singola fila come gli ioni.

Un esempio di proteina canale sono i “canali ionici”: la funzione dei canali ionici è quella di permettere a ioni inorganici specifici (soprattutto Na+, K+, Ca²⁺ o Cl-) di diffondere rapidamente lungo il gradiente elettrochimico attraverso il doppio strato lipidico. Per l’efficienza di trasporto, i canali ionici hanno un vantaggio rispetto ai trasportatori in quanto fino a 100 milioni di ioni possono passare attraverso un canale aperto ogni secondo. Tuttavia i canali non possono essere accoppiati ad una fonte di energia per eseguire un trasporto attivo, così che il trasporto che mediano è sempre passivo.

Proprietà dei canali ionici

Due proprietà importanti distinguono i canali ionici da semplici pori acquosi: la “selettività” e il “gating”. Per prima cosa i canali ionici mostrano una “selettività ionica”, che permette ad alcuni ioni inorganici di passare, ma non ad altri. Ciò si deve al fatto che probabilmente, in alcuni punti, i pori risultano essere più stretti rispetto al normale, così che possano passare soltanto ioni di dimensioni e carica appropriate. La seconda distinzione importante fra i canali ionici e i semplici pori acquosi è che i canali ionici non sono aperti continuamente. Sono invece provvisti di un “cancello”, che permette loro di aprirsi brevemente e quindi chiudersi di nuovo: nella maggior parte dei casi, il cancello si apre in risposta ad uno stimolo specifico. I principali stimoli che provocano l’apertura dei canali ionici sono tre:

• Un cambiamento nel voltaggio attraverso la membrana (canali regolati da voltaggio);
• Uno stress meccanico (canali regolati meccanicamente);
• L’attacco di un ligando (canali regolati da ligando); il ligando può essere sia un mediatore extracellulare, come un neurotrasmettitore, sia un mediatore intracellulare, come uno ione o un nucleotide.

Trasporto passivo

Tutte le proteine canale ed alcune proteine trasportatrici permettono ai soluti di attraversare la membrana soltanto passivamente (in discesa), un processo chiamato “trasporto passivo” o “diffusione facilitata”. Il trasporto passivo consiste nel passaggio di molecole secondo gradiente di concentrazione senza dispendio di energia: quindi si passa da un comparto a maggior concentrazione a uno a minor concentrazione. Nel caso del trasporto di una singola molecola priva di carica, è semplicemente la differenza di concentrazione sui due lati della membrana (il suo gradiente di concentrazione) che spinge il trasporto passivo e determina la sua direzione.

Se il soluto ha una carica netta, però, sia il suo gradiente di concentrazione sia la differenza di potenziale elettrico attraverso la membrana (potenziale di membrana) ne influenzano il trasporto. Il gradiente di concentrazione e il gradiente elettrico si possono combinare, formando il “gradiente elettrochimico”, per ciascun soluto carico. In effetti, tutte le membrane plasmatiche hanno una differenza di potenziale elettrico (gradiente di voltaggio) attraverso di esse, con l’interno in genere negativo rispetto all’esterno, che è invece positivo. Questa differenza di potenziale favorisce l’ingresso di ioni carichi positivamente nella cellula ma si oppone all’ingresso di ioni carichi negativamente.

Trasporto attivo

Le cellule richiedono anche proteine di trasporto che pompino attivamente certi soluti attraverso la membrana contro gradiente di concentrazione (in salita): questo processo, noto come “trasporto attivo”, è mediato da trasportatori, che sono chiamati anche “pompe”. Nel trasporto attivo, l’attività di pompaggio della proteina trasportatrice è direzionale perché è strettamente accoppiata ad una fonte di energia metabolica, come idrolisi di ATP o un gradiente ionico. Le pompe sono, infatti, proteine transmembrana con uno o più siti di legame per l’ATP dal lato citoplasmatico.

Le cellule svolgono questo trasporto attivo in tre modi principali:

• Mediante “trasportatori accoppiati”, i quali accoppiano il trasporto in salita di un soluto al trasporto in discesa di un altro soluto;
• Mediante “pompe spinte da ATP”, accoppiando il trasporto in salita all’idrolisi di ATP;
• Mediante “pompe spinte dalla luce”, le quali si trovano esclusivamente nelle cellule batteriche, accoppiando il trasporto in salita con un input di energia derivata dalla luce.

Il trasporto attivo può essere spinto anche da gradienti ionici: alcuni trasportatori trasportano semplicemente un singolo soluto da un lato all’altro della membrana e si chiamano “uniporti”. Altri, con cinetica più complessa, fungono da trasportatori accoppiati, in cui il trasferimento di un soluto dipende strettamente dal trasporto di un secondo soluto. Il trasporto accoppiato comporta o il trasferimento simultaneo di un secondo soluto nella stessa direzione, eseguita da “simporti”, o il trasferimento di un secondo soluto nella direzione opposta, eseguito da “antiporti”. Lo stretto accoppiamento fra il trasporto di due soluti permette a questi trasportatori di raccogliere l’energia conservata nel gradiente elettrochimico di un soluto, in genere uno ione, per trasportare l’altro.