Citologia - composizione chimica della membrana

LA MEMBRANA PLASMATICA

I fosfolipidi,molecole anfipatiche, che in soluzione acquosa tendono a costituire delle micelle, cioè delle strutture

globulari nelle quali le molecole sono disposte in modo da sottrarre all’acqua le lo loro parti idrofobiche rivolgendo

verso il solvente le loro estremità polari.

Il doppio strato lipidico invece è un tipo di conformazione che i lipidi possono assumere spontaneamente in acqua, in

cui le lunghe catene apolari di ciascuno strato si insinuano tra quelle dello strato opposto, mentre i gruppi fosfato sono

rivolti all’esterno creando una zona altamente idrofilica.

Nell’immagine in alto a sinistra, le strutture colorate in azzurro e bianco rappresentano molecole d’acqua, che, come si

può vedere, avvolgono il doppio strato lipidico quasi comprimendolo; per azione dell’acqua si vengono a creare dei

contatti tra le catene idrofobiche che altrimenti non ci sarebbero, e a distanze così ravvicinate si generano quelle

interazioni, chiamate legami idrofobici, che garantiscono la stabilità del doppio strato in ambiente acquoso.

All’interno del doppio strato i lipidi sono in grado di muoversi, e a tal proposito può essere considerato un fluido

bidimensionale, che non può spostarsi lungo l’asse Z a causa dell’effetto delle molecole d’acqua posizionate sopra e

sotto il piano ( le molecole che compongono il fluido invece sono per definizione in grado di muoversi al suo interno).

Riassumiamo ora i principali movimenti che possono compiere le molecole lipidiche all’interno del doppio strato:

• Rotazione

• Flessione delle code idrocarburiche, anche se le molecole lipidiche tendono a posizionarsi sempre con le code

lipidiche disposte perpendicolarmente al piano del doppio strato

• Diffusione laterale

• Diffusione di una molecola lipidica da uno strato all’altro detta “flip-flop” (si tratta di un fenomeno che accade

raramente)

Le caratteristiche del doppio strato variano in dipendenza dalla natura dei lipidi che lo compongono: se i fosfolipidi che

lo costituiscono contengono molecole di acido grasso con catene idrocarburiche sature (che non contengono doppi

legami) le catene sono rettilinee, tendono a compattarsi e a disporsi formando uno strato relativamente spesso; se nei

fosfolipidi è invece presente una molecola di acido grasso insatura, contenente un doppio legame in cis, i lipidi tendono

ad impacchettarsi in maniera minore, questo porta due importanti conseguenze:

1. l’abbassamento della temperatura di fusione che conferisce fluidità alla membrana che contiene questo tipo di

lipidi;

2. il ripiegamento delle catene insature crea uno spazio in cui le catene di acidi grassi dell’altro lato possono

inserirsi, determinando la formazione di un doppio strato meno spesso rispetto a quello formato da lipidi

saturi.

In ambiente acquoso il doppio strato non esiste come un piano, ma tende ad assemblarsi spontaneamente formando una

sfera cava che prende il nome di liposoma, che contiene ed è circondata da ambiente acquoso. Le pareti di questi

liposomi sono costituite da un doppio strato lipidico organizzato allo stesso modo del doppio strato lipidico di una

membrana naturale e per questo motivo i liposomi si sono dimostrati importanti in biologia molecolare,dove vengono

utilizzati per inserirvi all’interno sostanze di interesse come veleni, farmaci, DNA e nelle ricerche sulle membrane.

Le membrane vengono studiate mediante trattamento con solventi organici ( per la precisione si usano particolari tipi

di saponi,detergenti o solventi organici come quelli a base aromatica derivati dal benzene) che dissolvono le membrane

in quanto vanno ad interferire con i legami idrofobici. In questo modo si ottengono i fosfolipidi in soluzione che

possono essere separati da tutti gli altri componenti della membrana che vanno invece a costituire “un residuo

insolubile”. In seguito si fa evaporare il solvente ottenendo così i lipidi che compongono la membrana in forma

purificata, questi possono essere successivamente solubilizzati in ambiente acquoso creando un liposoma o possono

essere fatti combinare in modo tale che formino un doppio strato lipidico su un forellino tra due ambienti acquosi. In

altre parole, si prende un contenitore separato da una membrana impermeabile, si pratica un foro e si opera in modo tale

che i lipidi formino una membrana lì, questa membrana, chiamata membrana nera, permette di studiare le proprietà

biologiche dei lipidi di membrana.

Questi studi hanno permesso di conoscere l’importanza di numerosi componenti delle membrane,tra cui i glicolipidi. I

glicolipidi sono una particolare classe di sfingolipidi in cui il gruppo esterificato è un carboidrato: se il carboidrato

sostituente è uno zucchero semplice, il glicolipide è detto cerebroside; se è un oligosaccaride, il glicolipide è detto

ganglioside.

Nell’immagine è rappresentato il galattocerebroside,un glicolipide neutro in quanto il galattosio è privo di carica e il

ganglioside G che presenta una catena oligosaccaridica carica negativamente

M1

Parliamo infine del colesterolo,un lipide composto da quattro anelli fusi a cui sono legati due gruppi metilici, un gruppo

ossidrilico e una catena idrocarburica; l’intera struttura è altamente idrofobica ad eccezione del gruppo ossidrilico che

rende il colesterolo una molecola anfipatica. La struttura ad anelli del colesterolo è estremamente rigida, non permette

rotazioni e movimenti nelle zone della membrana dove è contenuto ed è proprio questa caratteristica a conferirgli la

funzione di agente compattante nelle membrane contenenti fosfolipidi insaturi. Il colesterolo va a donare rigidità in una

regione particolare del doppio strato lipidico(in corrispondenza della catena insatura) e in questo modo si ottiene una

membrana che pur essendo relativamente fluida è più resistente ai cambiamenti di temperatura. Il colesterolo

rappresenta una prerogativa delle membrane degli eucarioti (non è presente nelle membrane dei batteri) e oltre ad essere

un componente delle membrane, fondamentale per le loro proprietà biofisiche, è anche un precursore biochimico di una

serie di ormoni steroidei come il testosterone o gli estrogeni, per la cui sintesi è quindi necessario disporre di particolari

riserve di colesterolo.

Le membrane cellulare presentano una polarità, i due lati del doppio strato lipidico non sono equivalenti, ma

possiedono una composizione lipidica caratteristica e differente.

Nell’immagine a lato è rappresentata una cellula con la sua membrana plasmatica e tutta una serie di strutture interne

che contengono membrane come il nucleo,il reticolo endoplasmatico,il mitocondrio e altri organelli; è importante

sottolineare che, da un punto di vista topologico, gli organelli sono assimilabili a specifiche regioni della membrana

plasmatica.

Come si può vedere, la membrana viene rappresentata distinguendo una porzione esterna (colorata in rosso) e una

interna (colorata in blu); se poniamo lo sguardo sul reticolo endoplasmatico, la porzione colorata in rosso è quella

rivolta verso l’interno, mentre quella colorata in blu è rivolta verso il citoplasma, ovvero la cavità del reticolo

endoplasmatico è assimilabile allo spazio extracellulare e il lato che si affaccia su di questa è più simile al lato della

membrana citoplasmatica che dà verso l’esterno, mentre i lati che danno verso il citoplasma sono sempre simili tra di

loro. Il mitocondrio rappresenta un caso particolare poiché si tratta di un organello circondato da due membrane : per

quanto la membrana esterna del mitocondrio, la regione che si affaccia sul citoplasma è più simile a quella esterna del

reticolo endoplasmatico, mentre la regione interna è simile a quella del reticolo che dà verso il lume; la membrana

interna del mitocondrio è rivolta invece, da un punto di vista topologico, all’opposto in quanto lo spazio intermembrana

è assimilabile allo spazio extracellulare e la matrice è assimilabile ad un citoplasma. La ragione di ciò trova

spiegazione nell’origine evolutiva dei mitocondri : questi organelli derivano da batteri che sono stati fagocitati da una

primitiva cellula e che hanno mantenuto una piccola parte della loro identità( come DNA circolare e ribosomi simili a

quelli batterici); per questo motivo dunque, la matrice può essere paragonabile al citoplasma di un batterio.

La differenza tra i due strati della membrana serve alla cellula per distinguere topologicamente esterno ed interno e per

comunicare con l’esterno.

Nell’immagine in alto è rappresentata una membrana plasmatica idealizzata di una cellula umana. Come si può notare, i

glicolipidi sono localizzati solo nella zona esterna della membrana e così anche la maggioranza delle molecole di

sfingomielina. Questa distribuzione preferenziale di lipidi tra lato esterno ed interno rappresenta un segnale per la

cellula, che viene attivamente mantenuto durante lo crescita e la divisione cellulare.

Parliamo ora dei vari componenti della membrana in funzione della loro presenza. Il colesterolo è sempre presente nelle

membrane delle cellule umane, sia interne che esterne, ma in percentuali variabili poiché variabile è la fluidità richiesta.

I glicolipidi invece sono presenti solo in tracce nelle membrane interne e questo è in perfetto accordo con il compito che

sono tenuti a svolgere. I glicolipidi sono infatti coinvolti nel riconoscimento cellulare che avviene nell’ambiente

extracellulare, e non in quello intracellulare.