Citologia - trasportatori e canali

Componenti delle membrane

Sulla membrana plasmatica osserviamo una serie di polisaccaridi legati covalentemente sia alle proteine (glicoproteine) sia ai glicolipidi che insieme formano il glicocalice, che può essere variamente sviluppato, molto o poco, tanto da arrivare a poter essere identificato anche visivamente a microscopia ottica. Questo può creare uno strato che può essere ulteriormente rafforzato da proteine secrete. Questa è una schematizzazione, a microscopia elettronica; esso può essere impregnato di metalli pesanti ed appare elettrondenso.

Funzionamento delle membrane

Un’altra caratteristica della membrana plasmatica è quella di non essere uniforme. Le membrane sono dei fluidi bidimensionali. Un fluido non viscoso di solito non presenta delle zone diversamente conformate ma la membrana plasmatica per la presenza di colesterolo e altri lipidi può presentare zone a minor o maggiore densità. Ciò è osservabile sui liposomi. In dipendenza dei lipidi usati possiamo vedere liposomi che appaiono uniformi: se usiamo un colorante rosso fluorescente, parte dei lipidi è colorata perché possiede un gruppo fluorescente. Nel caso in cui si usino solo fosfolipidi, il colore è uniforme. Mescolando ai fosfolipidi il colesterolo, si formano zone fluorescenti e zone non fluorescenti.

Lipid rafts

Nelle membrane reali si formano i LIPID RAFTS, delle zattere lipidiche, delle zone della membrana con una struttura più rigida. Il doppio strato con catene di acidi grassi saturi tende a formare una struttura più spessa e più rigida. Quindi queste zone si chiamano zattere perché rispetto al resto della membrana relativamente fluido, esse sono più rigide e sono arricchite in colesterolo e in fosfolipidi con acidi grassi saturi. Questo tipo di zattere si possono rilevare con la microscopia a forza atomica di cui non abbiamo parlato.

Fondamentalmente le zattere sono un tipo di struttura della cui esistenza siamo sicuri nei liposomi artificiali, ma non così certi nelle cellule. Recentemente si è arrivati ad un accordo e si è stabilito che queste zattere sono formazioni temporanee che resistono pochi secondi fino ad alcuni minuti e si vengono a costituire quando particolari proteine che sono associate alla membrana vengono attivate da segnali extracellulari (cfr attivazione dei linfociti T).

Nelle membrane reali esiste un limite alla diffusione. Ciò è stato dimostrato perché sono state introdotte proteine marcate con fluorescenza e si è vista la loro mobilità. Ora, il doppio strato è fluido e quindi se non è legata, la proteina potrebbe percorrere tutta la superficie cellulare. In realtà seguendo il processo dei lipidi, quello che si vede è che i loro movimenti sono mantenuti all’interno di specifiche zone della membrana plasmatica. Il fluido infatti è sostenuto al suo interno da strutture proteiche dette citoscheletro che forma un cortex, dei filamenti che stanno subito a ridosso della membrana plasmatica, altrimenti tutte le cellule avrebbero solo la forma sferica di un liposoma. Questo citoscheletro impedisce in vario modo la diffusione delle molecole nello strato, confinandolo all’interno di varie zone.

Importanza delle membrane

La presenza delle membrane è fondamentale per la vita di una cellula. Perché? Per la definizione stessa di una cellula! Esse infatti delimitano un ambiente. Come farebbe altrimenti ad esistere un comparto così organizzato, se non ci fosse un ambiente in cui gli scambi di materia sono limitati e controllati? Tutto il materiale genetico e le proteine sarebbero disperse, ecco perché con DNA, proteine e lipidi in una provetta non otteniamo una cellula.

Funzione principale della membrana è quello dunque di creare spazi interni cellulari o delimitare degli organelli. Inoltre le membrane sono loro stesse un ambiente diverso, perché sono idrofobiche e possono far avvenire reazioni in un ambiente idrofilico.

Posto questo, bisogna tener conto che una cellula non è un liposoma, che è invece una vescicola che contiene al suo interno una soluzione acquosa. Una cellula deve continuamente ricevere nutrienti dall’esterno, altrimenti non potrebbe ricevere nutrienti per la vita stessa, che è la capacità di riprodurre il proprio sistema genetico e tutti quegli elementi necessari per creare un’altra cellula; ciò richiede uno spazio contenuto e che attraverso le membrane passino determinati elementi.

La cellula necessita di un controllo molto stretto dell’ambiente. Noi non viviamo in acqua distillata, ma in soluzioni saline in cui esiste una miscela di ioni a varie concentrazioni, che devono essere mantenuti entro determinati livelli per mantenere le funzioni delle cellule. La cellula può manipolare le concentrazioni per promuovere il trasporto per membrana. Deve essere anche tenuto sotto controllo il pH. Che cosa è lo ione H⁺? Un protone certo, ma in soluzione acquosa non esiste; esiste come H₃O⁺, il protone tipicamente è legato temporaneamente ad una molecola di acqua.

Permeabilità delle membrane

• Sostanze idrofobiche passano molto speditamente.
• Piccole molecole neutre passano speditamente attraverso le membrane.
• Molecole che pur non avendo carica netta sono polarizzate, come l’acqua, passano con estrema difficoltà.

Molecole polari più grandi come gli zuccheri, le grosse molecole come le proteine ed infine molecole o atomi carichi non possono passare attraverso il doppio strato. Nulla è assoluto, chiaramente esiste un coefficiente di permeabilità per ciascuno di questi ioni e se l’acqua ha una certa capacità di passaggio, gli ioni come quello potassio o sodio, hanno una capacità di passaggio che non è nulla, ma pari ad 1/1 alla dodici, è come se non passassero.

Le cellule però usano queste caratteristiche del doppio strato per mantenere un equilibrio ionico particolare al loro interno ed esterno. In condizioni normali queste mantengono concentrazioni saline al loro interno usando il fatto che al loro esterno, ci sono concentrazioni saline stabili.

Qui si vede il confronto: le cellule hanno molto meno Na⁺ di quanto ne esista nell’ambiente extracellulare mentre contengono una quantità elevata di K⁺, contengono una quantità elevata di K nel citosol. Il Ca⁺⁺ è basso nel citosol e molto concentrato nel reticolo endoplasmatico. Il pH è sempre controllato e non c’è grossa diversità fra il comparto intra ed extracellulare ma la piccola diversità è importante.

Questo è fondamentale anche per la generazione dell’energia nei mitocondri, che derivano da batteri simbiotici e hanno mantenuto lo stesso sistema di produzione di energia dei batteri che consiste nel mantenere una differenza di pH fra membrana interna ed esterna del mitocondrio alquanto rilevante. Lo ione cloro, che è l’anione più diffuso, si comporta come il Na⁺, ovvero è più elevato extracellularmente che intracellularmente. Intracellularmente esistono molte cariche negative, rappresentate soprattutto dalle proteine. Ci sono alcuni amminoacidi carichi negativamente. Nel loro complesso, molte proteine sono debolmente acide, perché hanno una carica un po’ più negativa. Queste proteine, caricate debolmente negativamente controbilanciano la presenza del K, altrimenti la carica netta sarebbe positiva, mentre il Na è controbilanciato dal Cl.

Potenziale di membrana

Dentro le cellule umane esiste una carica netta negativa e all’esterno positiva e ciò rappresenta un potenziale elettrochimico.