Fisiologia cellulare - Appunti completi e di facile comprensione

Membrana plasmatica

La membrana plasmatica rappresenta un elemento di separazione tra lo spazio extracellulare e quello intracellulare, ed è costituita da un bilayer lipidico in cui sono inserite proteine. La membrana plasmatica è una barriera selettiva per cui le molecole nutritizie importanti per la cellula possono selettivamente entrare e non avere più la possibilità di uscire; le molecole indesiderabili e i microorganismi non hanno la possibilità di entrare all'interno; possono fuoriuscire solo i prodotti metabolici inutili, oppure molecole che prendono il nome di messaggeri, che vengono prodotte da particolari tipi di cellule e che possono raggiungere altre cellule.

Funzioni principali

• Import-export
• Ricevere e cedere informazioni
• Movimento ed espansione

La membrana plasmatica, e le membrane biologiche in generale, sono composte da:

• Lipidi: il doppio strato lipidico crea una barriera idrofobica (idrorepellente). Se una membrana fosse fatta solo dal doppio strato lipidico, l'acqua non potrebbe passare. Per la maggior parte sono fosfolipidi, ma anche glicolipidi e colesterolo.
• Proteine: conferiscono specificità alle funzioni svolte dalla membrana, come il fatto di fare entrare o uscire molecole o ioni.

Lipidi

Principali classi di lipidi nella membrana plasmatica

• Fosfolipidi: presentano una coda idrofobica apolare (repelle acqua) e una testa idrofila polare (attrae acqua), perché quest'ultima presenta degli atomi con delle cariche positive o negative parziali.
• Glicolipidi: presentano una coda idrofobica apolare e una testa idrofila polare, quest'ultima rappresentata da gruppi glucidici.
• Colesterolo: è una molecola anfipatica, perché presenta una componente idrofobica con una coda corta, una testa polare con dei gruppi OH e una componente steroidea tra le altre due componenti.

Organizzazione dei fosfolipidi in membrana

• Micella (monostrato): le teste polari risultano essere a contatto con l'ambiente acquoso, mentre le code apolari con l'interno vuoto.
• Liposoma (doppio strato): si crea una regione interna in cui è presente acqua. Le teste si dispongono in modo da entrare a contatto con l'ambiente acquoso esterno e della regione interna.
• Doppio strato

Fluidità

La membrana presenta un certo grado di fluidità, che è importante per le sue funzioni determinate dalla sua composizione lipidica. Alcune proteine si devono inserire nel doppio strato lipidico e questo succede solo se il doppio strato è fluido e non rigido. Lo stretto impacchettamento delle code idrofobiche fa sì che ci sia minore fluidità. La lunghezza della catena e il numero di doppi legami (insaturi) determinano il grado di impacchettamento. La lunghezza 14-24 atomi di C dà vita a una catena corta, quindi c'è minore interazione tra catene adiacenti e quindi maggiore fluidità. Tanto maggiore è il numero di doppi legami, tanto più rigido è il bilayer lipidico. La fluidità permette anche la comunicazione cellulare e facilita la distribuzione dei lipidi e delle proteine di membrana dal sito di inserzione ad altre regioni della cellula.

Nelle cellule animali, il colesterolo è usato per modulare la fluidità della membrana, cioè riempie i buchi tra i nodi delle catene insature. Tanto è maggiore il colesterolo in membrana, tanto questa risulta essere più rigida. Le molecole di colesterolo compattano la membrana e la rendono meno permeabile.

Asimmetria del doppio strato lipidico

La composizione chimica delle teste dei lipidi esterne e interne alla cellula è diversa, per esempio i glicolipidi si trovano con la testa polare rivolta nello spazio extracellulare.

Proteine

Disposizione delle proteine in membrana

• Proteine integrali: sono all'interno del doppio strato lipidico, con una porzione nello spazio extracellulare e una porzione nello spazio intracellulare.
• Proteine periferiche: sono parzialmente all'interno o all'esterno della cellula.
• Proteine ancorate: sono ancorate con legami covalenti ai lipidi di membrana. Si possono trovare nello spazio intracellulare o extracellulare.

Inserimento delle proteine nel doppio strato lipidico

Le proteine integrali vengono a contatto con le catene di idrocarburi che costituiscono l'elemento apolare idrofobico del doppio strato lipidico. Per far sì che si possa inserire la proteina nel doppio lipidico, essa deve avere delle caratteristiche adatte ad attaccarsi alle code idrofobe. Le α-eliche transmembrana tipicamente sono costituite da 20-25 amminoacidi, la maggior parte dei quali idrofobici. Se gli amminoacidi sono idrofobici, allora essi possono interagire con le code idrofobe lipidiche.

Le proteine di membrana possono assumere due strutture

Entrambe le due strutture appartengono alla seconda struttura:

• α-elica: i legami peptidici polari si trovano all'interno e i gruppi R delle catene laterali protrudono all'esterno.
• β-foglietto: (es. porina: ottimo canale ionico a causa del suo poro centrale): la formazione di legami idrogeno a livello dell'ansa stabilizza la struttura.

Le proteine che non sono di membrana possono assumere anche la terza e la quarta struttura: la molecola di emoglobina è formata da 4 unità proteiche che non formano dei veri e propri legami fra di loro (struttura quaternaria).

Funzioni delle proteine

Nelle cellule animali, il 50% della massa della membrana è costituita dalle proteine. Le proteine di membrana svolgono diverse funzioni:

• Trasportatori: permettono il passaggio di sostanze, mediante la formazione di un poro.
• Collegamento: hanno la funzione di rafforzare la membrana plasmatica che è molto fragile. Esiste una trama proteica che, attraverso proteine di membrana, permette alla cellula di creare una sorta di ragnatela intracellulare che irrobustisce la membrana plasmatica. La forma della cellula e le proprietà meccaniche della membrana sono determinate dalla cortex cellulare, che permette alla cellula di cambiare la propria forma.
• Recettori: grazie alla loro particolare struttura, presentano una nicchia (sito attivo) in grado di legare una molecola che viene dall'ambiente extracellulare. Il messaggero si lega alla proteina e, grazie a diversi cambiamenti conformazionali che la proteina subisce, questo permetterà alla cellula di dare una risposta.
• Enzimi: sono dei catalizzatori biologici che accelerano determinate reazioni biochimiche che altrimenti sarebbero lentissime. Ci sono anche enzimi che lavorano a livello della membrana plasmatica.

Membrane differenti esprimono proteine differenti, quindi funzioni differenti.

Esistono due principali classi di proteine di trasporto

• Proteine carrier: legano il soluto da un lato della membrana e lo trasportano dall'altro lato con un cambiamento di conformazione della proteina. Esistono carrier in grado di trasportare molecole polari (es. monosaccaridi e amminoacidi).
• Proteine canale: formano pori idrofili nella membrana attraverso cui alcuni ioni (K⁺, Na⁺, Cl^-, Ca²⁺) si possono diffondere.

La differenza di queste proteine sta nella velocità con cui le particelle riescono ad entrare nella cellula.

Permeabilità del bilayer lipidico (in assenza di proteine)

I gas dell'atmosfera (O₂, CO₂, N₂) possono rapidamente passare all'interno del bilayer lipidico e, questo facilita notevolmente gli scambi gassosi. Le piccole molecole polari non cariche, come glicerolo ed etanolo, possono lentamente attraversare il bilayer lipidico. Queste sostanze hanno una grande solubilità sia in acqua che in molecole organiche. Gli ormoni steroidei, cioè molecole lipofile, possono attraversare il bilayer lipidico facilmente. Le grosse molecole polari cariche e gli ioni non possono attraversare il bilayer lipidico in assenza di proteine.

Glicocalice

Il glicocalice è lo strato extracellulare della membrana plasmatica ed è composto da:

• Glicolipidi
• Glicoproteine: hanno piccole catene di molecole di zuccheri (oligosaccaridi) legate ad esse.
• Proteoglicani: sono proteine di membrana che hanno una o più lunghe catene polisaccaridiche legate.

Il glicocalice svolge diverse funzioni:

• Riconoscimento cellula-cellula.
• Gli oligosaccaridi della superficie cellulare forniscono a ciascun tipo cellulare un distinto marker di identificazione.
• Particolarmente importante nel mediare le risposte infiammatorie.
• Protezione della superficie cellulare dal danneggiamento meccanico e chimico lubrificando la superficie mediante assorbimento di acqua.

Flussi

La diffusione è una proprietà fisica fondamentale di tutti i processi biologici e costituisce il motore tramite il quale le cellule possono generare dei segnali. Per esempio:

• È attraverso flussi diffusionali che l'O₂ passa dagli alveoli polmonari al sangue.
• È attraverso flussi diffusionali che molecole nutritizie e O₂ passano dal sangue ai tessuti.
• Un evento fondamentale che sta alla base del funzionamento dei neuroni, la genesi del potenziale d'azione, dentro la cellula nervosa. I potenziali d'azione sono eventi elettrici.
• La trasmissione sinaptica, un evento fondamentale per la comunicazione neuronale, avviene per diffusione del neurotrasmettitore dal terminale pre-sinaptico di un neurone al terminale post-sinaptico di un altro neurone. Il neurotrasmettitore viene espulso per esocitosi da un neurone e verrà endocitato da un altro.

Diffusione di particelle non cariche

Se introduciamo una goccia di colorante in acqua, questo si disperde, cioè diffonde, quindi avviene una dispersione del soluto (colorante) nel solvente (acqua). Se si prendono diversi intervalli di tempo, si avrebbe che la diffusione avviene gradualmente e finisce quando le particelle di soluto si trovano omogeneamente in tutto lo spazio a disposizione. Il movimento delle molecole di colorante è generato dall'energia termica, cioè l'energia che ogni molecola di colorante possiede. La diffusione è il movimento molecolare generato dall'energia termica: moti browniani (A. Einstein).

Flusso molare unidirezionale

Il flusso molare unidirezionale è la quantità di soluto che attraversa un'area unitaria nell'unità di tempo. Si ipotizzi che si abbiano due compartimenti: il compartimento 1 in cui c'è più soluto (inizialmente) e il compartimento 2 in cui ce n'è di meno. I due compartimenti sono divisi da una membrana. Alla fine la quantità di soluto nei due compartimenti sarà la stessa, per cui le particelle si saranno mosse con flusso f.

Flusso netto: se esiste un flusso unidirezionale che va da 1 a 2, allora esiste un flusso unidirezionale che va da 2 a 1, quindi il flusso netto è la differenza tra i due flussi unidirezionali. Nel flusso netto, le particelle si muovono dalla zona in cui sono più concentrate alla zona in cui lo sono meno. Se i due flussi unidirezionali sono uguali e opposti, allora il flusso netto è 0.

L'andamento temporale di un flusso è dato da una funzione esponenziale.

• C₀: concentrazione iniziale
• C_f: concentrazione finale
• t: tempo
• τ: indice della pendenza dei due esponenziali. Indica di quanto rapidamente viene raggiunto l'equilibrio. τ è quel tempo in corrispondenza del quale il decadimento/accrescimento è avvenuto di un tot% (es. 37%; 63%).

Equazione di Teorell

Durante un processo di diffusione si crea un flusso di particelle e l'intensità del flusso è proporzionale alla forza che lo genera. Il sangue si muove da un'arteria a un capillare a causa di una differenza di pressione tra i due vasi; in questo caso X è la differenza di pressione (X=driving force, cioè la forza che traina il flusso delle particelle durante la dispersione).

1° legge di Fick

Supponiamo che la membrana tra due zone sia permeabile; si crea un flusso di particelle dalla zona in cui il soluto è più concentrato alla zona in cui è meno concentrato. Supponiamo che nel compartimento di destra la concentrazione di soluto sia 0M e che nel compartimento di destra sia 10M; il flusso si muove dal compartimento di sinistra a quello di destra. Si può dire che la quantità di concentrazione sia direttamente proporzionale al flusso creato, quindi più è alta la concentrazione, più è consistente il flusso. Dalla legge di Fick si può tracciare una retta, in cui il coefficiente angolare è k. Questa forma di diffusione prende il nome di diffusione libera, poiché, anche se tra i compartimenti c'è una membrana, questa dev'essere obbligatoriamente permeabile.

Diffusione di particelle cariche

Nel caso della diffusione di particelle cariche, non è solo il gradiente di concentrazione che influenza il processo diffusivo, ma è anche il gradiente elettrico. Si ipotizzi di avere un recipiente in cui è disciolto un sale (es. KCl → K⁺ + Cl^-); se si aspetta un tempo lungo, gli ioni si disporranno ordinatamente in tutto lo spazio presente. Si ipotizzi di avere due elettrodi, un anodo (legato al polo positivo della batteria) e un catodo (legato al polo negativo della batteria); gli ioni risentono di questo campo elettrico generato dalla batteria, quindi gli anioni (Cl^-) migrano verso il polo positivo della batteria (anodo), mentre i cationi (K⁺) migrano verso il polo negativo della batteria (catodo). In questo modo si crea una separazione di cariche e quindi un flusso di particelle elettricamente cariche.

L'equazione del flusso con particelle cariche è analoga alla 1° legge di Ohm, in cui l'intensità di corrente prende il posto del flusso. Una differenza di cariche (Δq), ovvero di un potenziale elettrico (ΔV), ai due capi della membrana, influenza il movimento degli ioni. Si prenda una membrana elettricamente attiva polarizzata (es. eccesso di cariche negative all'interno; eccesso di cariche positive all'esterno) che separi il citoplasma dallo spazio extracellulare. Il movimento di un'anione sarà influenzato dalla concentrazione e dalla carica, quindi tenderà a finire dalla parte in cui c'è eccesso di cariche positive (spazio extracellulare). Il flusso di particelle cariche dipende non solo dal gradiente di concentrazione ma anche dal gradiente elettrico.

Diffusione dell'acqua

Le molecole d'acqua tendono a diffondere da una soluzione più diluita a una più concentrata. Tale flusso di acqua è definito flusso osmotico. Per l'acqua accade il fenomeno opposto rispetto alle altre particelle. Se una membrana è permeabile all'acqua, ma impermeabile ad un soluto avente concentrazioni diverse ai due lati della stessa, l'acqua si muoverà cercando di eguagliare le concentrazione di soluto ai due lati della membrana. Non potendosi muovere il soluto, si muoverà solo l'acqua, quindi dove il soluto è più concentrato, l'acqua lo è meno e viceversa. Quindi il numero di moli n risulterà uguale in entrambi i compartimenti.

Supponiamo di avere un tubo a ferro di cavallo con una membrana semipermeabile a metà e supponiamo di avere lo stesso volume di soluto e di solvente ai lati opposti della membrana; l'acqua comincia a migrare dalla zona in cui essa è meno concentrata, alla zona in cui lo è di più, quindi aumenta il volume di acqua da una parte e diminuisce dall'altra. Si raggiungerà l'equilibrio quando le concentrazioni di soluto saranno uguali nei due compartimenti. Con uno stantuffo si può esercitare una pressione tale da portare i due livelli di liquido alla stessa altezza. La pressione che verrà esercitata prende il nome di pressione osmotica.

Effetti del flusso di acqua attraverso una membrana semipermeabile

In un compartimento c'è solo soluto, mentre nell'altro c'è solo acqua; questo determinerà un innalzamento del volume di liquido nel compartimento di destra. Immaginiamo che le pareti del contenitore siano composte da materiale flessibile, questo comporta che la parete verrà deformata. Questo fenomeno ha interesse biologico. Si definisce soluzione isotonica, una soluzione extracellulare NaCl 150mM, in cui, per esempio, un globulo rosso risulta essere immerso; si nota che il globulo rosso rimane normale. Sostituiamo la concentrazione con una di 300mM (soluzione ipertonica) e si vedrà che il globulo rosso si raggrinza, perché abbiamo aumentato extracellularmente la concentrazione di soluto, quindi l'acqua tende ad uscire dal globulo rosso, per compensare l'aumento di concentrazione del soluto. Se noi immergiamo il globulo rosso in una soluzione ipotonica (100mM), si osserva che il globulo rosso si gonfia, perché l'acqua tende ad entrare nel globulo rosso per compensare l'abbassamento di concentrazione del soluto. Se si utilizza una concentrazione molto ipotonica (50mM), il globulo rosso si lisa, cioè si rompe.

Trasporti

I gas (es. O₂), piccole molecole polari non cariche (es. etanolo), grosse molecole polari non cariche (es. glucosio), acqua e urea possono attraversare la membrana plasmatica senza il bisogno di alcuna proteina che faciliti il trasporto. Tuttavia, per molecole più grandi o cariche, come ioni e proteine, sono necessari meccanismi di trasporto specifici che coinvolgono le proteine di membrana.