Fisiologia generale

Membrane cellulari

Membrane cellulari sono quelle strutture che delimitano un'entità. La cellula è costituita da vari organelli:

• Nucleo
• Mitocondri
• Apparato del Golgi
• Reticolo endoplasmatico

Quindi, la cellula è un'entità distinta dall'ambiente che la circonda. Ma qual è quella struttura che permette questa distinzione? La membrana plasmatica. Infatti è una struttura che circonda la cellula e che la delimita dall'ambiente esterno. Grazie alla membrana plasmatica è possibile distinguere l'ambiente extracellulare (presente al di fuori della cellula) dall'ambiente intracellulare (presente all'interno della cellula).

Organelli e membrane cellulari

All'interno della cellula troviamo una matrice liquida che è il citoplasma e in questo citoplasma sono localizzati gli organelli. Uno degli organelli più importante è il nucleo, però il nucleo è separato dagli altri organelli citoplasmatici intracellulari da una membrana nucleare che serve per distinguere un organello da un altro. Lo stesso vale anche per i mitocondri circondati da una membrana mitocondriale, per l'apparato del Golgi e per il reticolo endoplasmatico. Quindi, in generale, nella cellula sono presenti diverse membrane: una membrana esterna che è quella plasmatica e delle membrane interne che servono a distinguere i vari organelli citoplasmatici.

Omeostasi cellulare

Per comprendere l'omeostasi cellulare dobbiamo prendere in considerazione la membrana plasmatica e quindi tutti quei meccanismi localizzati a livello della membrana plasmatica che servono alla cellula per mantenere la sua omeostasi e svolgere la sua funzione. Da questo momento in poi non andremo a considerare le membrane citoplasmatiche ma solamente la membrana plasmatica.

Struttura della membrana plasmatica

La membrana plasmatica da un punto di vista strutturale è costituita da due molecole organiche principali: lipidi e proteine. Osserviamo come appare la membrana plasmatica di un globulo rosso in una micrografia elettronica. La porzione chiara è il liquido extracellulare mentre la porzione scura è il citoplasma. Come appare la membrana plasmatica? Appare come un doppio strato, cioè una struttura delimitata a livello extracellulare e intracellulare da una porzione più scura che confina con l'ambiente esterno e il citoplasma; tra queste due linee scure è presente una porzione più chiara. L'insieme è la membrana plasmatica e questa struttura particolare è detta doppio strato. Ma questo doppio strato da cosa è costituito? Il doppio strato e quindi la membrana plasmatica è data dalla ordinata disposizione delle molecole di lipidi. Cioè le molecole dei lipidi non sono disposte in modo casuale ma hanno una disposizione ordinata determinata da leggi termodinamiche. Il doppio strato della micrografia elettronica è dato dalla posizione ordinata delle molecole di lipidi affiancate l'una alle altre e a questo doppio strato sono associate le proteine.

Lipidi e fosfolipidi

Il rapporto tra lipidi e proteine che costituiscono la membrana plasmatica può variare a seconda del tipo di cellula e della funzione che quella cellula svolge. Ad esempio, nel caso della membrana plasmatica dei globuli rossi, la percentuale proteica e lipidica della membrana plasmatica è uguale. Nel caso della membrana delle cellule mieliniche che si trovano a livello del sistema nervoso, la percentuale dei lipidi è molto più alta (79%) rispetto a quella delle proteine. Questo perché la funzione delle cellule mieliniche è diversa rispetto a quella del globulo rosso. Lo stesso per la membrana mitocondriale interna, laddove la componente proteica è molto più abbondante di quella lipidica.

I lipidi sono delle sostanze organiche che vengono definite anfipatiche, cioè dotate sia di una componente polare sia di una componente apolare. Polare significa che la porzione polare della componente lipidica ha una affinità per i solventi polari (il capostipite dei solventi polari è l'acqua). La porzione non polare della componente lipidica ha affinità per i solventi non polari (solventi molto diversi dall'acqua - solventi organici). Poiché i lipidi hanno la caratteristica di essere anfipatici, rispettano a pieno la regola della chimica secondo cui il simile cerca il simile.

Una classe di lipidi che costituisce in maniera più abbondante le membrane cellulari, in particolare quella plasmatica, sono i fosfolipidi, dotati di un gruppo fosfato. Nella molecola dei fosfolipidi è presente una componente polare rappresentata da una testa e una componente apolare rappresentata da una coda di acidi grassi, così dette perché terminano con un gruppo acido che è il gruppo carbossilico. Le catene di acidi grassi in posizione 1 e 2 si legano a una struttura centrale rappresentata dal glicerolo, molecola organica anfipatica. La molecola del glicerolo è costituita da tre gruppi alcolici. I gruppi alcolici in posizione 1 e in posizioni 2 vengono esterificati con la catena di acido grasso mentre il gruppo alcolico in posizione 3 viene esterificato con un gruppo fosforico che a sua volta viene esterificato con una testa polare, porzione del fosfolipide che ha alta affinità per l'acqua. Perché ha alta affinità per l'acqua? Perché la porzione polare presenta delle cariche. La carica positiva sull'azoto (ammina quaternaria) e la carica negativa sul gruppo fosfato. Quindi, per il fatto che le teste polari sono cariche o hanno dei gruppi potenzialmente carichi, si creano dei legami dipolo con la molecola di acqua. Questo perché la molecola di acqua è un dipolo.

Struttura del doppio strato lipidico

La porzione polare è quella porzione lipidica che si interfaccia con l'ambiente acquoso sia citoplasmatico che extra-citoplasmatico. Il liquido extracellulare e il citoplasma sono due liquidi con composizione diversa ma a matrice acquosa. Infatti, da un punto di vista chimico, il liquido extracellulare non è altro che acqua con vari soluti mentre il citoplasma altro non è che acqua con altri soluti. La porzione non polare (catene di acidi grassi), rappresentate dalle code idrofobiche, dato che hanno paura dell'acqua, cercano di fuggire dall'ambiente acquoso.

Il doppio strato lipidico ha ragion d'essere, cioè, è così fatto perché le molecole dei fosfolipidi grazie al fatto che sono anfipatici si dispongono in maniera ordinata con le teste a contatto con l'ambiente acquoso intra-citoplasmatico ed extra-citoplasmatico e le code che sono idrofobiche si interfacciano con le altre code idrofobiche, lontane dall'ambiente acquoso. Il simile cerca il simile. La disposizione dei lipidi a doppio strato lipidico è guidata da leggi termodinamiche perché a questa disposizione a doppio strato corrisponde la struttura più stabile e quindi la struttura con un contenuto energetico più basso.

Varietà dei fosfolipidi

Ma i fosfolipidi che costituiscono la membrana plasmatica sono tutti uguali? No, non sono tutte uguali perché la porzione idrofila delle molecole (testa polare) può variare. Ad esempio, quando la testa polare del fosfolipide è la colina, il fosfolipide viene chiamato fosfatidilcolina. Quando invece la testa polare del fosfolipide è l'inositolo, il fosfolipide viene chiamato fosfatidilinositolo. Perché esistono diversi tipi di fosfolipidi? Perché ognuno di questi fosfolipidi svolge un ruolo differente. Alcune proteine, che sono associate alla membrana plasmatica, non funzionano se intorno non hanno dei fosfolipidi particolari. Ad esempio, la sodio-potassio ATPasi (proteina ubiquitaria), per funzionare, ha bisogno di essere circondata da fosfatidiletanolammina. Se a circondare la proteina ci fossero dei fosfolipidi diversi, la proteina non funzionerebbe. La diversità delle teste polari dei fosfolipidi di membrana conferiscono funzionalità ad alcune proteine o alla cellula stessa.

Se dovessi effettuare una sezione di un micrometro di membrana plasmatica della cellula, non troverò un numero uguale di fosfatidilcolina, fosfatidiletanolammina, fosfatidilserina, ecc. Questo perché i fosfolipidi non sono uniformemente distribuiti ma una stessa tipologia è concentrata in domini o raft lipidico. L'esistenza dei raft lipidici risulta essere fondamentale per la funzionalità di alcune proteine associate alla membrana. La percentuale di fosfolipidi può variare a seconda della funzione della cellula. Nella membrana del globulo rosso c'è una determinata percentuale di fosfatidiletanolammina che è uguale a quella della colina che a sua volta è uguale a quella della sfingomielina. Il globulo rosso presenta anche un'alta percentuale di colesterolo. Nella membrana delle cellule delle mielina possiamo notare che la sfingomielina è presente in percentuale più bassa. Quindi, la percentuale dei diversi fosfolipidi non è uguale in tutte le cellule ma varia a seconda della funzione che quella cellula deve svolgere. Questi sono tre punti fondamentali legati alla funzionalità dei diversi tipi di cellule e che servono ai diversi tipi di cellule per mantenere l'omeostasi. Molecole anfipatiche come quelle dei fosfolipidi naturalmente si dispongono nel doppio strato lipidico. Quindi, la disposizione a doppio strato lipidico è legata alla natura chimica dei fosfolipidi ed è quella più stabile.

Core idrofobico e stato fisico della membrana

La porzione apolare di membrana plasmatica costituita dalle code degli acidi grassi prende il nome di core idrofobico, localizzata nella parte interna alle due superfici costituite dalle teste dei fosfolipidi. In una condizione fisiologica normale, il core degli acidi grassi è una struttura flessibile e non cristallina. La membrana plasmatica è quella struttura che identifica la cellula, che deve delimitare la cellula dall'ambiente esterno e che deve contemporaneamente permettere a quella cellula di intrattenere rapporti molecolari con l'ambiente esterno. Il doppio strato lipidico non è un elemento passivo ma è un elemento attivo, dinamico che deve essere dotato di una certa flessibilità. Cioè non dobbiamo immaginarci il doppio strato lipidico di una membrana come un doppio strato lipidico invalicabile. È un elemento che va incontro a rigenerazione, i lipidi che si ossidano vengono eliminati e rimpiazzati con dei lipidi nuovi. È un elemento elastico, flessibile, perché le proteine che sono al suo interno devono essere libere di muoversi. In condizioni fisiologiche, alla temperatura corporea che non a caso è di 37 °C, i lipidi di membrana sono in uno stato fisico liquido cristallino. Questo significa che gli acidi grassi non sono rigidi ma sono dotati di una certa flessibilità. Se abbassiamo la temperatura, al di sotto di quella corporea, le code degli acidi grassi si irrigidiscono e quindi passano da uno stato liquido cristallino a uno stato cristallino. In questo caso, la cellula comincia a perdere il suo grado di omeostaticità e vengono messi in atto dei meccanismi, se possibile, per riportare la temperatura corporea a valori cellulari più vicini a 37 °C.

Colesterolo e fluidità di membrana

Colesterolo è un altro lipide fondamentale per la membrana plasmatica. Quest'ultimo si inserisce nei fosfolipidi andando a posizionare il gruppo polare (gruppo alcolico) a contatto con le teste polari dei fosfolipidi mentre la struttura apolare del colesterolo si interfaccia con le code degli acidi grassi. Qual è la funzione fondamentale delle molecole di colesterolo facenti parte della membrana? La funzione principale è quella di regolare la fluidità di membrana. Questo perché la porzione idrofobica del colesterolo, soprattutto i quattro anelli condensati, conferiscono una certa rigidità alle code degli acidi grassi. Noi sappiamo che le strutture cicliche o le strutture che presentano doppi legami non hanno possibilità di movimento, di rotazione. Quindi, la struttura a quattro cicli condensati del colesterolo essendo rigida, non avendo possibilità di rotazione, irrigidisce le code degli acidi grassi che sono intorno ad esso. Anche il colesterolo nelle membrane plasmatiche lo possiamo trovare in micro-domini, quindi il colesterolo lo si può trovare concentrato in raft e anche sparso. La percentuale di colesterolo, presente nelle membrane plasmatiche e intra-citoplasmatiche, varia dal 15% al 25%. Solamente nelle membrane mitocondriali la percentuale risulta essere più bassa.

Movimenti dei fosfolipidi

A testimoniare il fatto che i lipidi in genere, ma soprattutto i fosfolipidi delle membrane plasmatiche non sono delle strutture statiche e quindi che la membrana plasmatica è una struttura attiva, dinamica, è che le molecole di fosfolipidi in un doppio strato sono dotate di movimento. Quali sono i movimenti possibili? I movimenti possibili sono due:

• Mobilità laterale
• Flip-flop

Di questi due movimenti, quello che avviene più frequentemente è la mobilità laterale, che consiste nella possibilità che un fosfolipide che si trova in uno strato (superiore) del doppio strato possa scambiarsi con quello vicino. Quindi, la mobilità laterale non è altro che il movimento di una molecola di fosfolipide nello stesso strato in cui si trova, scambiandosi con la molecola di fosfolipide che gli sta accanto - cambio di posizione all'interno dello stesso strato. Questo movimento avviene grazie all'energia cinetica; più la temperatura è alta e maggiormente avviene.

L'altro movimento, meno frequente, è il movimento flip-flop. In questo caso una molecola di fosfolipide dallo strato superiore del doppio strato si gira, si muove, sullo strato inferiore. Questo movimento avviene meno frequentemente perché, per poter avvenire, ha bisogno di molta energia per far attraversare alla testa polare del fosfolipide il core idrofobico della membrana che è apolare. Infatti, questo movimento avviene con l'intervento di enzimi particolari che sono le flippasi. Gli enzimi sono delle molecole biologiche che hanno la funzione di catalizzare, accelerare delle reazioni biochimiche che altrimenti avverrebbero con tempi molto lunghi, incompatibili con la vita. Nel nostro organismo abbiamo bisogno di tantissimi enzimi. È come se io volessi sciogliere una gocciolina di olio in un bicchiere d'acqua. Ovviamente la gocciolina di olio non si scioglie, si crea un'emulsione proprio perché l'energia richiesta è molto grande.

I lipidi sono delle molecole dinamiche e la dinamicità la esprimono molto frequentemente con movimenti laterali e meno frequentemente con movimenti flip-flop. La membrana plasmatica è una struttura altamente complessa, a dispetto di quello che si pensava fino a 10 anni fa, ovvero che la membrana plasmatica fosse una semplice barriera. È una struttura in cui risiedono molte proteine di membrana in questo mare di lipidi che svolgono determinate funzioni.

Proteine di membrana

Proteine hanno una natura chimica totalmente differente dalla natura chimica dei lipidi. Sono delle molecole costituite da amminoacidi, piccole molecole organiche che sono legate insieme da legami carbamminici. Gli amminoacidi che costituiscono le proteine del nostro corpo sono venti e vengono detti amminoacidi naturali. La tipologia e il numero di amminoacidi varia da proteina a proteina. Le catene di amminoacidi non sono lineari ma nello spazio tridimensionale si organizzano a formare diverse strutture che possono essere le eliche oppure a formare dei foglietti beta.

A noi interessa sapere se le proteine sono proteine integrali di membrana oppure proteine superficiali. La proteina integrale di membrana è quella proteina che attraversa da una parte all'altra il doppio strato fosfolipidico. Le proteine che attraversano il doppio strato, in genere, hanno una struttura ad alfa-elica. Questo perché le proteine ad alfa-elica hanno una struttura idrofobica, noi sappiamo che il simile cerca il simile, e infatti le strutture idrofobiche hanno maggiore affinità con il core idrofobico. Le diverse porzioni di queste proteine che attraversano la membrana e che invece sporgono o nel citoplasma o nell'ambiente extra-citoplasmatico con matrice acquosa non sono in genere ad alfa-eliche ma sono delle strutture di raccordo che prendono il nome di loop e sono idrofilici. Da un punto di vista fisiologico, le proteine di membrana sono dei canali, cioè delle strutture che attraversando da una parte all'altra la membrana permettono il passaggio di sostanze dall'interno all'esterno e viceversa. Quindi, questi canali sono fondamentali per il mantenimento omeostatico di quella cellula. Questo perché la cellula intrattenendo comunicazione con il mondo esterno, attraverso quei canali, regola sé stessa in funzione delle variazioni che si possono creare nell'ambiente esterno.

Ad esempio, il canale ionico altro non è che una proteina integrale di membrana che attraversa la membrana e che presenta una porzione che prende il nome di lume del canale. Il lume del canale è quella porzione che permette il passaggio delle sostanze dall'interno all'esterno e viceversa. Il canale ionico non è sempre aperto ma è dotato di un sistema attraverso il quale il canale si apre oppure si chiude.

Le proteine integrali possono assolvere alla funzione di poro, cioè di una struttura sempre aperta. Quindi, il poro è una proteina integrale che permette il passaggio di sostanze ed è sempre pervia.

Poi sono presenti delle proteine integrali di membrana che fungono da trasportatori.