Lezioni, Citologia

La membrana plasmatica

La membrana plasmatica media ogni relazione della cellula con il mondo esterno. È una struttura dinamica in cui vescicolazioni dirette verso l’interno (endocitosi) o verso l’esterno (esocitosi) ne modificano la composizione. L’aumento o la diversificazione della membrana avvengono per apposizione di elementi costituenti sulla struttura preesistente. La membrana è inoltre costituita da lipidi, proteine e glucidi.

Organizzazione strutturale della membrana, i lipidi

La parte strutturale della membrana si deve alle caratteristiche chimico-fisico dei lipidi che ne costituiscono l’asse centrale. Distinguiamo tre gruppi di lipidi:

• I lipidi più abbondanti sono gli sfingolipidi o fosfogliceridi, i quali sono costituiti da due lunghe catene aciliche legate a due dei gruppi idrossilici del glicerolo, che a propria volta ha il terzo gruppo idrossilico legato a un fosfato, il quale può essere esterificato con la colina per ottenere la fosfatildicolina, il fosfolipide più abbondante nella membrana plasmatica. Le catene aciliche del fosfolipide sono apolari, mentre il fosfato e le molecole a esso legate sono polari, quindi idrofiliche. Per questa ragione la molecola si dice anfipatica.
• La seconda classe dei lipidi di membrana è rappresentata dagli sfingolipidi, i quali derivano dalla sfingosina. Nella sfingomielina una fosfocolina è legata al gruppo idrossilico terminale della sfingosina.
• Il colesterolo e i lipidi da esso derivanti costituiscono la terza classe dei lipidi di membrana. La loro struttura di base è costituita da uno steroide a quattro anelli idrocarburici. Nella membrana i lipidi sono organizzati in doppio strato. Date le caratteristiche fisico-chimiche dei fosfolipidi, le catene aciliche dei lipidi di entrambi gli strati interagiscono tra di loro con interazioni idrofobiche e di Van der Waals, e le teste idrofiliche saranno esposte verso la soluzione acquosa esterna o interna della cellula.

Tutto ciò identifica nella membrana due facce, o foglietti:

• Uno rivolto verso l’interno della cellula, detto foglietto citoplasmatico
• Uno rivolto verso l’esterno, detto foglietto esoplasmatico

Organizzazione funzionale della membrana: le proteine

Le proteine sono differenzialmente localizzate rispetto alla struttura portante lipidica. Alcune attraversano una o più volte il doppio strato lipidico, e sono dette integrali o intrinseche, altre interagiscono o con la superficie interna o con quella esterna e sono dette estrinseche o periferiche. Le proteine periferiche o la parte esterna di quelle integrali mediano le interazioni con il mondo esterno, mentre quelle periferiche interne, o la parte interna delle proteine integrali regolano i rapporti con il mondo interno citoplasmatico.

Esiste una terza categoria di proteine di membrana, ovvero quelle ancorate alla membrana attraverso i lipidi, ma che vi interagiscono tramite la loro propria componente lipidica. La membrana è collegata al mondo extracellulare e al mondo interno citoplasmatico anche strutturalmente. Infatti le proteine integrali interagiscono con le proteine della matrice extracellulare.

Caratteristiche della membrana

Discontinuità: la membrana è discontinua perché le proteine integrali interrompono la struttura lipidica.

Fluidità: la membrana è fluida perché si comporta come un fluido dato che i lipidi possono diffondere lateralmente all’interno del proprio strato. Il grado di fluidità della membrana è influenzato dalla qualità dei lipidi che la compongono: i lipidi con catene aciliche lunghe e sature danno luogo a membrane poco fluide. Lipidi con catene aciliche corte o lunghe, ma insature, danno luogo a membrane più fluide.

Anche il colesterolo interviene nella fluidità della membrana, essendo inserito tra i fosfolipidi o gli sfingolipidi, svolgendo un ruolo di modulazione della mobilità sia delle teste che idrofiliche che delle code idrofobiche. Questo porta a una diminuzione della mobilità del foglietto quando è presente in elevate concentrazioni minori, l’anello steroideo disperde le code idrofobiche facendo passare la membrana da un minore a un maggiore grado di fluidità. Il colesterolo inoltre aumenta lo spessore della membrana di 0,5 nm.

Anche le proteine integrali possono muoversi lateralmente, ma andando a interagire con il citoscheletro, restringe la capacità di movimento, fino addirittura a interdirlo del tutto.

Asimmetria: è dovuta alla distribuzione asimmetrica di alcuni lipidi e di molti peptidi e, soprattutto, alla localizzazione esclusiva di glucidi, legati sia a proteine. L’asimmetria di distribuzione di alcuni lipidi è correlata a specifiche funzioni cellulari, come ad esempio il fosfatildilinositolo nella faccia citoplasmatica è legato al meccanismo coinvolto nelle risposte a stimolazioni esterne. Contribuiscono all’asimmetria anche le proteine legate covalentemente a lipidi, così come le proteine periferiche hanno una distribuzione anch’esse asimmetrica.

Distribuzione di lipidi e proteine

Nella parte esoplasmatica della membrana vi sono delle regioni particolarmente ricche di colesterolo e sfingolipidi, che si impacchettano e nuotano nel citoplasma. Queste sono dette zattere lipidiche, nelle quali si concentrano specifiche proteine coinvolte nella comunicazione cellulare.

Leggi e meccanismi del transito attraverso la membrana

La membrana è definita selettivamente permeabile, cosa che le permette di mantenere dinamicamente costante il suo ambiente interno. Il passaggio delle molecole e degli ioni è mediato da specifiche proteine di trasporto inserite nel doppio strato fosfolipidico.

• Diffusione facilitata: solo gas come O₂ e CO₂ e altre piccole molecole non caricate possono attraversare la struttura fosfolipidica. Questo passaggio avviene secondo il gradiente di concentrazione, da dove è maggiore a dove è minore. Il passaggio si effettua senza dispendio di energia, per questo è chiamato diffusione semplice o facilitata o, ancora, diffusione passiva. Questa è una reazione termodinamicamente favorita. Ad assistere il passaggio delle molecole sono preposte proteine integrali, quali trasportatori, proteine canale o pompe. Il trasporto mediante trasportatori o canali è definito diffusione facilitata.

Trasportatori

Permettono il passaggio di glucosio e amminoacidi. Il trasporto è specifico per ogni molecola. Quando il trasportatore media il passaggio di una sola sostanza si definisce uniporto, e il trasporto avviene da dove la concentrazione della sostanza è maggiore a dove è minore. Alcune molecole accoppiano al trasporto secondo gradiente un trasporto che avviene contro gradiente. Tale passaggio è mediato dai cotrasportatori. Se questo passaggio contro gradiente avviene nello stesso senso dell’uniporto, allora si chiama simporto; se invece avviene nel senso opposto viene definito antiporto.

Proteine canale

Permettono il passaggio di acqua e determinati ioni in condizioni termodinamicamente favorite, e cioè secondo il gradiente di concentrazione o il gradiente elettrico. Le proteine canale hanno un dominio idrofilico nel quale si possono muovere velocemente molti ioni in singola fila. I canali possono essere aperti o chiusi. Se sono chiusi è necessario uno stimolo per causarne l’apertura.

Pompe

Trasportano molecole contro gradiente. Questo processo, che è termodinamicamente sfavorito, è accoppiato a una reazione di scissione dell’ATP che libera l’energia necessaria per attivarlo. Le pompe sono infatti proteine transmembrana con una o più siti di legame per l’ATP. La scissione di ATP avviene soltanto al momento del passaggio degli ioni.

• Pompe calcio: trasportano il calcio fuori dalla cellula o all’interno del reticolo endoplasmatico e mantengono basse le concentrazioni di calcio nel citoplasma.
• Pompe protoniche: trasportano idrogenioni all’interno dei lisosomi per mantenerne basso il pH.
• Pompe sodio/potassio: trasportando contemporaneamente tre ioni sodio fuori dalla cellula e due ioni potassio dentro la cellula, servono a mantenere costantemente differenziate le concentrazioni dei due ioni tra la cellula e il suo mondo esterno.

Il citoplasma

Il citoplasma è costituito da materiale gelatinoso, più o meno omogeneo, dove sono collocate strutture filamentose o granulari. Gli organuli interni hanno dimensioni inferiori al micrometro, e pertanto l’unica struttura visibile è il nucleo. È stata poi rivelata una grande quantità di sistemi membranosi interni che suddividono il citoplasma in compartimenti subcellulari (nucleo, reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi, mitocondri, lisosomi e perossisomi), immersi nella componente solubile del citoplasma detta citosol. Questi organelli sono rivestiti da membrana, hanno contenuti specifici e svolgono funzioni distinte. Sono inoltre presenti strutture citoplasmatiche elettrondense non delimitate da membrana: i ribosomi, i quali sono presenti sia nei mitocondri che nei cloroplasti. Tutti questi che abbiamo elencato fino ad ora sono definiti organuli o organelli cellulari. Nei procarioti, al contrario, non si osserva una compartimentazione del citoplasma, e dunque gli organuli sono liberamente immersi nel citoplasma.

Compartimentazione della cellula eucariota

I sistemi membranosi interni sono caratterizzati da una elevata dinamicità. La membrana, infatti, si introflette generando delle invaginazioni che possono approfondirsi fino a staccarsi sotto forma di vescicole che possono contenere materiale extracellulare (endocitosi). Vescicole provenienti dall’interno della cellula che vengono in contatto con la membrana plasmatica possono fondersi con essa, contribuendo alla sua formazione e riversando all’esterno del materiale (esocitosi). Si verifica quindi un continuo flusso bidirezionale di vescicole che gemmano a partire dalle membrane interne o dalla membrana plasmatica, e che si fondono con altri sistemi membranosi. Nonostante tale flusso bidirezionale vengono comunque mantenute costanti le differenze nella composizione in proteine e lipidi, testimoniate dallo spessore della membrana, e che dimostra l’esistenza di una selettività del materiale destinato alla produzione delle vescicole.

Significato della compartimentazione

La compartimentazione della cellula risolve una serie di problemi:

• È possibile, grazie alla selettività e alla permeabilità, confinare molecole specifiche e ottenere microambienti diversi all’interno dei quali si potranno svolgere reazioni diverse, altrimenti incompatibili con gli altri organuli e dannose per la cellula. Un esempio sono i lisosomi, che svolgono funzioni digestive grazie a degli enzimi che, se attivi al di fuori del sistema, digerirebbero tutte le strutture cellulari.

Molte reazioni metaboliche si svolgono grazie a enzimi localizzato sulla membrana, e che sono possibili grazie all’ambiente fornito dal doppio strato fosfolipidico.

• La grande superficie fornita dai sistemi membranosi permette la moltiplicazione dei complessi enzimatici e l’accelerazione della reazione complessiva.
• Le membrane che circondano gli organuli sono dotate di sistemi di trasporto attivo e di permeabilità tipici per ciascun compartimento, cosa che consente un controllo specifico del contenuto del lume dell’organulo.

In una cellula eucariotica la superficie della membrana plasmatica è esigua se confrontata con le superfici delle membrane interne.

Citosol

Il citosol è il residuo non ulteriormente sedimentato, definito come la componente solubile non particolata del citoplasma. Il citosol è un sistema in cui, in una soluzione acquosa di sali e molecole organiche, sono disperse macromolecole che, interagendo tra loro mediante legami più o meno stabili, fanno variare la viscosità del sistema da una condizione liquida a quella fortemente viscosa di una gelatina.

Ribosomi

Sono presenti nel citoplasma di tutte le cellule. Sono organuli non delimitati da membrana di dimensioni tra i 15 e i 30 nm, che si concentrano in determinate aree del citoplasma formando vistosi ammassi. Sono costituiti da due subunità di dimensioni diverse, che possono trovarsi separate oppure associate a formare un ribosoma completo. L’associazione di queste due subunità si verifica in seguito all’interazione con una molecola di mRNA e tRNA. Il ribosoma completo rappresenta la forma attiva del ribosoma impegnato nella sintesi proteica. Dal momento che a ogni molecola di mRNA possono associarsi più ribosomi, si possono trovare i ribosomi riuniti in gruppi detti poliribosomi.

I ribosomi associati al RER sono presenti come ribosomi completi o come poliribosomi, mentre liberi nel citoplasma è possibile trovarli in entrambe le forme, sia come subunità ribosomiali separate e quindi non impegnati nella sintesi proteica. Mediante centrifugazione è possibile purificare sia i ribosomi completi, sia le subunità separate. La costante di sedimentazione dei ribosomi eucariotici completi è di 80s, mentre le due subunità hanno costanti di 60s per quella maggiore, e 40s per quella minore. Nelle cellule procariotiche il ribosoma completo ha costante 70s e le due subunità sono di 50s e 30s.

I ribosomi delle cellule eucariotiche sono costituiti da rRNA e proteine. Gli rRNA sono molecole a singolo filamento caratterizzate da ripiegamenti complessi che generano tratti a doppia elica alternati a tratti non appaiati. Oltre all’rRNA, nelle subunità ribosomiali sono presenti numerose proteine che vengono indicate come Large o Small a seconda che appartengano alla subunità maggiore o a quella minore. Le componenti ribosomiali, se separate, sono in grado di riassemblarsi spontaneamente ricostituendo le due subunità capaci di rioperare. Questo processo di riassemblaggio si svolge nel nucleolo, che è una struttura nucleare dove vengono trascritti e maturati gli rRNA. Sempre al nucleolo giungono le proteine ribosomiali tradotte nel citoplasma e trasportate attraverso i pori dell’involucro nucleare, dove si assemblano con l’rRNA per formare le due subunità ribosomiali, le quali vengono infine traslocate al citoplasma attraverso i pori dell’involucro nucleare.

Reticolo endoplasmatico

Il reticolo endoplasmatico è un insieme di cisterne, sacchetti appiattiti e tubuli membranosi che delimitano un complesso di cavità ampiamente intercomunicanti. Le funzioni del reticolo endoplasmatico sono le seguenti:

• Sintesi dei fosfolipidi e quindi biogenesi della membrana
• Sintesi e maturazione delle proteine di membrana
• Sintesi delle proteine secretorie e di quelle destinate all’apparato di Golgi e ai lisosomi
• Sintesi degli steroidi
• Detossificazione di composti chimici estranei
• Metabolismo degli zuccheri
• Immagazzinamento e rilascio del calcio

Morfologia

Distinguiamo il reticolo endoplasmatico in rugoso e liscio.

Reticolo endoplasmatico rugoso

Il reticolo endoplasmatico rugoso è chiamato così per via dell’aspetto rugoso della sua membrana della faccia citoplasmatica, dovuto all’assemblarsi di ribosomi disposti con la subunità maggiore rivolta verso la membrana, e quella minore verso il citoplasma. Questi raggruppamenti di ribosomi sono poliribosomi legati a mRNA. Possono essere individuate aree definite elementi di transizione specializzate nella generazione di vescicole di transizione adibite al trasporto del materiale all’apparato di Golgi.

L’involucro nucleare è una specializzazione del RER, ovvero un’ampia cisterna ricurva che circonda lo spazio nucleare con la sua doppia membrana. Il foglietto esterno dell’involucro nucleare è in continuità con il RER, e il lume del RER con lo spazio perinucleare, ovvero lo spazio tra le due membrane dell’involucro nucleare. Soltanto il foglietto esterno è associato a ribosomi.

Funzioni del RER

Il RER ha due importanti funzioni:

• Sintesi e maturazione delle proteine della membrana plasmatica
• Intesi delle proteine destinate alla secrezione e di quelle destinate al Golgi

I ribosomi legati al RER sintetizzano proteine che vengono inserite direttamente attraverso la membrana del RER per essere poi liberate nel lume, o rimanere ancorate al RE sotto forma di proteine transmembrana, le quali andranno incontro a fenomeni di maturazione grazie alla presenza di enzimi specifici.

Reticolo endoplasmatico liscio

Il reticolo endoplasmatico liscio manca di ribosomi, ed è organizzato sotto forma di tubuli intercomunicanti piuttosto che di cisterne. Anche se differenti, i due tipi di reticolo sono in continuità l’uno con l’altro. Sono inoltre diverse le proteine e gli enzimi di membrana.

Funzioni del REL

Le funzioni del REL sono le seguenti:

• Biogenesi delle membrane: attraverso la produzione della maggior parte delle componenti lipidiche delle membrane. La maggior parte degli enzimi coinvolti nella sintesi dei fosfolipidi è localizzata nella membrana del RER. I lipidi neoformati si inseriscono nel foglietto citoplasmatico del doppio strato determinando un accrescimento asimmetrico di essi, risolto probabilmente da specifiche famiglie di enzimi, quali la cramblasi o flippasi. I fosfolipidi non passano spontaneamente da un foglietto all’altro, ma vengono trasferiti in modo casuale dalla scramblasi, dando così luogo a due foglietti identici sui quali interviene in modifica la flippasi.
• Sintesi di colesterolo e ormoni steroidei: alcuni tipi cellulari specializzate nella produzione di ormoni steroidei hanno un elevato sviluppo nel REL.
• Detossificazione: eliminazione delle sostanze endogene ed esogene, potenzialmente tossiche e scarsamente solubili in acqua. La scarsa solubilità le rende scarsamente eliminabili con le urine, e capaci di accumularsi nei grassi. Il REL dispone di enzimi che catalizzano reazioni di idrossilazione rendendo queste molecole maggiormente solubili in acqua.
• Metabolismo dei carboidrati: reazioni di...