Membrana cellulare, organelli e trasporto

LE MEMBRANE CELLULARI

Le membrane plasmatiche separano la cellula dall’ambiente esterno, o nel caso delle membrane degli organelli, le

endomembrane separano i compartimenti dal citoplasma.

Tutte le membrane sono composte da lipidi e proteine e condividono di base la stessa struttura; hanno inoltre una

dimensione che oscilla tra i 6-8 nm, a seconda del tipo di lipidi.

I lipidi sono essenzialmente rappresentati da fosfolipidi, molecole an patiche con una testa polare e una coda apolare.

Essendo an patici i fosfolipidi tendono ad autoassemblarsi per eliminare il disturbo causato dall’acqua in un doppio strato

dove le code si troveranno a contatto tra loro e lontane dalla soluzione acquosa. Oltre a diminuire il disturbo creato

dall’acqua la formazione del doppio strato è anche favorita dal punto di vista energetico —> le molecole si organizzano in

modo tale da non lasciare margini liberi a contatto con l’acqua.

La fosfatidilcolina è il fosfolipide più comune delle membrane cellulari (formata da colina+ gruppo fosfato+ glicerolo che

funge da ponte tra testa e code+ acidi grassi.

I lipidi di membrana vanno a formare un uido bidimensionale entro il quale essi possono spostarsi e scambiarsi di posto.

La uidità del doppio strato lipidico può essere studiata in

membrane arti ciali ottenute per aggregazione spontanea di

molecole lipidiche an patiche in acqua; ad esempio aggiungendo

acqua a fosfolipidi puri si ottengono vescicole chiuse di forma

sferica che prendono il nome di liposomi (presi in considerazione

come possibili vettori per farmaci). Così si osservano oltre ai

movimenti di scambio tra i fosfolipidi, movimenti di ribaltamento

che sono meno frequenti ma non impossibili —> Flip op

FLUIDITÀ DELLA MEMBRANA

Ad una data temperatura il grado di uidità di un doppio strato

dipende dalla sua composizione e in particolare dalla natura delle

code idrocarburiche: le code possono essere sature (C—C)

oppure presentare insaturazioni che formano gomiti e che quindi

creano spazio tra i fosfolipidi: tante più insaturazioni sono presenti

tanto più è uida la membrana.

Anche la lunghezza delle catene in uenza la uidità di membrana,

più le code sono brevi infatti minore è la loro tendenza ad

interagire tra loro e di conseguenza sarà maggiore la uidità di

membrana.

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Le cellule dei batteri e degli estremo li devono adattarsi a cambiamenti di temperatura, la lunghezza delle code e le

insaturazioni vengono continuamente adeguati, ad esempio a temperature più alte la cellula produce lipidi di membrana con

code più lunghe e viceversa.

Nelle cellule animali la uidità di membrana è regolata anche dall’introduzione di colesterolo che rappresenta il 20% in peso

di tutti i lipidi. Le molecole di colesterolo riempiono gli spazi tra i fosfolipidi che creano gomiti, in tal modo il colesterolo rende

il doppio strato più rigido e meno permeabile

ASSEMBLAGGIO DELLA MEMBRANA E ASIMMETRIA DEI DUE STRATI

Nelle cellule eucariotiche i nuovi fosfolipidi sono prodotti sul lato citosolico del reticolo endoplasmatico utilizzando acidi

grassi liberi come substrato; nonostante questa disposizione iniziale asimmetrica la membrana cresce omogeneamente su

entrambi i lati grazie alla presenza di una famiglia di enzimi, le ippasi, che rimuovono i fosfolipidi dal foglietto a contatto con

lo spazio extracellulare e li capovolge.

La membrana ha due facce distinte, quella interna e quella esterna: tra i lipidi quelli che mostrano una distribuzione

decisamente asimmetrica sono i glicolipidi che si trovano nel foglietto esterno della membrana plasmatica ed espongono i

loro gruppi glucidici all’esterno della cellula, i quali sono stati acquisiti nel Golgi.

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LE PROTEINE DI MEMBRANA

Le proteine di membrana svolgono molteplici funzioni —> ogni tipo di membrana della cellula contiene un diverso corredo di

proteine e in diversa quantità, infatti le percentuali di lipidi e proteine variano in base al tipo di membrana (es nei neuroni

saranno più abbondanti i lipidi che fungono da isolanti e meno abbondanti le proteine). Mediamente da 30-50% di proteine e

50-70% di lipidi, nella membrana mitocondriale interna questa percentuale si ribalta: 75% di proteine e 25% di lipidi.

L’evidenza più diretta del fatto che le proteine sono inserite nello spessore della membrana si è ottenuta con la tecnica della

criofrattura: si congela la cellula e si si frattura con una lama, le fratture che si creeranno casualmente si inseriranno anche tra

i due strati della membrana: quello che rimane sono incavi (zone dove alloggiavano le proteine) e rilievi (proteine). Il

congelamento avviene esponendo le cellule ad una temperatura molto bassa in modo che le cellule si solidi chino

velocemente. Essendo la cellula una struttura acquosa si formerebbero altrimenti cristalli d’acqua che distruggerebbero tutte

le strutture, in questo modo invece l’acqua vetri ca.

Inoltre per studiare in modo approfondito una proteina essa deve essere separata da tutte le altre componenti della cellula e

qui entrano in gioco i detergenti —> piccole molecole an patiche che possiedono una sola coda idrofoba e che disgregano il

doppio strato lipidico; in soluzione acquosa i detergenti sono soliti formare micelle; poichè sono an patiche la porzione

idro la dei detergenti le proteine vi si associano e passano in soluzione sotto forma di complessi lipidi-detergente, che poi

possono essere separati.

ASSOCIAZIONE DELLE PROTEINE ALLA MEMBRANA

Le proteine di membrana possono associarsi variamente al doppio strato della membrana:

• Proteine transmembrana: si dispongono

attraverso il doppio strato sporgendo da

entrambi i lati, infatti presentano sia regioni

idro le che regioni idrofobe, in particolare

le prime saranno quelle a contatto con

l’ambiente acquoso mentre quelle idrofobe

si trovano a contatto col doppio strato.

Possono attraversare il doppio strato una o

più volte e prendono il nome di monopasso

o multipasso. (A)

• Elica α associata al monostrato: si trovano

quasi interamente nel citosol e sono

associate al foglietto citosolico del doppio

strato mediante un elica α an patica (B)

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• Legate a lipidi: si trovano interamente al di fuori della membrana e vi sono ancorate per mezzo di uno o più gruppi lipidici

ai quali sono unite a loro volta con legami covalent. (C)

• Associate a proteine: legate all’una o all’altra faccia della membrana e trattenute in posizione soltanto da interazioni con

altre proteine di membrana (D)

Nelle proteine che attraversano i doppi strati lipidici abbondano gli amminoacidi con gruppi -R idrofobi; l’assenza di acqua

dal doppio strato induce gli atomi dell’ossatura del polipeptide a formare tra loro legami idrogeno, il cui numero massimo è

raggiunto quando il polipeptide è ripiegato ad α elica. In queste eliche transmembrana le catene laterali idrofobe si a acciano

all’esterno dell’elica ed entrano in contatto con i lipidi mentre i legami a idrogeno tra gli atomi dell’ossatura rimangono

allinterno. Diverse α eliche che contengono amminoacidi con gruppi -R idro li e idrofobi si associano tra di loro a delimitare

canali per il passaggio di sostanze idro le disponendo dal lato del canale i gruppi idro li ed esternamente al canale i gruppi

idrofobi

Anche se α elica è la conformazione di gran lunga più comune nelle proteine transmembrana, alcune proteine assumono la

conformazione β foglietto ripiegati in modo da formare una struttura a manicotto detta cilindro β o barile β. Come nel caso

dei canali formati dalle α eliche le catene laterali idro le guardano verso l’interno del canale —> un esempio di proteina

cilindro β sono le porine che si trovano nelle membrane dei mitocondri, dei cloroplasti e nella membrana dei batteri

LE CELLULE POSSONO LIMITARE LO SPOSTAMENTO DELLE PROTEINE DI MEMBRANA

Poichè le membrane sono uidi bidimensionali molte delle proteine possono spostarsi al suo interno al pari dei lipidi, questa

di usione delle proteine fu inizialmente dimostrata fondendo una cellula umana con una cellula di topo e poi monitorando la

distribuzione proteica della grossa cellula ibrida ottenuta. Inizialmente le proteine umane e quelle del topo sono distribuite

nella propria metà, ma dopo poco tempo i due insiemi vengono uniformemente distribuiti su tutta la super cie.

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In realtà in seguito si è scoperto che le cellule hanno tutti gli strumenti per con nare le proteine in determinate aree della

membrana andando a creare dominii di membrana.

Le proteine possono essere collegate a strutture esterne o interne alla cellula (A) (B), oppure possono creare barriere che che

con nano certi componenti in un dato dominio di membrana (es dominio apicale laterale e basale) attraverso ad esempio

delle specializzazioni come le giunzioni —> nelle cellule epiteliali che compongono il rivestimento dell’intestino le proteine di

trasporto per i nutrienti sono con nati nel dominio apicale e altre proteine coinvolte nel trasporto di soluti verso l’esterno

della cellula epiteliale sono con nate sulla super cie basale e laterale. Questa distribuzione asimmetrica è mantenuta tale da

una giunzione che si forma lungo la linea di adesione cellula cellula —> giunzione stretta.

La super cie della cellula è rivestita di carboidrati

I glicolipidi e la porzione glicosilata delle proteine si trovano esclusivamente sul foglietto esterno. Le glicoproteine sono

proteine che contengono una catena oligosaccaridica.

tutti questi carboidrati formano uno strato carboidratico detto glicocalice; esso ha svariate funzioni

• Concorre alla protezione della cellula dai danni meccanici

• Quando assorbono acqua i carboidrati rendono scivolosa la super cie cellulare e questo permette, ad esempio, ai globuli

rossi di scorrere entro lo stretto lume dei capillari o ai globuli bianchi di uscire dal torrente ematico

• Ruolo importante nel riconoscimento cellula-cellula, ad esempio nel riconoscimento tra spermatozoo e uovo

• Mediano l’adesione cellulare

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Nelle membrane esistono micro-domini denominati zattere lipidiche (raft), composti da s ngolipidi e colesterolo più spesse

rispetto alle regioni circostanti e ricche in colesterolo; le code di questi lipidi sono molto ordinate e questo conferisce

maggiore rigidità a queste zone.

Sii distinguono inoltre altri tipi di microdomini di membrana: le caveole, anch’esse ricche in s ngolipidi e proteine ma

morfologicamente diverse dalle zattere, in quanto hanno una forma a asco rovesciato e sono costituite da una proteina, la

caveolina. Le caveole sono coinvolte nel meccanismo dell’endocitosi non mediata da recettori e nella segnalazione cellulare

Elettroforesi : gel posto in una soluzione elettrolitica che possa condurre, si attaccano elettrodi alla vaschetta formando un

polo negativo e uno positivo e le proteine migrano sul gel, le più voluminose viaggiano più piano mentre le più piccole

viaggiano più velocemente e quindi si possono separare.

Le principali proteine sono quelle alfa-elica un po’ meno comuni sono le b foglietto. Le proteine possono essere più o meno

associate alla membrana, le più blandamente associate sono quelle attaccate a proteine integrali (estrema dx), ancora quelle

associate a lipidi sono sempre blandamente associate.

Le proteine monopasso sono quelle con una porzione carbossilica e una amminica e passano una sola volta da dentro a

fuori, le multipasso invece presentano più rientranze (non è detto che la porzione amminica sia sempre verso l’esterno).

Se voglio isolare le proteine integrali devo dissolvere la membrana usando dei detergenti.

La maggior parte degli amminoacidi che formano una proteina sono non carichi e quindi idrofobici per questo motivo si

trovano soprattutto all’interno del doppio strato mentre i gruppi r idrofobici sono esposti verso il citosol e verso lo spazio

extracellulare. In partcolare gli amminoacidi idro lici si assoceranno tra loro (slide 26) mentre quelli idrofobici saranno

associati alla membrana.

I barili (o porine) beta formano grossi canali trans membrana e si ritrovano in alcuni distretti o tipi cellulari come ad esempio

nelle membrane batteriche però certi batteri gram negativi hanno una parete cellulaere dove trovo queste proteine dette

porine o barili o cestelli che sono selettivi per quanto riguarda la dimensione (solo molecole sotto una certa dimensione

possonono attraversarli). Queste porine sono formate principalmente da proteine ripiegate a beta foglietto.

Le proteine possono spostarsi all’interno del doppio strato con qualche eccezione.

Studio della uidità del doppio strato lipidico e della mobilità delle proteine —> fusione cellule umane e di topo perchè hanno

anticorpi anti speci ci. Ha dimostrato che le proteine si sono mosse e sono andate alla deriva.

Altre proteine possono restare vincolate a rimanere in una regione della membrana, ad esempio nelle cellule polarizzate le

proteine sul versante apicale non è necessario che si spostino ( gura D), alcune proteine possono essere vincolate legandosi

ad elementi del citoscheletro, lo stesso possono essere ancorate per mezzo di lamenti extracellulari, oppure le proteine che

si trovano sul versante laterale che fungono da giunzioni —> queste proteine impediscono ad esempio alle proteine del

versante apicale di spostarsi troppo e limitano la loro mobilità.

Nelle membrane esistono micro domini detti zattere lipidiche ricche ad esempio di colesterolo dove la membrana in quel

punto ha una composizione lipidica diversa dalla membrana circostante. Queste zattere ospitano proteine e volendo

potrebbero anche essere fattori di limitazione del movimento delle proteine. Queste zone sono molto meno uide rispetto alla

media della membrana circostante perchè le code sono fortemente saturate.

Le caveole sono allo stesso modo microdomini di membrana caratterizzati dalla presenza della caveolina, una famiglia di

proteine. Le caveole sono coinvolte nel processo di endocitosi non mediata da recettori e spesso sono sfruttate da patogeni

(virus e batteri) per entrare nella cellula.

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DIFFUSIONE E TRASPORTO ATTRAVERSO LE MEMBRANE CELLULARI

Per garantire gli scambi con l’ambiente esterno la cellula deve poter scambiare materiale —> trasporto

Esistono sostanzialmente 3 tipi di trasporto, la di usione, il trasporto passivo e il trasporto attivo.

LA DIFFUSIONE SEMPLICE

La di usione semplice è un tipo di trasporto bidirezionale e che si muove verso l’equilibrio; i soluti che attraversano le

membrane per di usione semplice sono

• Piccole molecole non polari: si sciolgono facilmente nei doppi strati lipidici e quindi li attraversano velocemente (O2 e

CO2) —> la permeabilità ai gas è necessaria alle cellule per i processi respiratori.

• Molecole polari prive di carica: di ondono anch’esse rapidamente purchè siano abbastanza piccole, ad esempio l’acqua

e l’etanolo passano piuttosto in fretta, invece il glucosio è quasi incapace di attraversarla.

I doppi strati lipidici sono impermeabili invece a tutte le molecole dotate di carica elettrica, compresi anche tutti gli ioni

inorganici seppur piccolissimi come Na+ e K+ —> la carica elettrica e la forte attrazione per le molecole d’acqua impedisce

a queste molecole di penetrare nella porzione idrocarburica del doppio strato.

I criteri secondo i quali le molecole attraversano la membrana sono 2: idro lia/idrofobia e dimensione.

Per prevedere se una molecola di sintesi ad esempio sarà in grado di attraversare il doppio strato lipidico si misura il

coe ciente di partizione acqua/olio che misura l’idro lia/idrofobia delle molecole.

A parità di coe ciente le molecole più piccole attraversano più velocemente il doppio strato della membrana. Più è alto

maggiore sarà la tendenza ad attraversare il doppio strato.

CONCENTRAZIONE IONICA INTERNA ED ESTERNA: IL POTENZIALE DI MEMBRANA

Poichè le membrane cellulari sono impermeabili agli ioni inorganici le cellule vive sono in grado di mantenere concentrazioni

ioniche interne diverse rispetto alle concentrazioni ioniche del uido extracellulare. Na+ ad esempio è il catione inorganico

più abbondante all’esterno, la cui elevata concentrazione è bilanciata da Cl- extracellulare, mentre K+ è il più abbondante

all’interno e la sua presenza è bilanciata da acidi nucleici, metaboliti, anioni inorganici, ma soprattuto da proteine.

La diversa distribuzione degli ioni all’interno e all’esterno della membrana genera una di erenza di potenziale elettrico detta

potenziale di membrana —> nelle cellule animali il potenziale di membrana a riposo varia tra -20mV e -200 mV. Questo

potenziale, negativo perchè le cariche negative sono maggiori all’interno della cellula, è necessario alla cellula per e ettuare il

trasporto di determinati metaboliti e per fornire alle cellule eccitabili un modo per comunicare tra loro.

TRASPORTO PASSIVO: LA DIFFUSIONE FACILITATA

Il trasporto passivo consiste in un tipo di trasporto che non ha bisogno di energia per potersi realizzare, infatti i soluti si

spostano da un lato all’altro della membrana seguendo il gradiente di concentrazione, quindi non c’è spesa di energia da

parte della cellula. La di usione facilitata però al contrario della di usione semplice avviene tramite proteine di trasporto.

Le proteine di trasporto o rono generalmente ad una particolare classe di piccole molecole solubili in acqua (es ioni, zuccheri

o amminoacidi) e relativamente piccole un passaggio attraverso la membrana. La di usione facilitata nel caso di molecole

prive di cariche dipende esclusivamente dal suo gradiente di concentrazione mentre nel caso di molecole dotate di carica

entra in gioco anche un’altra forza, ossia il potenziale di membrana che come abbiamo già visto è negativo all’interno

rispetto all’e