Modulo di citologia (1)

complementari, interagisce con altre proteine in modo molto dinamico. In molti casi queste interazioni sono regolate da

modificazioni, ad esempio l’aggiunta di un gruppo fosfato ad un amminoacido chiave. Molti processi, come la sintesi del

DNA, la formazione dell’ATP e il rimaneggiamento dell’RNA, sono compiuti da “macchine molecolari” costituite da un alto

numero di proteine che interagiscono fra loro. È stato stimato che in media ogni proteina codificata nel genoma di un

organismo eucariotico interagisce con altre 5 proteine diverse.

Il ripiegamento delle proteine. Con la scoperta della struttura terziaria della mioglobina, ci si cominciò ad interrogare su

come fosse possibile che nella cellula si originasse una struttura così complessa, ripiegata ed asimmetrica. Christian

Anfinsen cominciò a compiere degli studi riguardanti l’argomento nel 1956, nel 1961 compì una serie di esperimenti sulla

ribonucleasi che nel 1972 gli valsero il premio Nobel per la chimica. Lo srotolamento di una proteina, detto

denaturazione, può essere causato da vari agenti, tra cui solventi organici, detergenti, radiazione, calore e altri composti,

ciascuno dei quali interferisce con le varie interazioni che stabilizzano la struttura terziaria della proteina. Alle fine

dell’esperimento di Anfinsen, le molecole attive, che si erano riformate dalle proteine denaturate, erano indistinguibili sia

strutturalmente che funzionalmente dalle molecole avvolte (cioè native) all’inizio dell’esperimento. Anfinsen concluse che

la sequenza amminoacidica del polipeptide conteneva tutta l’informazione richiesta per l’assemblaggio della

conformazione tridimensionale della proteina, perciò l’avvolgimento avveniva per autoassemblaggio.

La struttura terziaria che una catena polipeptidica assume dopo l’avvolgimento è quella con la più bassa energia, ovvero

quella più stabile dal punto di vista termodinamico che può essere formata da quella catena. Il ripiegamento della

proteina inizia tramite interazioni fra residui limitrofi, che portano alla formazione della maggior parte delle strutture

secondarie della molecola. Dopo la formazione delle e dei foglietti-β, il successivo ripiegamento è guidato dalle

α-eliche

interazioni idrofobiche che spingono i residui non polari insieme nel nucleo centrale della proteina. Altre teorie

sostengono che il primo evento importante è il ripiegamento del polipeptide per formare una struttura compatta, e solo

in seguito si sviluppano le strutture secondarie. Studi recenti indicano che probabilmente la maggior parte delle proteine

si ripiega mediante uno schema intermedio fra i due proposti.

Molte mutazioni responsabili di malattie ereditarie sono state dimostrate alterare la struttura tridimensionale di una

proteina.

Non tutte le proteine, però, sono capaci di assumere la loro struttura tridimensionale definitiva solo tramite un processo

di autoassemblaggio, perché si deve impedire che durante il ripiegamento alcune strutture presenti nella catena

polipeptidica interagiscano in modo non selettivo con altre molecole che si affollano nei compartimenti della cellula. Per

fare questo si sono evolute parecchie famiglie di proteine con un ruolo ausiliario, chiamate chaperoni molecolari. Esse si

legano selettivamente a brevi segmenti costituiti da amminoacidi idrofobici, che tendono ad essere esposti in superficie

nelle proteine non native e nascosti all’interno nelle proteine con conformazione nativa. Le catene polipeptidiche sono

sintetizzate sui ribosomi mediante l’aggiunta di amminoacidi, uno per volta, a partire dall’estremità N-terminale della

catena. Gli chaperoni si legano alle catene polipeptidiche in fase di allungamento mentre queste emergono da un canale

d’uscita situato nella subunità maggiore del ribosoma. Si pensa che gli chaperoni impediscano a questi polipeptidi

parzialmente formati (nascenti) di legarsi ad altre proteine presenti nel citosol, il che ne determinerebbe l’aggregazione o

il ripiegamento non corretto. Una volta che la loro sintesi è completa, molte di queste proteine vengono semplicemente

rilasciate dallo chaperone nel citosol, dove si ripiegano spontaneamente nel loro stato nativo. Molti dei polipeptidi più

grandi sono invece trasferiti dalle proteine Hsp70 ad un tipo diverso di chaperone, detto chaperonina: le chaperonine

sono complessi proteici di forma cilindrica che contengono camere in cui i polipeptidi appena sintetizzati possono

ripiegarsi senza subire interferenze da parte di altre macromolecole presenti nella cellula.

Adattamento ed evoluzione delle proteine. Gli adattamenti favoriscono la probabilità di sopravvivenza di un organismo in

un particolare ambiente. Anche le proteine sono adattamenti biochimici soggetti alla selezione naturale e ai cambiamenti

evolutivi. Proteine omologhe isolate da organismi differenti possono mostrare forme e modalità di avvolgimento

virtualmente identiche, pur possedendo sequenze amminoacidiche diverse. L’evoluzione ha prodotto tipi diversi di

proteine non solo in organismi diversi, ma anche nello stesso organismo. Il genoma umano codifica per parecchie

differenti versioni di ciascuna proteina; nella maggior parte dei casi, differenti versioni di una proteina, dette isoforme,

sono adattate a funzionare in diversi tessuti o a stadi differenti dello sviluppo. La maggior parte delle proteine è membro

di grandi famiglie, o superfamiglie, di molecole correlate. Si pensa che i geni codificanti i membri di una famiglia di

proteine si siano sviluppati da un unico gene ancestrale, il quale è andato incontro a una serie di duplicazioni. In lunghi

periodi di tempo, le sequenze nucleotidiche delle varie copie si differenziano l’una dall’altra per generare proteine con

sequenze amminoacidiche correlate (omologhe).

I carboidrati

I carboidrati, detti anche glicani, comprendono gli zuccheri semplici (monosaccaridi) e tutte le molecole più grandi

costituite a partire dalle molecole degli zuccheri. I carboidrati funzionano principalmente come depositi di energia

chimica e come materiale da costruzione per strutture biologiche. Per la maggior parte di essi la formula generale è

(CH O) : gli atomi che contengono 3 atomi di carbonio sono detti triosi, quelli con 4 tetrosi, con 5 pentosi, con 6 esosi e

2 n

con 7 eptosi.

La struttura degli zuccheri semplici. Ogni molecola di zucchero è composta da uno scheletro di atomi di carbonio legate

tramite legami singoli. Ciascuno degli atomi di carbonio dello scheletro lega un singolo gruppo ossidrilico, a parte uno

che lega un gruppo carbonilico. Se il gruppo carbonilico si trova all’interno della molecola (formando un gruppo

chetonico), lo zucchero è detto chetosio, se il gruppo carbonilico è posto a un’estremità dello zucchero, la molecola è

detta aldoso. A causa del loro alto numero di legami ossidrilici, gli zuccheri tendono ad essere molto solubili in acqua. Le

forme ad anello degli zuccheri generalmente presentano una conformazione tridimensionale.

Stereoisomeria. Un atomo di carbonio può legare altri 4 atomi. La disposizione dei gruppi intorno all’atomo può essere

rappresentata con i carbonio al centro di un tetraedro e i gruppi legati che si proiettano ai 4 vertici. Se i 4 gruppi sono

tutti diversi, come nella gliceraldeide, esistono 2 possibili configurazioni non sovrapponibili; queste 2 molecole, dette

stereoisomeri o enantiomeri, hanno essenzialmente la stessa reattività chimica, ma strutturalmente sono immagini

speculari l’una dell’altra. Per convenzione la molecola si chiama D-gliceraldeide se il gruppo ossidrilico del carbonio 2 si

proietta a destra e L-gliceraldeide se si proietta a sinistra (visto che si comporta come un sito di stereoisomeria, il

carbonio 2 viene definito come atomo di carbonio asimmetrico). Al crescere in lunghezza dello scheletro delle molecole,

aumenta il numero degli atomi di carbonio asimmetrici e, di conseguenza, il numero di stereoisomeri. Esistono 8 diversi

aldopentosi e 16 diversi aldoesosi. La classificazione di questi zuccheri come D o L si basa, per convenzione, sulla

disposizione dei gruppi legati al carbonio asimmetrico più lontano dal gruppo aldeidico, che viene indicato come C1: se

l’ossidrile di questo carbonio si proietta sulla destra, l’aldoso è uno zucchero D, se sulla sinistra è uno zucchero L.

Il legame fra gli zuccheri. Gli zuccheri, per costruire molecole più grandi, sono uniti fra loro tramite legami glicosidici, che

si formano per reazione fra il carbonio C1 di uno zucchero e il gruppo ossidrilico di un altro zucchero. Le molecole

composte da 2 zuccheri sono dette disaccaridi e vengono usate come riserva energetica. Ne sono degli esempi il

saccarosio, che è il componente più importante della linfa, che distribuisce energia chimica nelle varie parti della pianta,

e il lattosio, che viene idrolizzato dall’enzima lattasi, presente nella membrana plasmatica delle cellule che rivestono

l’intestino. Gli zuccheri si possono legare anche per formare catene dette oligosaccaridi, che hanno particolare

importanza nei glicolipidi e nelle glicoproteine della membrana plasmatica, dove si proiettano dalla superficie della

cellula. Gli oligosaccaridi , essendo composti da molte combinazioni di unità saccaridiche, possono svolgere un ruolo

informazionale, cioè servire a distinguere un tipo di cellula da un altro, e aiutano a mediare le interazioni specifiche di

una cellula con il suo ambiente.

Polisaccaridi. Nella prima metà del XIX secolo Claude Bernard, studiando le cause del diabete, ricercò la fonte dello

zucchero nel sangue. Egli notò che il glucosio nel sangue proveniva dal fegato e che il tessuto del fegato contiene un

polimero insolubile del glucosio, che chiamò glicogeno. Bernard concluse che i diversi alimenti assunti con la dieta

vengono trasportati al fegato, dove sono trasformati in glucosio che viene accumulato sotto forma di glicogeno; quando

poi l’organismo necessita di glucosio, il glicogeno accumulato nel fegato viene trasformato in glucosio e riversato nel

sangue. Bernard ipotizzò, correttamente, che l’equilibrio tra formazione e demolizione del glicogeno nel fegato fosse la

causa principale del livello più o meno costante del glucosio nel sangue (omeostasi). Il glicogeno è un tipo di

polisaccaride, un polimero di unità di zucchero unite con legami glicosidici.

Il glicogeno è un polimero ramificato che contiene solo un monomero, il glucosio, e serve come deposito di energia

chimica in eccesso nella maggior parte degli animali. Nelle cellule esso si presenta in forma molto concentrata, sotto

forma di granuli irregolari e scuri al microscopio elettronico.

La maggior parte delle piante, invece, conserva la sua energia in eccesso sotto forma di amido che, come il glicogeno, è

un polimero del glucosio (in realtà è una miscela di due diversi polimeri, amilosio e amilopectina). L’amido è depositato

in granuli, racchiusi in organuli membranosi (plastidi) della cellula vegetale. Gli animali non sintetizzano l’amido, ma

possiedono un enzima, l’amilasi, che lo idrolizza facilmente.

La cellulosa è il componente principale della parete delle cellule vegetali. È composta da monomeri di solo glucosio, ma

le sue proprietà differiscono molto dagli altri polisaccaridi, perché le unità di glucosio sono unite da legami e non

β(1→4)

da legami α(1→4).

La chitina è un polimero non ramificato dello zucchero N-acetilglucosammina, che è simile nella struttura al glucosio, ma

ha un gruppo amminoacetilico legato al secondo carbonio dell’anello al posto del gruppo ossidrilico. È molto diffusa come

materiale strutturale fra gli invertebrati, è un materiale resistente ma flessibile.

Un gruppo di polisaccaridi con una struttura più complessa è quello dei glicosaminoalcani. Tra questi, quello meglio

studiato è l’eparina, secreta dalle cellule dei polmoni e di altri organi in risposta a danni tissutali. L’eparina inibisce la

formazione di coaguli, che potrebbe bloccare il flusso sanguigno verso il cuore o i polmoni. Riesce a sortire questo

effetto grazie all’attivazione di un inibitore (antitrombina) di un enzima chiave (trombina), necessario per la coagulazione

del sangue.

I polisaccaridi più complessi si trovano nella parete delle cellule vegetali.

I lipidi

I lipidi sono un gruppo di molecole biologiche non polari, solubili in solventi organici e insolubili in acqua. I lipidi

importanti per le funzioni della cellula sono: trigliceridi, steroidi e fosfolipidi.

I trigliceridi o grassi neutri. I trigliceridi sono formati da una molecola di glicerolo legata mediante legami esterici a 3

acidi grassi, e la molecola è chiamata triacilglicerolo. Gli acidi grassi sono lunghe catene di idrocarburi non ramificate,

con un unico gruppo carbossilico ad una estremità. Le due estremità dell’acido grasso presentano proprietà diverse: la

catena idrocarburica è idrofobica, mentre il gruppo carbossilico è idrofilico. Le molecole, come gli acidi grassi, che

presentano sia regioni idrofobiche che regioni idrofiliche sono dette anfipatiche.

Il sapone è costituito da acidi grassi, e deve la sua capacità di sciogliere il grasso al fatto che l’estremità idrofobica di

ciascuna molecola di acido grasso di ancora nel grasso, mentre l’estremità idrofilica interagisce co l’acqua circostante. In

questo modo si formano delle micelle (complessi di materiale) che possono essere disperse nell’acqua circostante.

Gli acidi grassi possono differire fra loro sia per la lunghezza della catena idrocarburica, sia per la presenza o meno di

doppi legami. Gli acidi grassi presenti nelle cellule hanno fra i 14 e i 20 atomi di carbonio; quelli che non hanno doppi

legami (come l’acido stearico) sono detti saturi, quelli che presentano doppi legami sono detti insaturi. Nella

configurazione cis, i doppi legami producono delle angolature nella catena dell’acido grasso, perciò maggiore è il numero

di doppi legami posseduti dalla catena dell’acido grasso, maggiore è la difficoltà con cui queste catene possono essere

stipate insieme, e questo abbassa molto la temperatura di fusione dei lipidi che contengono questo tipo di acidi grassi.

L’abbondanza di doppi legami nei grassi vegetali (polinsaturi) spiega il loro stato liquido, i grassi liquidi a temperatura

ambiente sono detti oli. Grassi solidi sono ottenuti da oli vegetali insaturi attraverso il processo di idrogenazione,

riducendo chimicamente i doppi legami con atomi di idrogeno. Il processo di idrogenazione converte anche alcuni dei

doppi legami cis in doppi legami trans (sono lineari anziché angolari).

Un trigliceride può contenere 3 acidi grassi identici o può essere un acido grasso misto contenente diversi tipi di acidi

grassi. I trigliceridi, non avendo gruppi polari, sono praticamente insolubili in acqua e si accumulano nelle cellule sotto

forma di goccioline lipidiche che, non contenendo acqua, formano una riserva di energia molto concentrata. In molti

animali i grassi sono depositati negli adipociti, il cui citoplasma è riempito con una o più gocce lipidiche e hanno la

capacità di variare il loro volume per contenere quantità variabili di grasso.

Gli steroidi. Presentano un caratteristico scheletro carbonioso a 4 anelli. Uno degli steroidi più importanti è il colesterolo,

che è un componente delle membrane delle cellule animali e un precursore per la sintesi di molti ormoni steroidei; è

però assente nelle cellule vegetali, ma le membrane delle cellule delle piante possono contenere composti simili.

I fosfolipidi. Presentano 2 regioni con proprietà diverse: un’estremità con un gruppo fosfato, con proprietà idrofiliche, e

un’estremità con le catene di acidi grassi, che ha proprietà idrofobiche, per questo vengono dette molecole anfipatiche.

La principale funzione dei fosfolipidi è legata alla loro presenza nelle membrane cellulari e le proprietà delle membrane

cellulari dipendono dalla loro composizione in fosfolipidi. La molecola di diacilglicerolo assomiglia a un trigliceride, ma ha

solo 2 acidi grassi invece di 3. I fosfolipidi sono strutture autosigillanti, foglietti autosigillanti: le cellule non potrebbero

essere fatte solo da fosfolipidi, altrimenti non potrebbero comunicare con l’esterno.

Gli acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono macromolecole costituite da lunghe catene (filamenti) di monomeri, detti nucleotidi. Le loro

funzioni principali sono l’archiviazione e la trasmissione dell’informazione genetica, ma possono avere anche ruoli

strutturali e catalitici. Negli organismi viventi sono presenti 2 tipi di acidi nucleici: il DNA (acido desossiribonucleico) e

l’RNA (acido ribonucleico). L’informazione depositata nel DNA viene usata per dirigere le attività cellulari tramite la

formazione di messaggi costituiti da RNA. Ogni nucleotide di un filamento di RNA è costituito da 3 parti: uno zucchero a

cinque atomi di carbonio (ribosio), una base azotata e un gruppo fosfato. Lo zucchero e la base azotata costituiscono un

nucleoside, perciò i nucleotidi di un filamento di RNA sono anche detti ribonucleosidi monofosfati.

Un filamento di RNA o di DNA contiene 4 tipi diversi di nucleotidi, che si differenziano per la loro base azotata. Esistono 2

tipi di basi azotate, pirimidine e purine. Le pirimidine sono le più piccole, costituite da 1 anello, e sono adenina e

guanina. Le purine sono più grandi, costituite da 2 anelli, e sono citosina e uracile (che nel DNA è sostituito dalla timina).

Gli RNA spesso si piegano su se stessi formando molecole che presentano estesi segmenti a doppio filamento e strutture

tridimensionali. Gli RNA ribosomiali servono da impalcatura su cui si ancorano le proteine del ribosoma e da elementi che

riconoscono e legano vari componenti solubili necessari per la sintesi delle proteine. Alcuni RNA hanno ruolo di

catalizzatori e sono detti enzimi a RNA o ribozimi.

La maggior parte dell’energia usata dagli organismi viventi deriva dal nucleotide adenosintrifosfato (ATP). Un altro

nucleotide molto importante nelle attività cellulari è il guanosintrifosfato (GTP), che si lega alle proteine G e agisce come

un interruttore per attivarle.

STRUTTURA E FUNZIONE DELLE MEMBRANE BIOLOGICHE

Le cellule sono separate dall’ambiente esterno da una sottile e fragile struttura, detta membrana plasmatica, il cui

spessore è di soli 5-10 nm.

Alcune delle funzioni della membrana sono:

- Compartimentazione Le membrane formano superfici continue, ininterrotte e, pertanto, delimitano dei

→

compartimenti chiusi. La membrana plasmatica racchiude il contenuto dell’intera cellula, mentre le membrane

dell’involucro nucleare e quelle citoplasmatiche delimitano differenti spazi intracellulari. La compartimentazione

mantenuta dalle membrane permette che attività specializzate possano svolgersi senza interferenze esterne e che le

attività cellulari possano essere regolate indipendentemente le une dalle altre.

- Supporto fisico per attività biochimiche Le membrane non solo delimitano dei compartimenti, ma costituiscono

→

esse stesse un compartimento distinto. Grazie alla loro struttura, le membrane forniscono alla cellula un’ampia

impalcatura, all’interno della quale i vari componenti possono essere ordinati per interagire in modo efficace.

- Barriera con permeabilità selettiva Le membrane impediscono il libero scambio di molecole da un versante

→

all’altro, ma allo stesso tempo, forniscono un mezzo di comunicazione tra i compatimenti che separano.

- Trasporto di soluti La membrana plasmatica contiene i “meccanismi” necessari per il trasporto fisico di sostanze

→

da un versante all’altro. I meccanismi del trasporto di membrana consentono alla cellula di accumulare sostanze,

come zuccheri e amminoacidi, necessarie per fornire energia al proprio metabolismo e per costruire le proprie

macromolecole. La membrana plasmatica è anche in grado di trasportare ioni specifici, stabilendo, quindi, gradienti

ionici tra i due versanti, citoplasmatico ed extracellulare. Questa capacità è particolarmente fondamentale per le

cellule nervose e per quelle muscolari.

- Risposta a segnali esterni La membrana plasmatica svolge un ruolo fondamentale nella risposta di una cellula agli

→

stimoli esterni, un processo noto come trasduzione del segnale. Le membrane contengono dei recettori, che si

combinano con molecole specifiche (dette ligandi) con struttura complementare. L’interazione di un recettore della

membrana plasmatica con un ligando extracellulare può determinare la generazione da parte della membrana di un

nuovo segnale intracellulare, che stimola o inibisce le attività interne.

- Interazioni intercellulari La membrana plasmatica degli organismi pluricellulari, costituendo il limite esterno di

→

ogni cellula vivente, media le interazioni fra una cellula e le sue vicine. La membrana plasmatica permette alle

cellule di riconoscersi tra loro, di aderire quando è il caso e di scambiarsi materiali ed informazioni.

- Trasferimento di energia Le membrane sono strettamente coinvolte nei processi attraverso i quali una forma di

→

energia viene convertita in una forma diversa. La principale e più importante forma di trasferimento di energia si

verifica durante la fotosintesi, quando l’energia della luce solare viene assorbita da pigmenti legati a membrane,

convertita in energia chimica ed accumulata nei carboidrati. Le membrane sono, inoltre, implicate nel trasferimento

dell’energia chimica dai carboidrati e dai grassi all’ATP.

Per convenzione la membrana

plasmatica è disegnata

schematicamente con una sola (!)

linea. È una barriera altamente

selettiva: se fosse solo una barriera e

non fosse selettiva, la cellula non

potrebbe comunicare con l’esterno. È

selettiva in entrata e in uscita, è una

struttura che può essere superata solo

dopo precisi processi di selezione.

Acqua, urea, anidride carbonica e

ossigeno diffondono attraverso la

membrana plasmatica, mentre tutto il

resto deve essere trasportato. Nel

complesso ha uno spessore minore di

0,2 (limite di risoluzione in un

μm

microscopio ottico), se invece ci si

riferisce solo al doppio strato

fosfolipidico lo spessore è di circa 6 nm, ma la membrana plasmatica non è costituita solo da fosfolipidi, anzi, le proteine

sono la componente più voluminosa rispetto ai fosfolipidi e quelle transmembrana fuoriescono dalla membrana

plasmatica verso l’ambiente extracellulare andando quindi ad aumentare lo spessore.

La struttura della membrana plasmatica è adeguata per rispondere a diverse funzioni, e deve essere mantenuta in

qualsiasi cellula, quindi devono essere garantite la componente fosfolipidica, la componente proteica e il giusto grado di

fluidità di membrana. Le membrane plasmatiche all’interno della cellula si organizzano in strutture continue che si

ripiegano. L’inserimento di una proteina trasmembrana e l’associazione con una proteina periferica di membrana serve a

bloccare la proteina transmembrana in quel preciso punto della membrana plasmatica, ma la proteina periferica di

membrana a sua volta è bloccata da, e interagisce con, una proteina citoscheletrica, questo complesso serve quindi a

destinare e mantenere una proteina in una regione ben definita della membrana plasmatica. Sono queste interazioni che

vanno a definire quelli che vengono chiamati domini di membrana.

Fra le proprietà dinamiche della membrana plasmatica bisogna riconoscere i movimenti cellulari, la divisione cellulare e la

fusione di membrane.

Le componenti delle membrane plasmatiche sono così divise:

- Lipidi: 40% del peso secco Fosfolipidi, ma anche glicolipidi (presentano una componente oligosaccaridica) e

→

steroidi (colesterolo).

- Proteine: 50-55% del peso secco Hanno ruoli diversi, sono proteine a funzione strutturale, a funzione antigenica,

→

o recettori.

- Carboidrati: 5-8% del peso secco Oligosaccaridi legati a proteine (glicoproteine) o a lipidi (glicolipidi). In ogni

→

caso la componente oligosaccaridica è rivolta verso l’esterno, e quindi è una sorta di segnale per identificare e

discriminare, soprattutto da un punto di vista sperimentale, il lato citosolico dal lato extracellulare.

Sono presenti delle interazioni che vanno a definire quelli che vengono chiamati domini di membrana, mentre i

trasportatori di membrana vengono detti transmembrana.

La disposizione della componente lipidica nelle membrane plasmatiche e la fluidità di membrana

La componente lipidica della

membrana plasmatica si dispone in

modo che il gruppo polare vada a

differenziare i monostrati

fosfolipidici. La disposizione dei

fosfolipidi o dei glicolipidi nella

membrana plasmatica o nelle

membrane cellulari impone un

determinato comportamento a livello

della struttura e a livello della cellula

stessa. Ma i 2 monostrati sono

quindi uguali o possono essere

diversi? Ogni membrana plasmatica

di specifiche popolazioni cellulari

presenta un corredo di fosfolipidi

ben preciso che viene disposto secondo regole ben definite, questo comporta una disuguaglianza fra i 2 monostrati.

Dove sta quindi la differenza? Nella tipologia di catene di acidi grassi (che a loro volta possono essere saturi o insaturi) e

nel gruppo polare.

La cellula sa sfruttare questa differenza che si viene a creare in modo ben preciso, non solo per crearsi la membrana

plasmatica, ma anche perché, se necessario, è in grado di traslocare un fosfolipide che sta nel monostrato interno in

quello esterno o viceversa, sotto il controllo di specifici enzimi, e così facendo la cellula può subire destini diversi. Perciò

la scelta di determinati fosfolipidi e la loro localizzazione nel monostrato interno o in quello esterno, vanno a giustificare

2 caratteristiche estremamente importanti: l’asimmetria di membrana (monostrato interno diverso da quello esterno)

e il mantenimento della giusta fluidità di membrana (a temperatura fisiologica).

Alla giusta temperatura fisiologica la membrana funziona semplicemente con l’aggiunta della giusta quantità di

colesterolo. Se si abbassasse la temperatura e la membrana rischiasse di diventare troppo rigida, l’esigenza sarebbe

quella di renderla un po’ più fluida, e una prima risposta può essere quella di togliere del colesterolo per rispondere alla

variazione di temperatura, oppure un’altra possibile strategia può essere quella di inserire catene di acidi grassi insaturi

(inserendo dei doppi legami a livello delle catene di acidi grassi saturi), ma quest’ultima è solo una risposta

momentanea.

Il concetto di asimmetria di membrana sta nel fatto che legato ai gruppi fosfato sono legati dei gruppi polari diversi. I

fosfolipidi che vanno a localizzarsi nel foglietto esterno potrebbero avere un significato o un ruolo identificativo diverso

rispetto a quelli localizzati nel foglietto interno (ricordare che i glicolipidi sono sempre solo nel foglietto esterno e hanno

funzione di recettori extracellulari per ligandi che sono presenti nell’ambiente extracellulare): per esempio la

fosfatidilserina è localizzata sul lato citosolico e rappresenta dei fosfolipidi importanti perché creano la membrana

plasmatica, ma che vengono eliminati da qualsiasi interazione con ciò che c’è nell’ambiente extracellulare, mentre i

gruppi polari mantenuti sul lato extracellulare possono avere interazioni, e queste interazioni derivano dal fatto che la

fosfatidilserina va a conferire una carica negativa al fosfolipide, permettendogli di legarsi con molecole con carica

positiva presenti nell’ambiente circostante; ad un certo punto la fosfatidilserina compare sulla superficie esterna, in

quanto la cellula trasloca questi fosfolipidi dal monostrato interno a quello esterno nel momento in cui sono presenti

delle cellule, ad esempio dei linfociti, invecchiate, che vanno eliminate, e questa sorta di “messaggio” a livello della

membrana plasmatica rappresenta il segnale per i macrofagi, che possono quindi procedere alla loro distruzione,

fagocitandole ed eliminandole dal circolo. Un altro esempio è la comparsa della fosfatidilserina su un’altra popolazione di

cellule sulle piastrine, importanti nel processo di coagulazione: nel momento in cui da monostrato interno viene

traslocata sul monostrato esterno, le piastrine sono attivate per attivare un processo di coagulazione. Se invece non ci

sono motivi per i quali si debba innescare uno di questi processi, la fosfatidilserina rimane ancorata a livello del

monostrato interno.

Le cellule quindi sanno costruirsi specifiche membrane plasmatiche scegliendo specifici fosfolipidi, le sanno distribuire in

modo altrettanto controllato nel monostrato interno o esterno e le sanno ridisporre a seconda dell’esigenza delle

particolari popolazioni cellulari.

I fosfolipidi sono in grado di spostarsi da un monostrato a un altro, ma hanno bisogno dell’intervento di enzimi specifici

che li aiutino in queste operazioni, in quanto un fosfolipide per poter attuare questi spostamenti deve attuare un lavoro

energeticamente sfavorevole, con dei movimenti detti flip-flop, che però sono rari (un enzima che viene impiegato è per

esempio la flippasi). Queste operazioni sono energeticamente sfavorevoli a causa della conformazione dei fosfolipidi, in

quanto le teste idrofiliche devono attraversare l’ambiente idrofobico in cui ci sono le code: tra tutti i possibili movimenti

che i fosfolipidi possono attuare, questo, chiamato diffusione trasversale, è quello più dispendioso. Gli altri 2 metodi per

il movimento dei fosfolipidi sono la diffusione laterale e la rotazione (su se stessi), e sono evidenziati nello schema

proposto nel 1972 da due ricercatori, Singer e Nicholson, e chiamato modello a mosaico fluido: in quegli anni era

stata fatta un’ipotesi sulla struttura della membrana plasmatiche, e con questo modello si intendeva spiegare la fluidità

della membrana e il fatto che fosse un mosaico in quanto le molecole che la costituiscono non sono statiche.

La rotazione su se stesso è il movimento energeticamente meno dispendioso, e prevede che il fosfolipide rimanendo

nella sua posizione ruoti su se stesso. Questo non porta a nessun cambiamento nella conformazione, ma rimarca il fatto

che i fosfolipidi all’interno della membrana non sono immobili.

L’altro movimento, la diffusione laterale, indica il fatto che il fosfolipide in un arco di tempo ben preciso potrebbe trovarsi

in un punto leggermente diverso, si tratta di una sorta di modificazione di posizione, ma non troppo libera, in quanto le

proteine anche in questo caso giocano un ruolo importante nel ridefinire le posizioni.

Cosa favorisce lo spostamento di un fosfolipide? Chi regola la fluidità di una membrana plasmatica?

La temperatura ambientale è un parametro estremamente importante, in quanto in determinate condizioni fisiologiche

favorisce determinati meccanismi intermembrana e di conseguenza garantisce la sua fluidità. Sono stati fatti degli

esperimenti prendendo come temperatura costante quella di 37°, che è pressappoco simile a quella corporea come

temperatura fisiologica: a questa temperatura le membrane sono in grado di assumere una consistenza definita “cristallo

liquido bidimensionale”, né troppo fluida né troppo compatta, se la temperatura si abbassa la consistenza diventa quella

di “gel cristallino congelato” e man mano che si abbassa la temperatura e il tempo passa il grado di compattezza

aumenta e i movimenti diventano sempre più limitati portando la membrana ad irrigidirsi. in queste condizioni la cellula

deve ricorrere ai ripari, andando a ricercare una temperatura di transizione per mantenere la fluidità di membrana.

37° può essere la temperatura di partenza (temperatura di transizione), questa temperatura può transitare verso valori

superiori o verso valori inferiori, e la cellula risponde in modo diverso: se aumenta la temperatura, aumenta la fluidità di

membrana, se la temperatura diminuisce, si riduce la fluidità di membrana, è quindi logico definire che la fluidità del

doppio strato fosfolipidico è in relazione alla temperatura. Quindi per l’uomo la temperatura di transizione si aggira

intorno ai 37°, per l’anfibio (in particolare Xenopus laevis) 20°.

Il ruolo del colesterolo nella fluidità di membrana

Il colesterolo riempie gli spazi tra i fosfolipidi riducendo la fluidità della membrana a temperature moderatamente

elevate, mentre a basse temperatura crea un aumento di spazio di spazio fra i fosfolipidi riducendo la compattezza e

ostacolando la solidificazione. Il concetto del colesterolo non è quello di aumentare o diminuire la compattezza di una

membrana plasmatica, ma è quello di intervenire nel regolare il giusto grado di fluidità. La molecola di colesterolo è

molto piccola e c’è quindi la possibilità di poterla inserire a livello di un fosfolipide in modo che si ancori ad esso con un

legame a idrogeno (legame debole) e lì rimanga finché la cellula deve mantenere quella determinata posizione e

conformazione. Perciò il ruolo del colesterolo è quello di ridurre o di aumentare gli spazi a seconda del tipo di fosfolipidi

di partenza.

La fluidità delle membrane plasmatiche

La fluidità di membrana è il punto di partenza per la vitalità di una cellula e, di conseguenza, è estremamente e

strettamente controllata. Si è visto che oltre al colesterolo anche la scelta delle catene di fosfolipidi interviene nel

garantire la fluidità di membrana, in quanto in ogni popolazione devono essere garantiti i giusti domini di membrana.

Per mantenere la fluidità di membrana ci sono quindi altre possibili strategie:

- Desaturazione Desaturazione, ad opera dell’enzima desaturasi, di alcuni legami degli acidi grassi. In questo modo

→

la cellula tenta di rispondere ad un abbassamento di temperatura: la catena di acidi grassi desaturata da lineare

assume una struttura ad angolo, c’è un primo tentativo di fare spazio tra un fosfolipide e l’altro per aumentare o

cercare di mantenere il grado di fluidità della membrana stessa. Quindi, nel momento in cui l’enzima interviene si

formano dei doppi legami, a livello della catena dell’acido grasso o ad altri livelli.

- Rimescolamento delle catene tra molecole differenti La cellula è capace a livello delle proprie membrane cellulari

→

di rimescolare i fosfolipidi sfruttando la capacità, a livello di un monostrato o dell’altro, delle proprietà di

spostamento. Questo potrebbe favorire l’avvicinamento o il distanziamento tra diverse tipologie di fosfolipidi, in

questo modo infatti vengono a crearsi delle zone in cui gli acidi grassi insaturi sono più abbondanti. Questo

rimescolamento può avvenire a diversi gradi: o spostando un fosfolipide (catena insatura) verso una regione dove

sono concentrati i fosfolipidi saturi, oppure, grazie all’enzima fosfolipasi, staccando un acido grasso insaturo dal

glicerolo e attaccandolo ad un altro fosfolipide, grazie all’enzima acetiltransferasi che permette il trasloco.

- La cellula inizia a sintetizzare fosfolipidi con acidi grassi insaturi È l’ultima possibilità se la temperatura inizia a

→

diminuire e poi rimane molto bassa. Le modificazioni metaboliche, inizialmente anche impercettibili, diventano

sempre più rilevanti e la cellula non è più in grado di sopravvivere.

Le proteine di membrana

La componente proteica può essere rappresentata da:

- Proteina transmembrana o integrali di membrana monopasso La proteina monopasso è chiamata così perché

→

passa una sola volta a livello della membrana plasmatica, e ha una estremità verso il lato citosolico e una verso

l’ambiente extracellulare. Un dominio si riferisce a una porzione di una struttura con un ruolo ben definito (un

domini di membrana può essere riconosciuto per la presenza o di fosfolipidi specifici o di proteine specifiche).

Questa proteina ha quindi un dominio (dominio proteico) volto verso il lato citosolico, ovvero un tratto di sequenza

amminoacidica con la capacità di interagire con ciò che sta nel citoplasma, e un dominio extracellulare, che potrebbe

essere corredato di catene oligosaccaridiche e non è capace di disporsi verso il lato citosolico. Tra questi 2 domini

c’è il dominio che attraversa il doppio strato fosfolipidico, quindi amminoacidi che interagiscono con le code

idrofobiche, e ognuna di queste 3 strutture ha una struttura, una sequenza amminoacidica diversa, una capacità e

una funzionalità diversa.

- Proteina transmembrana o integrali di membrana multipasso Presenta un’estremità carbossi-terminale volta verso

→

l’ambiente citosolico. La proteina attraversa una volta la membrana plasmatica, poi si ripiega dietro una seconda

volta, si ripiega e passa una terza volta, poi fuoriesce con la sua estremità ammino-terminale. È solo su queste

porzioni volte verso l’esterno che ci saranno amminoacidi specifici capaci di creare un punto di ancoraggio per le

catene oligosaccaridiche. Una proteina di questo tipo, a differenza di una proteina monopasso, può avere un alto

peso molecolare.

- Proteina periferica Si tratta di proteine legate con legami non covalenti alla testa delle molecole lipidiche. Possono

→

essere proteine periferiche interne o esterne.

Nel momento in cui si vuole studiare una proteina per determinarne delle caratteristiche, occorre isolare la proteina da

tutto ciò che sta intorno per evitare che la componente lipidica vada a contaminare la preparazione da analizzare. È

semplice staccare le proteine periferiche, perché hanno legami non covalenti, è più difficile invece staccare le proteine

integrali di membrana, in quanto si devono utilizzare dei detergenti, importanti per destabilizzare la componente

fosfolipidica ed estrarre le proteine.

Le proteine integrali di membrana sono proteine molto particolari, che devono essere descritte tenendo conto di specifici

domini, bisogna identificare delle regioni proteiche, delle quali una deve avere affinità con la componente idrofobica

(catene di acidi grassi) e quella degli amminoacidi con gruppi laterali idrofobici (rivolti verso l’esterno, interagiscono con

le code stabilizzando la proteina) e idrofilici (rivolti verso l’interno). I domini intramembrana presentano sempre

preferibilmente una struttura ad e per ottenere questa conformazione occorre appunto la sequenza

α-elica,

amminoacidica che contenga amminoacidi con entrambe le componenti.

Le funzioni delle proteine di membrana

Come la componente fosfolipidica, anche le proteine creano una

sorta di impronta sulla membrana di quella particolare cellula,

infatti, a seconda delle proteine che vengono utilizzate, quella

determinata cellula (se mi riferisco alla membrana plasmatica), o

quel determinato organulo (se mi riferisco a qualsiasi membrana

cellulare) acquisiscono una peculiarità, una ben definita funzione.

La loro struttura corrisponde alla loro funzione, in quanto può

trattarsi esclusivamente di recettori, ma essi possono avere anche

altre funzioni.

- Trasporto Può avvenire attraverso canale idrofilo selettivo o

→

attraverso proteine pompa. 1) Proteina canale selettiva: la

cellula attraverso questo tipo di proteina può internalizzare

quel particolare ione per cui la proteina è selettiva,

mantenendo costante la concentrazione ionica del citoplasma rispetto a quella dell’ambiente esterno. 2) proteina

pompa (proteina transmembrana che richiede il coinvolgimento di una molecola di ATP): il passaggio delle molecole

attraverso questa proteina è a dispendio energetico. Nella prima proteina quindi non c’è nessuna molecola associata

in quanto il trasporto può avvenire secondo gradiente, mentre la seconda viene utilizzata quando il lavoro deve

essere compiuto contro gradiente con dispendio di energia.

- Attività enzimatica Alle proteine che svolgono questo ruolo viene somministrato un substrato che, dato che ha

→

un’attività enzimatica, è in grado di trasformare in un prodotto. Questo prodotto trova il suo aggancio (sito di

interazione) nella proteina vicina.

- Trasduzione del segnale Il messaggero induce un cambio nella conformazione della proteina. Il presupposto

→

perché possa avvenire questo processo è che si differenzino un ambiente esterno e un ambiente interno; la cellula

per poter innescare un processo a livello citosolico deve aspettare che arrivi un messaggio dall’esterno, ma la

molecola non può traslocare nel citoplasma per portare il messaggio, quindi la proteina transmembrana presente

sulla membrana plasmatica, che ha un sito sul lato extracellulare in grado di recepire la molecola segnale, nel

momento in cui avviene il riconoscimento la proteina transmembrana cambia conformazione e questo innesca a

livello citosolico quel determinato processo. La proteina transmembrana fa quindi da intermediario per un messaggio

esterno che non può entrare nella cellula, ma di cui la cellula ha bisogno per poter attuare determinati processi

(trasduzione del segnale), in quanto solo questo segnale esterno è in grado di far cambiare conformazione alla

proteina.

- Riconoscimento tra cellule La proteina presente su una cellula riconosce attraverso determinati meccanismi la

→

proteina che sta sulla cellula adiacente. Il riconoscimento cellula-cellula è estremamente importante per vari

processi.

- Adesione intracellulare L’adesione e l’ancoraggio tra cellule, che implicano che prima ci sia stato un

→

riconoscimento, sono molto importanti soprattutto nella costruzione di tessuti.

- Adesione al citoscheletro e alla matrice extracellulare Una proteina può avere l’esigenza di riconoscere molecole

→

che stanno nell’ambiente esterno, cioè nella matrice extracellulare, quindi presenta una porzione che riconosce una

proteina che sta nella matrice extracellulare e serve a mediare l’interazione fra una cellula e l’ambiente esterno.

Questa proteina che sta nella matrice ha anche corte interazioni con delle proteine più semplici, che sono legate a

corte catene oligosaccaridiche, quindi a zuccheri, e il tutto media l’interazione tra ambiente cellulare e ambiente

extracellulare grazie alla proteina transmembrana.

Il glicocalice

Il glicocalice è, per definizione, la componente oligosaccaridica che si lega alle proteine (principalmente), ai glicolipidi o

ai fosfolipidi, e costituisce quello che viene definito il rivestimento extracellulare per eccellenza. Queste componenti

oligosaccaridiche possono caratterizzare sia le proteine transmembrana che le proteine periferiche di membrana. Le

glicoproteine assorbite vanno sempre a costituire la membrana plasmatica, non hanno nessun contatto con le

componenti fosfolipidiche della membrana plasmatica, ma hanno 2 proteine transmembrana che creano dei punti di

ancoraggio. Tutte le componenti (glicoproteine transmembrana, glicoproteine assorbite, proteoglicani transmembrana…)

che costituiscono una membrana plasmatica o una membrana cellulare sono quindi molto diverse tra di loro, non solo

nella loro funzione per riconoscere specifici domini, ma anche nella loro localizzazione. La sintesi di tutte queste proteine

avviene nel reticolo endoplasmatico ruvido, dal quale si stacca una vescicola che va al Golgi, passa attraverso le cisterne

e si forma la vescicola risultante che porta le proteine. La vescicola che porta questa proteina ha nel suo lume la

proteina che dev’essere esportata, ha quindi già inserito nel suo doppio strato fosfolipidico la proteina, perché nel

momento in cui la vescicola si trova in prossimità della membrana plasmatica e si fonde con la membrana stessa, la

membrana della vescicola entra a far parte della membrana plasmatica.

Gli oligosaccaridi

Si possono trovare sempre e solo sulla superficie del monostrato volto verso l’esterno. Il corredo oligosaccaridico è

diverso a seconda del tipo cellulare, in quanto gli oligosaccaridi sono dei veri e propri marker di identificazione, perché la

cellula nella sua componente glicoproteica andrà a scegliere a livello del Golgi delle componenti oligosaccaridiche

specifiche da legare a livello di una determinata proteina. L’insieme di questi oligosaccaridi va a costituire il glicocalice ed

esso sembra estremamente importante perché interviene nelle risposte infiammatorie, sembra mediare le risposte

infiammatorie in modo tale che l’organismo possa difendersi in caso di organismi indesiderati che invadono i tessuti.

Le proteine associate a una membrana plasmatica possono quindi essere associate anche a delle corte catene

oligosaccaridiche, che permettono di formare delle glicoproteine, e andare a costituire il glicocalice. Quindi la membrana

plasmatica è principalmente costituita da fosfolipidi in cui sono inserite altre molecole, e come i fosfolipidi devono essere

regolati per costituire la componente lipidica della membrana plasmatica, così lo devono essere anche le proteine, che

non sono per nulla immobili, ma hanno un grado di libertà perché le membrane cellulari non sono delle strutture rigide,

ma devono garantirsi un certo grado di mobilità per poter funzionare in modo corretto e per poter rispondere a tutte le

esigenze fisiologiche che l’organismo richiede.

La mobilità delle proteine di membrana

Tutte le informazioni riguardo alle proteine di membrana, delle quali oggi siamo a conoscenza, derivano da esperimenti

che sono stati condotti inerenti ad esse.

Un primo esperimento, a partire da cellule in coltura, è stato condotto su 2 cellule molto diverse tra loro (esempio cellule

di topo e cellula umana). Si sono marcate tutte le proteine transmembrana della cellula di topo con un monocromo, che

emetteva un segnale rosso ogni volta che l’operatore andava ad osservare quella cellula al microscopio e fluorescenza;

mentre le proteine di membrana della cellula umana sono state marcate con un fluorocromo che emetteva nel verde.

Quindi si avevano 2 segnali completamente diversi, e affinché si potesse effettuare questa marcatura, le 2 sonde

fluorescenti dovevano essere legate a degli anticorpi. Le cellule sono quindi state tenute in coltura in ambienti separati,

poi marcate e immesse nel medesimo ambiente di coltura, con opportune molecole di nutrimento per mantenerle vitali e

trattate in modo tale che fosse favorita la loro fusione. Dopo un certo intervallo di tempo le cellule si sono unite tra di

loro e dopo la fusione, dovuta alla fusione delle membrane plasmatiche delle due cellule, si è osservato che una parte

della cellula risultante presentava le proteine del topo, mentre l’altra parte presentava delle proteine provenienti dalla

cellula umana. Dopo circa 40 minuti non era più possibile demarcare una zona contenente proteine provenienti solo dalla

cellula del topo né una regione caratterizzata solo da proteine provenienti dalla cellula umana. Risultato di questo

esperimento è che in un determinato intervallo di tempo le proteine si sono mescolate tra di loro; questo ha fatto capire

che le proteine non sono per nulla immobili all’interno del doppio strato fosfolipidico (altrimenti con il passare del tempo

ci si sarebbe trovati in una situazione con 2 regioni “separate”, una caratterizzata dalle proteine del topo, l’altra dalle

proteine umane).

Un altro esperimento ha permesso di confermare che le proteine non sono immobili nella membrana cellulare. Nel primo

esperimento si era fatto un lavoro di marcatura, e questo criterio viene sfruttato anche in questo caso, ma con una

tecnica molto particolare: Recovery Fluorescence After Photobleaching (FRAP, recupero di una fluorescenza dopo uno

sbiadimento). In una cellula di partenza sono state marcate le proteine adese alla membrana plasmatica, la marcatura è

uniforme, quindi le proteine a livello della membrana cellulare sono abbondanti. Successivamente al microscopio ottico,

guardando l’immagine della cellula che emetteva fluorescenza, è stato acceso un “laser”, orientato in modo ben preciso,

che permetteva di sbiadire solo una piccola area che in precedenza era fluorescente, e dopo poco tempo quest’area è

risultata completamente sbiancata. La cellula in questa situazione è stata quindi messa in coltura nelle condizioni

richieste per mantenerla vitale, riprendendola dopo un certo intervallo di tempo, e riosservandola al microscopio, si è

visto che nell’area che precedentemente era stata sbiancata era tornato un segnale fluorescente: non erano le proteine

che erano state sbiancate ad aver recuperato il segnale, ma erano delle nuove proteine che sono arrivate in questa

regione. Quindi in un breve intervallo di tempo alcune proteine che erano confinate nella regione circostante sono

arrivate nell’area che era stata sbiancata, questa è un’ulteriore riprova della mobilità delle proteine.

Quindi le proteine integrali si muovono a livello della membrana fosfolipidica, che sia la membrana plasmatica o una

qualsiasi membrana cellulare, ma si muovono lentamente, in quanto le proteine sono ingombranti e attraversano tutto il

doppio strato fosfolipidico, e per rimanere nel doppio strato attuano delle interazioni con le code idrofobiche; inoltre

questo movimento è controllato sia dall’ambiente esterno che, soprattutto, dall’ambiente interno. Perciò le proteine

integrali non sono totalmente libere di muoversi, in quanto non sono loro a decidere dove andare; inoltre possono

muoversi dal 30 al 70% delle proteine integrali, mentre la restante parte deve rimanere confinata nel punto ben preciso

a cui è destinata (alla regola generale ci possono essere comunque delle eccezioni). Le proteine integrali che non

possono muoversi sono quelle che devono garantire un dominio di membrana: se, per esempio, in un determinato punto

la membrana plasmatica deve mediare un’adesione con una cellula adiacente, le proteine coinvolte non possono

muoversi a caso, ma devono essere mantenute in sito per poter mediare l’adesione cellulare, altrimenti verrebbe a

mancare questa importante specializzazione della membrana plasmatica.

Chi regola la loro posizione o il loro movimento? Il citoscheletro gioca un ruolo veramente importante non solo nel

definire la struttura di una cellula e nel regolare la posizione delle proteine nel doppio strato fosfolipidico, ma serve

anche a permettere una comunicazione cellula-cellula (per esempio a livello delle giunzioni GAP) o un’adesione cellula-

cellula. Quindi il citoscheletro è una componente estremamente importante perché le proteine integrali di membrana

presentano sempre un dominio extracellulare e un dominio citoplasmatico ed è solo il dominio citoplasmatico che sa

interagire, mediare i legami, con la componente citoscheletrica, quindi è importante che la cellula sappia orientare nella

propria membrana la proteina integrale con la corretta disposizione. Il dominio extracellulare, a sua volta, è l’unica

regione della proteina specializzata per interagire con questo ambiente. Se si va ad alterare geneticamente queste

proteine, oppure se si va ad alterare geneticamente il citoscheletro che ancora le proteine, si ottiene un’alterazione a

livello della membrana plasmatica. I risultati sperimentali ottenuti hanno quindi suggerito che sul lato citoplasmatico la

barriera nel limitare e controllare i movimenti delle proteine è il citoscheletro, mentre sul lato extracellulare sono le

componenti (generalmente) proteiche della matrice. Questo fa capire che le cellule sono sì delle entità singole, ma

devono essere capaci di interagire con l’ambiente esterno.

Tutte le informazioni che abbiamo sulla membrana plasmatica sono derivate da studi condotti su porzioni di membrane

di globuli rossi perché non è difficile ottenere dei globuli rossi e il sangue è l’unico esempio di tessuto connettivo molto

particolare in quanto ha un’abbondante matrice fluida all’interno della quale c’è una grande quantità di cellule circolanti.

Le preparazioni di frammenti di membrane di globuli rossi sono state chiamate “GHOST” e sono state ottenute

prendendo dei globuli rossi e mettendoli in una soluzione ipotonica (il liquido in cui vengono messi è povero di ioni, ad

esempio l’acqua distillata) in modo che essi andassero incontro a lisi (=rottura). Mettendo i globuli rossi in una soluzione

ipotonica accade che la concentrazione di ioni è maggiore all’interno delle cellule che all’esterno, quindi le cellule

continuano a richiamare acqua nel tentativo di diminuire questa concentrazione di sali, ma nel giro di poco tempo, se

non si ripristina una condizione di isotonia, le cellule scoppiano. Questo approccio permette di ottenere dei frammenti di

membrane o di proteine e di studiarle dal punto di vista biochimico, ma non è in grado di identificare la localizzazione

delle proteine.

Si è utilizzata quindi un’altra tecnica, molto raffinata, per completare lo studio di una membrana plasmatica andando a

verificare le localizzazioni delle varie componenti,

questa tecnica è chiamata Freeze-Fracture. La

membrana plasmatica deve essere congelata e

successivamente, con un opportuno strumento

molto raffinato, si crea una frattura a livello dei 2

monostrati dei fosfolipidi, che porta alla loro

divisione; alcune proteine transmembrana

rimangono legate al monostrato interno, altre

invece al monostrato esterno. Queste porzioni

vengono poi opportunamente contrastate con

materiali elettrondensi e ogni frammento viene osservato al microscopio elettronico a trasmissione. Questi studi hanno

permesso anche di identificare e di discriminare il monostrato esterno da quello interno grazie alla presenza delle catene

oligosaccaridiche, che si trovano solo sul monostrato esterno. Perciò studi di biochimica e studi di morfologia hanno

permesso di identificare e caratterizzare le proteine di una membrana plasmatica.

Bisogna fare attenzione nell’utilizzare i termini dominio di membrana e polarità cellulare. La polarità potrebbe essere

riferita ad un filamento di actina o a un microtubulo, ovvero a delle strutture, ma la polarità cellulare è diversa.

La maggior parte delle membrane mostra una variabilità in termini di fosfolipidi, nella componente proteica, e nella

mobilità di fosfolipidi e proteine. Occorre quindi associare i concetti di dominio e di polarità a degli esempi specifici.

In una cellula dell’epitelio intestinale (enterocita) è possibile osservare una polarità in termini di porzione apicale

morfologicamente diversa dalla porzione basale e dalla porzione laterale e una polarità in termini di specifiche proteine

localizzate sulla membrana della porzione apicale che non sono per nulla identiche a quelle localizzate sulla porzione

laterale, né a quelle localizzate sulla porzione basale, quindi la regione vaso-laterale ha un corredo proteico diverso da

quello della regione apicale; questo deve rispecchiare una determinata struttura e una determinata funzione: la

membrana plasmatica della regione laterale deve specializzarsi a creare giunzioni con la cellula adiacente e non ha

nessuna funzione in termini di trasporto di sostanze nutritizie presenti nel lume intestinale, il processo di trasporto è

invece svolto dalle proteine localizzate sulla membrana plasmatica apicale. Queste cellule, messe una vicina all’altra,

costituiscono l’epitelio che riveste l’intestino, qualsiasi epitelio è innervato ma non è vascolarizzato, quindi ha bisogno di

un tessuto connettivo che è localizzato al di sotto dell’epitelio stesso.

Perciò ogni regione della membrana plasmatica deve essere precisamente specializzata.

Se le giunzioni mediano l’adesione cellule-cellule e negli epiteli le cellule sono a mutuo contatto, escludendo la maggior

parte di una matrice cellulare, ci devono essere delle strutture che impediscano alle particelle di intraprendere delle vie

sbagliate, definite vie paracellulari. Nella parte più apicale di ogni epitelio ci sono delle giunzioni definite giunzioni strette

o tight junction, che creano una barriera tale per cui il glucosio non può intraprendere una via paracellulare, ma deve

sfruttare delle proteine transmembrana specifiche per il suo trasporto e quindi arrivare nel centro sottostante.

Recentemente si stanno sviluppano una serie di attività di ricerca nell’ambito della nanotossicologia, in quanto le

nanoparticelle sono molto più reattive nei confronti dei batteri, ma si sta anche scoprendo che esse hanno un’attività

biologica molto marcata verso le cellule umane, quindi se da un lato uccidono i batteri, dall’altro lato possono interferire

con la funzionalità cellulare, e uno dei sospetti è che introducendole con l’alimentazione possano interferire con la

corretta funzionalità delle giunzioni, andando quindi ad interrompere le corrette adesioni cellula-cellula.

L’esempio dell’enterocita, come potrebbe esserlo quello di un neurone è un esempio molto specifico. Lo spermatozoo di

un mammifero è una cellula che viene definita polare, la sua porzione apicale morfologicamente è completamente

diversa dalla sua porzione caudale: nella porzione apicale presenta un nucleo, in quella caudale non presenta nessun

nucleo, ma un lungo flagello che si diparte dalla base del nucleo presente in posizione apicale. È quindi una cellula

altamente specializzata e la sua funzione deriva dai domini di membrana di cui si è dotata durante la fase di

differenziamento. All’inizio del flagello c’è una zona molto ricca di mitocondri, che andranno poi a produrre l’ATP

necessaria per permettere il movimento.

Le proteine hanno un loro ruolo nel definire specifici domini di membrana che corrispondono alla funzionalità della

membrana plasmatica. Anche a livello della componente fosfolipidica è possibile identificare un lato citosolico (a contatto

con il citoplasma della cellula) e un lato esoplasmatico (al di fuori del citoplasma, è il lato a contatto con l’esterno). I 2

strati lipidici possono differire tra di loro per: composizione in fosfolipidi, orientamento spaziale di ciascuna proteina

(dominio extracellulare e dominio citoplasmatico oltre al dominio centrale che prende contatto con le code idrofobiche),

carboidrati che sono localizzati solo sulla regione esterna della proteina transmembrana.

Da dove derivano le membrane plasmatiche e le membrane cellulari in generale? Le “nuove” membrane derivano da

membrane pre-esistenti. Una specifica membrana plasmatica accoglie fosfolipidi e proteine secondo un disegno ben

preciso, perciò ci sono membrane pre-esistenti e il loro accrescimento è dovuto all’inserimento di nuovi fosfolipidi e di

nuove proteine che vengono sintetizzati e localizzati nella matrice fluida del doppio strato.

Riassumendo…

Una membrana plasmatica è dotata di una componente fosfolipidica e di una proteica. Per definizione è un involucro

semi-permeabile e quindi lascia passare del materiale per semplice diffusione (pochissime molecole), mentre tutto il

resto ha bisogno di proteine trasportatrici localizzate a livello di questa struttura (es. Proteine transmembrana). La cellula

controlla quindi ciò che deve entrare e ciò che deve uscire: gli ioni non passano liberamente, ma hanno bisogno delle

proteine canale. Altre proteine sono localizzate a livello della membrana plasmatica e recepiscono segnali esterni. È

quindi presente un sistema endomembranoso che compartimentalizza tutta la membrana.

Le funzioni della membrana plasmatica

La membrana plasmatica può essere vista come una barriera nei confronti delle molecole indesiderate e come un filtro

selettivo per le molecole di cui la cellula ha bisogno, ma che possono passare solo dopo un attento controllo.

Il trasporto, attraverso la membrana plasmatica, è una caratteristica che tutte le cellule devono avere. Ogni tipologia

cellulare deve avere una peculiarità nel corredo proteico e fosfolipidico che garantisca questa funzione di trasporto. A

livello delle cellule il trasporto è stato specializzato in modo da garantirsi la capacità di accumulare nel citoplasma