Modulo di citologia (1)

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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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steroidi (colesterolo).

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

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o recettori.

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

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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, i