Riassunti di citologia

La membrana plasmatica

La membrana plasmatica, detta anche plasmalemma o membrana cellulare, è un involucro, una struttura trilaminare dello spessore di 7,5 nm, dinamica in grado di formare invaginazioni. La membrana è formata da due facce:

• Foglietto citoplasmatico interno
• Foglietto esoplasmatico esterno

Nel foglietto interno troviamo principalmente fosfatidilserina, fosfoetalonammina e fosfoinositolo; nel foglietto esterno troviamo globuli rossi, sfingolipidi e fosfatidilcolina. Negli organismi procarioti la membrana cellulare è ricoperta da un rivestimento chiamato parete batterica, nelle cellule vegetali invece c'è la presenza di una parete cellulare divisa in primaria e secondaria. La membrana delimita la cellula separandola dall'ambiente esterno, questa separazione è valicabile; media i rapporti di segnalazione tra interno e esterno, ed è sede di molte attività enzimatiche.

Caratteristiche della membrana

Gli eventi più macroscopici sono: il movimento legato al citoscheletro, la fluidità e l'azione di resistenza. I principali fattori che determinano la fluidità sono oltre alla temperatura, la lunghezza degli acidi grassi, caratteristiche della testa polare, concentrazione del colesterolo nella membrana ecc..

• Discontinuità, perché le proteine integrali interrompono la struttura lipidica
• Fluidità che dipende dalla qualità dei lipidi che la formano
• Asimmetria per la distribuzione asimmetrica di alcuni lipidi e di molti peptidi e glucidi

La membrana è costituita da lipidi, proteine e glucidi (esosi, esoammine e acido sialico). Per quanto riguarda i lipidi sono stati descritti diversi tipi di movimenti che possono essere intramolecolari e intermolecolari:

• Rotazione intorno ai legami semplici C-C
• Rotazione intorno all'asse longitudinale
• Rotazione intorno all'asse trasversale
• Diffusione laterale
• Movimenti collettivi

Lipidi e proteine della membrana

I principali lipidi presenti nella membrana sono gli acidi grassi che possono essere saturi o insaturi. Gli acidi grassi insaturi presentano un doppio legame e quindi una struttura spezzata. Gli acidi grassi si legano al glicerolo tramite una reazione di condensazione: COOH + HO - R. Formando trigliceridi (molecole eccessivamente apolari); sul terzo gruppo si lega un gruppo fosfato (che può essere esterificato dalla colina per formare fosfatidilcolina, il fosfolipide più abbondante nella membrana) formando fosfogliceridi. Oltre che ai fosfogliceridi abbiamo sfingolipidi e colesterolo.

Gli sfingolipidi derivano dalla sfingosina e il più abbondante è la sfingomielina mentre il colesterolo è uno steroide a 4 anelli idrocarburici che diminuisce la mobilità del foglietto lipidico e aumenta lo spessore della membrana di 0.5 nm.

Nel momento in cui io prendo tutte queste molecole nell'acqua, vediamo una diversa orientazione: testa nell'acqua (idrofilia) e coda fuori (idrofobica). Queste strutture "testa-coda" possono formare delle micelle (un insieme di strutture) che possono essere compatte se le code sono sature, non compatte se le code sono insature. Un fosfolipide può cambiare il proprio strato, e la capacità di scambiarsi nel foglietto è un processo molto veloce che prende il nome di flip-flop.

La distribuzione nel foglietto è asimmetrica solo il colesterolo ha uguale simmetria, invece la fosfatidilserina avendo carica negativa va a presentarsi verso il foglietto interno e poi pian piano verso quello esterno. I lipidi di membrana si muovono tramite zattere lipidiche che sono domini orientati formati da regioni ricche di fosfolipidi e colesterolo che nuotano in un mare di fosfolipidi meno orientati.

Per quanto riguarda le proteine viene considerato come più attendibile il modello a mosaico fluido di Singer e Nicolson che afferma che ogni proteina è circondata da 30-40 lipidi. Nella membrana abbiamo la presenza del 50% di proteine che possono essere:

• Intrinseche (integrali)
• Estrinseche (periferiche)

Le proteine intrinseche possono essere estratte solo con l'uso di detergenti e attraversano il doppio strato fosfolipidico una o più volte. Si dividono in:

• Monoprotice: proteine associate a un solo lato della membrana
• Monopasso: proteine che attraversano il doppio strato una sola volta
• Multipasso: proteine che attraversano il doppio strato lipidico più volte

Le proteine estrinseche invece vengono estratte da soluzioni alcaline (carbonato a PH 11) senza alterare il doppio strato fosfolipidico. Esse sono localizzate sulla membrana solo per interazioni di tipo elettrostatico come la miristilazione (irreversibile) dal miristato (C14) su N-terminale oppure la palmitoilazione (reversibile) dal Palmitoilato (C16) tipicamente su cys. Le proteine estrinseche si possono dividere a loro volta in:

• Proteine periferiche di membrana
• Proteine periferiche ancorate a lipidi

Le proteine generalmente si suddividono in struttura primaria e secondaria e la loro forma può essere ad alfa-elica e o a foglietto beta.

Rapporti tra membrana e citoscheletro

Per quanto riguarda i rapporti tra membrana e citoscheletro, ricordiamo i globuli rossi che passano all'interno dei capillari deformandosi e assumendo una struttura a dischetto schiacciato. Questa forma è data appunto dal citoscheletro tramite una sostanza chiamata spectrina.

Carboidrati di membrana

I carboidrati di membrana più rappresentati sono glucosio, galattosio e acetilglicosammina. Questi zuccheri per condensazione formano dei legami in varie posizioni ad esempio catene ramificate. Il glicocalice invece è una struttura extracellulare che ricopre la superficie esterna dei tessuti, una guaina che si trova principalmente negli epiteli. Il glicocalice è lo strato più esterno della membrana plasmatica costituito da carboidrati legati covalentemente alle proteine o ai lipidi di membrana. Protegge la cellula. Al microscopio elettronico appare come una polverina granulare che ricopre completamente la parte superiore del tessuto. In alcuni tessuti è possibile notare una zona amorfa di circa 20 nm di spessore. La parte più esterna del glicocalice è costituita da GAG invece la parte amorfa da glicoproteine. Tra le funzioni del glicocalice abbiamo:

• Riconoscimento cellulare
• Inibizione da contatto
• Interazione cellulare
• Assorbimento e ritenzione vicino alla superficie cellulare di enzimi (es. enterociti)

Permeabilità e trasporto di membrana

Per quanto riguarda la permeabilità di un doppio strato fosfolipidico è importante stabilire se una molecola sia polare o meno. Lo ione per attraversare il doppio strato deve prima perdere la propria acqua e poi far passare prima la testa e poi la coda. Sostanze come ossigeno, anidride carbonica, urea e etanolo riescono a passare facilmente il doppio strato (per diffusione semplice o passiva) invece l'acqua può passare lentamente il doppio strato. Altre sostanze che possono passare solo attraverso proteine sono sottoposte ad un controllo più elevato. Oltre alla diffusione semplice esiste anche una diffusione facilitata, quella attraverso pompe, canali e trasportatori.

Le pompe, dette anche ATPasi di trasporto, sfruttano l'idrolisi di ATP per trasportare ioni o protoni contro il gradiente di concentrazione con consumo di energia. Si dividono in tre classi:

• ATPasi di tipo P
• ATPasi di tipo F e di tipo V

Quelle di tipo P sono deputate principalmente al trasporto di ioni mentre quelle di tipo F e V al trasporto di protoni tra cui quelle di tipo F si trovano nei mitocondri e quelle di tipo V nei lisosomi. Tra le pompe ricordiamo:

• Pompa calcio: trasporta calcio fuori dalla cellula o all'interno del RE
• Pompe proteiche: trasportano idrogenioni all'interno dei lisosomi per mantenere basso il loro PH
• Pompa sodio-potassio: trasporta contemporaneamente 3 Na fuori dalla cellula e 2 K⁺ dentro

I canali mediano il trasporto di ioni tra l'ambiente extracellulare e il citoplasma o tra compartimenti diversi della cellula secondo gradiente di concentrazione. Gli ioni possono passare a seconda se il canale è aperto o chiuso. Esistono due tipi di canale:

• Canali ionici ligando dipendenti
• Canali ionici voltaggio dipendenti

I trasportatori infine sono molecole che permettono il passaggio specifico di specifiche sostanze e si parla di:

• Uniporto (in un'unica via) secondo gradiente
• Sinporto contro gradiente
• Antiporto contro gradiente

Inoltre esistono le acquaporine che sono proteine che formano pori specifici per il passaggio selettivo di acqua (chiamati anche canali d'acqua) formate da 4 subunità proteiche, e i cotrasportatori che sono proteine che accoppiano il passaggio di una molecola secondo gradiente a una contro gradiente.

Potenziale di membrana

Per quanto riguarda il potenziale di membrana, essendo ioni, cioè carichi non riescono ad oltrepassare la membrana. Facendo finta che vi siano dei canali che fanno passare solo K⁺ si rompe l'equilibrio iniziale e il secondo ione cerca di andare dall'altra parte. Questa differenza di potenziale è data dall'equazione di Nernst. Per esempio: nel caso di canali sodio e canali potassio chiusi il potenziale è zero, se apriamo i canali del K⁺ diventa -98mV se apriamo quelli del Na⁺ +68 mV e se abbiamo una pompa sodio-potassio -80mV.

Ligandi e recettori

Ligando = molecola in grado di legare una biomolecola e formare un complesso in grado di svolgere o indurre una funzione biologica. Possono essere considerati ligando i substrati, gli inibitori, gli attivatori e i neurotrasmettitori. (si attivano solo quei determinati ligandi che corrispondono alla forma del recettore)

Recettore = proteina trans membrana o intracellulare che si lega con il ligando causando nel recettore una variazione conformazionale. Si dividono in:

• Recettori trans membrana (ionotropi e metabotropici)
• Recettori intracellulari (citosolici e nucleari)

Citoplasma

Il citoplasma è il volume interno della cellula escluso il volume del nucleo, è formato da citosol (ialoplasma) inclusi organuli e citoscheletro. Per quanto riguarda gli organuli troviamo:

• Mitocondri
• Ribosomi
• Lisosomi
• Perossisomi
• RE
• Apparato di Golgi
• Centrioli

È proprio nel citoplasma che avvengono le principali attività della vita cellulare, quali il metabolismo, la respirazione cellulare, la glicolisi e così via.

Citoscheletro

Per quanto riguarda il citoscheletro invece, è molto dinamico e permette alle cellule di cambiare la loro forma, è costituito da microfilamenti, filamenti intermedi e microtuboli. I filamenti proteici del citoscheletro sono strutture sottili che possono raggiungere decine di micromeri di lunghezza e in alcuni casi persino diversi cm. I microfilmanti sono lunghi 6 nm e sono costituiti da actina, hanno quindi forma ad elica distorta. I filamenti intermedi di 8-10 nm si distribuiscono intorno al nucleo e fra le cellule e a differenza degli altri filamenti non sono polarizzati e quindi sono più stabili. I filamenti intermedi possono legare diverse tipologie proteiche tra cui la desmoplacchina, la plectrina e l'ankyrina. I microtuboli di 25 nm si orientano a raggiera verso la periferia/membrana.

Microfilamenti

Nei microfilamenti abbiamo la G-globulina con forma globulare con diametro di 5.4 nm che tende ad auto assemblarsi in un filmanto di actina (42,4 kDa con 4 siti a bassa affinità per il Ca), chiamato F-actina dove si nota l'andamento destroso. Questo filamento ha le estremità che non si equivalgono e questo si nota ancora di più se aggiungo un preparato di miosina formando delle punte di freccia dove si ha verso l'alto l'estremità a punta (-) e verso il basso l'estremità a spina (+).

Ogni singola subunità di actina si può legare ad altre due subunità formando così un polimero lineare tramite polarizzazione. La situazione si complica se alla G-globulina se ne aggiunge anche un'altra infatti aumenta la velocità di idrolisi di ATP passando quindi da ACTINA ATP a ACTINA ADP. L'actina ADP tende a dissociarsi, i monomeri ATP si legano all'estremità + mentre l'ADP si trova all'estremità -; si forma quindi una sorta di tappeto dove avviene l'idrolisi di ATP e l'aggiunta di monomeri ATP spinge la catena verso l'espulsione di ADP, questo processo prende nome di Treadmilling.

Per quanto riguarda la polarizzazione dell'actina avviene in 4 fasi:

• Attivazione del monomero (cambiamento conformazionale della molecola proteica)
• Nucleazione (actina forma nuclei di polimerizzazione)
• Allungamento (aggiunta nuovi monomeri)
• Ricucitura o annealing (i filamenti corti si legano insieme)

Questo fenomeno viene descritto dalla curva sigmoide dove si descrive un ritardo che corrisponde alla prima e alla seconda fase. I singoli microfilamenti vengono organizzati e integrati dalle proteine leganti l'actina, tra queste ricordiamo:

• Profilina: si lega alla spina del monomero (sul lato +) ne esistono di diversi tipi come PFN1, PFN2, PFN3, PFN4 (12.5 – 16 kDa)
• Cofilina ADF: depolimerizza l'actina e dissocia monomeri
• Timosina –Beta: lega la G-actina impedendo la formazione di filamenti

Esistono inoltre proteine leganti lateralmente i filamenti di actina come:

• TROPOMIOSINA: di 70 kDa formato da due sub unità ripiegate ad alfa elica.
• NEBULINA
• CALDESMONE: dimero con due sub unità di 150 kDa

Troviamo poi proteine chiamate:

• ALFA-ACTINA: dimero con sub unità