Membrana cellulare

I lipidi

Gli acidi grassi sono un gruppo di lipidi fondamentali per la membrana e sono fatti da un gruppo carbossilico COO (degli acidi carbossilici, quindi sono acidi). La parte di "grasso" è la catena alifatica formata da una catena di atomi di carbonio, formano legami con atomi di H oltre che tra atomi di carbonio della catena. Questa molecola è polare (si lega all’acqua perché ha una carica negativa sulla testa carbossilica), la coda non è polarizzata (non c'è sbilanciamento di cariche) e quindi non si lega all'acqua, è idrofoba.

Una molecola di questo tipo si chiama satura (tutti i legami tra atomi di carbonio sono singoli). Questa ha 16 atomi di C e quindi viene chiamata C16. Se ad ogni atomo do una sferetta nello spazio, ha un’altra forma — il cilindretto che rappresenta la molecola in questo caso è l’acido palmitico (C16 saturo).

Se prendo un’altra molecola simile ma al centro ha un doppio legame tra atomi di C (C18), in questo caso l’acido oleico, è un grasso insaturo. Questa differenza si nota anche dal punto di vista strutturale perché una è ripiegata su se stessa e l’altra no. La differenza è che uno è solido (grassi saturi) e l'altro è liquido (grassi insaturi) — la differenza è dovuta alla presenza del doppio legame. Gli insaturi reagiscono con interazioni forti una accanto all’altra e si dispongono impacchettandosi, mentre gli insaturi sgomitano per via della piega e quindi non si compattano tra di loro (interazione tra molecole è ridotta).

I grassi saturi si associano tra di loro e lo fanno a livello delle arterie creando placche di colesterolo (ateromi), gli insaturi invece scivolano tra di loro e non creano agglomerati. Più doppi legami ci sono e meglio è (possono essere polinsaturi gli acidi grassi).

Ci sono anche i grassi idrogenati (come la margarina) che sono grassi insaturi resi saturi attraverso l’idrogenazione (aggiungo atomi di idrogeno che si legano agli atomi di C rompendo i doppi legami). In corrispondenza del doppio legame la molecola si ripiega, quindi anche se ci sono più atomi di carbonio lo spessore e la lunghezza è uguale a quella di una molecola con meno atomi di C. Questa caratteristica viene usata dalla natura unendo molecole sature ed insature per avere uno spessore uguale (stessa lunghezza anche se atomi diversi).

Fosfogliceridi e trigliceridi

Le membrane sono fatte con fosfogliceridi — acidi grassi + glicerolo. Il glicerolo è un alcool a 3 atomi di C, ha 3 gruppi OH su cui il gruppo carbossilico può andare a legarsi e si forma un legame. Così produco un monogliceride poiché ho un lipide attaccato al glicerolo. Siccome ho altri gruppi liberi posso attaccare più molecole di acidi grassi al glicerolo — se ne attacco tre ho i trigliceridi (glicerolo + 3 catene di acidi grassi), se ne ho 2 allora si chiamano digliceridi. Non sono coinvolti nella formazione di membrane e sono idrofobici (funzione energetica nel tessuto adiposo).

Per ottenere un fosfogliceride ci fermiamo a 2 catene di acidi grassi attaccati alla molecola di glicerolo. Posso avere più combinazioni di acidi grassi, quella più comune è quella con acido palmitico e un acido oleico. Il terzo gruppo OH legato al terzo C si lega a un gruppo fosfato. Sul fosfato posso attaccare un alcool. Creo un fosfogliceride — al centro ha il glicerolo, gli acidi grassi stanno sul C2 e C1, sul C3 si trova il fosfato ed al fosfato aggiunto un’altra molecola che posso scegliere in base al refettorio della cellula (etanolammina, colina, serina… — fosfatidilcolina, fosfatidilserina…).

La coda è variabile poiché posso mettere saturi ed insaturi diversi ed anche la testa è variabile in base a cosa si lega al gruppo fosfato. La forma della molecola però è questa. Fosfogliceridi differiscono tra di loro per queste caratteristiche. Il fosfato ha già una carica negativa (come l’alcool) ed abbiamo una molecola anfipatica (la testa idrofila e la coda idrofobica).

Singolipidi

Non ci sono solo i fosfogliceridi per comporre le membrane — la sìngosina è un'alternativa al glicerolo (ha incorporata una catena di 12 atomi di C) su di essa posso legare un secondo acido grasso (all’azoto). Singolipidi sono equivalenti dei fosfogliceridi ma derivano dalla sìngosina. Essi possono formare glicosìngolipidi se si attaccano ad uno zucchero oppure alla cool glicosìngomielina.

In questo caso abbiamo sempre due code, ma sature, ed una testa con gruppo fosfato e alcool. È sempre anfipatica ma è più lunga (catene sature più lunghe) e più rigida, questo dà maggiore capacità di legarsi a molecole.

Ruolo del colesterolo

Se parliamo di membrane animali non può mancare il colesterolo — è piccolo e tozzo nella sua rappresentazione tridimensionale. Entrambe le molecole (singolipidi e glicerofosfolipidi) sono anfipatiche e quindi si prestano a formare membrane.

Fosfolipidi — lo sono sia singolipidi che fosfogliceridi. Il colesterolo ha solo una piccola componente idrofila (il resto è tutto idrofobo). Questo lo rende diverso dai fosfolipidi perché hanno una grande testa polare.

I fosfolipidi in acqua si dispongono con le teste a contatto con l’acqua (esterno ed interno della cellula) e le code in aria (vale a dire tra di loro) — si è scoperto che la membrana era un doppio strato fosfolipidico e non un singolo strato attraverso un esperimento dei biologi Garter e Grendel che presero del sangue e lo guardarono al microscopio.

Sapendo il volume della cellula e contando quante ne ho in 1 mm cubo (densità) posso sapere quanti globuli rossi ho nella provetta. Vengono rotte le cellule per studiare le loro membrane e i fosfolipidi che le compongono vengono stesi sull’acqua. Prendo il preparato di lipidi isolati e lo stendo sull’acqua dove si osservano fenomeni di rifrazione che mi fanno vedere dove si trovano i lipidi. Costruisco la bilancia di Langmuir dove ho una barriera che posso spostare e dell'acqua dove si trovano i lipidi. Sposto la barriera in modo tale da far occupare ai lipidi tutto lo spazio disponibile e so così qual è l’area di membrana che ho isolato.

Misuro la superficie dell’esperimento, stimo dal microscopio la superficie di un globulo rosso (sapevo quanti globuli rossi avevo isolato) e quindi riesco a calcolare la superficie totale di membrana dei globuli rossi visti al microscopio. La misura della superficie ottenuta attraverso la bilancia di Langmuir però è il doppio di quella totale stimata. Questo si spiega dicendo che i lipidi si appaiano creando un doppio strato di molecole. La cellula infatti ha acqua sia fuori che dentro e si dispongono a doppio strato con teste idrofile a contatto con esterno ed interno (non fa una micella e neanche un liposoma).

Questa disposizione dei lipidi mi dà la struttura trilaminare chiaro (le code) e scuro (le teste). Per arrivare ad avere 7,5 nm di spessore dobbiamo aggiungere anche le proteine di membrana. Tutto si muove, le molecole di acqua se trovano spazio nella membrana.

Comportamento delle membrane

All’interno del doppio strato fosfolipidi si crea una zona anfipatica che esclude la presenza dell’acqua. Le molecole d’acqua se trovano uno spazio vanno nello spazio della membrana tra le teste. Le molecole si autoassemblano — essendo molecole anfipatiche il miglior modo per organizzarsi in acqua è questo e lo fanno spontaneamente.

Può anche autoripararsi — se faccio un buco nella membrana essa si ripara perché i fosfolipidi vogliono tornare ad essere coesi tra di loro. La membrana non scoppia ma si allarga e si richiude. Legge di assemblaggio spontaneo. Si può entrare con capillari di vetro dentro la cellula e non si rompe, quando lo estraggo non scoppia, la membrana si richiude — riesce ad autoconservarsi (questo accade in acqua poiché le molecole anfipatiche vogliono disporsi così).

La membrana se fosse statica una volta fatto il buco esso rimarrebbe — nel telaio della cellula le molecole sono capaci di richiudersi e muoversi — la membrana è una struttura fluida e dinamica.

La membrana è un fluido bidimensionale: è come se fosse un liquido e questo dipende da quante code insature o sature ha e dipende anche dalla temperatura. Se ci fosse un doppio strato solo saturo, i fosfolipidi si ancorerebbero tutti insieme in modo cristallino (sarebbe tutto più solido) la sua fluidità diminuisce. Si diminuisce la fluidità abbassando la temperatura — le molecole smettono di muoversi ed iniziamo a solidificare. Una membrana ricca di lipidi saturi avrà una maggiore capacità a solidificare e perdere fluidità.

Se prendo fosfolipidi insaturi (per via delle pieghe stanno più lontani) e non creano reticolo cristallino — aumenta la fluidità. Le cellule umane non hanno questo problema perché la nostra temperatura è costante. I lieviti invece stanno bene in un ambiente a temperatura maggiore ma possono stare anche al freddo (gestiscono bene i cambi di temperatura) — il lievito in frigo riduce la fluidità della membrana, per evitare questo problema inizia a produrre fosfolipidi insaturi e cambia la loro percentuale nella membrana.

Il salmone è ricco di acidi grassi insaturi — lui deve controllare la fluidità della membrana perché vive a temperature basse (deve avere membrane insature). Il colesterolo ha una testina idrofila che viene messa nell’ambiente acquoso, il resto sta in una porzione del doppio strato — se ho degli spazi tra le molecole (membrana ricca di fosfolipidi insaturi) le molecole di colesterolo vi entrano anche se poi si fermano trovando le code idrofobe (la membrana quindi diventa più permeabile e più fluida) — la membrana plasmatica deve essere meno permeabile e quindi più satura (deve essere più sicura).

La membrana degli organelli in base alla loro funzione può avere una membrana più o meno permeabile. Potrebbe anche accadere che alcune molecole trovino uno spazio tra le code idrofobe (insature) e quindi riescano a passare all’interno della cellula. Per salvare gli spazi e evitare che le molecole possano passare dalla membrana plasmatica si deve mettere delle molecole di colesterolo negli spazietti dove c’era l'acqua.

Il colesterolo quindi:

• Crea superfici di contatto con le code idrofobiche — interazioni con il colesterolo e le molecole di lipidi a cui è accanto. Aumentano le interazioni e viene stabilizzata la struttura, diminuisce però la fluidità ed anche la permeabilità.