Le membrane cellulari: struttura, funzioni e modello a mosaico fluido

BIOLOGIA CELLULARE

LE MEMBRANE CELLULARI

Le membrane cellulari sono cruciali per la vita della cellula. Se prendiamo in considerazione una cellula batterica, possiamo dire che la sua membrana cellulare, chiamata anche membrana plasmatica, racchiude la cellula, ne definisce i confini e mantiene le differenze essenziali fra il citosol e l'ambiente extracellulare. Nelle cellule eucariotiche, la struttura è molto più sofisticata. Queste cellule possiedono non solo una membrana plasmatica che funge da confine con l'esterno, ma anche un elaborato sistema di endomembrane, il quale permette di mantenere le diffenze caratteristiche fra il contenuto di ciascun organello e il citosol. Questo sistema di membrane è fondamentale per la compartimentalizzazione della cellula. Possiamo immaginarne la cellula come una grande stanza che contiene tante stanze più piccole, ognuna delimitata da membrane specifiche.

Le membrane non si limitano a svolgere il ruolo di barriera tra l'interno e l'esterno della cellula o dell'organello: esse sono anche aree di grande attività, dove avvengono reazioni enzimatiche e il trasporto di molecole essenziali.

Questa compartimentalizzazione è una delle chiavi che rende le cellule eucariotiche così efficienti e complesse, contribuendo alla loro capacità di svolgere molteplici funzioni in maniera coordinata.

A differenza delle cellule batteriche, che hanno una semplice membrana plasmatica, le cellule eucariotiche sono organizzate in un complesso sistema di membrane intracellulari. Questo sistema crea compartimenti specifici, detti organelli, che permettono alle cellule di svolgere funzioni altamente specializzate. Ad esempio, il mitocondrio, con la sua membrana interna, rappresenta un microambiente ideale per i processi energetici.

IL MODELLO A MOSAICO FLUIDO

Le membrane cellulari, inoltre, non sono semplici barriere passive. Sono strutture dinamiche che svolgono ruoli fondamentali, come il trasporto di molecole e l'ancoraggio di enzimi per catalizzare reazioni essenziali. Questa complessità strutturale e funzionale è descritta dal modello del mosaico fluido, proposto da Nicolson e Singer nel 1972.

Secondo questo modello, le membrane biologiche sono organizzate in un doppio strato lipidico, con le teste polari che rivolgono verso l'esterno della membrana e le code idrofobiche all'interno. All'interno delle membrane ci sono interazioni sia idrofobiche che idrofiliche tra i lipidi e le proteine di membrana, che sono anfipatiche.

Negli anni 50 del 900 ci fu l'avvento della microscopia elettronica, che permetteva di osservare direttamente le membrane. Le prime cellule ad essere studiate furono i globuli rossi, che non avendo organelli sono facili da analizzare. Per osservarne la membrana (visibile in bianco e nero), il campione biologico viene colorato con sali di metallo pesante e la sorgente luminosa è la sorgente di elettroni. I metalli pesanti (come l'Ag) si legano alle regioni idrofiliche e quindi risultano nere.

Nella foto la parte più nera è rappresentata dalle teste idrofiliche e la parte chiara dalle code idrofobiche. Lo spessore è tra i 5-8nm, quindi i lipidi che compongono la membranai vanno dai 12- 14 atomi di C fino ad un massimo di 22-24. Il doppio strato è lo stato più energeticamente favorevole 1BIOLOGIA CELLULARE attraverso il quale i lipidi possono interagire in ambiente acquoso. Gli unici lipidi che non possono interagire nelle membrane plasmatiche sono i trigliceridi perché non hanno la testa polare.

Riassumendo la struttura delle membrane, possiamo dire che:

• Sono costituite da lipidi, la cui maggioranza è composta da fosfolipidi;
• Hanno una struttura uguale in cellule diverse di organismi diversi;
• Sono formate da un doppio strato;
• Sono fluide.

LA FLUIDITÀ DI MEMBRANA

La fluidità di membrana è dimostrata dall'esperimento di fusione cellulare di Frey ed Edidin (1970). I due scienziati decisero di fondere la membrana di una cellula animale con quella di una cellula umana. Questa fusione portò alla produzione di una cellula ibrida, in cui le proteine di topo erano state evidenziate con un colore e quelle umane con un altro. Quando la temperatura veniva aumentata, si osservava che i colori si mischiavano, dimostrando che le proteine si muovevano liberamente all'interno della membrana. Questo esperimento, dunque, è stato cruciale per confermare la fluidità delle membrane biologiche.

Se immaginiamo la disposizione dei lipidi nelle membrane, i gruppi polari si orientano verso l'acqua, mentre i gruppi non polari si richiudono verso l'interno. Nelle membrane cellulari, i lipidi principali sono i fosfolipidi. Se un lipide ha una struttura molecolare che nello spazio assume una forma conica si formeranno micelle lipidiche, poiché i lipidi hanno una sola coda. Al contrario, i fosfolipidi, che hanno due code e una forma cilindrica, danno origine a doppi strati lipidici. In ogni caso, le teste polari dei lipidi sono sempre rivolte verso l'acqua.

Ciò implica che esistono lipidi nelle membrane che favoriscono la curvatura, essenziale per la formazione delle vescicole, un processo cruciale per il traffico cellulare. Alcune membrane biologiche, come quella plasmatica, possono generare curvatura, tuttavia non vuol dire che tutte le membrane non sono in grado di farlo.

Nelle membrane plasmatiche in media ci sono la stessa quantità di lipidi e proteine.

Nella mielina (guaina membranosa che rivolge gli assoni) i lipidi sono molti di più delle proteine, e ciò serve all'isolamento elettrico.

Nella membrana mitocondriale interna invece ci sono molte più proteine, e ciò serve a specializzare la membrana per svolgere le sue varie funzioni.

I LIPIDI DI MEMBRANA

Nelle membrane possiamo distinguere diversi tipi di lipidi:

• Fosfolipidi, tra cui glicerofosfolipidi e sfingolipidi;
• Steroli;
• Glicolipidi.

La membrana mitocondriale interna non contiene steroli, cosi come la membrana dell'E. Coli, ciò è una prova della teoria endosimbiontica.

2BIOLOGIA CELLULARE Tutti i lipidi di membrana sono anfipatici, cioè hanno un'estremità idrofilica e polare, e un'estremità idrofobica e non polare. Le molecole più abbondanti presenti nella membrana sono i fosfolipidi.

I fosfolipidi hanno una testa polare e due code idrocarburiche idrofobiche, di solito acidi grassi che contengono tra i 14 e i 24 atomi di carbonio. Una coda, in genere, contiene uno o più doppi legami cis, ed è quindi insatura, mentre l'altra non ne contiene, ed è perciò satura. L'insaturazione è importante perché contribuisce alla curvatura della membrana, che ne regola la fluidità.

I fosfolipidi principali della maggior parte delle membrane cellulari animali sono i fosfogliceridi, che hanno un'ossatura di glicerolo a tre atomi di carbonio, e gli sfingolipidi, che sono invece costituiti da sfingosina. Nei fosfogliceridi, la struttura base è l'acido fosfastidico. Negli sfingolipidi, la base è composta da ceramide.

Il gruppo fosfato dei fosfogliceridi può essere legato a parecchi gruppi differenti nelle membrane cellulari dei mammiferi: i principali fosfogliceridi sono fosfatidilserina, fosfatidiletanolammina e fosfatidilcolina. Il più comune sfingolipidi è la sfingomielina, che contiene una coda di acido grasso attaccata al gruppo amminico della sfingosina e una molecola di fosfocolina legata al gruppo ossidrilico terminale.

Altri fosfolipidi, sebbene presenti in minore quantità, svolgono comunque importanti funzioni. Un esempio possono essere i fosfolipidi inositolo, che hanno un ruolo cruciale nella guida del traffico di membrana e nella segnalazione cellulare.

Se viene aggiunto uno zucchero allo sfingolipide, si ottengono i glicosfingolipidi. Lo zucchero può essere monosaccaride (neutro) e il lipide è detto cerebroside, oppure un oligosaccaride complesso (che contiene sempre acido sialico che ha carica negativa), e il lipide è detto ganglioside.

Il colesterolo è il principale steroide nei mammiferi. È quasi completamente idrofobico, tranne per la testa OH che gli permette di intercalarsi tra i lipidi di membrana.

Una delle caratteristiche più importanti del doppio strato lipidico è la fluidità, che è importante per molte funzioni della membrana. La struttura del doppio strato lipidico è abbastanza stabile, ma le singole molecole di fosfolipidi hanno una certa libertà di movimento, data dal fatto che le interazioni tra i componenti della membrana sono non covalenti.

Aggiunta dagli appunti di chimica: Il grado di fluidità di membrana dipende dalla composizione lipidica e dalla temperatura. In modo particolare vi è una temperatura, detta di transizione, a cui corrisponde uno stato di fluidità intermedio tra lo stato paracristallino e quello fluido e più è elevata la percentuale di acidi grassi, maggiore sarà il valore della temperatura di transizione.

Il colesterolo diminuisce la fluidità di membrana a temperature elevate perché si intercala nei suoi anelli rigidi; aumenta la fluidità a basse temperature perché impedisce che le catene idrocarburiche dei fossero lipidi si assestino adeguatamente quando la temperatura si abbassa riducendo la tendenza alla gelificazione; diminuisce la permeabilità di membrana ai piccoli ioni perché riempie gli spazi tra gli idrocarburi dei fosfolipidi.

La composizione delle membrane interne è diversa e dipendente dal metabolismo lipidico, che avviene nelle membrane del reticolo endoplasmatico liscio con enzimi citosolici. Nell'apparato di 3BIOLOGIA CELLULARE Golgi avviene la sintesi dei glicolipidi complessi dopo l'iniziazione del reticolo endoplasmatico. Nei mitocondri avviene la sintesi della cardiolipina.

Il principale sito di sintesi dei lipidi è il REL. Essi vengono distribuiti attraverso due meccanismi:

• Dipendente dalle vescicole, in cui i lipidi vengono trasportati all'interno di vescicole che si fondono con le membrane degli organelli bersaglio.
• Indipendente dalle vescicole, mediato da proteine specifiche, chiamate lipid transfer proteins (LTP), che funzionano come uno shuttle per trasferire i lipidi direttamente agli organelli.

Il meccanismo indipendente dalle vescicole è altamente efficiente grazie alla formazione di siti di contatto tra le membrane degli organelli. In questi punti, le membrane degli organelli rimangono abbastanza vicine da consentire il trasferimento diretto dei lipidi, pur mantenendo la loro individualità strutturale. Esistono proteine e altri fattori che stabilizzano questi siti di contatto.

Un esempio importante di questo processo è il sito di contatto che si forma tra il reticolo endoplasmatico e l'apparato di Golgi, che facilita il trasferimento di lipidi tra questi due compartimenti.

(Possibile collegamento con l'ADI)

Da analisi di tipo biochimico si è visto che si contano più di 1000 specie differenti di lipidi e circa il 5% dei nostri geni codificano per la sintesi di enzimi che sono coinvolti nella sintesi di lipidi.

I lipidi svolgono sia funzione strutturale che di messaggero chimico.

Il fosfatidil-inositolo può essere fosforilato a livello di diversi OH dell'inositolo e la quantità di questi lipidi è regolata dalla presenza di specifiche chinasi e fosfatasi.

Ogni compartimento ha il suo set di fosfoinositidi. Questi danno identità molecolare agli organelli e possono reclutare specifiche molecole e quindi svolgono la funzione di molecole organiche.

ESEMPIO 1

Uno stimolo extracellulare viene recepito da proteine di membrana dette recettori che vanno ad attivare una chinasi che catalizza la fosforilazzazione in posizione 3 del PI(4,5)P2 e sintetizza il PI(3,4,5), che è un docking site, ovvero un attacco per una cellula segnale (in questo caso, dice alla cellula di sopravvivere).

ESEMPIO 2

Una proteina multi passo attiva, dopo l'arrivo del segnale, una lipasi che taglia il fosfato che fa da ponte tra gli acidi grassi e l'inositolo. Si formano il diacilglicerolo e IP3, che attivano una proteina chinasi. In più l'IP3 induce nel reticolo endoplasmatico, il rilascio di Ca^2+.

Patologia Charcot-Marie-Tooth

Sono state trovate malattie genetiche riguardanti le fosfainositolo fosfatasi e chinasi. Quello che ormai sembra evidente è che l'assenza delle chinasi è incompatibile con la vita. Questa malattia è causata da mutazioni che forniscono informazioni per la produzione di proteine coinvolte nella funzione dei nervi.

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