Membrana Plasmatica: funzioni, struttura e modelli storici

MEMBRANA PLASMATICA

CHIAMATA ANCHE MEMBRANA CELLULARE E PLASMALEMMA La cellula verrà descritta in tutte le sue componenti. La membrana plasmatica è quella struttura che delimita una cellula eucariotica. Vedremo che ha un ruolo molto importante. La sua struttura poi si può applicare anche a tutte le altre membrane cellulari. Infatti tutte le cellule eucarioti che hanno al loro interno diverse compartizzazioni sono delimitate infatti da membrane cellulare.

MEMBRANA PLASMATICA o PLASMALEMMA MEMBRANA CELLULARE

Centrioli Granuli di secrezione Microtubuli Microfilamenti Nucle Reticolo endoplasmatico rugoso Microvilli Apparato di Golgi Membrana plasmatica Reticolo endoplasmatico liscio Membrana nucleare Mitocondrio Lisosoma

Funzioni della membrana

Le funzioni della membrana sono:

• Mantenere integra la struttura della cellula
• Separare il citoplasma dall'ambiente extra cellulare
• Controllare il flusso di molecole che possono entrare e uscire dalla cellula (processi di endocitosi e esocitosi)
• Dare la forma alla cellula
• Regolare i rapporti cellula-cellula: nelle cellule del tessuto epiteliali ad esempio la membrana plasmatica andrà a mediare le interazioni tra queste cellule che sono molto molto vicine tra di loro.
• E' la sede di specifiche reazioni
• Riceve segnali extracellulari e li trasmette all'interno della cellula

Struttura della membrana plasmatica

LA STRUTTURA: è stata descritta da singer e nicolson nel 1972 come modello a mosaico fluido. Questo modello ci dice che la membrana plasmatica è costituita da un doppio strato di lipidi nel quale sono immerse le proteine. Sia le proteine che i lipidi era stata detto si potessero muovere lateralmente e inoltre era stato detto che le membrane erano flessibili, le vescicole si potevano fondere con la membrana plasmatica. Questo articolo aveva fatto capire che la struttura della membrana plasmatica è una struttura plastica, malleabile che deve essere obbligatoriamente cosi per consentire delle funzioni molto importanti. Dunque è come se fosse un mare in cui le proteine si possono muovere. Inoltre questi lipidi sono LIPIDI CONIUGATI che vanno a formare il doppio strato lipidico. Le proteine possono essere: proteine intrinseche e estrinseche. Il terzo componente della membrana è quello dei carboidrati. Essi sono solo su un lato della membrana plasmatica. Sono solo sul lato esterno della cellula. Essi sono attaccati sia alla propteine che ai lipidi e dunque nella membrana sono presenti glicolipidi e glicoproteine.

peripheral proteins carbohydrates cholesterol molecule integral protein hydrophobic fatty acid chain hydrophilic polar head peripheral proteins Figure 2.3. Diagram of a plasma membrane showing the modified fluid-mosaic model.Per arrivare a questa struttura si è passati tramite diversi step. Già dall'inizio dell'800 si è iniziato ad ipotizzare la natura lipidica ma con il trascorrere degli anni si sono aggiunte sempre più informazioni.

Evoluzione dei modelli della membrana

1880 Apolare Polare (a) Natura lipidica della membrana Lipide Overton (b) Monostrato lipidico Langmuir Un po' di storia: modelli che illustrano la struttura della membrana plasmatica - 1920 (c) Doppio strato lipidico Gorter e Grendel > Davson e Danielli 1940 (e) Membrana unitaria Robertson - 1960 (1) Modello a mosaico fluido Singer e Nicolson Unwin e Henderson 1980 (g) Struttura di una proteina di membrana 2000 celica Simons e Ikonen (zattere e polarizzazione cellulare)

Overton (fine 1800): membrana come MONOSTRATO LIPIDICO e attraversabile dalle molecole apolari, ma non dalle molecole polari. > Gorter e Grendel (1925): i lipidi di membrana formano un DOPPIO STRATO LIPIDICO con le lunghe code apolari giustapposte fra loro e le teste polari rivolte verso l'ambiente acquoso esterno ed interno della cellula. > Davson e Danielli (1937): DOPPIO STRATO FOSFOLIPIDICO CON ASSOCIATI DUE STRATI PROTEICI e con pori per il passaggio di acqua e sostanze varie. Robertson (1960): prime immagini delle membrane cellulari al microscopio elettronico > MEMBRANA COME UNA STRUTTURA TRILAMINARE > Singer e Nicolson (1972): membrana come un MOSAICO FLUIDO costituito da un doppio strato fosfolipidico cui si trovavano associate due tipi di proteine (intrinseche ed estrinseche).

1900 (a) Doppio strato lipidico o strati proteici

Lipidi coniugati

PRIMA COMPONENTE: LIPIDI CONIUGATI C'è innanzitutto una differenza tra lipidi semplici e lipidi coniugati:

• i lipidi semplici sono completamente insolubili in acqua e dunque se avessimo questi lipidi moltissime sostanze non potrebbero passare attraverso la cellula che è composta in gran parte da contenuto liquido, citoplasma e si trova molte volte ad essere immersa in soluzioni acquose.
• i lipidi coniugati invece sono parzialmente solubili in acqua: dobbiamo avere dunque dei lipidi che hanno una testa polare che si aggiunge alle parti idrofobiche dei lipidi. Abbiamo necessariamente bisogno di questi lipidi.

Tipi di lipidi coniugati

CI SONO TRE TIPI DI LIPIDI CONIUGATI:

• steroli: come ad esempio il colesterolo.
• glicolipidi (attaccati alla proteina)
• fosfolipidi: sono i più abbondanti nella membrana plasmatica,

Fosfolipidi

FOSFOLIPIDI Sono formati da una parte idrofobica e una parte idrofilica La parte idrofilica è la testa del lipide ed è rappresentata da una testa. La parte idrofobica è invece formata da catene di acidi grassi. Sono formati da:

1. una molecola di glicerolo
2. due catene di acidi grassi che partono dalla molecola di glicerolo
3. radicale fosforico (legato al terzo gruppo alcolico del glicerolo)
4. una base azotata (legata al radicale fosforico) che può essere di quattro tipi: COLINA, SERINA, ETANOLAMMINA, INOSITOLO. A seconda della base fosfata legata al radicale fosforico il fosfolipide assume nomi diversi -Colina -> fosfatidilcolina -Serina -> fosfatidilserina -Etanolammina -> fosfatidil-etanolammina -Inositolo -> fosfatidilinositolo

FOSFATIDIL-ETANOLAMMINA acido fosforico o=P-0 glicerolo H, CH-CH, testa polare coda non polare H.C H.C CH CH, H.C M.C CH CH HỌC CH H.C HC CH, HỌC H.C CH CH M.C H.C CH HỌC ICH, CH2 HỌC CH catene di acidi grassi -COLINA SERINA -INOSITOLO HC CHOH-CHOH Nº-CH2-CH2 H-Nº-CH-CH2 H CHOH CH Coo" CHOH-CHOM

Anfipaticità dei lipidi coniugati

ANFIPATICITA: CONDIZIONE NECESSARIA PER LA DISPOSIZIONE DEI LIPIDI Grazie a questa loro proprietà i lipidi coniugati si vanno a disporre nella membrana in due strati e sporgono le teste polari verso i due ambienti acquosi, polari e le code idrofobiche invece non sono a contatto con l'acqua ma sono rivolte nella parte interna della membrana plasmatica. Così si capisce il perché del doppio strato della membrana. Nella foto: le parti scusa corrispondo alle teste dei foslìfolidi mentre le parti più chiare sono le code. Dunque si ha una struttura tri laminare.

ONH H-C-COOP serine CH2 O Gal 0=P-OO OH OH O CH2-CH-CH2 CH-CH-CH2 CH CH NH 0 CH C=0 HYDROCARBON TAIL HYDROCARBON TAIL CH2 CH2 CH2 HYDROCARBON TAIL HYDROCARBON TAIL CH CH3 CH3 phosphatidylserine (phospholipid) cholesterol (sterol) galactocerebroside (glycolipid) CH 2-0-0-5- C I fosfolipidi, gli steroli e i glicolipidi sono composti da porzione polare e non polare e sono chiamate molecole anfipatiche. Fig. 5.1 Microfotografia di membrana plasmatica osservata al microscopio elettronico a trasmissione. CH3 , CH3 CH

Acidi grassi saturi e insaturi

Inoltre nella membrana plasmatica le due catene di acidi grassi sono costituite da una catena satura e una insatura. Acidi grassi saturi sono a catena rettilinea Acidi grassi insaturi sono a catena ripiegata a livello del doppio legame. Il doppio legame è caratteristico dell catena insatura e la fa piegare. Se entrambe le catene fossero sature i fosfolipidi sarebbero troppo vicini tra di loro, questo comporterebbe una membrana plasmatica molto più rigida. Questa piega in una delle due catene fa sì che la membrana plasmatica sia più mobile e fluida. Ognuno dei fosfolipi può ruotare su se stesso e può anche muoversi lateralmente. Non hanno bisogno di energia, sono movimenti facili, comuni e frequenti. È possibile anche un movimento da uno strato all'altro, sono movimenti flip flop. È un movimento un po' più diffcile perché il fosfolipide deve ruotarsi per spostare la testa da un lato all'altro. È possibile grazie all'aiuto di enzimi, le flippasi, e anche di energia. I fosfolipidi possono variare perché la base azotata attaccata può essere di diverso tipo. Ma essi possono essere diversi anche per quanto riguardi gli acidi grassi che compongono le code.

Principali fosfolipidi

4 principali fosfolipidi sono

• FOSFATIDILETANOLAMMINA
• FOSFATIDILSERINA
• FOSFTATIDILCOLINA
• SFINGOMIELINA: sono una famiglia sottostante ai fosfolipidi, fanno parte di un sottogruppo dei lipidi che sono gli sfingolipidi. Alla fine della catena di acidi grassi non c'è più il glicerolo ma c'è la sfingosina, è una struttura molto simile al glicerolo ma è come se continuasse la catena degli acidi grassi. È stata chiamata così perché è molto abbondante nei neuroni ed è stata descritta per la prima volta nel tessuto nervosi.

Steroli e colesterolo

STEROLI: in particolare nella membrana plasmatica abbiamo il colesterolo che ha un gruppo OH che lo rende parzialmente solubile in acqua. Il colesterolo si inserisce tra i fosfolipidi impendendo che ci siano delle interazioni tra le code degli acidi grassi dei fosfolipidi. Il fatto che siano già un po' più lontane inibisce questa possibilità ma la presenza del colesterolo lo inibisce quasi totalmente e fa in modo che la membrana sia più fluida. Un altro parametro che fa in modo che la membrana sia più fluide le catene degli acidi grassi devono essere più corte.

Fluidità della membrana

La fluidità della membrana dipende:

• dalla presenza di doppi legami nelle catene idrocarburiche
• dalla presenza di colesterolo
• dalla lunghezza delle catene degli acidi grassi Numerose catene lipidiche corte ed insature > minori possibilità di contrarre interazioni idrofobiche tra le catene > maggiore fluidità della membrana

Glicolipidi

GLIGOLIPIDI: lipidi con attaccati dei carboidrati, queste porzioni sono esposte solo sul LATO ESTERNO della membrana plasmatica.

EXTRACELLULAR SPACE 0 E O CYTOSOL

Distribuzione asimmetrica dei fosfolipidi

La distribuzione dei fosfolipidi nei due strati della membrana è asimmetrica. Essi non sono disposti a caso, c'è un controllo da parte della cellula la nella loro disposizione:

• Nella membrana esterna avremmo un'abbondanza di fosfatidilcolina, sfingomielina
• Nel foglietto interno invece abbiamo fosfatidiletanolammina e fosfotidilserina

Enzimi che regolano la disposizione

Perché c'è questa distribuzione? Ci sono enzimi che chimiamo traslocasi che inducono questa disposizione. Essi sono:

• FLIPPASI: prende la FOSFATIDILSERINA e la FOSFOTIDILETANOLAMMINA dallo strato extracellulare e le porta all'interno, questo processo richiede ATP
• FLOPPASI: trasferisce dallo strato intra cellulare allo strato extracellulare con consumo di atp la FOSFATIDILCOLINA, i sfingolipidi e il colesterolo. Flippasi e floppasi inducono il risultato finale
• SCRAMBLASI: permette un movimento bi dimensionale dei vari tipi di lipidi in un modo atp indipendente.

Flippasi Floppasi Scramblasi ATP ADP P PS, PE 0 ATP ADP P) - PC, SL, Colesterolo

Apoptosi e disposizione dei lipidi

Quando avviene APOPTOSI nella cellula: cambia la disposizione dei lipidi Questo è un segnale per le cellule che fanno fagocitosi, esse infatti capiscono che devono essere fagocitate le cellule. Vengono espressi dei segnali sulla superficie delle cellule. Si capisce che la celllula è in apoptosi quando si ha una maggiore presenza di fosfotidilserina sulla membrana esterna. Questo cambiamento avviene perché durante l'apoptosi le caspasi: (si formano non appena la cellula va in apoptosi)

• inibiscono la flippasi che trasferiva FOSFATIDILSERINA al foglietto interno
• attivano una scramblasi che trasloca FOSFATIDILSERINA al foglietto esterno. Dunque la fosfatidilserina viene mandata all'esterno della cellula e combo la disposizione della cellula Questo evento viene sfruttato anche in laboratorio a livello di ricerca per capire quando una cellula indizi a ad andare in apoptosi Si usano dei reagenti che si legano alla fosfatidilserina. Si può quantificare la quantità di apoptosi e capire se quasicosaa la induce o la inibisce

Cellula vitale Cellula apoptotica Cellula in stadio apoptotico avanzato Membrana plasmatica Fosfatidilserine Nucleo Esposizione della fosfatidilserina nelle fasi precoci dell'apoptosi Perdita dell'integrità di membrana nelle fasi tardive dell'apoptosi