Istologia ed Embriologia: struttura e funzione delle membrane cellulari

Fosfolipidi di membrana

Le membrane cellulari hanno una struttura che è formata da un doppio strato di fosfolipidi, si tratta di molecole anfipatiche, cioè che mostrano un comportamento non univoco verso l'acqua1. In ambiente acquoso mostrano un doppio comportamento poiché presentano una testa polare idrofilica, e coda polare idrofobica. La testa polare, che presenta cariche elettriche, è formata principalmente da glicerolo che si lega attraverso il gruppo fosfato ad un composto azotato, a seconda del fosfolipide cambia, ad esempio la colina, la serina ecc .. Come si può notare il gruppo fosfato presenta delle cariche negative, mentre il composto azotato risulta carico positivamente; la coda polare del fosfolipide invece, è formata da due acidi grassi a catena lunga, ciascuna dei quali si lega covalentemente al glicerolo. Solitamente uno dei due acidi grassi è saturo, cioè a catena rettilinea, mentre l'altro è insaturo, presenta cioè almeno un doppio POLARE Componente azotata Ponte fosfato Glicerolo NON POLARE Acido grasso saturo Acido grasso insaturo ARIA I ACQUA 3 2 1 b 1legame, formando una struttura ripiegata come un gomito. Attraverso l'immagine è possibile capire il comportamento d queste due molecole in acqua, e di come si dispongono nell'interfaccia aria- acqua.

• La molecola 1 è un fosfolipide, che rivolge ed immerge la sua testa polare idrofilica nell'acqua, mentre la coda è apolare idrorepellente perché idrofobica, rimanendo così esposta all'aria.
• La molecola 2 raffigura il colesterolo, che rimane esposto per la maggior parte del corpo verso l'aria, perché prevalentemente idrofobica grazie anche alla presenza nella sua struttura del ciclopentanoperidrofenantrene.
• La molecola 3 rappresenta un glicolipide, che rivolge le catene carboidratiche verso l'acqua, perché idrofiliche e quindi idrosolubili, le sue catene lipidiche invece rimangono esposte all'aria.

Modelli del doppio strato fosfolipidico

Il disegno vuole rappresentare schematicamente le diverse molecole di lipidi, ognuna delle quali presenta una testa e i due acidi grassi che formano la coda; queste molecole in soluzione acquosa mostrano sempre la tendenza ad associarsi a blocco spontaneamente nel modo che si può vedere nello schema, formando questo doppio strato fosfolipidico. Questo tipo di organizzazione è quella che troviamo nelle nostre membrane biologiche, ed il motivo di questo tipo di organizzazione è l'interazione particolare che avviene tra i fosfolipidi rappresenta l'unico modo che queste molecole hanno per ottenere un assetto stabile, infatti le code dei fosfolipidi trovano un certo equilibrio interagendo le une con le altre, mentre le teste idrofile possono tranquillamente rivolgersi all'ambiente acquoso. Acqua T10Å 40A 10A L Acqua Lo schema qui accanto appare modificato: troviamo infatti sulle superfici interne ed esterne l'aggiunta di strutture elicoidali che rappresentano in realtà le proteine della membrana. Questa disposizione delle proteine era alla base dell'ipotesi formulata da Danielli e Davson, i quali proposero un particolare 'Modello A SANDWICH' della membrana, che prevedeva la presenza di due strati continui di molecole proteiche separati dal bilayer lipidico. Grazie al microscopio elettronico si ottennero delle immagini che sembrava confortare la loro ipotesi. In effetti si può vedere che la membrana assume una forma trilaminare, cioè che presenta due strati elettrodensi, più scuri, divisi da uno strato elettrotrasparente più chiaro, meno denso e centrale interpretato come la componente fosfolipidica. Oggi sappiamo che in realtà questa interpretazione risulta assolutamente errata, infatti l'immagine rappresenta una distorsione della realtà, che viene definita dagli istologi 2come un artefatto di tecnica, il responsabile era l'osmio, un fissativo per i preparati da sottoporre dall'osservazione del microscopio, che si lega alle teste polari dei fosfolipidi inducendo un notevole contrasto al microscopio elettronico, causa le due linee macchiate e dense. Ciò determina che quest'immagine non è assolutamente a supporto della teoria a sandwich di Danielli e Davson. Altri autori cominciarono ad avanzare delle critiche verso questa ipotesi, perché si sosteneva che in una membrana così immaginata soltanto quelle sostanze solubili sia in acqua che nei lipidi sarebbero riuscite a passare e transitare da un lato all'altro della membrana. Si incominciò a chiedere come le sostanze soltanto idrosolubili oppure quelle soltanto liposolubili avrebbero potuto attraversare la membrana plasmatica. Davson e Danielli, nel tentativo di arginare le critiche, dissero che era necessario pensare all'esistenza di pori sulla membrana, i quali dovevano essere immaginati come vere e proprie discontinuità che si sarebbero formate per interruzione del . MC doppio strato fosfolipidico con conseguente ricongiungimento degli strati proteici interno ed esterno e formare attorno al poro una sorta di canale proteico. Fu mossa allora un'altra critica nel loro modello, perché questa revisione della loro ipotesi presupponeva che le sostanze transitassero in modo bidirezionale e specifico. Poi è stato definitivamente accertato che il modello a sandwich non può reggere di fronte alla constatazione che la membrana è in grado di mediare un passaggio di sostanze che è altamente selettivo.

Modello attuale della membrana plasmatica

Le conoscenze attuali risalgono a un modello proposto nel 1972 da Singer e Nicholson, chiamato Modello a Mosaico FLUIDO, ormai universalmente accettato e confermato da tutti. I due scienziati hanno stabilito una diversa organizzazione delle proteine di membrana, ma la presenza di molecole globulari che possono anche affondare, in diversa misura e in modo diverso, nel doppio strato fosfolipidico. 3Figura 1 Figura 2 Modello a mosaico fluido (Singer e Nicholson, 1972) 2 1 Le proteine mostrate nella figura 1 prendono rapporti superficiali con le teste fosfolipidiche e non affondano nel doppio strato, per questo sono dette estrinseche, distinte in interne ed esterne a seconda che siano dislocate sul versante extracellulare o intracellulare. Invece, le proteine che sono in grado di affondare la proprio struttura nella sottostante porzione lipidica nella figura 2, sono dette intrinseche, distinte anche loro in interne ed esterne. La proteina in figura è intrinseca interna perché emerge verso la superficie interna, se fosse stata sporgente verso l'esterno si sarebbe trattato di una proteina intrinseca esterna. Tutte queste proteine sono fortemente integrate con la membrana che si traduce in una forte associazione alla membrana, istaurando dei legami con le regioni idrofobiche dei fosfolipidi, si tratta quindi di molecole anfipatiche. Foglietto esterno Faccia E Proteina integrale Faccia P Foglietto interno Criodecappaggio o freeze-fracture Figura 2-9 Attraverso l'immagine mostrata in alto è possibile capire l'effettiva disposizione delle proteine, grazie alla tecnica del "freeze-fracture" o criodecappaggio. Durante il procedimento la membrana subisce dapprima un congelamento rapido e successivamente viene fratturata mediante l'utilizzo di ultrasuoni. Di conseguenza, i due strati monofosfolipidici si aprono e si separano secondo un piano che passa tra le code dei fosfolipidi. Ciò determina l'esposizione all'aria delle proteine intrinseche ma anche di quelle transmembrana, cioè di quelle proteine c'è passano da parte a parte attraverso la membrana. Con questa tecnica le proteine verranno sempre trovate integre e mai fratturate dagli ultrasuoni. Ogni proteina apparirà come una piccola protuberanza che sporge da uno dei due strati 4fosfolipidici, che corrispondono sull'altro monostrato ad una depressione che è relativa allo spazio impegnato dalla proteina prima che avvenisse la frattura. Gruppi polisaccaridi Proteina estrinseca Proteina intrinseca Superficie ntema Proteina transmembrana con poro Proteine del citoscheletro Doppio strato fosfolipidico In quest'altra immagine possiamo distinguere tutti i tipi di proteine: estrinseche, intrinseche e integrali di membrana. Le proteine rappresentano il punto di ancoraggio di questi filamenti lunghi viola, ovvero il citoscheletro, questa integrazione permette di mantenere o modificare la propria forma, m anche di muoversi in base alla trazione esercitata dagli elementi del citoscheletro. Si può già intuire la spiegazione del termine "modello a Mosaico fluido": il doppio strato fosfolipidico si trova in uno stato fluido, che consente ai fosfolipidi di poter esercitare determinati movimenti, come la diffusione laterale (uno scambio di posto tra un fosfolipide e un altro ad esso adiacente e quindi nello stesso monostrato), la rotazione, la leggera flessione laterale ecc .. Questi movimenti appena citati possono avvenire senza un consumo di ATP, invece un movimento che richiede l'utilizzo di ATP è il flip-flop, una sorta di giravolta in cui due fosfolipidi non appartenenti allo stesso monostrato si scambiano di posto, si tratta appunto di un movimento abbastanza raro che prevede il consumo di energia e l'aiuto dell'enzima flippasi. Il doppio strato fosfolipidico grazie a questo modello organizzativo e con la sua fluidità dona alle membrane cellulari un carattere di dinamicità e flessibilità, le proteine non si troveranno mai strettamente ancorante ma libere e "galleggianti".

Zattera lipidica

Si potrebbe pensare che la membrana presenti sempre lo stesso spessore e lo stesso tipo di organizzazione, invece esistono delle regioni della membrana plasmatica che presentano differenze abbastanza riconoscibili: si tratta delle zattere lipidiche, le "lipid raft". Si tratta di specifiche regioni in cui si accumulano particolari molecole lipidi e proteine, siti riconoscibili, poiché presentano un maggiore spessore rispetto al restante bilayer lipidico. Il motivo di questo ispessimento è la presenza di acidi grassi più lunghi nei lipidi rispetto agli altri fosfolipidi; sono infatti regioni in cui si concentrano glicosfingolipidi, sfingomielina e colesterolo, ma soprattutto sono presenti particolari molecole proteiche con il fine di espletare delle specifiche funzioni. I due strati fosfolipidici non sono uguali dal punto di vista della loro composizione, per quanto riguarda i lipidi che per la componente glicosfingolipidica. Questa diversa composizione è alla base del buon funzionamento della membrana.