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La Membrana Plasmatica
Ogni cellula eucariotica è un universo autodefinito da una struttura chiusa periferica, la membrana, che media ogni la relazione con il mondo esterno. La membrana è una struttura dinamica: vescico- lazioni dirette verso l’esterno (esocitosi) o verso l’interno (endocitosi) ne modificano frequentemen- te la composizione. La membrana è costituita da lipidi, proteine e glucidi organizzati con un piano strutturale.
Funzione della membrana
La membrana ha diverse funzioni:
❖ Delimita i contorni della cellula e dei suoi organelli; ❖ Costituisce i siti di specifiche proteine (enzimi e recettori); ❖ Ingresso e uscita di molecole di trasporto; ❖ Contiene i recettori necessari per rilevare i segnali esterni; ❖ Fornisce i meccanismi per il contatto, la comunicazione e l’adesione cellula-cellula.
Struttura della membrana
➔ La struttura delle membrane interne ricalca quella della membrana plasmatica, con diffe- renze nella composizione proteica. ➔ Il sistema membrana è un modello a mosaico fluido : questa struttura doppia permette il passaggio in questa struttura di lipidi, proteine transmembrana e fosfolipidi polari. Questa sequenza di aminoacidi idrofobi è fatta in modo per cui non ci sono, in un determinato trat- to, degli elementi carichi (sono presenti però degli aminoacidi polari a struttura ad alfa elica che diventano apolari), ciò permette a un tratto della proteina intrinseca di attraversare il doppio strato fosfolipidico, cioè dove sono presenti gli acidi grassi. La parte strutturale della membrana si deve alle caratteristiche fisico-chimiche dei lipidi che ne co- stituiscono l’ asse centrale.
- I lipidi formano un doppio strato in acqua: il doppio strato lipidico ( parte fluida della membrana ) è la base universale della struttura di tutte le membrane cellulari. È quella che ci permette anche di compiere dei movimenti intermembrana.
- I lipidi hanno due diverse proprietà: testa idrofila + due (o una) code idrocarburiche idrofobe. Fosfolipidi, steroli e glicolipidi sono le tre classi principali di molecole lipidiche. Tutti i lipidi di mem- brana sono anfipatici.
Fosfolipidi
I lipidi più abbondanti sono i fosfolipidi o fosfogliceridi. Sono costituiti da due lunghe catene acriliche legate a due dei gruppi idrossilici del glicerolo che ha il terzo gruppo idrossilico legato a un fosfato. La fosfatidilcolina è il fosfolipide più abbondante nella mem- brana plasmatica. Le catene acriliche del fosfolipide sono apolari, dunque escluse da ogni intera- zione con l’acqua, mentre il fosfato e le molecole a esso legate sono polari e, quindi, idrofiliche. Per questa ragione la molecola si dice anfipatica (dal greco “ambo le parti”). Struttura: piccola testa polare (colina, etanolammina, serina, inositolo) + lipidi.
FOSFOGLICERIDI (DERIVATI DAL GLICEROLO)
➔ Fosfatidilcolina ➔ Fosfatidiletanolammina ➔ Fosfatidilserina ➔ Fosfatidilinositolo. SFINGOLIPIDI (DERIVATI SFINGOSINA) La seconda importante classe di lipidi di mem- brana è rappresentata dagli sfingolipidi. Questi derivano dalla sfingosina, un amminoalcol con una lunga catena acrilica, al cui gruppo ammini- co è legata un’altra catena idrocarburica.
- Sfingomielina (assente nelle membrane pla- smatiche delle piante e di molti batteri). Glicolipidi I glicolipidi sono derivati dal glicerolo che legano un carboidrato. Questi, se legati alla sfingosina vengono chiamati gangliosidi. Il più semplice è il glucosilceramide. Il colesterolo e i lipidi da esso derivati costituiscono la terza classe di lipidi di membrana. La loro struttura di base è costituita da uno steroide a quattro anelli idrocarburici. Dagli esperimenti di E. Gorter e F. Grendel è noto che nella membrana i lipidi sono organizzati in doppio stato. Date le caratteristiche fisico-chimiche del fosfolipide, le catene acriliche dei lipidi di ambedue gli strati, escluse da ogni interazione con l’ac- qua, interagiranno legate fra loro con interazioni idrofobiche e di Van Der Waals e le teste idrofili- che saranno esposte verso la soluzione acquosa esterna e interna alla cellula. GLICOSFINGOLIPIDI ➡ Cerebrosidi (glicolipidi neutri): categoria di glicolipidi, composti da una struttura base, il cera- mide. Contengono uno o più zuccheri neutri legati al carbonio 1 del ceramide. ➡ Gangliosidi : composti appartenenti alla famiglia dei glicolipidi con la testa oligosaccaridica con- tenente uno o più residui di acido sialico carichi negativamente. Particolarmente abbondanti nelle membrane delle cellule del cervello e dei nervi. IL GLICOCALICE I glicolipidi e le glicoproteine di membrana hanno funzione di protezione nei confronti di agenti chimici o fisici, possono essere recettori di diversi tipi di molecole segnale, contribuiscono all’ade- sione al substrato. Steroli Il più importante negli animali: colesterolo. Il colesterolo è uno steroide che presenta il nucleo ciclopentano-fenantrene, un gruppo OH è una catena carboniosa. Il gruppo OH costituisce la porzione idrofila che si posiziona tra le teste dei fo- sfolipidi. Nelle cellule vegetali: fitosteroli. LE MOLECOLE IDROFILE ATTRAGGONO LE MOLECOLE D’ACQUA Le molecole idrofile contengono atomi dotati di carica elettrica oppure gruppi polari, i quali possono stabilire interazioni attrattive.
LE PROTEINE POSSONO FORMARE CANALI ACQUOSI
Cinque eliche attraversano il doppio strato lipidico e formano un poro acquoso. Le catene laterali degli aminoacidi idrofobi entrano in contatto con le code idrocarburiche idrofobe dei lipidi; le catene laterali degli amminoacidi idrofili formano un poro pieno d’acqua. Porine: proteine che formano ampi pori pieni d’H 2 O nelle membrane batteriche e mitocondriali. Cortex cellulare Tutte le membrane sono sostenute da un’intelaiatura proteica alla quale sono collegate da proteine transmembrana. La forma delle cellule e le proprietà meccaniche delle membrane sono date da proteine fibrose aderenti alla faccia citosolica, il cortex cellulare. Il cortex dei globuli rossi è costituito principalmente da molecole di spectrina, che formano un reti- colo al disotto della membrana alla quale sono collegate per mezzo di proteine di ancoraggio. Il cortex dei globuli rossi La spectrina e poche molecole di actina formano un reticolato connesso alla membrana plasmatica attraverso due tipi di proteine di collegamento. CARATTERISTICHE STRUTTURALI DELLA MEMBRANA PLASMATICA DELL’ERITROCITA Proteine integrali di membrana: glicoforina (l’estremità C si trova sulla superficie interna e l’estremi- tà N sulla superficie esterna) e proteina della banda 3 (proteina a scambio anionico, le estremità C e N si trovano sullo stesso lato della membrana). Mediante la anchirina il reticolo di spectrina e actina è ancorato alla Banda 3, mediante la proteina della banda 4, uno è ancorato alla glicoporina. Le proteine possono compiere spostamenti all’interno del doppio strato lipidico La mobilità laterale delle proteine della membrana plasmatica può essere limitata in diversi modi: ➔ Le proteine possono essere collegate a strutture fisse intracellulari (cortex cellulare); ➔ Le proteine possono essere collegate a strutture fisse extracellulari (matrice extracellulare); ➔ Le proteine possono essere collegate a proteine della superficie di altre cellule; ➔ Le proteine possono essere confinate in particolari punti della membrana grazie a barriere di diffusione.
Carboidrati La superficie della cellula è ricoperta da carboidrati
- (^) Glicoproteine : proteine che legano brevi catene di zuccheri dette oligosaccaridi.
- (^) Proteoglicani : proteine che legano a una o a più catene polisaccaridiche. FUNZIONI DEI CARBOIDRATI SULLA SUPERFICIE CELLULARE Proteggono la superficie cellulare dal danneggiamento meccanico o chimico; Assorbendo H 2 O, rendono scivolosa la superficie cellulare (importante per le cellule ematiche); Riconoscimento tra cellule e adesione cellulare (proteine che riconoscono le catene oligosacca- ridiche: lectine). Glicosilazione Aggiunta di una catena laterale glucidica a una proteina. Avviene nelle cisterne del reticolo endo- plasmatico o nel complesso di Golgi subito dopo la sintesi sul RER. Caratteristiche della membrana Discontinuità : le proteine interrompono la struttura lipidica; Fluidità : i lipidi e le proteine diffondono lateralmente; Asimmetria : distribuzione asimmetrica di alcuni lipidi e di molti peptidi più localizzazione dei glucidi nella faccia esoplasmatica; Dipende dalla sua composizione (lipidi saturi o insaturi, presenza del colesterolo); Consente ai lipidi e alle proteine di diffondere nello spessore del doppio strato; Permette la fusione di membrane.
Molte proteine di membrana sono glicoproteine. Il glicocalice è il rivestimento esterno della mem- brana ed è formato da esse. Contribuiscono all’asimmetria della membrana anche le proteine lega- te covalentemente a lipidi per le quali è la tipologia del lipide che determina la localizzazione nella faccia citoplasmatico o in quella esoplasmatica. Anche le proteine periferiche hanno una distribu- zione asimmetrica.
- (^) La sintesi della nuova membrana avviene nella membrana del reticolo endoplasmatico, poi esportata in altre parti della cellula tramite un ciclo di gemmazione e di fusione di membrane. N.B. Tutte le membrane hanno una faccia esterna e una faccia interna diverse fin dalla loro sintesi: la faccia citosolica guarda sempre verso il citosol, mentre la faccia non citosolica è rivolta all’ester- no della cellula o verso lo spazio interno di un orfanello. Distribuzione di lipidi e proteine Nella parete esoplasmatica della membrana, precise regioni particolarmente ricche in sfingolipidi e colesterolo che si impacchettano strettamente e creano domini ordi- nati che nuotano in un mare di fosfolipidi meno ordinati. Per questa caratteristica a tali domini è stato dato il nome di zattere lipidiche. La principale peculiarità delle zattere sarebbe quella di concentrare specifiche protei- ne coinvolte nella comunicazione cellulare. Leggi e meccanismi del transito attraverso la membrana La membrana è definita selettivamente permeabile e questa caratteristica le permette di mantene- re dinamicamente costante il suo ambiente interno. La selettività è assicurata dal fatto che il pas- saggio di quasi tutte le molecole e degli ioni è mediato da specifiche proteine di trasporto inserite nel doppio foglietto lipidico. La cellula ha bisogno di assumere sostanze nutritive come zuccheri e amminoacidi, di eliminare prodotti di rifiuto del metabolismo come CO 2 e di regolare la concentrazione di ioni. Le proteine intervengono nel trasporto di diverse sostanze. Ioni, zuccheri, amminoacidi, nucleotidi e molti metaboliti diffondono con estrema lentezza attraver- so la membrana. Il loro trasporto avviene tramite proteine specializzate :
- Piccole molecole apolari come O 2 , si sciolgono facilmente nei doppi strati lipidici e quindi li attra- versano facilmente per diffusione.
- Molecole polari prive di carica (H 2 O) diffondono rapidamente purché siano abbastanza piccole (glucosio non passa).
- Ioni e molecole dotate di carica elettrica non diffondono. Il passaggio avviene per:
- diffusione semplice
- diffusione facilitata o trasporto passivo NB : In alcune cellule particolarmente impegnate nel trasporto di acqua esistono dei canali pro- teici detti acquaporine.
- trasporto attivo La diffusione facilitata e il trasporto attivo sono mediati dalle proteine di membrana.
1. Diffusione semplice Movimento netto spontaneo di un soluto da una regione in cui la sua concentrazione è più alta a una regione in cui la concentrazione è più bas- sa. Il movimento avviene secondo gradiente di concentrazione. La diffusione è sempre un movimento verso l’equilibrio ed è pertanto un processo spontaneo. Esistono 2 tipi di proteine di trasporto della membrana: 1. Porta girevole Il trasportatore ( carrier ) lega il soluto, cambia conformazione e rilascia il soluto all’interno della cellula. Lega ioni o molecole che si adattano a un suo particolare sito di legame. 2. Porta aperta Queste proteine formano una sorta di tunnel pro- teico transmembrana. Il canale può essere aper- to o chiuso. Nella sua conformazione aperta il soluto può passare. Tali proteine trasportano i soluti sfruttando i loro gradienti chimici ed elettri- ci, secondo gradiente elettrochimico, un proces- so energeticamente favorevole. I soluti attraversano la membrana per trasporto attivo o passivo. ➔ NON E’ RICHIESTA ENERGIA. ➔ SOLO I TRASPORTATORI POSSONO ATTUARE IL TRASPORTO ATTIVO. 2. Diffusione facilitata o trasporto passivo Nella diffusione facilitata il movimento avviene secondo gradiente di concentrazione (o secondo gradiente elettrochimico, nel caso di ioni) senza che vi sia necessità dell’apporto di energia. La proteina facilita la diffusione. Gradiente elettrochimico Specie chimiche dotate di carica elettrica. Potenziale di membrana : differenza di potenziale elettrico ai due lati della membrana, esercita una forza su tutte le molecole dotate di carica elettrica. Il lato citoplasmatico è generalmente nega- tivo, quindi i soluti con carica positiva sono attratti dentro la cellula, mentre i soluti con carica nega- tiva sono respinti verso l’esterno. Il soluto dotato di carica elettrica si sposterà secondo il proprio gradiente di concentrazione. Lo spostamento di un soluto attraverso una membrana deriva quindi dalla composizione di due forze: gradiente elettrochimico.
A differenza delle pompe metaboliche non vi è idrolisi di ATP; si parla di trasporto attivo seconda- rio. In questo caso il trasporto di una molecola (A) contro gradiente è permesso dal gradiente di un'altra molecola (B) precedentemente creato da un trasporto attivo primario. Infatti è necessario che si verifichi prima il trasporto endoergonico (che cioè richiede energia) di B, affinché si accu- muli da un lato della membrana. Successivamente si verifica il trasporto esoergonico di B nella direzione del gradiente. Tale trasporto esoergonico è solitamente accoppiato al trasporto contro gradiente di A. Tale accoppiamento è definito cotrasporto ed è realizzato da proteine intrinseche della membrana cellulare capaci di riconoscere le molecole A e B. Solitamente B è uno ione, so- dio o protone, che viene chiamato ione trainante (driver). L’ antiporto consente il passaggio con- temporaneo, ma in direzioni opposte di due ioni differenti. Il simporto consente il passaggio con- temporaneo, ma nella stessa direzione di due ioni differenti.
3. PORINE (MALTOPORINA) ➔ Struttura a barile β con un canale ac- quoso centrale. Un esempio di selettività dei canali è dato dalla maltoporina dei bat- teri, che agevola la diffusione delle malto- destrine. ➔ Struttura organizzata a^ omotrimero : Tre anse di ogni monomero entrano nella parte interna conferendo al canale una struttura a clessidra (diametro ~5 Å). Il monomero possiede una serie di amminoacidi idrofobici (Tyr, Trp, Phe) disposti ad elica sinistror- sa come l’amido: « piano scivoloso ».
4. ACQUAPORINE (AQP)
Proteine transmembrana che permettono il passaggio dell’acqua attraverso le membrane plasma- tiche. Finora si conoscono 11 AQP nei mammiferi. L’acqua attraversa il canale AQP sempre secondo gradiente osmotico. Velocità di trasporto attraverso AQP1 : 10^9 /s → suggerisce che le molecole di acqua attraversa- no il canale in fila in un flusso continuo. Non permettono il passaggio dello ione idronio (H 3 O+). Alcune AQP permettono il passaggio di glicerolo (es. AQP7 nell’adipocita, per la sintesi dei trigliceridi).
5. I CANALI IONICI SELETTIVI I canali ionici (Na+, K+, Cl-, Ca+) sono selettivi e possono essere aperti o chiusi. Permettono il passaggio di ioni selettivi attraverso la membrana; regolano la concentrazione degli ioni e il potenziale di membrana. Si distinguono dai trasportatori per 3 motivi:
- Velocità del flusso elevato, da 107 a 108 ioni al secondo, vicino alla diffusione non limitata (i trasportatori hanno numeri di turnover bassi).
- Non sono saturabili.
- Sono controllati, cioè aperti o chiusi in risposta a segnali cellulari. Es. canali ionici controllati da ligandi, questi causano l’apertura del canale. ❖ Canale ionico del K+ ❖ Canale ionico del K+^ voltaggio dipendente
Canale ionico del K+ Omotetramero con un canale a forma di cono, con la base posta nella parte esterna. Il centro del canale è del diametro giusto per il K+ (1,33 Å). Filtro di selettività : la selettività dei canali dipende sia dalla dimensione del poro che dalla disposizione degli ossigeni che sostituiscono l’acqua di idratazio- ne. Gli ioni in soluzione sono avvolti da un guscio di molecole di H 2 O dal quale si devono liberare per passare nei punti più stretti del canale. Qui stabili- scono dei legami transitori con gli atomi degli ami- noacidi che formano la parete del canale (selettività). Il poro è rivestito di atomi di ossigeno carbonilico che costituiscono un filtro di selettività, infatti hanno una carica parziale negativa, offrendo siti di legame tran- sitori agli ioni K+. La cavità centrale costituisce il poro. In soluzione gli ioni K+^ sono idratati, sono cioè cir- condati da molecole d’acqua. Per passare attraverso il filtro è necessaria la deidratazione. I canali ionici sono commutabili : la loro funzione non dipende solo dalla specificità e velocità di trasporto, ma anche dalla possibilità di essere aperti o chiusi « a comando » → fenomeno di ga- ting. Diverso in base a vari stimoli: ❖ Canali meccano-sensibili; ❖ Canali controllati dal ligando; ❖ Canali controllati dal segnale; ❖ Canali controllati dal voltaggio. Canale ionico del K+ voltaggio dipendente La struttura è comparabile con gli altri canali del potassio; possiedono una elica TM (S4) che si sposta aprendo/chiudendo il canale in funzione del potenziale di membrana. Due cancelli: cancello interno e filtro di selettività. Prima che la distribuzione degli ioni raggiunga l’equilibrio, i canali si chiudono. Perché? Il canale esiste in 3 stati: Chiuso (C), Aperto (O), Inattivo (I). Lo stato Inattivo è quello che impedisce il passaggio di ioni quando la membrana è depolarizzata a lungo. I canali di tipo O (fast) hanno un peptide di inattivazione ripiegato a palla. Nei canali di tipo C (slow) il filtro di selettività agisce da secondo cancello e chiude il canale. I canali tornano allo stato chiuso quando la membrana si ripolarizza.
Meccanismo della pompa del Ca2+^ nel reticolo sarcoplasmatico ❖ La Ca2+^ ATPasi è una famiglia di trasportatori di cationi che vengono reversibilmente fosforilati. ❖ Contiene un residuo di Asp altamente conservato che viene fosforilato. Nel citosol la concentrazione di Ca2+^ è più bassa. Quanto minore è la concentrazione di Ca2+^ libe- ro nel citosol, tanto più la cellula è sensibile a un suo aumento. La concentrazione intracellulare di Ca2+^ è di circa 10-4^ mM, grazie all’azione di pompe del Ca2+^ che si trovano sia nella membrana plasmatica che nella membrana del reticolo endoplasmatico ed espellono lo ione dal citosol. Un piccolo aumento della concentrazione di ioni Ca2+^ liberi nel citosol innesca varie risposte cellulari. Nelle cellule muscolari, oltre alla Ca2+^ ATPasi della membrana plasmatica, è presente una seconda Ca2+^ ATPasi che trasporta Ca2+^ dal citosol nel lume del reticolo sarcoplasmatico dove si accumula Ca2+^. In seguito alla stimolazione, il calcio esce dal reticolo sarcoplasmatico e inonda il citosol; ciò permette alla cellula di contrarsi. Dopo la contrazione, il Ca2+^ è riportato nel reticolo sarcoplasma- tico dalla pompa per il Ca2+^ e ciò induce il rilassamento. I trasportatori ABC Famiglia di trasportatori ATP-dipendenti che trasportano molte molecole (amminoacidi, peptidi, lipi- di, farmaci ecc..) all’esterno della cellula contro gradiente di concentrazione. ➔ 4 unità funzionali : 2 domini transmembrana (TMD) e 2 domini di legame al nucleotide (NBD)
- Il substrato si lega al dominio TMD ( inward facing );
- NBD lega 2 ATP/Mg2+^ e dimerizza;
- Il dominio TMD cambia conformazione esponendo il substrato all’esterno ( outward facing ); L’idrolisi di ATP causa la dissociazione di NBD ed il ritorno di TMDs alla condizione iniziale. UN CANALE IONICO DIFETTOSO CAUSA LA FIBROSI CISTICA La fibrosi cistica (FC) deriva dal difetto genetico di una proteina di trasporto presente nella mem- brana plasmatica. Nei pazienti con FC lo strato di muco che ricopre la superficie interna dei pol- moni è troppo spesso, ostruendo il passaggio dell’aria e favorendo la crescita di batteri. Canale costituito da 2 segmenti ognuno di 6 eliche TMD che fanno il poro; 2 domini NBD (legano ATP) ed un domino regolatore (R). Mutazioni nella proteina provocano il mancato ripiegamento corretto con una esportazione di Cl-^ all’esterno minore e quindi minor uscita di acqua dalla cellula, portando alla formazione di un muco spesso e disidratato e ai problemi visti prima. Il potenziale di membrana a riposo Nelle cellule, la concentrazione di ioni di potassio è circa venti volte più alta all’interno della cellula rispetto all’ambiente extracellulare, mentre quella degli ioni sodio è circa otto/dodici volte più alta all’esterno rispetto all’interno della cellula (= la concentrazione degli ioni sodio è maggiore all’e- sterno della cellula, quella degli ioni potassio nel citosol, dunque la pompa sodio/potassio è re- sponsabile del mantenimento di questa ineguale ripartizione dei cationi, in quanto trasporta attiva- mente contro gradiente di concentrazione gli ioni sodio all’esterno, mentre fa rientrare gli ioni po- tassio. Nella membrana si hanno tutte le cariche negative disposte sulla parte interna della mem- brana e tutte quelle positive disposte nella parte extracellulare. Se la membrana è totalmente im- permeabile a tutti gli ioni, nessuno ione attraverserà la membrana e non si stabilirà alcun poten- ziale elettrico (= l’ineguale ripartizione dei cationi causa una differenza di potenziale a livello della membrana detto potenziale di membrana, che all’interno del citoplasma è in media di -70mV).
Riassumendo: I canali di membrana sono attraversati dagli ioni passivamente, a seconda dei loro gradienti. La presenza di pompe ioniche provoca distribuzione asimmetrica di ioni. Le pompe ioniche determinano e mantengono gradienti di concentrazione ai due lati della mem- brana proteina. L’asimmetria nella distribuzione di ioni carichi elettricamente è all’origine di una differenza di po- tenziale fra i due lati della membrana che si trova normalmente in tutte le cellule. Gradiente elettrochimico = funzione del gradiente di concentrazione e del potenziale di membrana. ❖ Si origina perché gli ioni non sono ugualmente distribuiti ai due lati della membrana. Concentrazione K+ = più alta all’interno. Concentrazione Na+ = più alta all’esterno. ❖ La pompa Na+/K+^ trasporta 2 ioni positivi all’interno per ogni tre ioni positivi all’esterno. I canali per K+^ sono aperti ( canali a perdita ) , K+^ esce per differenza di concentrazione lasciando all’interno un eccesso di carica negativa dovuta alle molecole organiche. Inoltre i canali per Na+ sono normalmente chiusi. Il potenziale d’azione Vari stimoli che controllano l’apertura dei Conformazioni canale del Na+ canali ionici
