11. membrane cellulari

Question 1

Che funzioni ha la membrana cellulare?

Answer 1

• Ricevere informazioni dall’esterno
• Importare ed esportare molecole
• Adattarsi ai movimenti della cellula

Question 2

In che ordine avvennero le scoperte sulla membrana plasmatica?

Answer 2

1. natura lipidica della membrana (Overton, 1899)
2. monostrato lipidico (Langmuir, 1917)
3. doppio strato lipidico (Gorter e Grendel, 1925)
4. doppio strato lipidico ricoperto da uno strato proteico da entrambe le parti esterna e interna
5. membrana unitaria: la membrana plasmatica e le membrane degli organelli hanno la stessa struttura a doppio strato fosfolipidico con un singolo strato proteico da entrambi i lati
6. modello a mosaico fluido, con inserite nel doppio strato lipidico le proteine, i cui amminoacidi apolari interagiscono con le code apolari dei fosfolipidi
7. struttura di una proteina di membrana: le proteine di membrana sono ancorate ai lipidi tramite segmenti transmembrana
8. zattere lipidiche: microdomini della membrana, regioni concentrate di particolari proteine e lipidi

Question 3

Di che tipo è la permeabilità delle membrane cellulari?

Answer 3

Le membrane cellulari sono semipermeabili, ovvero permeabili al solvente ma impermeabili al soluto.
Per cui nelle cellule l’acqua si sposta per osmosi, dall’ambiente a minore concentrazione a quello più concentrato.

Question 4

Pressione di turgore

Answer 4

Pressione generata dalle forze osmotiche dovute all’ingresso di acqua nella cellula vegetale.
La pressione di turgore è contenuta dalla parete cellulare posta al di fuori della membrana plasmatica.

Question 5

Cellule vegetali in soluzione isotonica, ipertonica, ipotonica?

Answer 5

Isotonica: la concentrazione di soluto è la stessa all’interno e all’esterno della cellula

Ipertonica: concentrazione interna < esterna → acqua fuoriesce dalla cellula → plasmolisi (distacco della membrana plasmatica dalla parete cellulare)

Ipotonica (più frequente): concentrazione interna > esterna → l’acqua entra nella cellula e la parete cellulare si oppone alla pressione osmotica

Question 6

Plasmolisi

Answer 6

Separazione della membrana plasmatica dalla parete cellulare nelle cellule vegetali.
Si verifica quando la cellula si trova in soluzione ipertonica.

Question 7

Cellule animali in soluzione isotonica, ipertonica, ipotonica?

Answer 7

Isotonica: nessuno spostamento netto di acqua

Ipertonica: spostamento netto di acqua verso l’esterno della cellula → la cellula si restringe

Ipotonica: spostamento netto di acqua verso l’interno della cellula → la cellula si gonfia fino ad esplodere
Gli eritrociti vanno in contro a emolisi: rottura dei globuli rossi con conseguente dissoluzione dell’emoglobina, per cui in seguito all’emolisi rimangono ‘ombre eritrocitarie’.

Question 8

Modello lipidico di Overton (1899)

Answer 8

Overton osservò che sostanze apolari penetravano attraverso la membrana, mentre sostanze polari venivano respitne. Notò anche che, all’aumentare della liposolubilità delle sostanze, aumentava la velocità di passaggio e ipotizzò che la membrana fosse di natura lipidica.

Question 9

Modello a doppio strato di Gorter e Grendel (1925)

Answer 9

Confrontando l’area della superficie formata da uno strato di lipidi estratti da un eritrocita con l’area della superficie dell’eritrocita, Gorter e Grendel notarono che il rapporto era di 2:1 e dedussero che i lipidi fossero disposti a formare la membrana in un doppio strato.

Question 10

Modello a sandwich di Davson e Danielli (1935, 1954)

Answer 10

Nella membrana sono presenti anche proteine, disposte in uno strato sui fosfolipidi del versante interno della cellula e in un altro sui fosfolipidi del versante esterno.
La presenta di proteine spiega l’elasticità, la permeabilità e la tensione superficiale della membrana.

Question 11

La membrana unitaria di Robertson (1960)

Answer 11

Tramite l’uso della microscopia elettronica, Robertson osservò che la membrana plasmatica aveva una struttura trilaminare, con due strati periferici elettrondensi separati da uno strato intermedio elettrontrasparente.
Giunse alla conclusione che le membrane plasmatica e degli organelli hanno la stessa struttura.

Question 12

Modello a mosaico fluido di Singer e Nicolson (1972)

Answer 12

Proteine di membrana integrali e periferiche intercalate nel doppio strato fosfolipidico che, essendo fluido, consente alle proteine di diffondere al suo interno.

‘Fluido’ perché la membrana si comporta come un liquido bidimensionale. I lipidi si spostano continuamente nella membrana.

Anche le proteine si muovono all’interno della membrana, grazie alla sua fluidità, ma non tutte con la stessa facilità.

Question 13

Liposoma

Answer 13

Doppio strato fosfolipidico richiuso a forma sferica.

I liposomi sono usati ad esempio per trasportare molecole di DNA, il quale è carico negativamente. Così i gruppi fosfato del DNA interagiscono con le teste polari del foglietto interno del liposoma.

Question 14

Perché dal criodecappaggio risulta che il foglietto citoplasmatico della membrana è molto più denso di proteine integrali del foglietto esoplasmatico?

Answer 14

Perché molte proteine integrali sono collegate a componenti del citoscheletro.
Con la frattura, successiva al congelamento, è dunque molto più facile che le proteine rimangano legate al foglietto citoplasmatico, che rimane attaccato al resto della cellula, che al foglietto esoplasmatico, che invece viene separato.

Question 15

Che funzione hanno le connessioni che si stabiliscono tra la membrana plasmatica e il citoscheletro mediante le proteine di membrana?

Answer 15

• sostegno meccanico alla membrana
• resistenza a deformazioni
• trasduzione di segnali meccanici esterni: sistema di trasmissione verso l’interno di forze applicate dall’esterno

Question 16

Quali fattori influenzano lo stato fisico del doppio strato lipidico? Perché?

Answer 16

• temperatura
• grado di insaturazione delle code alifatiche di acidi grassi dei fosfolipidi
• lunghezza delle code alifatiche di acidi grassi dei fosfolipidi
• presenza di colesterolo

Temperatura
Una corretta temperatura di membrana, superiore alla temperatura di transizione, consente alla membrana di mantenere un’organizzazione meno ordinata e perciò lo stato fluido.
Se la temperatura scende al di sotto della temperatura di transizione, la membrana si immobilizza a gel, in un’organizzazione ordinata. Ciò costituisce un problema in quanto la membrana non sarà più in grado di svolgere tutte le funzioni permesse dalla mobilità delle proteine di membrana.

Grado di insaturazione delle code
I fosfolipidi ricchi di acidi grassi insaturi formano membrane che rimangono fluide anche a temperature più basse, grazie ai doppi legami che impediscono l’impacchettamento regolare delle code.
I fosfolipidi ricchi di acidi grassi saturi formano membrane che sono in stato gel anche a temperature più alte, poiché formano doppi strati compatti.

Lunghezza delle code
Una maggiore lunghezza aumenta l’energia di interazione tra le code e dunque riduce la temperatura di transizione, per cui favorisce lo stato gel.

Colesterolo (solo cellule animali → non c’è bisogno di una parete cellulare)
Molecola ad anelli carboniosi piuttosto rigidi. Ha un estremo polare che interagisce con le teste polari dei fosfolipidi.
- Intercalandosi tra i fosfolipidi di membrana, la porzione aromatica (idrofoba e rigida) ne limita l’impacchettamento, conferendole maggiore resistenza e impermeabilità.
- Interagendo con le teste polari dei fosfolipidi, riduce la deformabilità della membrana e ne garantisce maggiore compattezza.
Dunque, ad alte temperature limita la fluidità, per la sua rigidità.
Invece, a basse temperature mantiene la fluidità della membrana, poiché ostacola l’impacchettamento.
→ la membrana plasmatica è ricca in colesterolo, mentre la membrana ad esempio del RE ne è povera poiché deve avere un maggiore grado di permeabilità e minore compattezza.

Perciò le membrane sono costituite da una grande varietà di lipidi combinati in porzioni tali da garantire alla membrana i giusti livelli di resistenza, fluidità e permeabilità.

Question 17

All’interno della membrana i lipidi sono statici?

Answer 17

No, ciascun foglietto del doppio strato fosfolipidico è caratterizzato da un’elevata mobilità laterale dei fosfolipidi (diffusione laterale). Le interazioni tra le code dei fosfolipidi vengono rotte e poi ristabilite da un’altra parte, quindi la variazione netta di energia è nulla.
Il movimento di un fosfolipide da un foglietto all’altro (processo di flip-flop) è termodinamicamente molto sfavorito, poiché implica che la testa polare attraversi lo strato apolare delle code degli altri fosfolipidi, e quindi accade molto più raramente. Il colesterolo, avendo una testa polare molto ridotta, esegue un flip-flop molto più frequentemente degli altri lipidi.

Question 18

La composizione dei due foglietti della membrana plasmatica è uguale?

Answer 18

No, i due foglietti della membrana plasmatica sono tra loro asimmetrici sia per la distribuzione dei diversi fosfolipidi sia per quanto riguarda determinate modificazioni.

Il foglietto esoplasmatico è ricco in sfingomielina e fosfatidilcolina; inoltre, glicolipidi e glicoproteine si trovano solamente su questo versante a costituire il glicocalice.
Il foglietto citoplasmatico è ricco in fosfatidilserina e fosfatidiletanolammina. La fosfatidilserina conferisce al foglietto citoplasmatico una carica negativa.
Il colesterolo è distribuito simmetricamente.

L’asimmetria tra i due foglietti è garantita da due enzimi, che trasferiscono selettivamente determinati fosfolipidi da un foglietto all’altro:
- flippasi, catalizza lo spostamento di fosfatidilcolina e fosfatidiletanolammina dal foglietto esoplasmatico a quello citoplasmatico
- floppasi, catalizza lo spostamento di sfingomielina e fosfatidilcolina dal foglietto citoplasmatico a quello esoplasmatico.

Question 19

Struttura e composizione della membrana plasmatica (in breve)

Answer 19

La membrana plasmatica è costituita da lipidi, proteine e carboidrati (3-8%).
Al TEM appare con una struttura trilaminare, con due strati periferici elettrondensi (strati polari delle teste polari dei fosfolipidi) separati da uno strato intermedio elettrontrasparente (strato apolare delle code apolari dei fosfolipidi).

Question 20

Come devono essere le proteine di membrana integrali? E quelle periferiche?

Answer 20

Le proteine integrali, che attraversano tutto il doppio strato fosfolipidico, devono essere anfipatiche.
Le proteine periferiche, superficiali, devono essere idrofiliche.

Question 21

Quali sono i principali lipidi della membrana plasmatica?

Answer 21

Foglietto esoplasmatico: sfingomielina (SM), fosfatidilcolina (PC), colesterolo.

Foglietto citoplasmatico: fosfatidilserina (PS), fosfatidiletanolammina (PE), colesterolo.

Question 22

Qual è la caratteristica della fosfatidilserina?

Answer 22

È l’unico tra i principali fosfolipidi ad avere una carica negativa netta a pH fisiologico.
Negli altri la carica negativa del fosfato è neutralizzata dalla carica positiva della testa polare.

La fosfatidilserina si trova quasi esclusivamente nel foglietto citoplasmatico della membrana plasmatica, al quale conferisce una carica negativa.

Question 23

Quali sono i tipi di proteine di membrana?

Answer 23

Proteine integrali
Sono interamente inserite nella membrana, con le cui code stabiliscono interazioni idrofobiche. Possono attraversare entrambi i foglietti con uno o più domini, in genere ad alfa-elica ma talvolta anche a foglietto beta; oppure possono inserirsi in uno solo dei foglietti.

Proteine periferiche
Si trovano sulla superficie interna o esterna della membrana, con cui stabiliscono un contatto tramite interazioni idrofiliche con proteine integrali.

Proteine ancorate ai lipidi (solo cellule eucarioti)
Proteine legate covalentemente ad àncore lipidiche, cioè molecole apolari inserite in uno dei due foglietti della membrana.

Question 24

Proteine integrali

Answer 24

Proteine transmembrana interamente inserite nella membrana.
Possono attraversare entrambi i foglietti della membrana con uno o più domini, in genere ad alfa-elica ma talvolta anche a foglietto beta; oppure possono inserirsi in uno solo dei foglietti.

Le catene laterali degli amminoacidi apolari interagiscono con le code apolari dei fosfolipidi.
Hanno in genere struttura ad alfa-elica perché in ambiente idrofobico i gruppi peptidici polari formano legami idrogeno tra loro, stabilizzando la struttura ad alfa-elica.

Singola alfa-elica: proteine di segnalazione, ancoraggio, enzimi
Più alfa-eliche: proteine che creano un poro acquoso, es. trasportatori e canali
Barili beta (cilindri), che formano un’apertura centrale: pori di batteri, mitocondri, cloroplasti.

Essendo saldamente inserite nella membrana, possono essere estratte solamente con detergenti anfipatici che disgregano i lipidi.

Question 25

Proteine ancorate ai lipidi

Answer 25

Proteine di membrana di cellule solo eucarioti.
Sono legate covalentemente ad àncore lipidiche, cioè molecole apolari inserite in uno dei due foglietti della membrana.
Le ancore lipidiche possono essere
- acidi grassi: aggiunta di un acido grasso all’N-terminale della proteina mediante condensazione tra il gruppo amminico del primo amminoacido e il gruppo carbossilico dell’acido grasso
- ancore GPI (GlicosilFosfatidilInositolo): tipico di proteine sul versante extracellulare, la molecola di GPI è inserita nel foglietto esoplasmatico e il suo oligosaccaride si lega al C-terminale della proteina.

Question 26

Che cosa dimostrò l’esperimento con cellule ibride umane e di topo? (Esperimento di Frye ed Edidin, 1970)

Answer 26

Frye ed Edidin fusero cellule umane e murine per ottenerne di ibride e marcarono in fluorescenza con due colori diversi le proteine di membrana della cellula murina e quelle della cellula umana.
Incubarono la cellula ibrida a 37 °C e osservarono che si verificava un progressivo rimescolamento delle proteine di membrana. Così che alla fine le proteine di membrana murine e umane erano ridistribuite equamente.
Osservarono anche che al diminuire della temperatura diminuiva la velocità di ridistribuzione delle proteine.
Ciò dimostrò la fluidità dei lipidi e delle proteine di membrana e che essa dipende dalla temperatura.

Question 27

Esperimento di FRAP

Answer 27

(Fluorescence Recovery After Photobleaching)
Si marca la molecola di interesse (proteina o lipide di membrana) con un colorante fluorescente.
Si sbianca un’area con un raggio laser intenso.
Si osserverà in seguito che la diffusione nella membrana delle molecole marcate porterà a una ridistribuzione delle molecole fluorescenti nell’area sbiancata.

È un esperimento, insieme a quello con la cellula ibrida di uomo e topo, che dimostra la fluidità dei componenti delle membrane cellulari.

Question 28

Quali sono gli esperimenti sulla fluidità dei componenti delle membrane cellulari?

Answer 28

• Esperimento di Frye ed Edidin, con la cellula ibrida murina e umana, le cui proteine di membrana marcate diversamente tra umane e murine si ridistribuirono equamente nella membrana della cellula ibrida
• FRAP (Fluoresce Recovery After Photobleaching), in cui l’area di proteine, marcate con un colorante fluorescente, sbiancata da un raggio laser recupera la fluorescenza per la ridistribuzione delle proteine nella membrana
• Single particle tracking, in cui si osserva il movimento di una specifica proteina legandole un marcatore → le proteine si possono muovere in diffusione casuale, oppure i loro spostamenti possono essere ostacolati da componenti del citoscheltro, da altre proteine di membrana o da strutture extracellulari, oppure ancora essere promossi da motori molecolari.

Question 29

Quali possono essere le limitazioni alla mobilità delle proteine di membrana?

Answer 29

• Interazioni con altre proteine di membrana, che ne ostacolano il movimento
• Interazione con complessi macromolecolari intracellulari
• Interazioni con complessi macromolecolari extracellulari, es. matrice extracellulare
• Interazione tra proteine di membrana di due cellule diverse adiacenti che interagiscono tra loro tramite i domini extracellulari

Question 30

Cortex cellulare degli eritrociti umani

Answer 30

Fitta rete di proteine, principalmente spectrina, subito sotto alla membrana plasmatica.

Question 31

Zattere lipidiche

Answer 31

Microdomini di membrana con una specifica composizione lipidica: sfingomielina e colesterolo.
Nelle membrane, la sfingomielina e il colesterolo si raggruppano tra loro a formare isole poiché gli sfingolipidi e i fosfolipidi hanno code di lunghezza diversa. Questo significa che le interazioni tra lipidi di due classi diverse sono meno energeticamente favorite di interazioni tra lipidi di una stessa classe. Per cui, all’interno della membrana, gli sfingolipidi (code più lunghe) tendono a isolarsi, insieme al colesterolo, a formare zattere lipidiche.
Le zattere lipidiche sono più rigide, a causa della maggiore lunghezza delle code di acidi grassi e della concentrazione di colesterolo.
In queste aree si concentrano anche determinate classi di proteine di membrana.

Question 32

Dove si trovano i carboidrati nelle membrane?

Answer 32

Nel glicocalice.

Question 33

Che cosa è il glicocalice? Che funzioni ha?

Answer 33

Rivestimento della membrana plasmatica sul versante esterno della cellula, formato da carboidrati legati a lipidi (glicolipidi) e proteine (glicoproteine).

Funzioni:
Riconoscimento cellulare
Il glicocalice consente a cellule dello stesso tipo di riconoscersi poiché è lo stesso.

Riconoscimento del contatto tra cellule
Quando i glicocalici di due cellule arrivano a contatto tra loro, si innescano meccanismi di segnalazione.
Importantissimo nell’inibizione da contatto, che limita la proliferazione cellulare.

Adesione cellulare
Specifiche proteine di membrana di una cellula si legano a carboidrati specifici di glicoproteine di cellule adiacenti.

Ulteriore filtro e assorbimento
Agisce da filtro impedendo il passaggio di grandi molecole verso i canali e i trasportatori della membrana.
Favorisce l’ingresso di determinate molecole all’interno della cellula.

Question 34

Quali funzione svolgono le proteine di membrana?

Answer 34

• trasporto
• ricezione e trasduzione di segnali
• attività enzimatica
• adesione intercellulare
• riconoscimento cellulare
• adesione al citoscheletro
• adesione alla matrice extracellulare