Membrane biologiche Flashcards
Membrana plasmatica
La membrana plasmatica delimita l’ambiente interno alla cellula, separandolo dall’ambiente esterno ma consentendo al tempo stesso gli scambi necessari alla cellula per rifornirsi di sostanze nutritive ed eliminare verso l’esterno le sostanze di scarto. La membrana è quindi una barriera selettiva attraverso la quale avvengono scambi. Inoltre, la membrana plasmatica è sede di recezione di informazioni che dall’esterno possono modulare l’attività e la funzionalità della cellula.
Nelle cellule procariotiche è presente solo la membrana plasmatica (che delimita la cellula). Le cellule eucariotiche sono caratterizzate, oltre che dalla membrana plasmatica, anche da un sistema di membrane interne che delimita i vari organuli. Ciascuna di queste ha caratteristiche specifiche.
Componenti delle membrane
Le membrane sono costituite da lipidi e proteine in proporzioni e composizioni variabili secondo il tipo di membrana e di cellula. A questi si aggiungono, nella membrana plasmatica, carboidrati.
Struttura fosfolipidi
La struttura e la composizione di queste molecole le rende anfipatiche ovvero dotate di una porzione polare idrofila (la testa - formata da glicerolo, fosfato e un’altro gruppo) e una porzione polare idrofoba (la coda).
Associazione in acqua
In base alla loro struttura e composizione, queste molecole, in presenza d’acqua tendono ad associarsi tra loro secondo schemi ben precisi. In presenza di un’interfaccia aria-acqua, ad esempio, le molecole si dispongono in un monostrato con le teste polari rivolte verso l’acqua e le code rivolte verso l’aria. Quando sono invece immerse completamente in acqua, le molecole di fosfolipidi si organizzano secondo lo stesso principio di esclusione delle code dal mezzo acquoso, in varie strutture formate da un singolo strato di fosfolipidi (micelle) oppure da un doppio strato.
Il doppio strato
Il doppio strato si chiude in una struttura sferica che consente la delimitazione di due ambienti acquosi (uno interno e uno esterno) ed è la base strutturale di tutte le membrane biologiche. È possibile ottenere il doppio strato anche in vitro (liposoma).
I due strati polari esterni (teste) e lo strato apolare intermedio (code) determinano la struttura trilaminare osservabile al microscopio elettronico a trasmissione. L’aspetto trilaminare è dovuto alla presenza di due strati periferici elettrondensi separati da uno strato intermedio elettrontrasparente.
Movimento e fluidità
La posizione relativa di ogni molecola nel doppio strato non è energeticamente rilevante; quindi, le molecole possono scambiare continuamente posizione tra loro senza variazione netta di energia del sistema. La mobilità dei lipidi conferisce alle membrane la caratteristica della fluidità. I principali fattori che influiscono sulla fluidità della membrana sono le caratteristiche delle code dei fosfolipidi (in particolare lunghezza e grado di insaturazione) e il contenuto di colesterolo. La presenza di un doppio legame introduce una piega nella catena della coda e questo determina un maggiore ingombro, impedendo il regolare impacchettamento delle code nel doppio strato e quindi favorendo la fluidità della membrana. Di conseguenza i fosfolipidi ricchi di acidi grassi saturi formano doppi strati molto compatti e non fluidi a temperatura ambiente; mentre, fosfolipidi ricchi di acidi grassi insaturi formano doppi strati più lassi e molto fluidi a temperatura ambiente.
Oltre alla variabilità nella composizione fosfolipidica, un lipide fondamentale nel regolare la fluidità delle membrane animali è il colesterolo. Questa molecola è caratterizzata da una componente polare di piccole dimensioni che consente il suo inserimento tra molecole di fosfolipidi. Intercalandosi tra i fosfolipidi, il colesterolo limita la loro capacità di impacchettamento e quindi, ad alte concentrazioni, mantiene la fluidità della membrana. La porzione aromatica (idrofoba e rigida) della molecola interagisce fortemente con la porzione iniziale delle code idrofobe dei fosfolipidi, riducendone la deformabilità e mantenendo quindi un certo grado di compattezza dei fosfolipidi: questa azione del colesterolo conferisce alla membrana maggiore resistenza e impermeabilità. Il colesterolo esercita quindi un ruolo stabilizzante e tamponante sulla fluidità e permeabilità di membrana, consentendo di mantenere questi parametri a livelli ottimali.
In condizioni di composizione e temperatura normali, ciascun foglietto del doppio strato è caratterizzato da un’elevata mobilità laterale dei fosfolipidi. La mobilità dei fosfolipidi sul piano della membrana rende questa struttura fluida.
Un fosfolipide può muoversi anche da un foglietto all’altro (processo di “flip-flop”). In questo caso è necessario che la testa polare della molecola penetri e attraversi completamente lo strato idrofobo, prima di poter tornare ad essere esposta all’ambiente acquoso sul versante opposto a quello di partenza. Il contatto della testa polare con l’ambiente idrofobo è termodinamicamente molto sfavorito e questo rende il processo di flip-flop molto improbabile. Questo aspetto è di fondamentale importanza nel mantenimento dell’asimmetria delle membrane biologiche, in rapporto anche all’intervento di specifici enzimi (flippasi e scramblasi) deputati a ridurre la barriera di attivazione della reazione favorendone lo svolgimento a velocità maggiori.
Dimensioni
A parità di numero di atomi di carbonio, la presenza di doppi legami in catene insature crea una piega nella catena (coda) riducendone quindi l’estensione longitudinale rispetto ad una catena satura. Di conseguenza, un doppio strato ricco di fosfolipidi saturi tende ad avere uno spessore leggermente superiore rispetto a uno con fosfolipidi insaturi. In maniera simile, il colesterolo interagisce con le code dei fosfolipidi, riducendone la deformabilità e tendendo a raddrizzarle; questo determina un incremento dello spessore del doppio strato. Lo spessore delle membrane biologiche è compreso tra 5-10 nm.
Zattere lipidiche
Nella membrana talvolta abbiamo la formazione di microdomini detti zattere lipidiche (lipid raft). Le zattere lipidiche sono porzioni di membrana ricche di una certa molecola; di conseguenza, in quella zona della membrana si svolgeranno funzioni specifiche legate a quella molecola.
Asimmetria
La natura dei fosfolipidi influisce notevolmente sulle caratteristiche fisiche del foglietto e del doppio strato a cui appartengono, per cui alcuni fosfolipidi sono più adatti a stare nel foglietto esterno mentre altri in quello interno. Nella membrana esistono enzimi (flippasi e scramblasi) la cui funzione è quella di trasferire rapidamente e selettivamente i fosfolipidi da un foglietto all’altro. L’attività di questi enzimi determina una distribuzione asimmetrica dei fosfolipidi di membrana tra i due foglietti. Tale asimmetria si mantiene stabilmente grazie alla scarsa tendenza dei fosfolipidi a ridistribuirsi casualmente tra i due foglietti (bassa probabilità di flip-flop).
La distribuzione dei sei principali lipidi di membrana tra i due foglietti del doppio strato non è omogenea: sfingomielina (SM) e fosfatidilcolina (PC) sono prevalenti nel foglietto esoplasmatico, mentre fosfatidilserina (PS), fosfatidilentanolammina (PE) e fosfatidilinositolo (PI) sono prevalenti nel foglietto citoplasmatico. Il colesterolo, invece, è simmetricamente distribuito tra i due foglietti.
Proteine di membrana
Le proteine rappresentano un’altra componente fondamentale nella composizione delle membrane biologiche. Esse, infatti, conferiscono alle membrane gran parte delle loro specifiche funzionalità.
Le proteine di membrana si dividono in proteine integrali, periferiche e ancorate ai lipidi. Le proteine integrali penetrano attraverso il doppio strato fosfolipidico; le proteine periferiche, invece, interagiscono solo con la superficie della membrana; le proteine ancorate ai lipidi (presenti solo nelle cellule eucariotiche) sono completamente esposte sulla superficie della membrana, ma legate a molecole apolari (ancore lipidiche).
Proteine integrali
Le proteine integrali possono attraversare il doppio strato fosfolipidico con un solo dominio (una sola volta, A) o più domini (più volte, B). La struttura più comune per i domini transmembrana è quella dell’alfa-elica (A-B). Questa struttura è energeticamente favorevole poiché è necessario che il dominio transmembrana sia apolare in modo da poter interagire con le code idrofobe dei fosfolipidi di membrana. Infatti in questa struttura i gruppi R, apolari, sporgono verso l’esterno, mentre il backbone – che può presentare molecole polari – si trova internamente. Anche proteine con struttura a foglietto-beta possono essere transmembrana (C); si tratta di proteine molto grandi e complesse che possono formare anche canali e pori. La parte della proteine che si trova nel citosol è lineare o random coil e presenta caratteristiche idrofile; invece, la parte che si trova nell’ambiente extracellulare può assumere svariate configurazioni (e dunque svariate funzioni). Spesso le proteine transmembrana fungono da recettori.
In alcuni casi la proteina di membrana si inserisce in uno solo dei foglietti del doppio strato (D).
Glicocalice
Nel contatto e nella mediazione di rapporti tra cellule adiacenti hanno un ruolo fondamentale i carboidrati. Infatti, oltre a lipidi e proteine, la membrana plasmatica contiene carboidrati a formare un rivestimento detto glicocalice. I carboidrati di membrana sono legati sia a lipidi (glicolipidi) sia a proteine (glicoproteine).
Il glicocalice ha varie funzioni: protezione, riconoscimento e adesione cellulare, barriera e filtro.
Permeabilità della membrana
Il doppio strato fosfolipidico rappresenta una barriera alla libera diffusione di molecole: tutti gli scambi di cui la cellula necessita avvengono attraverso di essa, per cui è importante comprendere i fattori che determinano la sua permeabilità alle varie molecole.
La permeabilità della membrana per una data molecola è determinata in prima istanza dalla facilità con cui la molecola può penetrare nel doppio strato fosfolipidico. Infatti, il passaggio di una molecola richiede che essa perda la sfera di solvatazione che la circonda nel mezzo acquoso e passi all’ambiente idrofobo costituito dalle catene alifatiche dei fosfolipidi del doppio strato. Il costo o energetico di questo passaggio dipende dall’affinità relativa che una molecola ha per l’acqua e per i lipidi. Una molecola che ha notevole tendenza a ripartirsi in un mezzo lipidico avrà facilità ad abbandonare l’ambiente acquoso e attraversare il doppio strato, mentre una molecola idrofila avrà un notevole costo energetico nel perdere la sfera di solvatazione e imporrà un ulteriore costo nel penetrare il doppio strato a causa dell’interazione sfavorevole con le code idrofobe dei fosfolipidi.
Quindi, per le sue caratteristiche, il doppio strato fosfolipidico risulta più permeabile ad alcune molecole che ad altre, ovvero si comporta come una membrana semipermeabile.
Diffusione acqua attraverso la membrana
La diffusione dell’acqua attraverso membrane semipermeabili avviene per osmosi. I processi di osmosi attraverso le membrane biologiche possono essere facilmente evidenziati ponendo degli eritrociti in soluzioni a diverse concentrazioni ioniche. Quando la cellula si trova immersa in una soluzione ipotonica (cioè a concentrazione salina inferiore rispetto a quella del citoplasma), si avrà il passaggio d’acqua dall’esterno verso l’interno, con conseguente rigonfiamento della cellula. Viceversa, se le cellule vengono poste in una soluzione ipertonica (cioè a concentrazione salina superiore rispetto a quella del citoplasma) si avrà il passaggio d’acqua dalla cellula verso l’esterno, con conseguente riduzione di volume della cellula e suo raggrinzimento. Le cellule poste invece in una soluzione isotonica (a concentrazione salina uguale a quella del citoplasma) si trovano in condizioni di equilibrio osmotico e non variano di volume.
Proteine periferiche
A differenza delle proteine integrali, le proteine periferiche si trovano localizzate sulla superficie (interna o esterna) della membrana. Esse si associano alla membrana mediante interazioni (legami deboli) con proteine integrali sul versante citosolico o extracellulare (E-F).
