Le membrane biologiche

La Membrana plasmatica

• Sottile rivestimento, con spessore di 7-9 nm, che delimita la cellula in tutti gli

organismi viventi

• Separa fisicamente l’ambiente intracellulare dall'ambiente esterno

• Regola il passaggio delle sostanze tra ambiente intracellulare ed

extracellulare

• Formata in prevalenza da fosfolipidi e si parla di "doppio strato fosfolipidico”

• Ogni fosfolipide contiene due catene di acidi grassi unite a due dei tre atomi di carbonio di una molecola di glicerolo

• Le catene degli acidi grassi formano la porzione apolare e idrofobica del fosfolipide mentre al terzo atomo di carbonio del glicerolo è legato un gruppo fosfato carico negativamente, a sua volta legato a un gruppo organico polare che costituiscono la porzione idrofilica

Molecole che presentano regioni idrofobiche e idrofiliche

sono dette MOLECOLE ANFIPATICHE

• Nella componente lipidica si vanno a collocare, con

importanti funzioni fisiologiche, proteine e una piccola

percentuale di glucidi (glicoproteine e glicolipidi) e di

molecole di colesterolo che la stabilizzano

• Negli organismi procarioti è ricoperta da un rivestimento

protettivo chiamato parete cellulare, assente invece nelle

cellule eucariote animali ma presente nelle cellule

eucariote vegetali dove è sotto forma di una parete

cellulare primaria (composta principalmente da peptina) e

di una parete cellulare secondaria (composta

principalmente da lignina).

MODELLO A MOSAICO FLUIDO Singer e Nicolson

Modello a mosaico fluido (1972 da Singer e Nicholson): il

doppio strato lipidico della membrana plasmatica è allo stato di

liquido-cristallino ed in esso sono immerse numerose proteine,

che grazie alla fluidità della componente lipidica presentano un

notevole grado di mobilità; ad esse spetta lo svolgimento della

gran parte delle funzioni di membrana. Il doppio strato lipidico

non ha carattere omogeneo, ma piuttosto all'interno del mosaico

fluido sono presenti microdomini lipidici meno fluidi (lipid rafts

Simon e Ikonen, 1997), formati principalmente da sfingolipidi e

colesterolo allo stato liquido-ordinato, che funzionerebbero sia da

zattere di trasporto di componenti di membrana, sia da

piattaforme per la genesi di segnali intracellulari, per cui in essi

sono concentrate proteine specifiche.

Fluidità della membrana cellulare

Esperimento di Frye e Edidin (1970)

MODELLO A MOSAICO FLUIDO

COMPATTAMENTO DEI LIPIDI IN AMBIENTE ACQUOSO

Funzioni:

• Compartimentalizzazione

• Regolare scambi esterno /interno

• Inviare segnali intracellulari e fra cellule

• Energia

• Reazioni enzimatiche catalizzate da enzimi inseriti nella membrana stessa

• Composti reattivi separati dal resto della cellula

• Concentrazione reagenti

10-1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 10-14

Coefficiente di permeabilità (cm/sec)

BenzeneH2O

GliceroloUrea

Triptofano

GlucosioCl-

K+

Na+

O2

N2

Permeabilità del doppio strato fosfolipidico a sostanze diverse

Regolazione scambi esterno/interno

La membrana plasmatica è una barriera selettivamente

permeabile tra il citoplasma e l'ambiente extracellulare. Questa

caratteristica è conseguenza della composizione lipidica e

proteica della membrana. Il doppio strato fosfolipidico

permette il libero passaggio, dell'acqua, di gas (O2, CO2) e di

piccole molecole liposolubili (prive di carica), come

ammoniaca, urea, etanolo e glicerolo, mentre specifiche

proteine di trasporto assicurano il passaggio di ioni e molecole

idrosolubili (elettricamente cariche).

Il trasporto delle sostanze attraverso la membrana può avvenire tramite:

trasporto passivo (che avviene secondo gradiente di concentrazione e

perciò senza dispendio di energia)

trasporto attivo (che avviene contro gradiente di concentrazione e

perciò con dispendio di energia)

Si distinguono inoltre:

• uniporto: si ha il trasporto di un'unica specie di soluto

• simporto e antiporto: si ha il trasporto accoppiato di due diverse

specie di soluti.

Nel simporto il trasporto dei due soluti avviene nella stessa direzione,

mentre nell'antiporto avviene in direzione opposta.

Trasporto Passivo:

DIFFUSIONE SEMPLICE E DIFFUSIONE FACILITATA

Diffusione semplice:le sostanze passano il doppio strato fosfolipidico senza l’intervento di proteine (gas come O2 e CO2, sostanze liposolubili).

Diffusione facilitata:le sostanze passano la membrana grazie a proteine. Due classi di proteine sono responsabili del trasporto passivo: carriers e i canali.

• CARRIERS: trasporto di glucidi, aminoacidi e nucleosidi. Una volta legato il soluto nel compartimento ad alta concentrazione, il carrier va incontro ad un cambiamento conformazionale che permette il trasferimento del soluto nel compartimento a bassa concentrazione.

• CANALI: le proteine formano dei pori nella membrana plasmatica, che consentono la diffusione di ioni o di piccole molecole idrosolubili di idoneo peso molecolare e carica elettrica. Fanno parte dei canali le acquaporine, che favoriscono il passaggio di molecole di acqua.L'apertura dei canali può essere regolata da recettori (canali ROC - Receptor OperatedChannels), da secondi messaggeri (canali SMOC o Second Messenger Operated Channels) o dal potenziale elettrico della membrana (canali VOC o Voltage Operated Channels), cosicché il passaggio può essere finemente modulato.

Esempio di trasporto con carrier

Esempio di trasporto con canale

Trasporto Attivo: PRIMARIO E SECONDARIO

Nel trasporto attivo primario: le proteine trasportano i

soluti contro gradiente, utilizzando l'energia ottenuta

dall'idrolisi dell'ATP (ADP+P), per cui queste proteine

sono dotate di attività enzimatica (ATPasi).

Le pompe trasportano ioni, mentre i trasportatori ABC

(ATP-binding cassettes) trasportano un'ampia gamma di

molecole, compresi glucidi, aminoacidi e ioni.

Il legame dell'ATP alla proteina di trasporto permette il

cambiamento conformazionale necessario al trasferimento

del soluto.

Il doppio strato fosfolipidico è impermeabile agli ioni

Necessità di proteine specifiche

Consumo di energia per andare contro gradiente di concentrazione

Pompa Sodio/potassio ATPasi

Nel trasporto attivo secondario: l'energia necessaria al trasporto

di un soluto contro il suo gradiente di concentrazione non è

fornita direttamente dall'ATP, ma dall'esistenza di un gradiente

elettrochimico del Na+ (o di H+) prodotto dalla rispettiva pompa

ionica. Il trasporto attivo secondario è quindi indirettamente

accoppiato ad un sistema di trasporto attivo primario, che genera

il gradiente elettrochimico.

Nel trasporto attivo secondario si ha, quindi, il trasporto

accoppiato di due diverse specie di soluti: nel simporto il

trasporto dei due soluti avviene nella stessa direzione, mentre

nell'antiporto avviene in direzione opposta. Anche in questo caso

il trasferimento dei soluti avviene grazie al cambiamento

conformazionale della proteina trasportatrice, che è indotto dal

legame dei soluti stessi.

Passaggio di molecole attraverso la membrana

Osmosi Diffusione dell’acqua attraverso le membrane biologiche

OSMOSI: particolare tipo di diffusione, movimento di solvente (acqua)

attraverso una membrana semipermeabile l’acqua si sposta da una regione a

bassa concentrazione di soluti ad una in cui la concentrazione è più elevata

PRESSIONE OSMOTICA: tendenza dell’acqua pura a muoversi verso la

soluzione per osmosi

Comportamento di cellule animali e vegetali in soluzioni a diversa concentrazione salina

L’importanza della parete rigida di cellulosa

ESOCITOSI ED ENDOCITOSI

Una giunzione cellulare, essendo il glicocalice (strato più esterno della membrana plasmatica)

dotato di carica netta negativa che farebbe respingere le cellule una dall'altra, è una

specializzazione di una faccia di membrana che rende possibile i processi di adesione tra due

cellule.

Due classi di contatti adesivi tra le cellule:

Prima classe composta da strutture non organizzate distribuite sulla superficie cellulare:

•Le calcio-indipendenti fanno uso sia di proteine transmembrana che esterne ad essa e ne esistono di tipi diversi in tessuti diversi•Le calcio-dipendenti, invece, fanno uso di tre tipologie di proteine: "caderine, integrine, selectine".

Seconda classe, invece, è composta da complessi di adesione specializzati, in cui è possibile riconoscere strutture organizzate a livello funzionale. Nei vertebrati si distinguono in tre tipi:•Giunzioni occludenti (tight junctions)•Giunzioni comunicanti (gap junctions)•Giunzioni aderenti o di ancoraggio (anchoring junctions)

Giunzioni Cellulari

Le giunzioni occludenti (giunzioni strette o tight; o Zonulae occludentes) impediscono il

passaggio dei fluidi tra le cellule andando a formare attorno al perimetro cellulare una

cintura continua detta zonula. Sono particolarmente presenti negli epiteli di rivestimento

(es.pelle) e negli epiteli intestinali per far sì che non filtrino sostanze tra i vari ambienti.

Nelle giunzioni occludenti gli spazi interstiziali sono annullati in corrispondenza dei punti

nodali: punti in cui i lembi di membrana che si affrontano sono saldamente coesi.

La totalità delle membrane adiacenti è percorsa da ripetute serie di tali punti, sicché i

lembi di membrana appaiono anastomizzati tra loro.

Le Giunzioni occludenti svolgono una funzione sigillante, uniscono le due cellule

adiacenti senza lasciare interstizi, in modo che le molecole idrosolubili non filtrino

facilmente tra una cellula e l'altra.

Le giunzioni comunicanti (o serrate o nexus o gap) possiedono canali proteici detti

connessoni, che si aprono in risposta a determinati segnali chimici quali modificazioni del

pH o della concentrazione degli ioni calcio, consentendo il passaggio di ioni o molecole di

basso peso molecolare (fino a 1 kDa) tra due cellule. I connessoni sono presenti su

entrambe le facce delle membrane cellulari formando un'unica struttura con poro centrale;

le due porzioni del connessone aderiscono tra loro formando un canale che permette anche

l'accoppiamento elettrico tra due cellule. In una giunzione comunicante il numero di

connessoni varia da poche decine a qualche centinaio, con disposizione regolare

Le giunzioni aderenti (ancoranti, di ancoraggio) interessando sia punti di

ancoraggio intercellulari che tra cellula e matrice extracellulare, forniscono un

supporto strutturale ai tessuti, come ad esempio i muscoli e le cellule

dell'epidermide, andando a costituire nel tessuto un dispositivo tramite cui le forze

applicate si scompongono secondo tante direttrici. Tale tipo di giunzione sfrutta i

filamenti actinici, differenziandosi in due tipi: le fasce di adesione (fascia

adhaerens) e le zone di adesione (zonula adhaerens); le fasce d'adesione sono

collegamenti che si stabiliscono tra una cellula e l'altra adiacente, grazie alle

Caderine, proteine strutturali che sporgono nello spazio interstiziale delle cellule e

si uniscono intersecandosi fra loro

I desmosomi, o maculae adhaerentes, sono le giunzioni cellulari più conosciute

perché al microscopio elettronico hanno una configurazione caratteristica.

Immediatamente sotto la membrana plasmatica appare una zona marcatamente

elettrondensa: essa è costituita da un addensamento di materiale proteico

citoplasmatico che viene definito placca di adesione cui convergono i filamenti

intermedi del citoscheletro che si legano lateralmente alla placca di adesione.

Come le giunzioni aderenti, i desmosomi assolvono prevalentemente a funzioni

meccaniche: grazie al decorso dei filamenti intermedi, le forze conseguenti a

insulti meccanici vengono ben scaricate nel tessuto.