La cellula ha una sorta di involucro esterno molto sottile detto membrana plasmatica.
Le membrane si trovano anche
all'interno della cellula e formano
compartimenti chiusi. Questi
compartimenti possono servire a
raccogliere elementi per svolgere
un'attività specifica e isolarli dalle
sostanze interferenti esterne.
Ad es. possono racchiudere gli enzimi
idrolitici.
I fosfogliceridi sono costituiti da uno scheletro di glicerolo dal quale, da una parte si estendono due
catene di acidi grassi e dall’altra parte si estende un gruppo fosforico
Se al gruppo fosforico è legata la colina, l'intero fosfogliceride prende il nome di fosfatidilcolina, se vi è
legata l'etanolamina si parla di fosfatidiletanolamina, se vi è legata la serina si parla di fosfatidilserina e
se vi è legato l'inositolo si parla di fosfatidilinositolo. Questi gruppi costituiscono una testa idrofila.
In laboratorio si possono facilmente costruire
delle membrane, ad es. mettendo una goccia di
un fosfolipide in una provetta contenente
acqua e agitando si autoassemblano
spontaneamente delle vescicole sferiche dette
liposomi.
I liposomi si fondono con la membrana plasmatica veicolando nella cellula il loro contenuto
Le membrane possono
regolare gli scambi di
molecole tra l'ambiente
interno ed esterno
(permeabilità selettiva).
A volte le membrane
realizzano meccanismi di
trasporto in grado di portare
al loro interno sostanze
nonostante l'ambiente interno
abbia una maggior
concentrazione di tale
sostanza rispetto all'ambiente
esterno.
Le membrane partecipano alla trasduzione del segnale dovuto a stimoli esterni perchè esse contengono
i recettori, particolari proteine che legano segnali chimici esterni
detti ligandi.
Segnali chimici esterni possono
indurre la cellula ad accumulare un
composto, a produrlo, a dividersi, a
suicidarsi...
Un recettore
della
serotonina
La membrana plasmatica è costituita da un doppio strato lipidico con i gruppi polari di ciascuno strato
(foglietto) affacciato all'esterno. Secondo il modello a mosaico fluido le molecole lipidiche possono
muoversi lateralmente. Questi lipidi svolgono la funzione di scheletro strutturale e barriera che
impedisce il passaggio casuale di sostanze da una parte all'altra, in altre parole impedisce il
rimescolamento delle sostanze tra l’interno e l’esterno della cellula. Ai lipidi sono associate proteine e
carboidrati.
Ci sono tre tipi di lipidi di membrana: i fosfogliceridi, gli sfingolipidi e il colesterolo
sfingolipidi
fosfogliceridi
Tra gli integratori alimentari si parla di acidi grassi omega-3 (di cui ne sono ricchi gli oli di pesce) perchè
sono in grado di incorporarsi nella fosfatidiletanolamina e nella fosfatidilcolina delle membrane delle
cellule dell'encefalo e della retina.
Negli sfingolipidi c’è una molecola di sfingosina al posto del glicerolo. Alla classe degli sfingolipidi
appartengono :
il ceramide, quando nessun gruppo è attaccato
la sfingomielina, quando sono attaccati i gruppi fosfato e colina
glicolipidi o glicosfingolipidi (come il cerebroside e il ganglioside), se c’è attaccato uno zucchero
Ne sono ricche le
guaine mieliniche
del sistema
nervoso.
Sfingolipidosi
Malattia ereditaria causata dal malfunzionamento di enzimi atti alla degradazione degli sfingolipidi. In
questo modo gli sfingolipidi si accumulano nelle cellule del sistema nervoso.
I disturbi sono soprattutto neurologici (convulsioni, deficit motori, ritardo mentale).
Non esiste ancora un trattamento per le sfingolipidosi, la cui prognosi è per lo più severa.
Colesterolo, è una piccola molecola ma può essere molto abbondante nelle membrane.
La fluidità della membrana dipende dalla temperatura, dalla lunghezza delle catene di acidi grassi e dalla
quantità di colesterolo presente. Il mantenimento della fluidità della membrana è indispensabile per i
processi cellulari per cui la cellula risponde a variazioni delle condizioni esterne per mantenere la fluidità
delle membrane. Ad es. una variazione di temperatura comporta una variazione della fluidità della
membrana che la cellula compensa modificando il tipo di fosfolipidi che compongono la membrana.
Il colesterolo stabilizza localmente le membrane diminuendone la fluidità. In particolare a basse
temperature impedisce che le membrane diventino troppo rigide, ad alte temperature impedisce che
diventino troppo fluide.
Il colesterolo è internalizzato dalle cellule e usato per costruire le membrane plasmatiche e come
precursore per gli ormoni steroidei. Il colesterolo è trasportato nel sangue da complessi proteici detti
LDL (lipoproteine a bassa densità).
Tali complessi contengono l'apolipoproteina B-100 che è riconosciuta dai recettori LDL che si trovano
sulla superficie della cellula.
I complessi LDL sono portati ai lisosomi dove la parte proteica viene degradata.
Alti livelli di LDL nel sangue sono correlati all'aterosclerosi (formazione di placche sulle pareti arteriose
che riducono il calibro delle arterie e possono formare coaguli di sangue.
Se tali coaguli si staccano e finiscono nelle arterie coronariche possono provocare ischemia e infarto).
Probabilmente l'aterosclerosi è dovuta all'infiammazione cronica scaturita dalla deposizione delle
placche nelle arterie. Una classe di farmaci chiamata statine riducono i livelli di LDL bloccando un
enzima che sintetizza il colesterolo. Il colesterolo è sintetizzato nel fegato e i complessi LDL portano il
colesterolo dal fegato alle cellule attraverso il circolo sanguigno.
I complessi HDL (lipoproteine ad
alta densità) portano l'eccesso di
colesterolo cellulare al fegato.
Alti livelli di HDL sono associati al
basso rischio di infarto
(colesterolo "buono").
In realtà la situazione è più
complessa perchè esiste una
proteina (CEPT) che purtroppo
abbassa i livelli di HDL.
I carboidrati della membrana sono legati alle proteine (formando glicoproteine) o ai lipidi (formando
glicolipidi). Tutti i carboidrati sono esposti verso l'ambiente esterno.
I carboidrati dei glicolipidi della membrana plasmatica degli eritrociti definiscono il gruppo sanguigno
dell'individuo (A, B, AB o 0). Un individuo con sangue di tipo A espone N-acetilgalattosamina, il tipo B
espone galattosio, il tipo AB entrambi, il tipo 0 nessuno di questi due zuccheri.
Le proteine di membrana si distinguono in integrali, ancorate alla membrana e periferiche.
- le proteine integrali alla membrana, i loro peptidi sono almeno in parte inclusi nella membrana, esse
possono attraversare interamente la membrana e sporgere sia dal lato extracellulare che dal lato
citoplasmatico
- le proteine ancorate alla membrana sono situate all'esterno della membrana, legate covalentemente
(legame forte!) a un gruppo lipidico della membrana, nessun peptide è racchiuso nella membrana
- le proteine periferiche non hanno regioni idrofobe, non sono immerse nel doppio strato fosfolipidico,
sono localizzate interamente all'esterno del doppio strato lipidico e possono essere facilmente rimosse
senza danneggiare la membrana
La parte delle proteine integrali che giace all'interno della membrana è costituita da domini
transmembrana non polari con struttura secondaria ad alfa elica. I domini non inclusi nel doppio strato
sono idrofobici e possono interagire con composti a basso peso molecolare, ormoni e proteine.
La struttura di queste proteine è difficile da studiare poichè non si riesce ad ottenere la proteina in forma
solubile per analisi di
cristallografia a i raggi X.
Un esempio di membrana facile da studiare è
quella del globulo rosso (eritrocita). La sua
membrana contiene circa 12 proteine diverse.
Vediamone alcune:
Una proteina integrale che costituisce un
canale passivo per lo scambio di aniono
HCO3- e Cl-.
La glicoforina A, che porta cariche negative
responsabile della repulsione tra glubuli rossi
e quindi eviterebbe l'ammassarsi di essi,
sopratutto in piccoli vasi. La glicoforina è
sfruttata dal protozoo che porta la malaria per
entrare nell'eritrocita.
Proteine periferiche della superficie interna
(anchirina, spettrina, actina, tropomiosina)
che formano uno scheletro fibrillare per
mantenere la forma dell'eritrocita e limitare i
movimenti delle proteine integrali di
membrana.
Mutazioni che alterano la struttura di queste proteine possono causare anemia emolitica, una malattia
genetica in cui gli eritrociti sono fragili (emolisi) e hanno una forma alterata.
Sintomi: pallore, affaticabilità, tachicardia, dispnea da sforzo, ittero (la colorazione giallastra della pelle),
iperattività midollare
La distrofia muscolare è causata da mutazioni nel gene della distrofina, un tipo di spettrina che
compone le membrane plasmatiche delle cellule muscolari. Le cellule dell'organismo colpito si
danneggiano e muoiono quando sottoposte al normale lavoro muscolare.
Il sistema immunitario interviene per rimuovere le cellule muscolari morte ma crea un ulteriore
danno perchè gli spazi guadagnati a seguito della rimozione vengono riempiti con tessuto
connettivo.
anche il cuore è un muscolo !
La membrana plasmatica deve trattenere i
composti cellulari all'interno della cellula ma
le normali attività della cellula implicano
anche che questa possa scambiare sostanze
con l'esterno. Ad esempio deve scambiare
sostanze nutritive, ioni, materiali di rifiuto...
Quindi la membrana deve anche permettere
un passaggio controllato di sostanze tra
l'interno e l'esterno della cellula e viceversa.
Questo passaggio di sostanze può avvenire
per diffusione passiva o per trasporto attivo.
L'ultima modalità richiede energia da parte
della cellula.
Vediamo in dettaglio questi due tipi di
movimento di sostanze attraverso la
membrana cellulare.
La foto mostra la diffusione delle molecole
che partono da una goccia di blu di metilene.
La diffusione di una sostanza chimica è uno spostamento delle sue molecole che si verifica da un
compartimento a maggior concentrazione della sostanza ad uno a minor concentrazione.
Questo spostamento tende a eguagliare le concentrazioni nei due compartimenti e cessa quando le
concentrazioni sono uguali. Si tratta di un processo spontaneo che è tanto più veloce quanto
maggiore è la differenza di concentrazione tra i due comparti.
Nel caso la sostanza che si diffonde sia un elettrolita (le sue molecole sono elettricamente cariche) si
deve considerare che il flusso verso un compartimento può essere sfavorito se in esso ci sono già
molecole aventi cariche dello stesso segno poichè queste si respingono. Tale repulsione tra molecole
ostacola il processo di diffusione. Il processo di diffusione degli elettroliti dipende quindi sia dalle
concentrazioni nei due comparti sia dalla differenza di potenziale elettrico.
M- sono gli anioni che non possono diffondere fuori dalla cellula.
Gli ioni K+ tendono a uscire dalla cellula per gradiente di concentrazione e a rientrare per gradiente
elettrochimico
Gli ioni Na+ tendono a entrare nella cellula per gradiente elettrochimico
Il passaggio attraverso le membrane di composti carichi elettricamente (es. Na+, K+, Ca2+, Cl-) è dovuto a
canali ionici formati da proteine integrali di membrana. Esistono canali per differenti specie ioniche e
ogni tipo di canale è selettivo, ovvero consente il passaggio solo di una determinata specie ionica. Tali
canali ionici possono essere aperti o chiusi a secondo delle necessità della cellula. Precisamente ci sono
tre tipi di canali ionici a seconda del meccanismo in cui la loro pervietà è controllata.
1) i canali a controllo di voltaggio possono essere aperti o chiusi a seconda della differenza tra le cariche
ioniche all'interno e all'esterno della cellula.
2) i canali a controllo di ligando in cui delle sostanze chimiche controllano l'apertura o la chiusura. (Il
neurotrasmettitore acetilcolina su certi canali cationici, il cAMP agisce su canali per gli ioni del calcio)
3) canali a controllo meccanico nei quali il canale è controllato da azioni meccaniche.
