Funzioni delle membrane cellulari (1)
1) Determinano una “compartimentazione”
Le membrane formano dei foglietti continui e
delimitano dei compartimenti.
1. La membrana plasmatica delimita i contorni e
racchiude i contenuti dell’intera cellula
2. Le membrane dell’involucro nucleare e quelle
citoplasmatiche delimitano i diversi
compartimenti cellulari
Funzioni delle membrane cellulari (2)
3) Forniscono una barriera con permeabilità selettiva
le membrane impediscono il libero scambio di materiali
da un versante a un altro ma allo stesso tempo
forniscono un mezzo di comunicazione fra gli spazi
4) Permettono e regolano soluti
regolano il trasporto di sostanze all’interno e all’esterno
delle cellule e dei loro organuli
5) Rispondono a segnali esterni
le membrane plasmatiche svolgono una funzione
fondamentale nella risposta di una cellula a stimoli
esterni, un processo noto come TRASDUZIONE DEL
SEGNALE
6) Presiedono a interazioni intercellulari
le membrane plasmatiche mediano le interazioni fra le
cellule e con l’ambiente circostante
LA STRUTTURA DELLA
MEMBRANA PLASMATICA
IL TRASPORTO DI MEMBRANA
Le ridotte dimensioni cellulari sono garanzia
di un elevata efficienza di scambio a livello di membrana
Il movimento di sostanze attraverso la
membrana cellulare
-le membrane sono “selettivamente permeabili”
-La permeabilità di una sostanza dipende da:
dimensioni
carica
- sebbene il doppio strato sia relativamente
impermeabile agli ioni, le cellule devono essere in
grado di far passare attraverso la membrana
ioni e molecole polari come gli zuccheri e gli
amminoacidi intervengono quindi PROTEINE DI
MEMBRANA specializzate
Bilayer lipidico
sintetico
Molecole idrofobiche
SI
Molecole polari di
piccole dimensioni
Molecole polari di
dimensioni maggiori
IONI
NO
Alta permeabilità
Coefficienti di
permeabilità: cm/sec
Velocità di
attraversamento della
membrana
Bassa permeabilità
Il movimento attraverso la membrana può avvenire
principalmente in due modi:
- in modo “passivo” per DIFFUSIONE
- in modo “attivo” per mezzo di qualche tipo di
processo di trasporto accoppiato ad energia
Entrambi i movimenti possono portare a un
FLUSSO NETTO
TRASPORTO PASSIVO
A: diffusione semplice
B: diffusione facilitata
TRASPORTO ATTIVO
D: primario contro-gradiente
C-E: secondario
C: uniporto
E: simporto
DIFFUSIONE
“Processo spontaneo”
una sostanza si sposta da
una regione ad elevata concentrazione
ad una a bassa concentrazione
eliminando alla fine la differenza di
concentrazione fra le due regioni
DIFFUSIONE ATTRAVERSO UNA
MEMBRANA SEMIPERMEABILE
FLUSSO
NETTO
Alta
concentrazione
Bassa
concentrazione
EQUILIBRIO
uguale
concentrazione
Molecole idrofobiche
Molecole polari di
piccole dimensioni
DIFFUSIONE SEMPLICE
Attraverso il bilayer lipidico
Molecole polari di
dimensioni maggiori
DIFFUSIONE FACILITATA
IONI
Mediante l’utilizzo di trasportatori
DIFFUSIONE FACILITATA
soluti polari, quali zuccheri e
amminoacidi, nucleotidi e ioni
che non possono penetrare nel doppio
strato lipidico
La sostanza che deve diffondere si lega ad una
proteina INTEGRALE di membrana detta
PROTEINA DI TRASPORTO O VETTRICE
perché le molecole sono di natura idrofila e
provviste di cariche elettriche
La direzione del flusso dipende solo dalla
concentrazione relativa della sostanza sui due lati
della membrana
Le proteine vettrici
offrono siti di legame che possono essere occupati
da molecole di forma corrispondente
Riconoscimento specifico proteina vettrice-ligando
possono variare la loro conformazione in modo da
aprirsi alternativamente sui due versanti della
membrana
legano le molecole da trasportare
preferenzialmente dal lato dove sono presenti in
maggior concentrazione
Trasporto facilitato
Mediante una PROTEINA VETTRICE O “CARRIER”
Gradiente di
concentrazione
Proteina di trasporto
“CARRIER”
L’energia per la diffusione è fornita dal gradiente di concentrazione della sostanza
che deve essere trasportata
DIFFUSIONE DI IONI ATTRAVERSO LE
MEMBRANE
Il doppio strato lipidico è fortemente
impermeabile ai composti con carica elettrica
compresi piccoli ioni come Na+, K+, Ca 2+ e Cl-.
Eppure il movimento di essi è essenziale per
numerose attività cellulari.
TRASPORTO FACILITATO
Mediante proteine canale o canali
ionici
Proteine integrali che presentano
un canale polare delimitato dalle
diverse subunità della proteina
Proteina canale
CANALI IONICI permeabili a
determinati ioni
Permettono il passaggio di ioni
specifici secondo gradiente di
concentrazione
Svolgono un ruolo importante nelle
cellule nervose e muscolari
Sono dotati di apertura a tempo
- canali ionici a controllo di potenziale
o di voltaggio
- canali ionici a controllo chimico (o a
controllo di ligando)
Canali a controllo di voltaggio o di potenziale
L’apertura del canale avviene in seguito all’arrivo di
un’onda di depolarizzazione di membrana
Canali a controllo di voltaggio o di potenziale
L’apertura del canale avviene in seguito alla
formazione di un legame tra proteina del canale con
una molecola segnale, chiamata genericamente
ligando, quale ad esempio un ligando o un
neurotrasmettitore.
Le proteine trasportatrici sono dette permeasi
L’OSMOSI
OSMOSI
Tipo particolare di diffusione che comporta il
movimento netto di molecole di acqua attraverso
una membrana selettivamente permeabile
Le molecole di acqua rispetto agli ioni o piccoli
soluti polari si muovono molto più velocemente
attraverso la membrana secondo il loro gradiente
OSMOSI
Le molecole di acqua passano dalla
zona a minor concentrazione di soluti
(compartimento IPOTONICO)
alla zona a maggior concentrazione di
soluti (compartimento IPERTONICO)
Regolare il volume cellulare prevede il
controllo delle forze di natura osmotica
che farebbero contrarre o rigonfiare la
cellula stessa quindi il controllo della
concentrazione dei sali
La pompa Na-K è un
meccanismo attivo che
svolge questo lavoro
La pompa Na-K contribuisce a generare e
sostenere il potenziale di membrana:
pompa attivamente ioni 3Na+ fuori e ioni 2K+
dentro impoverendo l’interno di cationi
POTENZIALE DI MEMBRANA
la membrana plasmatica separa due ambienti nei quali è
mantenuta una diversa composizione ionica: piccoli cationi
nel citoplasma, scarsi i piccoli anioni
gradiente elettrochimico
differenza di potenziale elettrico tra i due versanti della
membrana di -70 mV
esterno
++++++++++++++++ +
------------------------interno
- trasmissione di impulsi elettrici
- mediare alcuni sistemi di trasporto ( pompe ioniche )
TRASPORTO ATTIVO
L’energia immagazzinata nel gradiente di
concentrazione non solo non è disponibile ma anzi
lavora contro di esso
I sistemi di trasporto ATTIVO necessitano di una
fonte di energia per poter trasportare le
sostanze contro il proprio gradiente di
concentrazione
-
dipende dalla presenza di proteine vettrici dette
“pompe”
-
Alcune di queste legano e idrolizzano una
molecola di ATP liberando l’energia per il
trasporto
Pompa sodio-potassio
Trasporto del Na+ e del K+ contro il loro gradiente di concentrazione
I processi di trasporto delle
molecole attraverso la
membrana:
Trasporto passivo
Trasporto attivo
Esistono dei meccanismi di trasporto specifici:
UNIPORTO viene trasportata una sola molecola
in una direzione
SIMPORTO in cui per esempio l’energia
accumulata da un trasporto attivo primario
viene sfruttata per il trasporto di un’altra
molecola nella stessa direzione
ANTIPORTO in cui la seconda molecola viene
trasportata nella direzione opposta
UNIPORTO
simporto
antiporto
COTRASPORTO
Cellula
intestinale
Lume
intestinale
Trasporto di
glucosio guidato dal
sodio
Liquido
extracellulare
membrana cellulare
specializzazioni del
plasmalemma
Adesione Cellulare
• In un organismo o tessuto, le cellule si
riconoscono e si legano le une alle altre
per mezzo di proteine di membrana che
protrudono dalla superficie cellulare.
MOLECOLE DI ADESIONE
Sono le molecole coinvolte nelle interazioni tra cellule e matrice extracellulare e nelle
interazioni cellula-cellula.
La FIBRONECTINA e’ una delle molecole responsabili del collegamento tra la matrice e la
superficie cellulare. E’ una glicoproteina dimerica che possiede siti di attacco sia per il
collagene che per i glicosamminoglicani (GAG). Ha un'estremità che presenta un'alta
affinità per una famiglia di proteine intrinseche di membrana, i RECETTORI per la
fibronectina.
Le lamine basali contengono un'altra proteina di adesione cellulare detta LAMININA
assemblata sotto forma di reticoli. Le lamine basali hanno siti di legame per i recettori
della superficie cellulare e per il collagene di tipo II e sono associate alla ENTACTINA o
NIDOGENO, che lega anch'essa il collagene di tipo IV.
I principali recettori della superficie cellulare responsabili dell'attacco della cellula alla
matrice extracellulare, sono le INTEGRINE, proteine transmembrana costituite da 2
subunità alfa e beta (esistono 20 diverse integrine con diverse combinazioni di alfa e beta
e precisamente 15 diverse subunità alfa e 8 diverse subunità beta).
Le integrine presentano una costituzione tessuto-specifica. Esse si legano a brevi
sequenze di aa presenti in molte componenti della matrice extracellulare, compresi
collagene, fibronectina e laminina. Servono anche per ancorare componenti del
citoscheletro.
INTERAZIONI CELLULA CELLULA
Sono processi selettivi mediati da proteine transmembrana dette "MOLECOLE DI ADESIONE
CELLULARE" divise in 4 gruppi principali: SELETTINE, INTEGRINE e SUPERFAMIGLIA delle
IMMUNOGLOBULINE e delle CADERINE.
Selettine, integrine e caderine richiedono Ca2+ e Mg2+ per funzionare. Selettine, integrine e Ig
mediano adesioni transitorie, in particolare, le selettine riconoscono carboidrati specifici presenti
sulla superficie cellulare.
Selettina E e P sono espresse dalle cellule endoteliali e si legano ad oligosaccaridi specifici
espressi sulla superficie dei leucociti. La selettina L é espressa dai leucociti e riconosce un
oligosaccaride della superficie delle cellule endoteliali. Le Ig-CAM comprendono molecole con
domini di superficie correlati agli anticorpi, per cui sono state assegnate alla superfamiglia delle Ig.
Ne sono state scoperte più di 30 e tra queste: le L-CAM (presenti sulle cellule epatiche), le N-CAM
(a livello dei neuroni), le Ng-CAM (a livello della neuroglia), le I-CAM ( presenti su diversi tipi
cellulari tra cui i leucociti).
Le CADERINE sono responsabili soprattutto della formazione di giunzioni stabili tra le cellule dei
tessuti; esse, infatti, uniscono tra di loro cellule dello stesso tipo attraverso legami di tipo omofilo.
Esistono varie Caderine: la E é espressa sulle cellule epiteliali, la N é detta neurale e la P
placentare.
Adesione Cellulare
• Le giunzioni strette (Tight junctions) prevengono il
passaggio di molecole attraverso lo space
circostante alle cellule, e definiscono regioni
funzionali della membrana plasmatica impedendo
la migrazione delle proteine sulla superficie
cellulare.
• I desmosomi permettono alle cellule di aderire
fortemente le une alle altre.
• Le “gap junctions” creano dei canali per
comunicazioni chimiche e elettriche tra le cellule.
5.6 – Part 1
Figure 5.6 – Part 1
5.6 – Part 2
Figure 5.6 – Part 2
SISTEMI DI GIUNZIONE CELLULARE
Le membrane di cellule contigue presentano una serie di
dispositivi specializzati che permettono un contatto più
stretto e, in alcuni casi, anche scambi tra cellula e cellula.
Si distinguono due classi di GIUNZIONI CELLULARI:
1) GIUNZIONI ADERENTI: desmosomi
emidesmosomi
fasce aderenti
fasce occludenti
2) GIUNZIONI COMUNICANTI: giunzioni serrate
Le giunzioni aderenti tengono insieme le cellule e
funzionano
come
"cerniere"
intercellulari
che
mantengono le cellule in posizioni fisse all'interno dei
tessuti.
Le giunzioni occludenti chiudono gli spazi intercellulari
alla diffusione, formando una specie di barriera che
impedisce il flusso diretto di ioni e molecole.
Le giunzioni comunicanti formano canali aperti nelle
membrane plasmatiche di cellule adiacenti,
permettendo la diffusione diretta di ioni o piccole
molecole da una cellula all'altra.
DESMOSOMI O MACULAE ADHERENTES
Sono i sistemi di giunzione più
diffusi (tessuti epiteliali) e i più
complessi. Hanno forma circolare
o ellittica; nella regione che
contiene un desmosoma si
osserva la PLACCA, uno spesso
strato di materiale denso al di
sotto della membrana plasmatica.
A partire dalla placca, in
direzione del citoplasma, si
dipartono i filamenti intermedi
di cheratina o vimentina. Sono
detti TONOFILAMENTI e
fungono da ancora per la
giunzione.
Si osservano emidesmosomi quando le cellule sono ancorate a materiale
extracellulare anzicché ad altre cellule. Sono anche presenti a livello di
cellule coltivate in vitro, dove fungono da ancoraggio alla plastica o al vetro.
-Desmosomi: detti anche "MACULAE ADHAERENTES".
Le proteine che costituiscono i desmosomi sono:
le DESMOPLACHINE I e II, glicoproteine associate alle placche, come la
PLACOLOBINA. Esse non legano direttamente i filamenti intermedi.
CHERATOCALMINA e DESMOCALMINA connettono le proteine della
placca ed i filamenti intermedi, formando dei ponti
DESMOGLEINE e le DESMOCOLLINE (caderine) glicoproteine integrali
di membrana che stabiliscono adesioni intercellulari nella regione delle
giunzioni. Negli emidesmosomi sono presenti solo DESMOPLACHINE e al
posto delle desmogleine c'é una molecola di adesione appartenente alle
integrine.
Desmosomi: detti anche "MACULAE ADHAERENTES".
I desmosomi sono particolarmente abbondanti nei tessuti che sono
sottoposti a stress meccanici in senso laterale o da stiramento
(epidermide, epiteli che rivestono la superficie interna delle cavità
corporee).
Pur rappresentando i dispositivi di giunzione a più elevata resistenza
meccanica, i desmosomi sono permeabili a liquidi che possono quindi
circolare liberamente negli spazi extracellulari attraverso la sostanza
extracellulare.
-GIUNZIONI ADERENTI (zonula ADHERENS)
Congiungono le cellule di alcuni tessuti animali
con, ad esempio, quelle del muscolo cardiaco e
delle membrane che avvolgono gli organi che
rivestono le cavità corporee.
Le placche delle giunzioni aderenti non hanno
l'aspetto di uno strato denso con un punto,
come nei desmosomi, ma quello di un reticolo a
struttura irregolare.
Le fibre che si dipartono dalle placche sono
microfilamenti di actina.
Esistono giunzioni aderenti di forme diverse:
a bottone,
a cintura,
a configurazione estesa.
Anche le giunzioni aderenti sono presenti in una forma dimezzata sulla
membrana di cellule che entrano in contatto con strutture extracellulari.
-GIUNZIONI ADERENTI (zonula ADHERENS)
Da un punto di vista molecolare, i
principali
costituenti
delle
giunzioni aderenti sono proteine
transmembrana che appartegono
alla famiglia delle caderine.
I segmenti citoplasmatici di
queste molecole contribuiscono
alla formazione delle placche ed
all'organizzazione di un gruppo di
proteine nella regione delle
placche (alfa-actinina, vinculina,
caderine, placoglobine).
Le porzioni che si estendono
all'esterno
della
membrana
formano l'adesione cellula-cellula
che tiene unite le giunzioni
aderenti.
Sia le giunzioni aderenti che i
desmosomi sono Ca2+ dipendenti.
- FASCE OCCLUDENTI (zonula occludens).
Formano una cintura continua attorno
alle cellule che rivestono le cavità
corporee.
Saldano insieme le cellule ed impediscono
il passaggio dei liquidi tra la cavità
corporea e le cellule sottostanti.
Gli emistrati esterni di due membrane
che costituiscono la giunzione si fondono
tra loro lungo una linea di congiunzione; la
fusione elimina lo spazio extracellulare e
rende la giunzione impermeabile al
passaggio di liquidi extarcellulari e di ioni
e molecole in soluzione.
La sigillatura é tanto migliore quanto
maggiore é il numero di filamenti
sigillanti.
- FASCE OCCLUDENTI (zonula occludens).
La struttura molecolare
non é ben nota: sono state
identificate le proteine 201, 20-2, CINGOLINA,
localizzate in un regione
simile alla placca.
- FASCE OCCLUDENTI (zonula occludens).
Le giunzioni strette sono molto più diffuse nei Vertebrati, soprattutto negli epiteli
di rivestimento dell'apparato digerente.
Sono comuni anche tra le cellule delle pareti dei capillari (cervello, reticolo).
La funzione delle fasce occludenti é quella di impedire che sostanze provenienti dal
lume penetrino negli interstizi cellulari. A livello della barriera emato-encefalica,
esse bloccano il passaggio di molte molecole dal circolo sanguigno nel tessuto
nervoso; passano però glucosio, neuro-ormoni, O2 e CO2.
Le ZONULE OCCLUDENS possono essere lasse o strette a secondo che siano
costituite da 1-2 o 8-10 bande interconnesse (tubulo convoluto prossimale, dotto
collettore).
-GIUNZIONI COMUNICANTI (giunzioni serrate - GAP JUNCTIONS).
Costituiscono un passaggio aperto
attraverso cui ioni e piccole molecole
passano da una cellula all'altra. Le
membrane delle due cellule sono
separate da uno spazio di 2-3 nm. E'
stata dimostrata la presenza di un
grande numero di cilindri cavi disposti
con l'asse maggiore perpendicolare alla
superficie delle cellule. E' stato
osservato che i cilindri sulle membrane
plasmatiche adiacenti si incontrano coda
contro coda, formando una struttura
aperta tra le cellule, non sigillando la
giunzione dei fluidi extracellulari
circostanti.
-GIUNZIONI COMUNICANTI (giunzioni serrate - GAP JUNCTIONS).
Ogni cilindro, detto CONNESSONE, è costituito da 4-6 molecole di
CONNESSINA. I canali delle giunzioni possono aprirsi e chiudersi in seguito a
transizioni conformazionali delle molecole di connessione che costituiscono le
pareti.
Le giunzioni comunicanti rispondono a variazioni della concentrazione
citoplasmatica di Ca2+ = 10-5 M. La regolazione della [Ca2+] può essere
diretta o mediata dalla CALMODULINA. L'abbassamento del pH
citoplasmatico provoca sempre la chiusura dei canali, indotta anche da
variazioni di potenziale.
La chiusura indotta da elevate [Ca2+] può costituire un meccanismo di
sicurezza.
Ricordiamo che le giunzioni comunicanti sono presenti al livello di tutti i
tessuti.
Sono strutture transitorie e si formano solo quando c'é esigenza di
contatto tra due cellule attigue.
Le funzioni delle giunzioni comunicanti sono: trasporto dell'impulso
nervoso ed inoltre interagiscono nella regolazione dei processi di
differenziamento e proliferazione cellulare.
