La membrana cellulare

MEMBRANA CELLULARE(O MEMBRANA PLASMATICA O PLASMALEMMA) STRUTTURA Basandosi sull’osservazione secondo la quale le sostanze che più facilmente attraversano la membrana cellulare sono lipofile, agli inizi del ‘900 fu ipotizzato che la struttura della membrana sia costituita prevalentemente da lipidi. Gorter e Grendel negli anni ‘20 proposero un modello di membrana costituito da un doppio strato fosfolipidico, basandosi sul fatto che la superficie che i fosfolipidi di membrana occuperebbero su un piano è doppia rispetto alla superficie complessiva delle cellule da cui provengono. Negli anni ‘50, venne proposto un altro modello di membrana (Dawson e Danielli): doppio strato fosfolipidico (secondo il modello di Gorter e Grendel) con proteine sia sul versante extracellulare che su quello intracellulare. Con la tecnica della “freeze fracturing” (“criofrattura” o “frattura a freddo”), negli anni ‘60 è stato proposto il modello “a mosaico fluido” (Singer e Nicholson). Congelando un tessuto e tagliandolo opportunamente, si separano i due strati di fosfolipidi della membrana cellulare; si osserva che vi sono in ciascuno strato delle “sporgenze” alle quali corrisponde nell’altro strato una “cavità”: le “sporgenze” sono dovuta a proteine “intrinseche”, che si trovano insite nel doppio strato fosfolipidico. La membrana è costituita da un doppio strato fosfolipidico con proteine estrinseche (secondo il modello di Dawson e Danielli) e proteine intrinseche; queste ultime possono attraversare da parte a parte il doppio strato fosfolipidico. Successivamente è stato dimostrato che questo modello è valido anche per le membrane di tutti gli organuli intracitoplasmatici. LIPIDI DI MEMBRANA La fluidità della membrana è determinata dalle seguenti carattestiche chimico-funzionali dei suoi componenti: 1) la catena idrocarburica dei fosfolipidi è mobile rispetto al gruppo carbossilico a cui è ancorata, per cui le molecole lipidiche sono ruotabili, flessibili e traslabili lateralmente; la flessibilità dipende dal grado di insaturazione degli acidi grassi dei fosfolipidi: maggiore è il numero di insaturazioni,maggiore sarà il numero di piegature obbligatorie,maggiore sarà l’ingombro sterico delle code,maggiore sarà la distanza tra le code,minori saranno le forze di Van Der Waals,maggiore sarà la fluidità; 2) il colesterolo è più corto dei fosfolipidi: a) è disposto col suo asse maggiore (idrofobico) parallelo alle catene degli acidi grassi: obbliga la formazione di spazi tra le catene apolari (maggiore fluidità) e ne impedisce il rimpacchettamento a basse temperature; ne impedisce i movimenti ad alte temperature; rende ancora più impermeabile il doppio strato fosfolipidico; b) costringe le teste polari a distanziarsi: favorisce l’ancoraggio di proteine esterne che possiedono gruppi idrofobici 3) microfilamenti di actina, interagendo con molecole del tipo della miosina, sono in grado di trasportare frammenti di membrana da una parte ad un’altra; sono quindi possibili spostamenti di proteine e glicoproteine; 4) la temperatura gioca un ruolo fondamentale nella fluidità della membrana, perché influisce sullo stato fisico dei lipidi. Es.: quando la temperatura esterna si riduce, negli ibernanti la fluidità della membrana viene assicurata da un aumento della quantità di acidi grassi insaturi. FUNZIONI DELLA MEMBRANA Regolazione degli scambi tra ambiente extracellulare ed intracellulare (permeabilità e trasporto) a) Diffusione semplice Flussi diffusionali unidirezionali e flusso diffusionale netto. Legge di Fick: Fd = Kd (C1 - C2) intensità di flusso = coefficiente di diffusione * differenza di concentrazione. Applicazione alla membrana:Fd = Pd (C1 - C2) intensità di flusso = coefficiente di permeabilità * differenza di concentrazione. Velocità di diffusione in base al gradiente di concentrazione, al tipo di molecola. Non richiede energia. al) O2, N2, CO2, sostanze liposolubili (metanolo, anestetici). a2) Diffusione non ionica acidi o basi in uguale [ ] ai lati della membrana differenza di pH tra i due lati della membrana da un lato sostanza indissociata (liposolubile: passa!) dall’altro ionizzata (idrosolubile: non passa!) attraversamento come sostanza indissociata ionizzazione arrivata all’altro versante impossibilità a tornare indietro si crea un gradiente di concentrazione. b) Diffusione attraverso canali b1) ioni (Na+, K+, Cl-, Mg++, Ca++: Pd dipende dai canali) Nel caso di ioni, il loro flusso è una corrente ionica; l’entità del flusso rappresenta l’intensità di corrente; il coefficiente di permeabilità la conduttanza ionica; la “forza spingente” è la differenza di potenziale. La legge di Fick: Fd = Pd (C1 - C2) per uno ione diventa: Ij = gj (V1 – V2), analoga a: I = 1/R (ΔV), cioè la legge di Ohm: membrana cellulare come conduttore. I canali ionici hanno una loro selettività determinata dalla carica e dalla dimensione dello spazio che lo ione deve attraversare. Molti canali possono passare dallo stato di pervietà ad uno stato di impervietà e viceversa, grazie alla presenza di una parte mobile (porta o “gate”) che si può aprire o chiudere: canali voltaggio- e chemio-dipendenti. b2) acqua (osmosi) La Δp dipende dal numero delle molecole di soluto nell’unità di volume ([ ]) e non dal tipo di soluto: tuttavia, a parità di peso per unità di volume, le molecole più grosse saranno meno numerose ed eserciteranno quindi una minore pressione osmotica. Osmole = quantità di soluto in una soluzione che eserciti una pressione di 22,4 atmosfere. Osmolarità = contenuto in osmoli di un litro di soluzione. Osmolalità = contenuto in osmoli di un chilo di solvente. In biologia si usa il milliosmole (mOsm). Isotonia, ipotonia, ipertonia. Comportamento osmotico dei globuli rossi. Importanza della polimerizzazione intracellulare del glucosio in glicogeno. Effetto osmotico delle albumine rispetto a quello delle globuline. L’equilibrio di Gibbs-Donnan. Recipiente diviso in due da una membrana permeabile a K+ e a Cl-, ma non a Pr- . Genesi della ΔV. K+ passa per gradiente di concentrazione ma frenato dal gradiente elettrico; Cl- passa per gradiente elettrico ma frenato dal gradiente di concentrazione. Conseguenza: dal lato dove si trova lo ione non diffusibile, < [ioni] dello stesso segno di quello non diffusibile, > [ioni] di segno opposto a quello non diffusibile. c) Diffusione facilitata c1) uniporto Molecole altamente polari, non liposolubili (glucosio,glicerolo, aminoacidi, etc.) Non richiede energia. Carrier con siti di legame selettività ed affinità: inibizione competitiva. Tipi di carriers diversi nelle varie cellule in relazione alle diverse esigenze funzionali. Mobilità del carrier libero e del carrier legato migrazione secondo le leggi della diffusione. Velocità di diffusione in base a: - gradiente di concentrazione ed elettrico - quantità di carrier disponibile: saturabilità e trasporto massimo c2) cotrasporto o simporto; c3) controtrasporto o antiporto Necessità di almeno 2 siti di legame distinti che devono essere obbligatoriamente occupati affinché il trasporto possa avvenire. d) Trasporto attivo Differenze intra-extracellulari di [ioni]. Blocco del metabolismo cellulare Ritorno all’equilibrio secondo gradienti di concentrazione ed elettrico. d1) primari (o pompe ioniche) d1a) Uniporto Pompa del Ca++ per mantenere bassa la [Ca++] citoplasmatica mediante un processo che richiede energia. Il carrier è anche enzima ATPasi. d1b) Controtrasporto La cellula estrude Na+ ed accumula K+, mediante un processo che richiede energia (pompa ionica di scambio); Il carrier è anche enzima ATPasi. Perché la pompa agisca sia come carrier che come enzima, è necessario che si leghino ad essa sia il Na+ sul lato interno sia il K+ sul lato esterno. Non c’è saturabilità; il limite è determinato dallo stesso gradiente elettrochimico che si genera; spiegazione: tenere presente che, oltre alla pompa che tende ad estrudere il Na+ (flusso ionico attivo), esistono sempre anche canali attraverso i quali il Na+ tende a rientrare per gradiente elettrochimico (controflusso ionico passivo); quando flusso e controflusso si bilanciano si sarà raggiunto il gradiente limite che dipenderà dalla potenza della pompa e dalla quantità dei pori. d2) secondari (o trasporti accoppiati) Per molecole più grandi (aminoacidi, glucoso, etc.). Trasferimento contro gradiente di una sostanza A che sfrutta il moto secondo gradiente di un’altra sostanza (solitamente uno ione) motrice B (controflusso ionico passivo). Affinchè possa avvenire il moto secondo gradiente della sostanza B, è necessario che questo gradiente sia mantenuto da una pompa, (flusso ionico attivo: primum movens). Il carrier vero e proprio non ha funzione ATPasica: la dipendenza del trasporto accoppiato dalle fonti energetiche cellulari è indiretta. Il trasferimento contro gradiente può avvenire come cotrasporto (Na+/glucoso) o come controtrasporto. e) Endocitosi Processo attivo mediante il quale la cellula, attraverso introflessioni localizzate di tratti della membrana, è in grado di introdurre nel citoplasma dei materiali extracellulari. Nei protozoi è essenziale per la nutrizione. Nei metazoi è importante per altre funzioni; si osserva in particolare da parte di: macrofagi e polimorfonucleati (demolizione cellule senescenti, difesa immunitaria) cellule epiteliali dei follicoli tiroidei (funzionalità della tiroide) cellule endoteliali dei capillari (trasporto macromolecole) eritroblasti (pinocitosi delle molecole di ferritina) cellule dell’epitelio intestinale (pinocitosi dei lipidi emulsionati) La fagocitosi e la pinocitosi sono modalità aspecifiche di endocitosi (rispettivamente, per sostanze solide e in soluzione), diffuse soprattutto tra i protisti, ma presenti anche in alcune cellule di animali superiori (alcuni leucociti). Quando la macromolecola (o la soluzione) si trova in prossimità della membrana, si assiste alla introflessione ed estroflessione della membrana, oppure soltanto estroflessione, con formazione di pseudopodi, mediate da filamenti di actina e miosina. Successivamente, si ha fusione della membrana plasmatica, a livello delle zone più estroflesse, senza interruzione di essa; isolamento del materiale ingerito dal citoplasma. Una frazione della membrana viene sottratta e rapidamente ricostituita senza variazioni del volume cellulare. L’endocitosi mediata da recettori è una modalità specifica di endocitosi, frequente nelle cellule di organismi più evoluti. I fenomeni sono quelli della fagocitosi, ma sono preceduti dal riconoscimento e dall’adesione della sostanza da portare dentro la cellula. Entrano in gioco recettori che si trovano in determinate zone della membrana (fossette rivestite: coated pits), al di sotto delle quali sono presenti molecole proteiche (clatrina). Quando si verifica l’introflessione, le vescicole sono rivestite da queste proteine. f) Esocitosi Materiale eliminato per esocitosi: contenuto in vescicole del campo di Golgi (neurotrasmettitori, ormoni) assunto per endocitosi rimasto tale e quale (transito) o digerito solo parzialmente dai lisosomi sintetizzato dal citoplasma e non rivestito da membrane (trigliceridi del latte) Successione dei fenomeni uguale a quella dell’endocitosi, ma: a) il sito di riconoscimento della membrana cellulare guarda in versante intracellulare; b) i recettori delle vescicole devono esporre un segmento idrofobico che si innesti sul lato interno della membrana. a) + b) = l’esocitosi non è l’inverso dell’endocitosi Adesione e congiunzione fra doppi strati nell’eso- e nell’endocitosi. Lo spazio extracellulare è posto in alto, separato dal citoplasma (in basso) per mezzo della membrana plasmatica. Si noti come la fase iniziale di adesione vieti di considerare l’esocitosi semplicemente come il processo inverso dell’endocitosi: nell’esocitosi aderiscono inizialmente due monostrati della faccia citoplasmatico della membrana, mentre nell’endocitosi aderiscono inizialmente due monostrati della faccia non citoplasmatico. In entrambi i casi, il monostrato della faccia citoplasmatico rimane in contatto col citosol. Una frazione della membrana viene aggiunta e rapidamente sottratta senza variazioni del volume cellulare. L’apertura delle vescicole esocitosiche richiede Ca++, mentre è inibita da Mg++. Ca++, di per sé, favorisce la fusione dei fosfolipidi delle due membrane, anche senza l’intervento dei recettori delle vescicole, in quanto neutralizza le cariche negative che si trovano alla superficie dei fosfolipidi. Comunicazione intercellulare a) elettrica Variazione del potenziale di membrana = messaggio trasmissibile e recepibile a distanza + o – lunga Cellule eccitabili b) chimica Messaggeri extracellulari e cellule bersaglio con recettori Sistema endocrino Legame messaggero-recettore: attivazione di quest’ultimo: reversibilità, saturabilità, affinità, specificità (competizione: bloccanti o mimetici) Recettori con siti di legame specifici per il messaggero. Tipi di recettori: 1) canale ionico: v. gates determinano una variazione della ΔV; trasformazione del messaggio chimico in messaggio elettrico neurotrasmettitori 2) ad azione fosforilativa diretta; subunità recettrice subunità fosforilante (carattere ATPasico) variazione dell’attività delle proteine bersaglio 3) attivi tramite secondi messaggeri intracellulari; a) recettori non sempre transmembranari: b) attivazione di un’altra proteina di membrana (proteina G stimolatoria o inibitoria) che, a sua volta, c) attiva o inibisce una terza proteina che d) sintetizza il II messaggero (cAMP o IP3). GLICOCALICE Struttura che circonda la cellula, associata alla membrana in contatto con essa solo durante la sua sintesi e la sua secrezione. Costituita solitamente da carboidrati e proteine. Trattasi di struttura extracellulare, ma per le sue funzioni protettive, strutturali e regolatrici della permeabilità, è un tutt’uno funzionale con la membrana plasmatica: concetto di superficie cellulare. Funzioni: a) sostegno b) regolazione della permeabilità c) antigenicità Esempi di glicocalice: Mucopeptide .dei batteri Gram + e Gram -; nei primi, esso è costituito da pochi aminoacidi., glucosamina, acido muramico e piccole quantità di glucoso e fruttoso; nei Gram -, è costituito da piccole quantità di mucopeptidi e quantità maggiori di glucoso e fruttoso riuniti attorno all’acido 2-cheto-3-deossioctanico (Antigene 0). Chitina ed artropodina degli invertebrati. Condroitine e condroitinsolfato della cartilagine. Collagene del tessuto connettivo contenente glicina, prolina, idrossiprolina ed acido ialuronico. Lamine basali degli epiteli. Zona pellucida degli oociti. Cellulosa, emicellulosa e pectine nelle piante. SPECIALIZZAZIONI DELLA SUPERFICIE CELLULARE 1) Introflessioni Dispositivi di estensione della superficie cellulare a) caveolae proprie delle fibre muscolari a livello della placca motrice; b) tubuli T delle cellule muscolari striate cardiache e delle fibre muscolari striate perpendicolari all’asse delle cellule permettono l’attivazione sincrona della contrazione dei miofilamenti superficiali e profondi; c) labirinto basale delle cellule specializzate nel trasporto di acqua, ioni, metaboliti (cellule del tubulo contorto prossimale del rene) 2) Microvilli Dispositivi di estensione della superficie cellulare presenti nella maggior parte delle cellule soprattutto impegnate in funzioni assorbitive (cellule dell’epitelio intestinale: orletto a spazzola) 3) Giunzioni intercellulari a) aderenti mantenimento dei rapporti tra le cellule in tessuti particolarmente sottoposti a sollecitazioni meccaniche (epiteli pavimentosi pluristratificati, tessuto muscolare miocardico). a1) desmosoma o macula adhaerens ispessimento circoscritto di due membrane separate da 200-300 Å; addensamento di ialoplasma con fibrille citoplasmatiche (precheratina) che ripiegano a V a livello della placca; interposizione di materiale amorfo (glicocalice: mucopolisaccaridi legati a proteine che funzionano da mezzo di coesione). a2) zonula adhaerens affrontamento di due membrane separate da uno spazio minore di quello che si osserva a livello di desmosoma (100-150 Å) con interposizione di materiale amorfo; mancanza dell’addensamento ialoplasmatico fibrille citoplasmatiche (actina) meno abbondanti che nel desmosoma; disposizione intorno all’intera cellula. b) serrate (gap junctions o nexus) Affrontamento di due membrane separate da uno spazio sottilissimo (18-20 Å) in cui sporgono convessità di particelle globulari. Trattasi di proteine intrinseche disposte a simmetria esagonale, che entrano in contatto con le loro convessità, formanti un sistema di canalicoli permeabili al passaggio di molecole con un PM max di 1000 ed accessibili dagli spazi extracellulari circostanti. Possono mutare il loro aspetto regolando la permeabilità attraverso i canalicoli. Canali idrofili per ioni o piccole molecole. Zone a bassa resistenza elettrica (propagazione diretta di un fenomeno elettrico dall’una all’altra cellula: “sinapsi elettrica” delle cellule muscolari lisce e cellule miocardiche). Le cellule possono modificare la loro reciproca distanza, regolando l’accoppiamento ed il disaccoppiamento elettrotonico. c) occludenti (tight junctions) Contatto stretto tra membrane con occlusione dello spazio extracellulare per fusione tra le membrane in tutta la loro circonferenza. Funzioni: Separazione dello spazio extracellulare; La giunzione non può essere attraversata da acqua o altre sostanze: possibilità di mantenere elevati gradienti osmotici e ionici tra lume e liquidi interstiziali. Resistenza elevata proprio perché non consente il passaggio di ioni. d) Complessi giunzionali (terminal bar) Terminazioni diverse dall’estremità apicale a quella basale, nell’ordine: occludenti, fascia adhaerens, desmosomi, con possibili gap junctions interposte. Importanza funzionale delle giunzioni: 1) mantenimento dei rapporti tra le cellule (soprattutto giunzioni aderenti); 2) propagazione diretta di fenomeni elettrici (soprattutto gap junctions); 3) concetto di membrana multicellulare: passaggio di acqua e soluti per via paracellulare; a) flusso massivo membrane con pori di grandi dimensioni (> 50 Å) intensità del flusso determinata dalla ΔP anziché dalla Δ[ ]:Fm = Km (P1 - P2), in cui Km è il coefficiente di permeabilità massiva della membrana. b) filtrazione La dimensione dei tramiti intercellulari determina la dimensione delle sostanze che possono passare (membrane filtranti): capacità, ad esempio da parte di molti endoteli, di far passare tutti i costituenti del plasma ad eccezione delle proteine (formazione dell’ultrafiltrato). Anche in questo caso, l’intensità dipende dalla ΔP:Ff = Kf (P1 - P2), in cui Kf è il coefficiente di filtrazione della membrana.