biologia cellulare, organelli cellulari ed extracellulari, Appunti di Biologia

Scarica biologia cellulare, organelli cellulari ed extracellulari e più Appunti in PDF di Biologia solo su Docsity! STRUTTURA E FUNZIONE DELLA MEMBRANA PLASMATICA PANORAMICA DELLE FUNZIONI DELLA MEMBRANA: 1. Compartimentazione: le membrane formano superfici continue, ininterrotte e per questo motivo delimitano compartimenti chiusi. La membrana plasmatica racchiude il contenuto dell’intera cellula, mentre le membrane dell’involucro del nucleo e quelle citoplasmatiche delimitano differenti spazi intercellulari. La compartimentazione mantenuta dalle membrane permette che attività specializzate possano svolgersi senza interferenze esterne e che le attività cellulari possano essere regolate indipendentemente le une dalle altre. 2. Supporto fisico per attività biochimiche: costituiscono esse stesse un compartimento distinto. Fintanto che i reagenti sono presenti in soluzione, le loro posizione relative non possono essere stabilizzate e le loro interazioni dipendono da collisioni casuali. Le membrane forniscono alla cellula un’ampia impalcatura, all’interno della quale i vari componimenti possono essere ordinati per interagire in modo efficace. 3. Barriera con permeabilità selettiva: le membrane impediscono il libero scambio di molecole da un versante all’altro ma forniscono un mezzo di comunicazione tra i comportamenti che separano. 4. Trasporti di soluti: la membrana plasmatica contiene i “meccanismi” necessari per il trasporto fisico di sostanze da un suo versante all’altro, spesso da una regione in cui il soluto è presente a bassa concentrazione verso una in cui è molto più concentrato. I meccanismi di trasporto di membrana consentono alla cellula di accumulare sostanze necessarie per fornire energia al proprio metabolismo e per costruire le proprie macromolecole. La membrana plasmatica è anche in grado di trasportare ioni specifici stabilendo gradienti ionici tra i due versanti, citoplasmatico ed extracellulare. 5. Risposta a segnali esterni: svolge un ruolo fondamentale noto come trasduzione del segnale. Le membrane contengono dei RECETTORI, che si combinano con molecole specifiche (LIGANDI). Tipi differenti di cellule possiedono membrane con tipi differenti di recettori e sono capaci di riconoscere e di rispondere a diversi stimoli ambientali. L’interazione di un recettore della membrana plasmatica con un ligando extracellulare può determinare la generazione da parte della membrana di un segnale intracellulare, che stimola o inibisce le attività interne. 6. Interazioni intercellulari: costituendo il limite esterno di ogni cellula vivente, la membrana plasmatica media le interazioni fra una cellula e le sue vicine. La membrana permette alle cellule di riconoscersi tra loro, di aderire quando è il caso e di scambiarsi materiali ed informazioni. Proteine della membrana plasmatica possono anche facilitare la interazione tra componenti extracellulari e il citoscheletro all’interno della cellula. 7. Trasferimento di energia: le membrane sono strettamente coinvolte nei processi attraverso i quali una forma di energia viene convertita in una forma diversa. La più importante forma di trasferimento l’abbiamo durante la fotosintesi. Le membrane sono, inoltre, implicate nel trasferimento dell’energia chimica dei carboidrati e dei grassi all’ATP. STORIA SULLA STRUTTURA DELLA MEMBRANA PLASMATICA 1890, Overton: ipotizzò che una sostanza, per entrare in una cellula dal mezzo circostante, dovesse prima dissolversi nello strato esterno della cellula. Per verificare il grado di permeabilità della membrana, immerse dei peli radicali vegetali in centinaia di soluzioni differenti contenenti combinazioni diverse di soluti. In questo modo scoprì che il composto è liposolubile. 1925, E. Gorter e F. Grendel: primi a proporre che le membrane cellulari potessero contenere un doppio strato lipidico. Questi ricercatori estrassero i lipidi dai globuli rossi umani e misurarono la superficie occupata dai lipidi quando questi venivano dispersi sulla superficie dell’acqua. Poiché nei mammiferi i globuli rossi maturi non contengono nucleo né organelli cellulari, la membrana plasmatica è la sola struttura contenente lipidi. Conclusero inoltre che il rapporto effettivo fosse 2:1 e quindi che la membrana plasmatica contenesse uno strato bimolecolare di lipidi cioè un doppio strato lipidico. I ricercatori inoltre, avanzarono l’ipotesi che i gruppi polari di ciascuno strato molecolare fossero orientati verso l’esterno del doppio strato. Questa disposizione spaziale è la più favorevole, poiché le teste polari (idrofiliche) dei lipidi possono interagire con le molecole d’acqua circostanti, mentre le catene grassi degli sfingolipidi più estese, tendono ad avere un maggior livello di saturazione. - Colesterolo: che può rappresentare fino al 50% delle molecole lipidiche della membrana plasmatica in alcune cellule animali, mentre nelle cellule vegetali è presente una molecola simile. Le molecole di colesterolo sono orientate con il loro piccolo gruppo idrofilo verso la superficie della membrana e la loro coda idrofoba inclusa nel doppio strato lipidico. Gli anelli idrofobici di una molecola di colesterolo sono piani e rigidi ed interferiscono con i movimenti delle code di acidi grassi dei fosfolipidi. I lipidi di membrana sono molto più che semplici elementi strutturali e possono avere importanti effetti sulle sue proprietà biologiche. La composizione lipidica può determinare lo stato fisico di una membrana e influenzare l’attività di specifiche proteine di membrana. I lipidi di membrana costituiscono, inoltre, i precursori di messaggeri chimici molto attivi che regolano le funzioni cellulari. La presenza di questo doppio foglietto di molecole lipidiche anfipatiche nelle membrane ha conseguenze di notevole importanza sulla struttura e sulle funzioni della cellula. Le catene idrocarburiche del doppio strato lipidico non sono mai esposte ad ambiente acquoso circostante. Di conseguenza, le membrane non hanno mai un margine libero, sono strutture continue e ininterrotte. Grazie alla flessibilità del doppio strato lipidico, le membrane sono deformabili e la loro forma generale può cambiare quando è necessario, si pensa così che il doppio strato lipidico faciliti la fusione o la gemmazione delle membrane. Un’altra importante caratteristica del doppio strato lipidico è la sua capacità di autoassemblarsi, attraverso le molecole fosfolipidiche, le quali si assemblano spontaneamente a formare le pareti di vescicole sferiche riempite di liquido, dette LIPOSOMI. Le pareti di questi sono costituite da un doppio strato lipidico organizzato nello stesso modo di una membrana cellulare. Carboidrati di membrana: il contenuto può variare dal 2 al 10% in peso a seconda della specie e del tipo di cellula. I carboidrati di membrana sono legati con legami covalenti alle proteine a formare glicoproteine, alcuni invece sono legati ai lipidi con legami covalenti a formare glicolipidi. Tutti i carboidrati di membrana sono rivolti verso l’ambiente extracellulare. Nelle glicoproteine, la componente glucidica è presente in forma di brevi oligosaccaridi ramificati idrofili, che solitamente possiedono meno di 15 residui monosaccaridi per catena. Gli oligosaccaridi possono essere uniti a numerosi amminoacidi diversi mediante due principali tipi di legame. Questi carboidrati che sporgono dalla membrana svolgono un’importante funzione nel mediare le interazioni di una cellula con il suo ambiente e nello smistamento delle proteine di di membrana ai diversi compartimenti cellulari. STRUTTURA E FUNZIONI DELLE PROTEINE DI MEMBRANA Una membrana può contenere centinaia di proteine differenti. Ogni proteina di membrana è orientata in una posizione ben definita rispetto al citoplasma, pertanto le proprietà di una delle cellule di membrana sono nettamente diverse le une dalle altre. Le proteine di membrana possono essere suddivise in tre classi distinte in relazione all’intimità dei loro rapporti con il doppio strato lipidico: 1. Proteine integrali (o intrinseche): penetrano nel doppio strato lipidico. Le proteine integrali sono proteine transmembrana, ossia queste proteine attraversano completamente il doppio strato lipidico ed hanno perciò domini che sporgono sia dal lato extracellulare, sia da quello citoplasmatico della membrana. Queste proteine costituiscono circa il 20-30 % di tutte le proteine codificate. La maggior parte delle proteine di membrana svolge il ruolo di: recettori capaci di legare specifiche molecole sulla superficie di membrana, canali o trasportatori coinvolti nel movimento di ioni o soluti attraverso la membrana oppure agenti che trasferiscono gli elettroni durante i processi di fotosintesi e respirazione. Anche le proteine sono anfipatiche e hanno sia porzioni idrofiliche, sia porzioni idrofobiche (ruolo delle proteine di membrana integrali). I residui amminoacidici di questi domini transmembrana formano interazioni di Van der Waals con le catene di acidi grassi del doppio strato, fissando la proteina nella “parete” lipidica della membrana e la proteina è mantenuta in contatto diretto con le circostanti molecole lipidiche. Le proteine di membrana integrali si estendono almeno attraverso metà del doppio strato lipidico. 2. Proteine periferiche (o estrinseche): situate completamente all’esterno del doppio strato lipidico, o sulla superficie extracellulare, o su quella citoplasmatica. Queste proteine si legano alla superficie della membrana mediante legami non covalenti. Le proteine periferiche possono essere solubilizzate estraendole con soluzioni ad elevata concentrazione salina, che indeboliscono le interazioni elettrostatiche che permettono alle proteine di rimanere ancorate alla membrana. La distinzione tra proteine integrali o periferiche è piuttosto sottile, perché molte proteine di membrana integrali sono formate da diversi polipeptidi, alcuni dei quali penetrano nel doppio strato lipidico mentre altri rimangono in posizione periferica. Sono situate nella faccia interna della membrana plasmatica, dove formano una rete fibrillare che agisce come uno “scheletro” di membrana. Queste proteine forniscono un supporto meccanico alla membrana e siti di ancoraggio per le proteine integrali di membrana. Altre proteine periferiche sulla superficie interna della membrana plasmatica agiscono come enzimi, come rivestimenti specializzati oppure come fattori che trasmettono segnali transmembrana. Le proteine periferiche hanno una relazione dinamica con la membrana, dato che possono essere reclutate in membrana o liberate da essa a seconda delle condizioni prevalenti. 3. Proteine ancorate ai lipidi: si localizzano all’esterno del doppio strato lipidico, sul versante extracellulare o su quello citoplasmatico, ma sono legate covalentemente a una molecola lipidica situata nel doppio strato. Numerose proteine presenti sulla superficie esterna della membrana plasmatica si legano alla membrana mediante un corto e complesso oligosaccaride legato ad una molecola di fosfatidilinositolo, inserito nel foglietto esterno del doppio strato lipidico. Proteine periferiche di membrane che presentano questo tipo di legame glicosil- fosfatidilinositolo (GPI) sono chiamate proteine ancorate al GPI. Un altro gruppo di proteine presenti sul versante citosolico della membrana plasmatica è ancorato alla membrana da lunghe catene idrocarburiche incluse nel foglietto interno del doppio strato lipidico. LIPIDI E FLUIDITA’ DELLA MEMBRANA La membrana plasmatica svolge una duplice funzione. Da un lato, la membrana plasmatica deve trattenere le molecole in soluzione nella cellula in modo che esse non filtrino semplicemente nell’ambiente esterno, mentre, dall’altro lato, deve consentire i necessari scambi di sostanze verso l’interno e verso l’esterno della cellula. Il doppio strato lipidico di membrana è perfettamente adatto per evitare che la cellula perda soluti polari e dotati di carica. Il movimento di sostanze attraverso la membrana può avvenire fondamentalmente in due modi: PASSIVO, per diffusione nel quale le sostanze fluiscono dove c’è il gradiente in esubero o viceversa, oppure in modo ATTIVO per mezzo di un processo di trasporto che richiede energia. TRASPORTO PASSIVO: Diffusione: è un processo spontaneo nel quale una sostanza si muove da una regione ad elevata concentrazione ad una a bassa concentrazione, annullando alla fine la differenza di concentrazione fra le due ragioni. La variazione si energia libera che si realizza quando un soluto privo di carica diffonde attraverso una membrana dipende dall’ampiezza del gradiente di concentrazione, cioè dalla differenza di concentrazione ai due lati della membrana. Una membrana può essere permeabile ad un dato soluto perché il soluto può passare direttamente attraverso il doppio strato lipidico oppure perché il soluto può attraversare un poro acquoso che attraversa la membrana. Osmosi: presenti membrane semipermeabili e l’acqua si sposta facilmente attraverso la membrana da una regione a concentrazione inferiore di soluto ad una regione a concentrazione di soluto più elevata. Può essere facilmente dimostrato ponendo una cellula in una soluzione che abbia una concentrazione di un soluto incapace di attraversa la membrana diversa da quella presente al suo interno. Quando due compartimenti con diversa concentrazione di soluto sono separati da una membrana semipermeabile, il compartimento in cui la concentrazione di soluto è più elevata è definito ipertonico rispetto a quello con concentrazione di soluto inferiore, che è detto ipotonico. Quando una cellula è posta in una soluzione ipotonica, essa assorbe acqua per osmosi e si gonfia, viceversa si restringe. Il rigonfiamento ed il restringimento delle cellule in un mezzo leggermente ipotonico o ipertonico sono solitamente fenomeni transitori: nel giro di pochi minuti la cellula ritorna al suo volume originario. Una volta che la concentrazione interna dei soluti eguaglia quella esterna, i fluidi interni ed esterni sono isotonici e non si verifica alcun movimento netto di acqua verso l’interno o verso l’esterno delle cellule. L’osmosi è un fenomeno importante in un gran numero di funzioni corporee. Diffusione facilitata: avviene sempre da una regione a concentrazione più elevata verso una regione a concentrazione inferiore, ma non sempre le sostanze diffondono attraverso il doppio strato lipidico o attraverso un canale. La sostanza che deve diffondere si lega prima selettivamente ad una proteina che attraversa la membrana, detta trasportatore facilante, che agevola il processo di diffusione. Si ritiene che il legame del soluto al trasportatore facilante, a livello di un versante della membrana, provochi un cambiamento conformazionale della proteina, che espone il soluto sull’altro versante della membrana, dal quale può diffondere seguendo il suo gradiente di concentrazione. La diffusione facilitata è simile per molti aspetti ad una reazione catalizzata da un enzima. I trasportatori facilitanti sono specifici per le molecole che trasportano tra gli stereoesomeri e la loro attività può essere regolata. Siccome i trasportatori facilitanti lavorano in maniera passiva, cioè senza accoppiamento ad un sistema che rilasci energia, essi possono mediare il movimento di soluti in modo altrettanto efficace nelle due direzioni (uniporto: in entrata e antiporto: in uscita, l’altra sostanza va dalla parte opposta). La diffusione facilitata è particolarmente importante nel mediare l’entrata e l’uscita di soluti polari, come gli zuccheri e gli amminoacidi, che non possono penetrare nel doppio strato lipidico. In alcuni casi viene utilizzata ATP, come per il glucosio, che essendo fosforilato abbassa la concentrazione intercellulare. TRASPORTO ATTIVO: la capacità di una cellula di generare queste ripide differenze nel gradiente di concentrazione attraverso la membrana plasmatica non può derivare dalla sola diffusione semplice o dalla diffusione facilitata. Il trasporto attivo dipende da proteine integrali di membrana capaci di legare in modo selettivo un particolare soluto e di spostarlo attraverso la membrana in seguito a modificazioni conformazionali della proteina. Tuttavia il movimento di un soluto contro un gradiente di concentrazione richiede di essere accoppiato al rilascio di energia. Pertanto, il movimento endoergonico di ioni o altri soluti attraverso la membrana contro un gradiente di concentrazione è accoppiato ad un processo esoergonico, come l’idrolisi dell’ATP, l’assorbimento della luca, il trasporto di elettroni o il flusso di altre sostanze secondo gradiente. Le proteine che effettuano un trasporto attivo vengono spesse chiamate “pompe”. Nei sistemi di trasporto attivo si trasferiscono gli ioni in una sola direzione. Dividiamo due tipi di trasporto attivo: Primario: la pompa Na/ K-ATPasi è responsabile del largo eccesso di ioni Na all’esterno della cellula e dell’ampio eccesso di ioni K all’interno della cellula. Le cariche positive portate da questi due cationi sono bilanciate dalle cariche negative portate da diversi anioni, cosicchè i compartimenti extracellulare ed intercellulare sono elettricamente neutri. Gli ioni CL- sono presenti a concentrazione maggiore all’esterno della cellula, dove bilanciano gli ioni Na extracellulari. L’abbondanza di ioni K intercellulari è bilanciata soprattutto dall’eccesso di cariche negative portate dalle proteine e degli acidi nucleici. La pompa sodio- potassio è presente solo nelle cellule animali e la sua importanza diventa evidente quando si considera che consuma circa 1/3 dell’energia prodotta dalla maggior parte delle cellule animali e circa 2/3 dell’energia prodotta dalla cellula nervose. Abbiamo diversi stadi di questa pompa sodio- potassio: 1. Tre ioni Na si legano alla proteina di trasporto 2. Un gruppo fosfato è trasferito dall’ATP alla proteina di trasporto 3. La fosforilazione determina un cambiamento di conformazione della proteina carrier, che porta al rilascio di tre ioni Na all’esterno della cellula 4. Due ioni K si legano alla proteina di trasporto 5. Il fosfato viene rilasciato 6. Il rilascio del fosfato fa si che la proteina carrier ritorni alla sua conformazione originaria. Due ioni K sono rilasciati all’interno della cellula. Secondario: situato nella membrana plasmatica laterale e basale, che pompa gli ioni sodio fuori dalla cellula contro un gradiente di concentrazione. La tendenza degli ioni sodio a diffondere “all’indietro” attraverso la membrana plasmatica apicale, seguendo il loro gradiente di concentrazione, è sfruttata dalle cellule epiteliali per attuare il cotrasporto di molecole di glucosio all’interno della cellula contro un gradiente di concentrazione. Le molecole di glucosio seguono questo processo di trasporto secondario. In questo caso la proteina è chiamata cotrasporto Na/glucosio, trasporta due ioni sodio ed una molecola di glucosio per ogni ciclo. Una volta all’interno, le molecole di glucosio diffondono nella cellula ed attraversano la membrana basale mesiante