Proteine e Carboidrati di Membrana (Lezione 4 - Seconda Parte) PDF

Proteine e carboidrati di membrana Tutte le membrane cellulari hanno più o meno la stessa struttura con alcune piccole differenze per quanto riguarda ad esempio la presenza di colesterolo o la presenza di alcune proteine o anche presenza di carboidrati. Il doppio strato lipidico che forma le membran...

Proteine e carboidrati di membrana Tutte le membrane cellulari hanno più o meno la stessa struttura con alcune piccole differenze per quanto riguarda ad esempio la presenza di colesterolo o la presenza di alcune proteine o anche presenza di carboidrati. Il doppio strato lipidico che forma le membrane è fluido e può essere più o meno fluido a seconda di quelle che sono soprattutto le caratteristiche delle code di acidi grassi. Quindi se sono acidi grassi saturi o insaturi, se sono acidi grassi più o meno lunghi, se c'è una quantità maggiore o minore di colesterolo, come sono le teste: se sono un po' più grandi o un po' più piccole, se le code si ripiegano verso l'interno o verso l'esterno. Andiamo adesso invece a vedere qual è il ruolo delle proteine. Le proteine di membrana sono un'ulteriore parte della membrana cellulare che svolgono determinate funzioni. Alcune molecole possono passare tranquillamente attraverso la membrana, altre hanno bisogno di un aiuto e questo aiuto viene dato dalle proteine. Oltre ad aiutare il passaggio di sostanze attraverso la membrana, le proteine svolgono tante altre funzioni. Una di queste ad esempio è l'interazione con le altre cellule con l'ambiente esterno, quindi permettono a una cellula di legarsi ad esempio ad altre cellule che sono vicine oppure di legarsi a quelle che sono delle molecole, delle proteine presenti all'esterno, della cellula. Nel momento in cui si forma un tessuto, una serie di cellule devono organizzarsi e unirsi tra di loro in modo da creare quel tessuto che può essere costituito da un numero maggiore o un numero minore di cellule e quindi le cellule saranno più o meno vicine. Tutte le interazioni che si creano e che permettono la formazione del tessuto sono dovute alla presenza di proteine sulla membrana plasmatica. Le proteine possono intervenire nel regolare, catalizzare, effettuare delle reazioni chimiche o reazioni enzimatiche oppure possono intervenire in quello che è definito il processo di segnalazione ad esempio gli ormoni che vanno a dare un segnale alla cellula di come si deve comportare. La maggior parte degli ormoni agiscono andando a legarsi a particolari proteine presenti sulla membrana che prendono l'informazione che viene dall'ormone e la trasformano in un segnale che dice alle cellule come si devono comportare. La percentuale di proteine presenti sulle membrane cellulari cambia a seconda, della cellula e della funzione che quella membrana deve svolgere per esempio a livello della membrana plasmatica avremo una quantità di proteine differente rispetto a quelle che ritroviamo sulla membrana dei mitocondri oppure sulla membrana del nucleo perché svolgono delle funzioni differenti e troveremo delle proteine differenti. Oltre a questo la quantità di proteine presenti sulla membrana cambia anche a seconda del tipo di cellula, quindi se prendiamo la membrana plasmatica ad esempio di una cellula nervosa, avremo una quantità di proteine diversa rispetto a quella che è una cellula intestinale. I mitocondri presentano, vedremo, una membrana esterna e una membrana interna. Nella membrana interna dei mitocondri troviamo la maggiore quantità di proteine che ritroviamo nelle membrane cellulari. Il 70% è costituito da proteine nella membrana interna dei mitocondri perché i mitocondri sono quelle strutture cellulari che servono a regolare la respirazione cellulare, produzione di ossigeno e produzione di quella adenosina trifosfato o ATP che serve a dare energia alla cellula. Ogni cellula ha bisogno di produrre una grande quantità di ATP perché l'ATP interverrà in numerose funzioni della cellula. Quindi il mitocondrio, la membrana interna del mitocondrio, deve avere un'attività continua e anche abbastanza cospicua, per questo ha bisogno di una grande quantità di proteine sulla sua membrana. Sulla membrana plasmatica delle cellule, ritroviamo un massimo del 50% di proteine. Possiamo trovarne di meno, ma non di più. Perché comunque la membrana plasmatica, deve essere sempre abbastanza fluida, abbastanza deformabile, deve avere una serie di caratteristiche che gli permettono comunque di adattarsi un po' a quella che è la situazione in cui si trova e alle funzioni che deve svolgere. Quali sono queste proteine e come le possiamo distinguere? Una prima distinzione delle proteine di membrana la possiamo fare in base a qual è la parte della proteina che passa attraverso la membrana. Lungo le membrane cellulari, possiamo ritrovare quelle che sono definite proteine integrali di membrana o intrinseche: sono delle proteine che attraversano completamente il doppio strato fosfolipidico, quindi attraversano completamente la membrana. Quando abbiamo questo tipo di proteine, avremo una parte della proteina che sporge nella parte extracellulare o matrice extracellulare, quindi al di fuori della cellula. Poi c'è la parte che passa completamente all'interno della membrana, quindi attraversa tutta la membrana plasmatica e una parte che sporge all'interno della cellula. Sicuramente avrà all'esterno della cellula una parte della proteina, che deve essere in grado di legare una molecola che andrà ad attivare quella proteina. All'interno della cellula, invece, ci sarà quella parte della proteina, che permetterà alla proteina stessa di svolgere la sua funzione una volta che viene attivata. La parte che passa attraverso la membrana, generalmente, è sotto forma di alfa elica. Un'altra particolarità è che possiamo ritrovare diversi tipi di proteine. Possiamo tanto avere una proteina che passa attraverso la membrana con un'unica alfa elica, oppure delle proteine più grandi, che si ripiegano più volte e passano più volte all'interno dello strato fosfolipidico. Esempio B. In questo caso, tutti i domini che passano attraverso la membrana plasmatica, sono organizzati ad alfa elica. La maggior parte delle proteine le ritroveremo con questa struttura, è la classica struttura di quelle che sono definite i recettori a sette domini transmembrana. Ossia, sono delle proteine che presentano sette domini alfa elica che passano attraverso la membrana plasmatica. È stato visto che ci sono alcune proteine transmembrana che presentano una struttura a foglietto beta. Ne sono poche, ma sono comunque presenti. Poi ci sono invece altre proteine che sono definite periferiche. Perché si dispongono o da un lato o dall'altro della membrana, quindi o nella parte interna o nella parte esterna, ma non attraversano completamente la membrana. I domini della proteina li ritroveremo o che sporgono all'esterno o all’interno della cellula con una parte della proteina che si ritrova all'interno dello strato fosfolipidico. Anche in questo caso, generalmente, la struttura è ad alfa elica. Altra caratteristica delle proteine periferiche: sono delle proteine che, al contrario, non entrano in contatto con lo strato fosfolipidico, ma si vanno ad ancorare a proteine transmembrana, quindi a proteine integrali. Avremo proteine che si legano o al dominio extracellulare o al dominio intracellulare di una proteina transmembrana, di una proteina integrale di membrana. Ultima classe di proteine, sono le proteine ancorate a lipidi. In questo caso, dobbiamo fare una distinzione, perché possiamo avere o quello che ritroviamo in G, una proteina che si lega direttamente ad un fosfolipide di membrana, oppure possiamo avere quello che vediamo in H, una proteina che si lega a una molecola glicidica o una molecola contenente dei gruppi fosfato, che a sua volta è legata agli acidi grassi della membrana. Il fatto che noi abbiamo tante proteine diverse che si possono ancorare alla membrana in maniera diversa, fanno sì che le membrane, a seconda se ci siano più proteine integrali, più proteine periferiche, più proteine ancorate ai lipidi, avranno delle funzioni diverse. Perché ognuna di queste proteine vedremo avere una determinata funzione. Queste proteine insieme alla membrana fosfolipidica, definiscono la funzione della membrana e definiscono la funzione della cellula. Una caratteristica importante quando parliamo delle proteine integrali di membrana, quindi quelle che attraversano completamente la membrana, bisogna tener conto della struttura del doppio strato fosfolipidico: costituito da queste due teste idrofile e da questa parte centrale, costituita dalle code di acidi grassi, che è idrofoba. L'area della proteina che passa all'interno della membrana e quindi dove ci sono gli acidi grassi, la parte idrofobica, deve avere un'organizzazione amminoacidica tale che quel dominio sia idrofobo, in modo da poter rimanere all'interno del doppio strato lipidico e non tendere ad andare verso l'acqua. Quindi è importante che la proteina abbia questo tipo di conformazione tale che il dominio che si trova all'interno del doppio strato lipidico sia idrofobo e sia capace di legarsi agli acidi grassi dei fosfolipidi, in modo da ancorare strettamente le proteine all'interno della membrana. Tutte queste proteine possono svolgere tante funzioni differenti: - La prima, il trasporto di molecole. Molte proteine vanno a formare dei veri e propri canali sulla membrana plasmatica che permettono di trasportare delle molecole dall'esterno all'interno della cellula o viceversa. - Altro tipo di funzione delle proteine è quella del recettore. Il recettore sono appunto le proteine, che si legano ad una molecola definita segnale, come può essere ad esempio un ormone o molti altri tipi di molecole. Sono delle proteine generalmente transmembrana, quindi che attraversano completamente la membrana plasmatica, come le proteine trasportatrici. Queste proteine recettori che legheranno una molecola segnale che si trova all'esterno della cellula, e questo legame farà sì che questa proteina recettore si attiva e provocherà all'interno della cellula una risposta a quella molecola segnale. ESEMPIO: gli ormoni sessuali; alcuni di questi ormoni, partono dal cervello e vanno a livello dei testicoli o delle ovaie. Uno di questi ormoni, l'ormone follicolostimolante (FSH), l'ormone luteinizzante (LH), raggiungono le cellule dei testicoli nell'uomo, oppure nelle ovaie della donna, e nell'uomo inducono, andando a legare un particolare recettore sulle cellule dei testicoli, vanno ad indurre la produzione di testosterone. Quindi, le cellule che vengono colpite, si attivano per sintetizzare il testosterone, quindi un'altra molecola. Il mio FSH è il segnale che, arrivato sulla cellula, si è legato alla proteina recettore. La proteina recettore, ha indotto nella cellula una risposta, cioè la produzione di un'altra molecola, il testosterone. Questo fanno le proteine recettori: prendono i segnali esterni e, da lì, dicono alla cellula come si deve comportare e cosa deve fare. - Poi ci sono le proteine periferiche, e possono agire come enzimi oppure come segnali intracellulari. Come enzimi possono, essere delle proteine che vengono attivate e una volta attivate vanno a catalizzare una reazione, ad esempio una reazione di aggiunta o di allontanamento di un gruppo fosfato da una molecola, andando poi ad attivare o ad inibire quella molecola stessa. - Segnali intracellulari. Alcune di queste proteine periferiche di membrana vengono, diciamo, utilizzate per essere degradate e produrre altre molecole che fanno da segnale all'interno della cellula. Quando si parla di segnale, si parla di: una molecola, una proteina, un carboidrato, che dice alla cellula come deve funzionare, che cosa deve fare. - Tra le proteine periferiche ritroviamo anche quelle che sono le molecole di adesione o proteine di adesione. Le proteine che noi ritroviamo come proteine periferiche sono delle proteine che possono svolgere importanti azioni nell'interazione con le cellule vicine. Sono quelle che vedremo intervenire nelle giunzioni cellulari, oppure sono delle molecole che vanno a interagire con le molecole che si trovano nella matrice extracellulare. Una cellula che si trova in un ambiente più povero di cellule e più ricco di questo fluido extracellulare, la mia cellula non potrà stare lì libera e spostarsi da una parte all'altra, ma si dovrà ancorare in una parte specifica di quel fluido extracellulare per mantenere la sua posizione, quindi la sua funzione all'interno, ad esempio, di un tessuto o di un organo. Come fa a farlo? Attraverso queste molecole di adesione, queste proteine, che si legano a molecole della matrice extracellulare. Tutte queste proteine possono svolgere queste funzioni: trasporto e recettore per le proteine integrali, segnale intracellulare, enzimi e adesione per le proteine periferiche. Altra funzione importante che le proteine periferiche possono svolgere e che in parte possono svolgere anche le proteine ancorate ai lipidi sono la funzione di legame al citoscheletro. Altra funzione importante che possono svolgere le proteine periferiche è quella dell'antigene, ossia alcune di queste proteine possono fare da molecole che differenziano il tipo cellulare, come nel caso dei gruppi sanguigni. I diversi gruppi sanguigni sono dovuti alla presenza di particolari antigeni presenti sulla membrana plasmatica dei globuli rossi. Gli antigeni sono molto importanti anche per la fase di riconoscimento tra due cellule. Proteine di adesione alla matrice extracellulare, ma possono poi interagire anche con il citoscheletro, attività enzimatica quindi come enzima che provvede a eseguire una reazione chimica. MOVIMENTI PROTEINE Le stesse proteine come fosfolipidi possono muoversi all'interno del doppio strato fosfolipidico, anche quelle integrali attraversano completamente la membrana e questo aumenta ancora di più quella che è considerata fluidità della membrana plasmatica, perché fluidità è intesa come una membrana che può subire una serie di cambiamenti e tra questi cambiamenti possiamo ritrovare questi movimenti delle proteine stesse. Tutto questo fa sì che la membrana plasmatica compresa le proteine, viene definita anche come modello a mosaico fluido. Perché è come se avessimo un incastro di tante componenti differenti tra fosfolipidi, colesterolo, molecole lipidiche, carboidrati e proteine, che si vanno ad organizzare in questo modello fluido, quindi capace di subire delle piccole variazioni dovute ai movimenti sia dei fosfolipidi che delle proteine. Altra particolarità di questo modello, è che le proteine di membrana sono molto più grandi rispetto ai fosfolipidi questo comporta che sicuramente noi abbiamo questo modello fluido dove le proteine si spostano. Essendo molto grandi, questi movimenti delle proteine sono molto più lenti rispetto a quelli dei fosfolipidi ma anche perché molte di queste proteine permettono l'ancoraggio, quindi l'interazione con altre cellule, l'interazione con le proteine del citoscheletro, l'interazione con le proteine extracellulari, quindi a differenza dei fosfolipidi, che sono liberi, le proteine presentano comunque sì dei movimenti, ma più lenti e anche più circoscritti (niente flip- flop, perché quelle integrali sono organizzate in modo da avere il dominio extracellulare che deve legare la molecola all'esterno e quello intracellulare che deve legare le molecole interne, non può cambiare forma, non si può girare al contrario. Quelle periferiche si trovano o all'esterno o all'interno perché è lì che devono svolgere la loro funzione, quindi non si spostano dallo strato interno allo strato esterno e viceversa). Quali sono i movimenti che le proteine possono effettuare. - Diffusione casuale: ossia sono dei movimenti casuali delle proteine, la proteina all'interno della membrana, non legata a qualcosa in particolare, i fosfolipidi semplicemente si muovono e questo può comportare un movimento di diffusione non controllata della proteina. - Restrizione citoscheletrica: Un altro tipo di movimento è la capacità della proteina di muoversi all'interno di quelli che vengono definiti recinti. Generalmente questo è un movimento controllato, da quella che è l'interazione della proteina di membrana con i filamenti del citoscheletro quindi con i filamenti che ritroviamo nella parte interna della cellula. Consiste in questo reticolo, una specie di rete, che si forma sotto la membrana plasmatica, che è formata da questi filamenti e che fa sì che questa proteina transmembrana che è legata a questi filamenti si può muovere solo all'interno di questo reticolo. Non può uscire al di fuori di questo reticolo. Questo è importante per quelle proteine che devono rimanere in una zona specifica della cellula, perché, ad esempio, devono intervenire nella formazione di quelle che sono le giunzioni, cioè l'unione strutturale tra una cellula e l'altra. Unioni che avvengono in punti specifici delle cellule. - Altra invece situazione è quella in cui le proteine si muovono con quello che viene definito un movimento diretto, ossia la proteina è proprio direzionata da una parte specifica della membrana, quindi si muove da una parte all'altra. Quel movimento non è casuale come la diffusione casuale, non sarà circoscritto come quello dei recinti, ma sarà un movimento che sarà legato alla sua funzione. Vuol dire che se quella proteina si deve spostare in un'altra parte della cellula perché è lì che trova la  molecola segnale, perché è lì che deve andare ad agire, si sposterà in maniera diretta. Le informazioni del movimento delle cellule, di come devono essere posizionate sulla membrana, della funzione che devono svolgere, di come si possono muovere, sono tutte informazioni che provengono dallo stesso DNA della cellula. Quando la proteina viene prodotta, la proteina conterrà al suo interno tutte le informazioni che derivano dal DNA che diranno alla proteina dove si deve andare a mettere, come deve funzionare, come si deve muovere, come si deve legare alla membrana, tutte le informazioni sono tutte già contenute. - Altro tipo di movimento è quello che viene definito restrizione transiente. In questo caso abbiamo un movimento simile a quello che abbiamo visto nel caso dei recinti, ma non è che la proteina si muove in tutte le direzioni all'interno del recinto, al contrario in questo caso è come se avesse una specie di restrizione del movimento ma direzionato. Quindi non è come quello precedente che si può muovere da una parte all'altra, ma soltanto all'interno di un'area, ad esempio un movimento circolare, non può uscire fuori di quel movimento circolare. Anche in questo caso, importanti sono i legami con le molecole del citoscheletro ma anche con le molecole della matrice extracellulare. Tenete conto che le proteine sono legate al citoscheletro tramite altre proteine, vedremo l'intervento di tante proteine. Qui ne sono riportate alcune, una delle principali proteine che ritroveremo ad esempio è l'actina. L'actina è una proteina altamente espressa nelle cellule e che vedremo svolgere molte attività diverse. Una tra queste è quella di entrare nella costituzione dei filamenti del citoscheletro. Nel momento in cui ho questa organizzazione del citoscheletro, con questa rete tridimensionale che mantiene le proteine ancorate alla membrana e non gli permette di fare tanti movimenti; mi stabilizza ulteriormente quella che è la conformazione della membrana plasmatica e quindi mi stabilizza la conformazione della cellula stessa e le sue funzioni. Le proteine specifiche si mettono in una posizione specifica, in modo specifico, legate ad altre molecole del citoscheletro, tutta un'organizzazione che fa sì che la mia membrana sia fluida, ben organizzata, funzionale per quel tipo di cellula, mantenendo una struttura che sia comunque stabile nel tempo, stabile in quel tessuto e capace di funzionare correttamente. Nel caso dei globuli rossi, questo tipo di struttura fa sì che le nostre cellule possano essere deformabili quando passano nei capillari più piccoli. Questo tipo di struttura che noi ritroviamo con questo reticolo e queste proteine di membrana legate al reticolo citoplasmatico, fanno sì che la cellula si possa deformare, può passare attraverso i capillari più piccoli, ma contemporaneamente non perde la sua organizzazione, non perde l'organizzazione della membrana, le proteine anche se si spostano leggermente, possono successivamente tornare nella posizione iniziale e poter svolgere correttamente sempre la loro funzione. Altra caratteristica: la diversa organizzazione fosfolipidica può dare una diversa organizzazione alla cellula. In questa cosa intervengono anche le proteine, in questo caso riportiamo sempre l'esempio delle cellule intestinali, noi possiamo definire queste cellule polarizzate. Quando parliamo di cellula polarizzata è una cellula che presenta una specializzazione da un lato diversa dalla specializzazione che avrà dall'altro lato. Nelle cellule intestinali abbiamo una specializzazione nella parte alta o apicale della cellula perché ci sono i micropilli che aumentano la superficie di assorbimento. Avremo una specializzazione laterale, perché ci sarà la presenza di tutte queste proteine transmembrana e periferiche che permetteranno le giunzioni tra le cellule intestinali, quindi le interazioni fisiche tra le cellule intestinali. Nella zona basale della è presente il nucleo in continua attività. CARBOIDRATI La membrana con il suo strato fosfolipidico, con tutte queste proteine, regola la funzione della cellula stessa, ma soprattutto tutta questa organizzazione serve a regolare quelli che sono i rapporti e gli scambi tra interno ed esterno della cellula. I recettori e le proteine trasportatrici servono a regolare il passaggio di molecole o l'interazione di molecole con le cellule stesse. Tutta questa organizzazione fa sì che le cellule abbiano una membrana che protegge tutta la parte interna della cellula, ma che regola anche tutte le funzioni della cellula stessa. Il fatto che le membrane plasmatiche siano anche molto dinamiche e fluide con questi movimenti, sia dei fosfolipidi che delle proteine, permette poi una maggiore qualità dell'interazione con l'ambiente extracellulare o con le cellule vicine. Oltre ai lipidi e alle proteine, sulla membrana plasmatica ritroviamo un'altra componente importante che sono i carboidrati. I carboidrati di membrana li ritroviamo però soltanto sulla parte esterna della membrana, quindi sul lato extracellulare, all'interno non ci sono. Formano una particolare struttura, generalmente una struttura protettiva e importante anche per le interazioni con le altre cellule, che è chiamata glicocalice. Il glicocalice è costituito da carboidrati, carboidrati che si vanno a legare o alle proteine o ai fosfolipidi. Il glicocalice svolge tante funzioni, quindi questi carboidrati sono utili per tante funzioni diverse delle cellule, tra cui riconoscimento cellulare. Ancora una volta i gruppi sanguigni sono un esempio. Gli eritrociti hanno una serie di caratteristiche che hanno permesso di capire bene le funzioni del citoscheletro e delle proteine che si ancorano al citoscheletro e hanno aiutato anche a capire come proteine e carboidrati possono determinare la differenza tra i tipi cellulari. Nel caso dei gruppi sanguigni, intervengono nella definizione dei gruppi sanguigni, quindi gruppo A, gruppo B, gruppo AB, gruppo 0. Importanti sono anche nel riconoscimento del contatto tra cellule, ossia molto spesso i carboidrati che costituiscono il glicocalice permettono a due cellule di riconoscersi tra di loro, oltre a riconoscersi, interagiscono tra loro e si mandano una serie di segnali, segnali che possono da una parte attivare una cellula oppure dall'altra funzionare come inibizione da contatto, ossia due cellule tramite i carboidrati, si riconoscono, si uniscono, cioè si toccano proprio tra di loro tramite i carboidrati e questo unione fa sì che la cellula riceva il segnale di fermarsi, non di proliferare (tutte le cellule, in realtà derivano da altre cellule. Noi partiamo da una cellula che si divide in due cellule). Questa proliferazione cellulare in alcuni casi può essere inibita quando le cellule vengono in contatto, perché i carboidrati che costituiscono il glicocalice delle due cellule, quando vanno ad incontrarsi tra di loro, daranno come segnale alla cellula di fermare la proliferazione. Queste due funzioni, quella di riconoscimento e inibizione da contatto, sono due funzioni essenziali, ad esempio, durante lo sviluppo embrionale. Durante la gravidanza, nelle prime fasi dello sviluppo dell'embrione, noi abbiamo una serie di cellule che si dividono. Queste cellule, man mano che si dividono, entrano in contatto tra di loro e le proteine di membrana, i carboidrati di membrana interferiranno per dire ad una cellula se deve continuare a dividersi e a proliferare, ad un'altra cellula se invece deve smettere di proliferare, addirittura possono dare anche un segnale ad alcune cellule dove dicono dovete morire. Nel complesso, questa è l'organizzazione della membrana: Doppio strato fosfolipidico, molecole di colesterolo, proteine di diverso tipo che si distinguono in proteine integrali, proteine periferiche, presenza di carboidrati o di lipidi che si vanno ad ancorare ad altre proteine o ai fosfolipidi di membrana. Tutte queste proteine, tutta questa organizzazione è poi ancorata al citoscheletro all'interno della cellula e alla matrice extracellulare. In alcuni casi, quando le cellule sono molto vicine tra di loro, ci sarà non l'ancoraggio alla matrice, ma ci sarà un ancoraggio alle cellule vicine. Allora, tutta questa organizzazione fa sì che la membrana plasmatica proponga la comunicazione tra cellule, comunicazione tra i diversi tessuti, comunicazione con la matrice extracellulare. Tutto quello che abbiamo visto nella membrana, da sostegno alla cellula, forma alla cellula, protezione alla cellula, e quindi la comunicazione regolerà, come vedremo, la funzione delle cellule.