Biologia - Lezione Membrane Plasmatiche PDF

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Pag. 1 Biologia – Prof.ssa Biasin – Lezione n. 1 LE MEMBRANE PLASMATICHE 01/10/2024 | sbobinatore: Daniele Chiodi Uno studio pubblicato nel 2013 da un gruppo di ricercatori di Bologna ha stimato che in un uomo di circa 30 anni, 70 kg e 1,70 m sono presenti 37.200 miliardi di cellule. È stata fatta una serie di conti matematici che hanno permesso di arrivare a una stima approssimativa del numero di cellule che costituisce l’organismo di un uomo. La cellula essendo l’unità funzionale del nostro organismo si pone alla base delle patologie; dunque, dove si manifesta una patologia è presente un malfunzionamento di alcune cellule. La cosa più interessante è che le cellule che costituiscono il nostro organismo sono molto diverse tra loro; esiste un piano comune di organizzazione cellulare, quindi tutte le cellule hanno un nucleo, presentano mitocondri e hanno gli stessi organuli, ma la distribuzione di questi organuli all’interno dei diversi tipi cellulari varia enormemente a seconda della funzione che la cellula deve svolgere: a seconda che la cellula debba difenderci dall’aggressione di microorganismi o sintetizzare gocce lipidiche, la sua organizzazione strutturale e funzionale cambia completamente. Basta guardare la plasmacellula e un eosinofilo per capire che queste sono cellule eucariotiche, che hanno di fatto lo stesso contenuto in termini di organelli, ma svolgono funzioni diverse. Inoltre, cellule diverse hanno anche forme diverse, e questo dipende sempre dalla funzione che esse devono svolgere: per esempio una cellula nervosa ha una forma ramificata la quale facilita la ricerca e l’instaurazione delle connessioni con altre cellule dello stesso tipo, caratteristica non presente nei macrofagi, i quali preferiscono una forma allungata per permettere di “ripulire” più facilmente la zona in cui si trovano da eventuali patogeni. Cellule diverse hanno funzioni diverse, ma anche dimensioni diverse, esistono quindi cellule di pochi micron e cellule enormi che arrivano fino a 1 mm (per esempio le cellule uovo). Le dimensioni variano sempre in funzione del ruolo che la cellula deve svolgere all’interno dell’organismo e ogni forma è correlata allo svolgimento di una particolare funzione.  Pag. 2 COMPARTIMENTAZIONE CELLULARE Questa tabella ci dice mediamente qual è la percentuale occupata da ciascuno degli organelli che si trovano nelle nostre cellule e il numero relativo in cui queste possono essere presenti in una singola cellula. Nella cellula è presente un solo citosol, ma ci possono essere anche 1700 mitocondri. È presente un solo nucleo, ma possono essere presenti 300 lisosomi. Questa è la stima media delle cellule eucariotiche, ma questi dati variano enormemente a seconda delle funzioni che la cellula svolge. Per esempio, una cellula che deve sintetizzare molte proteine (per esempio un linfocita B che deve produrre anticorpi) presenterà un reticolo endoplasmatico molto sviluppato e moltissimi ribosomi. Perché nel corso dell’evoluzione la cellula eucariote ha deciso di costruire al suo interno strutture sempre più specializzate, e soprattutto perché la cellula non ha aumentato il proprio volume ma ha deciso di costituire degli organismi multicellulari? Perché non siamo fatti di una sola cellula, ma da moltissime cellule? - Perché, se fossimo costituiti da un’unica grossa cellula e questa per qualsiasi ragione non funzionasse, la nostra vita finirebbe. - Per garantire la sopravvivenza di ogni cellula è necessario mantenere un certo rapporto superficie-volume. La superficie rispetto al volume non aumenta in maniera proporzionale, e quindi se fossimo costituiti da cellule enormi, la superficie di scambio non sarebbe sufficiente a garantire l’entrata e la fuoriuscita delle sostanze di cui la cellula ha bisogno per poter sopravvivere. - La possibilità di essere formata da tante cellule ha garantito, nel corso dell’evoluzione, di assegnare ad ogni tipo cellulare una funzione: ci sono cellule che trasmettono impulsi nervosi, cellule che giocano nel sistema immunitario, cellule che costituiscono il fegato, e così via. Il fatto di essere organismi multicellulari garantisce quindi un grado di specializzazione dei diversi tipi cellulari che assicura un vantaggio da un punto di vista evolutivo. Nell’ambito della crescita evolutiva, la cellula ha deciso non solo di andare incontro a una diversa specializzazione cellulare, ma all’interno della cellula stessa costruire tante “stanze” dove svolgere funzioni diverse, le quali però non sono isolate tra di loro, ma al contrario comunicano e collaborano per  Pag. 3 portare a compimento nel modo più efficiente possibile i compiti della cellula e soddisfarne le eventuali richieste. Rispetto alla cellula procariotica in cui non sono presenti organelli cellulari, la cellula eucariotica ha deciso di suddividersi in diversi compartimenti. Questo perché ogni compartimento è deputato allo svolgimento di una specifica funzione: c’è la sede in cui vengono degradate le sostanze (che funge da “pattumiera” per la cellula), c’è la sede dove vengono prodotte le proteine, ecc. La separazione degli spazi permette di svolgere funzioni sempre più specifiche e specializzate. Se prendo un tessuto, lo omogenizzo e faccio in modo che tutte le sostanze presenti nelle cellule vengano liberate e vengano a contatto, queste spesso si digeriscono tra di loro (ci sono infatti proteasi che mangiano tutto, nucleasi che si mangiano il DNA). Il fatto di avere separati enzimi diversi consente di svolgere funzioni specifiche in maniera indisturbata e senza danneggiare altri compartimenti cellulari. La compartimentalizzazione è possibile perché le nostre cellule sono delimitate da una membrana plasmatica e ogni organulo è a sua volta confinato in uno spazio preciso, mantenendo la comunicazione con quelli adiacenti per permettere il funzionamento della catena di lavoro presente nella cellula. Come è arrivata la natura a costruire una cellula eucariotica? Attraverso una serie di tentativi, il sistema degli organuli presenti a livello intracellulare è derivato da un processo di invaginazione della membrana plasmatica. La membrana plasmatica, che delimitava le cellule, durante l’evoluzione è andata incontro a un processo di ripiegamento verso l’interno che ha formato progressivamente delle strutture sempre più complesse, con funzioni sempre più definite che sono poi diventate parte integrante della cellula e sono state tramandate. L’unica eccezione è rappresentata dai mitocondri che sono la sede dove viene prodotta l’energia all’interno delle nostre cellule. Probabilmente derivano, secondo quella che viene definita origine endosimbiontica, dall’inclusione inizialmente casuale di un batterio aerobico da parte delle nostre cellule. Questo batterio si è trovato bene poiché era protetto dall’ambiente circostante, e la cellula ha acquisito un vantaggio perché questo batterio era in grado di produrre energia: nel corso dell’evoluzione si è stabilita, quindi, una simbiosi che sembra funzionale anche al giorno d’oggi. LA MEMBRANA PLASMATICA La membrana plasmatica è una serie di fosfolipidi, proteine, glicoproteine, colesterolo, ecc., la quale ha il compito di delimitare il perimetro della cellula e dei suoi organuli interni definendone la forma.  Pag. 4 La membrana plasmatica inoltre contiene le sostanze necessarie per far svolgere all’organulo le sue funzioni, ad esempio la membrana dei mitocondri contengono le proteine necessarie per far avvenire la fosforilazione ossidativa. Grazie a questa membrana si instaurano diversi trasporti tra l’esterno e l’interno della cellula, permettendo lo scambio di sostanze (creando una barriera di permeabilità selettiva) e l’invio, la ricezione e l’interpretazione dei segnali elettrochimici, permettendo il mantenimento dell’omeostasi cellulare. Di seguito vengono analizzati i vari componenti della membrana plasmatica. 1) Lipidi La membrana plasmatica è formata principalmente da un doppio strato fosfolipidico che divide l’ambiente esterno della cellula da quello interno. I principali lipidi presenti nella membrana sono i seguenti: - Fosfogliceridi: formati da una molecola di glicerolo a cui si associano 2 catene di acidi grassi, un gruppo fosfato e a quest’ultimo è legata un’ulteriore molecola (come la colina, la serina, ecc.). Questa classe di lipidi è definita anfipatica in quanto possiede una testa (gruppo fosfato) polare, e dunque idrofila, e le code apolari, e dunque idrofobiche. Una delle 2 catene è piegata così da evitare un incastro tra quest’ultime che causerebbero una resistenza alla mobilità di membrana. - Sfingolipidi: è costituito da un derivato della serina a cui si associa una sola catena di acido grasso ed eventuali molecole ulteriori. Una delle particolari funzioni degli sfingolipidi è quella di essere degli antigeni, cioè sostanze che scatenano una risposta immunitaria. - Steroidi: derivati del colesterolo, i quali hanno il compito di inserirsi negli spazi lasciati vuoti dalle catene di acidi grassi per ridurre la fluidità di membrana (sono tamponi di fluidità). Il quantitativo di questi lipidi dipende dal tipo di cellula che stiamo analizzando e dal tipo di organulo che stanno delimitando; inoltre, il doppio strato è asimmetrico a causa delle necessità funzionali della cellula. La membrana plasmatica è una struttura dinamica e questo è fondamentale perché la fluidità garantisce il continuo scambio di materiale dall’ambiente esterno extracellulare a quello intracellulare, e tra i diversi organuli. La fluidità della membrana plasmatica garantisce che tutti gli organuli presenti all'interno della cellula siano indipendenti nello svolgimento di una determinata funzione, ma sempre in comunicazione0 gli uni con gli altri. I tipi di spostamenti sono: - Laterale - Flessione delle code - Rotazione sul proprio asse  Pag. 5 - Diffusione trasversale: la più difficile e lenta poiché passa da un layer all’altro e questo movimento viene frenato dalla polarità delle molecole La fluidità della membrana dipende da diversi fattori come la lunghezza delle catene di acidi grassi (tra 14 e 24 atomi C); infatti, una catena a 14 C rende la membrana più fluida di quella a 24 C, dal numero di acidi grassi insaturi, dal quantitativo di colesterolo e dall’ambiente circostante (grado di idratazione). Una membrana troppo o troppo poco fluida porta a problematiche per la cellula che potrebbero indurla ad apoptosi. 2) Proteine Le proteine definiscono le funzioni specializzate delle singole cellule; queste catene polipeptidiche si inseriscono nella membrana plasmatica attraversandola interamente (proteine integrali transmembrana) oppure solo parzialmente (proteine periferiche), in un terzo caso queste proteine si appoggiano semplicemente sullo strato esterno della membrana (proteine ancorate ai lipidi). Un esempio di applicazione pratica delle proteine di membrana è quello del differenziamento delle cellule in provetta, grazie ad anticorpi che si legano a tali proteine, le quali agiscono da antigeni, isolandole dal resto del campione. Per definire una proteina, oltre a dargli il suo nome, la identifico con un CD, ovvero un cluster di differenziamento, grazie al quale posso identificare un anticorpo ANTI-CD che mi permette di interagire su tale proteina specifica. Ad esempio, quando si ricerca il gruppo sanguigno di un paziente vengono utilizzati anticorpi ANTI-A e ANTI-B, i quali agiscono sui cluster di differenziamento A e B che definiscono il gruppo sanguigno umano; gli anticorpi ANTI-A e ANTI-B interagiscono con le proteine, se presenti, portandole ad agglutinazione. Di per se la membrana plasmatica è molto fragile, per creare lo spessore di un foglio bisognerebbe impilare almeno 1000 membrane plasmatiche, per rafforzarla si instaurano dei legami con le proteine del citoscheletro creando una impalcatura rivolta verso il citosol detta cortex cellulare o strato corticale, la quale fornisce, oltre alla protezione, ne conferisce pure la forma. La cortex più studiata è quella degli eritrociti, la quale è composta principalmente da spectrina. Si sono rilevate anomalie patologiche a carico della spectrina che portano i pazienti ad avere un numero di globuli rossi notevolmente ridotto e con forma tondeggiante (sferocitosi ereditaria). Nei muscoli invece è presente la distrofina, la cui mancanza porta alla distrofia muscolare. LIPID RAFTS  Pag. 6 Inizialmente si pensava che le proteine fossero distribuite in modo casuale all’interno della membrana, ma nelle cellule nulla è dato al caso in quanto tendono ad avere la maggior efficienza con il minor dispendio energetico; per fare ciò le cellule hanno organizzato sulla propria membrana perimetrale delle lipid rafts, ovvero microdomini dinamici dove si concentrano lipidi e proteine e che conferiscono delle funzioni specifiche a tale porzione di membrana plasmatica. Queste lipid raft possono essere temporanee o permanenti in base alle necessità proprie della cellula o di quelle vicine così da farne beneficiare l’intero tessuto che loro stesse compongono. Un esempio sono i recettori antigenici nel linfocita.