Biologia Applicata - Lezione 5 Membrana Plasmatica PDF

**BIOLOGIA APPLICATA-FIOCCO DANIELA** **Lezione numero 5 del 29/10/21 **Teresa Federico** ** MEMBRANA PLASMATICA I LIPIDI DI MEMBRANA I lipidi presenti nella membrana sono lipidi complessi polari con carattere anfipatico. Il carattere anfipatico promuove la formazione del doppio strato lipidico....

**BIOLOGIA APPLICATA-FIOCCO DANIELA** **Lezione numero 5 del 29/10/21 **Teresa Federico** ** MEMBRANA PLASMATICA I LIPIDI DI MEMBRANA I lipidi presenti nella membrana sono lipidi complessi polari con carattere anfipatico. Il carattere anfipatico promuove la formazione del doppio strato lipidico. I fosfolipidi, i lipidi più abbondanti, derivano dal glicerolo che lega da un lato due acidi grassi, saturi o insaturi, e dall'altra lega un gruppo fosfato che lega a sua volta un altro gruppo polare (ex: amminoalcol come la colina). Tutto ciò forma una molecola che nel complesso ha una zona polare (testa del fosfolipide) e una zona apolare (coda del fosfolipide). Altri lipidi polari sulla/nella membrana derivano dalla sfingosina che lega un acido grasso e, o un gruppo fosfato per formare la ceramide, o un altro gruppo per formare la sfingomielina. Sfingomielina e colina sono anche anfipatiche. Dalla sfingosina derivano anche i glicosfingolipidi, ovvero molecole di sfingosina legate ad uno zucchero semplice o catene ramificate di zuccheri, che si trovano nel foglietto esterno della membrana e in alcuni tipi cellulari. Questi lipidi polari (glicolipidi sfingolipidi e glicerofosfolipidi) essendo anfipatici possono organizzarsi in un doppio strato. I lipidi sono distribuiti asimmetricamente tra i 2 mono strati. Di solito, sul gruppo interno si affacciano gruppi carichi negativamente. Questa asimmetria di membrana è necessaria ad alcuni fenomeni cellulari come l'apoptosi o la secrezione e formazione di vescicole. Colesterolo Un altro **componente** lipidico che costituisce la membrana plasmatica è il **colesterolo**. Il colesterolo ha una **struttura** **planare** ed è formato da una parte debolmente **polare** e da un'altra parte **idrofobica** che riesce ad inserirsi nella membrana tra gruppi di fosfolipidi sia nel foglietto esterno, sia in quello interno, andando a occupare lo spessore di un singolo foglietto. Proprio per il modo in cui il colesterolo si inserisce nei mono-strati della membrana plasmatica, svolge una duplice funzione molto importante di regolazione della **fluidità** della membrana stessa: da un lato svolge la cosiddetta funzione **anti-freeze/anti irrigidimento**, un\'azione cioè fluidificante sulla membrana, in quanto il frapporsi fra le code idrofobiche dei fosfolipidi vicini, va a evitare un\'interazione che tenderebbe a irrigidire eccessivamente la membrana, in particolare a basse temperature. D'altro lato **aumenta la stabilità e la flessibilità** della struttura della membrana, questo in particolar modo è evidente quando la temperatura diventa più alta. Dunque, la temperatura influenza la fluidità della membrana che può presentarsi in due stati principali: gel semi solido e gel fluido. - Il **gel semi solido** si osserva a temperature inferiori a quella fisiologica. In questo stato le catene aciliche, le code idrofobiche dei lipidi, interagiscono al massimo e sono impaccate molto densamente tra di loro, formando una struttura piuttosto rigida. Quando si alza la temperatura si verifica una transizione da gel semisolido a uno stato di gel fluido. - Il **gel fluido** è caratterizzato dal fatto che i fosfolipidi diventano più mobili e riescono a flettersi conferendo al doppio strato una maggior fluidità che è influenzata anche dal tipo di catene di acidi grassi, in quanto possono essere ricche di insaturazioni o catene aciliche con lunghe catene di carbonio che tendono a irrigidire la membrana rispetto a catene più brevi. Mentre lo stato di gel fluido è essenziale per le funzioni di membrana, lo stato di gel solido fa perdere alcune funzionalità alla membrana. I componenti lipidici della membrana possono muoversi nella membrana stessa in diversi modi: - - - - Le **scramblasi** vanno a capovolgere i fosfolipidi in maniera casuale e aspecifica. Questo avviene al momento della biosintesi della membrana, dove i lipidi tendono ad accumularsi su un monostrato piuttosto che su tutti e due. Sostanzialmente il compito delle scramblasi è quello di ribilanciare il contenuto lipidico dei due foglietti. - Le **flippasi** hanno sempre la capacità di capovolgere i lipidi però in questo caso lo fanno su lipidi specifici. Dunque, sono in grado di riconoscere un certo tipo di lipide e orientarlo a seconda della tipologia, in un foglietto piuttosto che in un altro, contribuendo anche a quella distribuzione asimmetrica dei lipidi. La membrana **[non]** è **asimmetrica**, presenta infatti delle microzone chiamate **rafts** o **zattere lipidiche** che hanno una minore fluidità. In genere c'è una composizione lipidica particolare: una maggiore quantità di colesterolo, alcuni tipi di sfingolipidi, lipidi con acidi grassi più lunghi e più saturati. Queste caratteristiche strutturali sono responsabili della formazione di una nuova fase denominata **liquido-ordinato** **LO**. I rafts possono essere sia piani che infossati. In entrambi i casi ci sono particolari proteine associate implicate nella segnalazione. Quando sono infossati si chiamano **caveole** o **rafts** **invaginati** e presentano un livello di fluidità inferiore. Sono importanti in alcuni meccanismi di segnalazione cellulare, ma anche per la formazione di vescicole sulla membrana. Oltre che alle proteine di segnalazione, ci sono anche le **caveoline**, ovvero le proteine responsabili dell'invaginazione sulla membrana. A livello delle membrane, soprattutto nelle membrane interne (come reticolo endoplasmatico) che hanno la stessa struttura della membrana cellulare, si possono formare delle **goccine lipidiche**. Queste strutture si accumulano tra i due foglietti e gemmano sotto forma di una **vescicola**. Queste vescicole si possono accumulare all\'interno della cellula come accade nel tessuto adiposo, negli adipociti, dove si accumulano una serie di goccine lipidiche, lo stesso livello di accumulo riflette lo stato metabolico della cellula dell\'organismo in cui è presente quel tessuto. **LE PROTEINE DI MEMBRANA** L\'altra componente delle membrane sono le **proteine**, che riflettono la funzionalità della membrana, in quanto responsabili dei ruoli che la membrana può svolgere: - le proteine **traportatrici** di membrana hanno un ruolo essenziale nel regolare il trasporto di metaboliti tra interno ed esterno, in particolare nella membrana plasmatica (es. pompa sodio potassio); - le proteine che hanno una funzione di **sostegno** e **ancoraggio**, possono invece legarsi sia a elementi della matrice extracellulari sia a elementi fibrosi e intracellulare del citoscheletro (es. integrine); - le proteine che svolgono funzioni di **recettori** **dei segnali chimici** hanno la capacità di legarsi con una molecola segnale sia sul versante extracellulare sia sul versante intracellulare. Esse inoltrano il messaggio ricevuto a dei trasduttori intracellulari in modo che il segnale venga amplificato e recepito anche all\'interno della cellula; - le proteine integrate nella membrana possono anche essere **enzimi** ed essere per esempio coinvolti nella respirazione mitocondriale oppure enzimi come l'adenilato citrasi. Dal punto di vista **strutturale** le proteine di membrana possono essere raggruppate in tre principali categorie: integrali, periferiche e ancorate. - - - - - Le **proteine** **periferiche** sono associate alla membrana sul lato interno o esterno mediante interazioni di tipo [non] covalente. - Le **proteine** **ancorate** si possono trovare sia sul versante interno che esterno e sono legate covalentemente a una componente della membrana: lipidi o glicolipidi di membrana. Le proteine integrali per essere studiate devono essere estratte dalla membrana e questo si può fare soltanto utilizzando dei **detergenti** formati da molecole affini ai grassi. Tali detergenti riescono a inserirsi nel doppio strato fosfolipidico e a destrutturalo permettono il rilascio delle proteine integrali. Le proteine integrali possono attraversare il doppio strato lipidico con vari tipi di strutture secondarie: - - Si possono anche raggruppare in fasci come nella proteina **Batterio Rodopsina**, creando una sorta di poro idrofilico interno che consente il passaggio di molecole polari o ioniche. **GRADO DI IDROFOBICITÀ** È possibile analizzare la struttura primaria di una proteina e valutarne il grado di **idrofobicità** degli aminoacidi presenti nella sequenza in cui la proteina attraversa la membrana. Valutando la presenza di questi domini e analizzando la sequenza amminoacidica si può stilare un grafico di idrofobicità rispetto alla sequenza stessa. Data una sequenza polipeptidica e dati gli **indici idropatici** dei gruppi laterali degli amminoacidi da cui è composta, è possibile stilare un grafico che permette di predire se una proteina è di transmembrana o meno e se è una proteina transmembrana monopasso oppure multipasso. Se la proteina è monopasso ci si aspetta di trovare un grafico con un segmento di venti aminoacidi consecutivi con carattere idrofobico. Invece, una proteina multipasso come la Batterio Rodopsina, che attraversa più volte la membrana lipidica, presenterà diversi tratti di segmenti di circa 20 aminoacidi idrofobici, questi corrispondono ai tratti con cui la proteina attraversa il doppio strato. Le proteine che formano i **pori idrofilici** possono presentare delle **alfa eliche** idrofobiche che interagisco con la porzione lipidica della membrana esterna e un versante interno ricco di amminoacidi idrofilici. L'alternanza di aminoacidi idrofobici e polari le rende **anfipatiche.** ***TECNICHE CHE DIMOSTRANO LA MOBILITÀ LATERALE DELLE PROTEINE*** Anche le proteine come i lipidi sono in grado di muoversi lateralmente nella membrana e questa **mobilità** laterale delle proteine è dimostrabile con diversi **esperimenti**. - Un esempio è quello in cui si vanno a **fondere** insieme due cellule con proteine di membrana colorate con delle sostanze *fluorescenti* di colore diverso. Consideriamo una cellula murina con proteine colorate con una sostanza fluorescente rossa ed una cellula umana con proteine colorate in verde. Queste due cellule si fanno fondere in modo che si formi un\'unica membrana che avvolge questa **cellula chimerica** e si vanno incubare a temperatura fisiologica. Inizialmente risulterà che le due regioni di membrana, quella derivante dalla cellula di topo e quella derivante dalla cellula umana, sono nettamente separate perché c\'è una netta separazione tra i due gruppi di proteine ci sarà una zona tutta rossa e una zona tutta verde. Però, dopo un po' di tempo, a 37°C si potrà notare un **rimescolamento** di colore. Ciò significa che le proteine delle due tipologie di membrane si saranno rimescolate perché diffuse lateralmente. - Un\'altra tecnica, sia quantitativa sia qualitativa, che permette di dimostrare la mobilità laterale, non solo delle proteine ma anche dei lipidi, consiste nel recupero della fluorescenza dopo **foto-sbiancamento** o **tecnica** **frap**. Le proteine di membrana vengono marcate con una sostanza *fluorescente,* quindi, tutta la cellula corrispondente avrà una fluorescenza, diffusa su tutta la membrana. In seguito, la cellula viene fatta colpire da un *raggio laser* che va a sbiancare e a provocare il foto-sbiancamento di una regione circoscritta della membrana: le proteine in quella regione perdono la fluorescenza. Quindi, dopo il foto-sbiancamento, la cellula presenterà una macchiolina bianca ben definita, non fluorescente. Però, dopo un po' di tempo, il contorno della macchiolina bianca perde nitidezza. L'unica possibilità è che le proteine foto-sbiancate si sono rimescolate con le altre proteine: la macchiolina tenderà a scomparire. Quindi c\'è un recupero della fluorescenza dopo il foto-sbiancamento. Il tempo con il quale il foto-sbiancamento si annulla riflette anche la velocità della diffusione laterale. **COSA INFLUENZA LA MOBILITÀ?** Le proteine, nella membrana, possono muoversi con un diverso grado di mobilità. Ci sono proteine che si muovono più liberamente perché non sono ancorate, altre che occupano posizioni fisse perché sono ancorate. Possono essere ancorate a una struttura intracellulare come il Cortex, a un elemento extracellulare o possono essere ancorate o legate covalentemente con delle proteine che si trovano sulla membrana di una cellula adiacente. Quest'ultimo caso accade sempre nelle giunzioni cellula-cellula. Nel caso in cui non siano ancorate rimangono comunque confinate in una determinata regione della membrana grazie alle cosiddette **barriere di diffusione**. Le barriere di diffusione, che limitano lo spostamento laterale delle proteine e le relega a particolari regioni della membrana, sono particolarmente importanti nelle cosiddette cellule "***polarizzate***" perché tra la regione apicale, quella basale e quella laterale ci sono delle differenze sia funzionali sia morfologiche. In altri termini, le diverse porzioni di membrana vanno a svolgere funzioni diverse e quindi avranno una composizione proteica diversa. Le varie distribuzioni di proteine non si mescoleranno grazie alle barriere di diffusioni. Per cui questa regione è appena sotto la membrana plasmatica nel versante interno bagnato dal citosol. Le cellule polarizzate sono cellule che hanno una polarità ben definita e che non sono delle semplici sferette con una struttura pseudo cilindrica. **CORTEX** Appena sotto la membrana plasmatica, dal lato citosolico, è presente una trama di fibre proteiche che si aggancia a proteine integrali di membrana e prende il nome di **Cortex cellulare**. Il Cortex è una sorta di **scheletro di** **sostegno** della membrana: serve a dare **forma** alla membrana e quindi alla cellula stessa. È particolarmente sviluppato nelle cellule in cui la forma o i cambiamenti di forma sono importanti. La forma concava tipica dei *globuli rossi* è necessaria per il loro ruolo di trasportare l\'ossigeno nel sangue e permette loro di passare anche nei vasi più piccoli. Negli eritrociti troviamo una Cortex molto ben sviluppata, che assicura il mantenimento di questa struttura peculiare. Le proteine di membrana, quando si associano alla membrana, possono anche indurre delle curvature o delle deformazioni locali. Ad esempio, parlando del traffico vescicolare ci sono le endocitosi: si parte da una membrana priva di proteine, poi si legano diversi tipi di proteine che inducono sempre lo stesso risultato, cioè quello di incurvare la membrana e quindi indurre la formazione di pieghe. Questo consente delle deformazioni temporanee che possono essere necessarie per particolari fenomeni come le endocitosi o la formazione di pseudopodi oppure di altri protrusioni o prolungamenti cellulari. **CARBOIDRATI DI MEMBRANA** La membrana plasmatica presenta anche una componente **glucidica**. I **carboidrati** di membrana sono **sempre** associati a lipidi (**glicolipidi**) o a proteine (**glicoproteine**), in cui la porzione glucidica si affaccia **sempre** sul versante extracellulare. Si parla infatti di **asimmetria** della membrana, dato che **lipidi, proteine** e **zuccheri** non sono uniformemente distribuiti su entrambi i lati. Ciò è importante per la corretta funzionalità della membrana stessa. **ORIENTAMENTO E FORMAZIONE** L'**orientamento specifico** dei glucidi di membrana riflette il meccanismo con cui si generano sia le glicoproteine che i glicolipidi. Durante la loro formazione, la quale avviene all'interno di particolari vescicole o compartimenti membranosi come il reticolo endoplasmatico rugoso (RER), la parte zuccherina si forma e matura biochimicamente sempre sul versante **interno** delle vescicole in cui si generano, cioè nel loro **lume**. Anche quando le vescicole si spostano all'interno dei compartimenti membranosi della cellula, come l'apparato del Golgi, le componenti glucidiche **conservano** il loro orientamento. Le ultime vescicole di trasporto si fondono con la membrana plasmatica permettendo agli zuccheri di inserirsi su quest'ultima con orientamento rivolto verso l'esterno della cellula. **FUNZIONE DEI GLUCIDI DI MEMBRANA E GLICOCALICE** Le funzioni dei glucidi sono le seguenti: - Protettiva - Meccanica - Interazione - Riconoscimento di segnali - Adesione intercellulare Quando la componente glucidica è molto **abbondante**, si parla di **glicocalice,** uno strato zuccherino che ricopre la membrana plasmatica e che si osserva, in particolar modo, in determinati tessuti delle cellule animali. Ad esempio, il glicocalice è presente nelle cellule dell'epitelio intestinale, dove ha funzione protettiva, poiché l'epitelio intestinale è continuamente sottoposto a stress chimici e meccanici. Il glicocalice compone anche la zona pellucida delle cellule uovo. La funzione di **riconoscimento** cellula-cellula, si può osservare durante il fenomeno dell'uscita dei **neutrofili** dal circo sanguigno per andare verso il **sito di infezione**. I neutrofili, che sono particolari globuli bianchi, durante la loro corsa lungo il torrente circolatorio, ad un certo punto, rallentano per andare ad interagire con i recettori presenti sulla membrana delle cellule endoteliali che compongono la parete del vaso. Ai recettori si legano ai glucidi di membrana del neutrofilo. Avvenuto il riconoscimento cellula-cellula, il neutrofilo cambia forma, passando da una forma toneggiante ad una forma irregolare, che gli permette di insinuarsi tra una cellula e l'altra dell'endotelio, riuscendo in questo modo ad uscire dal vaso e dirigersi verso il sito di infezione in cui svolgerà il proprio ruolo immunitario. **FUNZIONE DEI GLUCIDI DEI GLOBULI ROSSI** La porzione glucidica presente sulle membrane dei globuli rossi determina la classificazione dei vari gruppi sanguigni: - A - B - AB - 0 I carboidrati degli eritrociti sono detti **antigeni di superficie**. Tra un gruppo ed un altro cambia la composizione dell'albero zuccherino legato al glicolipide di membrana. **CELLULA ED ORGANULI** **STRUTTURA DEL NUCLEO** Il nucleo è l'organulo più grande della cellula **eucariotica**. È situato all' interno di quest'ultima ed è separato dal citoplasma mediante l**'involucro nucleare**. Possiede una forma **sferoidale** e dimensioni di circa 5 micrometri. Svolge il ruolo più importante per la cellula, ossia quello di centro di controllo. All' interno del nucleo, infatti, sono contenuti i **geni**, sottoforma di **DNA**, i quali possiedono tutte le informazioni per dirigere le attività cellulari.  L'involucro nucleare che avvolge il nucleo è formato da **2 membrane** separate dallo **spazio** **perinucleare** e fuse in maniera discontinua. Esse sono composte da fosfolipidi e proteine, stessa struttura presente nella membrana plasmatica. Inoltre, l'involucro nucleare presenta numerosi pori, detti **pori nucleari**, i quali permettono il passaggio di molecole dall'interno del nucleo (**nucleoplasma**) all'esterno (**citosol**) e viceversa. La membrana esterna è in **continuità** con un altro sistema di membrane, il quale si sviluppa ulteriormente all'esterno del nucleo: il **reticolo endoplasmatico ruvido** (RER). Nel nucleo, come già accennato in precedenza, è presente il DNA. Molecola che diversamente da come appare nei procarioti, non si presenta "nuda", bensì asscociata a delle **proteine** per formare una **fibra nucleoproteica** chiamata **cromatina**. Il patrimonio genetico delle cellule eucariotice è tipicamente organizzato con una serie di lunghe molecole lineari di DNA: i **cromosomi**. Il numero di cromosomi è **specifico** per una determinata specie; ad esempio, nell'uomo, il numero di cromosomi presenti all'interno del nucleo di tutte le cellule somatiche è di **46**. I cromosomi sono ben **visibil**i e **distingubili** soltanto in determinate **fasi** del ciclo cellulare, ossia quando la cellula si sta preparando per la **divisione.** Per il resto della vita cellulare, la cromatina situata nei cromosomi, è tutta diffusa a formare una matassa indistinta, che va ad occupare quasi tutto il nucleo. Nell' immagine di microscopia elettronica dell'involucro nucleare è possibile osservare alcuni dettagli: - **HC** ovvero l'**eterocromatina**, zone più scure, le quali corrispondono a cromatina maggiormente addensata - **NPC** il quale rappresenta il complesso del poro nucleare, in cui le 2 membrane si fondono - **NMN** ossia la doppia membrana che compone l'inolucro nucleare I **pori nucleari** appaiono con una struttura a "**rosetta**", precisamente con una **geometria ottagonale**. Possono attraversare liberamente questi pori solamente molecole di **piccole dimensioni**, come ad esempio nucleotidi, zuccheri ed altre piccole molecole. Molecole più grandi come le proteine ed altre molecole con un peso molecolare maggiore di **1 kilodalton**, per l'attraversamento necessitano di un processo **controllato**, costituito da altre proteine, le quali formano il nucleoporo stesso, dette **nucleoporine.** Lungo il versante nucleare, quello del nucleoplasma, a partire dal nucleoporo si emanano delle proteine che definiscono una struttura chiamata **cesto nucleare** o **nuclear basket**, il quale partecipa al sistema di filtraggio delle molecole. Il nucleoporo ha una struttura **dinamica**, che quindi si può adattare al tipo di molecola che lo attraversa: regola il proprio diametro. Dal lato interno dell'involucro nucleare è presente una trama fibrosa di proteine che funge da sostegno all'involucro nucleare stesso, detta lamina nucleare. Il **traffico molecolare** si divide in: - dall'esterno verso l'interno: proteine ed enzimi (sintetizzate dentro il citoplasma e indirizzate verso il nucleo) che regolano l'**espressione genica** la quale permette la **replicazione** del **DNA,** oppure che proteine che si vanno ad unire al DNA per formare le fibre di cromatina; - dall'interso verso l'esterno: gli **mRNA** e le **subunità ribosomiali**. **LAMINOPATIE** La trama fibrosa di proteine presente appena al di sotto della membrana interna dell'involucro nucleare, costituisce un'impalcatura che prende il nome di **lamina nucleare**. Le proteine che la compongono sono dette **lamìne**. A questa struttura si agganciano **proteine integrali** di membrana, determinando **forma** e **dimensione** dell'involucro nucleare. Difetti genetici a carico delle lamìne, detti **laminopatie umane,** possono portare ad una forma **anomala** e non più regolare del nucleo. Sono presenti ulteriori proteine fibrose di sostegno, che si estendono per tutto il nucleoplasma a formare una sorta di "nucleoscheletro" anche chiamato **matrice nucleare.** A quest'ultima si associano **cromosomi** ed **enzimi** che hanno un ruolo nella replicazione e trascrizione dei geni. La **matrice nucleare** spesso è **interconnessa** con una trama di fibre proteiche che sostiene la cellula al livello del citoplasma, detto **citoscheletro**. Questa interconnessione avviene mediante delle proteine di **mediazione**. Immagine che contiene testo, screenshot, computer Descrizione generata automaticamente **DINAMICITA' STRUTTURALE DELL'INVOLUCRO NUCLEARE** L'involucro nucleare è una struttura **dinamica**, esso può: - Cambiare forma; - Assecondare cambiamenti di forma; - Disgregarsi e riformarsi, come accade regolarmente durante la **mitosi**, in particolar modo nelle specie che vanno incontro ad una **mitosi** "**aperta**", in cui l'involucro nucleare si dissolve durante la divisione cellulare. Negli organismi in cui questo non avviene si parla di **mitosi** "**chiusa**". La disgregazione dell'involucro nucleare dipende da modificazioni biochimiche delle proteine che lo costituiscono (lamine, proteine dei pori, proteine della membrana nucleare interna), le quali vengono **fosforilate**, ovvero si ha l'aggiunta di gruppi fosfato.