Gaetano Odierna » 7.La membrana plasmatica

Membrane cellulari – Membrana plasmatica e membrane interne

La membrana è un sottile strato lipidico (4-5 nm), con proteine ad esso associato, che delimita ogni cellula (Membrana plasmatica) e circoscrive molti organelli endocellulari (Membrane interne). Le membrane racchiudono uno spazio interno, mediandone le relazioni con l’ambiente esterno.

Immagine da Becker et al. Il mondo della cellula. 2002. Edises Editore

Struttura delle membrane cellulari

La membrana è costituita da lipidi, proteine e glucidi. In tutte le cellule tali elementi sono organizzati secondo il medesimo piano strutturale, tuttavia, la loro composizione varia sia tra le differenti cellule sia tra gli organelli cellulari.

Immagine modificata da Purves et al. Biologia. 2002. Zanichelli editore

Struttura delle membrane cellulari – diversità composizionale

Nella tabella sono riportate le differenze nella composizione della componente lipidica, proteica e glucidica che si osservano tre le membrane di differenti cellule e di vari organelli cellulari . Nota bene, le variazioni oltre che quantitative sono anche qualitative.

Struttura delle membrane cellulari – componente lipidica – fosfolipidi

Fosfolipidi: è la classe più abbondante dei lipidi di membrana. Sono molecole anfipatiche con la parte apolare (costituita da due acidi grassi saturi o insaturi a 16 o 18 atomi di C), legati al glicerolo e la parte polare ( costituita dal gruppo fosfato, esterificato con la colina, l’etanolamina, la serina o l’inositolo) anch’essa legata al glicerolo.

In figura: Rappresentazione schematica della molecola di fosfatidil-colina (a), – etanolamina (b),-serina (c) e –inositolo (d). 

Struttura delle membrane cellulari – componente lipidica – sfingolipidi

Sfingolipidi: è la seconda classe più abbondante dei lipidi di membrana. La parte apolare (in viola) è costituita da un amino alcool (la sfingosina) a cui è legata un acido grasso; la parte polare (in giallo), nella sfingomielina, è costituita dal gruppo fosfato esterificato con la colina.

Struttura delle membrane cellulari – componente lipidica– glicolipidi e colesterolo

Glicolipidi: è una classe di lipidi di membrana. Alla sfingosina, che è il gruppo apolare (in viola), è legato, il gruppo polare (in giallo), il quale è uno zucchero o una piccola catena di zuccheri (glicolipidi semplici) oppure una lunga catena ramificata di zuccheri (glicolipidi complessi).

Colesterolo: è lo sterolo più abbondante nelle membrane delle cellule animali. La parte apolare (in viola) è costituita da quattro anelli idrocarburici, mentre la parte polare (in giallo) è costituita dal solo gruppo idrossilico (–OH).

Struttura delle membrane cellulari – organizzazione strutturale dei lipidi

La natura lipidica delle membrane cellulari era nota già dalla fine del 1800 grazie agli esperimenti di Overton il quale dimostrò che le molecole apolari attraversano la membrana cellulare, la quale è impermeabile alle molecole polare. Overton propose che i lipidi nelle membrane erano disposti a formare un monostrato.
Gorter e Grendel (1925) dimostrarono che nelle membrane i lipidi sono organizzati a formare un doppio strato lipidico continuo con le lunghe code apolari giustapposte fra loro e le teste polari rivolte verso l’ambiente acquoso esterno ed interno della cellula. Le membrane cellulari presentano quindi due monostrati o foglietti, uno esterno o esoplasmatico e l’altro interno citoplasmatico.

Struttura delle membrane cellulari – organizzazione delle proteine (a)

Davson e Danielli nel 1937 proposero che al doppio strato fosfolipidico fossero associati due strati proteici (proteine esterne o estrinseche) che aderivano elettrostaticamente alle teste polari dei fosfolipidi (A).

Gli stessi autori per spiegare il passaggio di acqua e sostanze varie attraverso il doppio strato lipidico proposero l’esistenza di pori, originati per introflessione dello strato proteico (B).

Struttura delle membrane cellulari – organizzazione delle proteine (b)

Le prime immagini delle membrane cellulari al microscopio elettronico di Robertson (1960) sembravano confermare il modello proposto da Davson e Danielli. In tali immagini la membrana appare come una struttura trilaminare con due strati esterni elettrondensi e un strato interno elettronchiaro (A e B). Robertson ne definì le dimensioni dei vari strati della membrana (C) e propose la teoria della membrana unitaria: le membrane interne dei vari organelli, avendo la stessa struttura di quella plasmatica, derivano per invaginazione della membrana plasmatica (Come visto nelle precedenti diapositive, la diversità nella composizione dei lipidi della membrana plasmatica e dei vari organelli invalidò la teoria della membrana unitaria).

Struttura delle membrane cellulari – organizzazione delle proteine (c)

Gli esperimenti di freeze- etching (vedi diapositiva 14 della Lezione 3) effettuate negli anni 1970 evidenziarono che nel doppio strato fosfolipidico erano presenti proteine (intrinseche) alcune delle quali lo attraversavano a tutto spessore (vedi immagine a fianco). Tali evidenze invalidarono definitivamente il modello strutturale della membrana plasmatica di Davson e Danielli.

Immagine da Becker et al. Il mondo della cellula. 2002. Edises editore

Struttura delle membrane cellulari – organizzazione delle proteine (e)

Il modello a mosaico fluido di Singer e Nicolson. Tale modello formulato nel 1972 è tutt’ora a grosse linea ancora valido. Secondo questo modello membrana è un mosaico costituito da un doppio strato fosfolipidico cui si trovavano associate due tipi di proteine:

• Alcune proteine sono disposte esternamente al doppio strato fosfolipidico e sono legate elettrostaticamente alle teste dei fospolipidi. Tali proteine non formano uno strato continuo per cui i fosfolipidi in alcuni punti risultano scoperti . Tali proteine sono denominate ESTRINSECHE.
• Altre proteine sono invece inserite all’interno del doppio strato fosfolipidico e sono legate covalentemente alle code dei fosolipidi. Queste proteine possono sporgere da un lato o dall’altro o da entrambi i lati (proteine trans-membrana) del doppio strato lipidico. Tali proteine sono denominate INTRISECHE.

Ogni membrana ha un suo caratteristico set di lipidi e di proteine.

Immagine modificata da Purves et al. Biologia. 2002. Zanichelli editore

Struttura delle membrane cellulari – organizzazione delle proteine (f)

Immagine in cui sono schematizzate i diversi tipi proteine che possono essere associate alla membrana plasmatica. Sono rappresentati anche i differenti tipi di proteine integrali e di quelle ancorate ai lipidi mediante legame covalente.

Struttura delle membrane cellulari – componente glucidica

La componente glucidica nelle membrane è presente esclusivamente nel versante esterno. Gli zuccheri possono essere legati alle proteine (glicoproteine) o ai lipidi (glicolipidi). In alcuni tipi cellulari la componente glucidica delle proteine e dei lipidi è molto abbondante e forma uno spesso strato esterno, definito “Glicocalice” dai ricercatori che per la prima volta lo descrissero.

Immagine modificata da Purves et al. Biologia. 2002. Zanichelli editore

Caratteristiche della membrana: discontinuità

Nel modello a mosaico fluido di Singer e Nicolson la membrana plasmatica è discontinua, fluida e asimmetrica.

Discontinuità – Il doppio strato fosfolipidico, contrariamente ai precedenti modelli, non è continuo essendo presenti nel doppio strato le proteine integrali. Pertanto la membrana è un mosaico di parti, con le proteine incastonate in un letto di fosfolipidi.

Immagine da Becker et. al. Il mondo della cellula. 2002. Edises editore

Caratteristiche della membrana: fluidità (a)

La membrana si comporta come un fluido con i lipidi liberi di ruotare su se stessi e diffondere lateralmente nel proprio monostrato.

La diffusione trasversale- il passaggio da un monostrato all’altro (denominato flip-flop) è termodinamicamente sfavorito (come si vedrà nella lezione dedicata al Reticolo endoplasmatico liscio tale movimento è mediato da specifiche proteine, le flippasi).

Immagine da Becker et. al. Il mondo della cellula. 2002. Edises editore

Caratteristiche della membrana: fluidità – ruolo del colesterolo

La fluidità della membrana dipende dal tipo di lipidi di cui è composta. Membrane i cui fosfolipidi hanno acidi grassi saturi sono più rigide rispetto a membrane con acidi grassi insaturi. Altro elemento che influenza la fluidità delle membrane è il colesterolo. Le molecole di colesterolo si inseriscono tra i fosfolipidi di ciascun monostrato restringendo la mobilità sia delle teste idrofiliche sia delle code idrofobiche. Il colesterolo in definitiva ha il ruolo di stabilizzare le membrane.

Immagini da Becker et. al. Il mondo della cellula. 2002. Edises editore; Alberts et. al. L’essenzaile di Biologia cellulare e molecolare. 2002. Zanichelli editore

Caratteristiche della membrana: fluidità – zattere lipidiche

Nella membrana esistono determinate regioni ricche in sfingolipidi e colesterolo che formano dei domini ordinati, denominati “zattere lipidiche” per il fatto che “nuotano” in un “mare” di fosfolipidi. A tali particolari regioni della membrana sono , in genere, associate specifiche proteine coinvolte nella comunicazione cellulare.

Immagine da Colombo e Olmo. Biologia della cellula. 2007. Ediermes editore

Caratteristiche della membrana: fluidità delle proteine

Come dimostrato dall’elegante esperimento di Frye e Edidin (1970) di fusione tra una cellula di topo e di uomo, le proteine integrali di membrana sono in grado di diffondere lateralmente. Tuttavia, spesso il loro movimento è limitato se non del tutto impedito dagli elementi del citoscheletro a cui sono legate.

Immagine da Becker et. al. Il mondo della cellula. 2002. Edises editore

Caratteristiche della membrana: asimmetria

L’asimmetria della membrana riguarda la differente distribuzione dei lipidi, dei peptidi e, in particolare, dei glucidi nei due monostrati fosfolipidici. I glucidi, infatti, che nella membrana sono coniugati ai lipidi (glicolipidi) o alle proteine (glicoproteine) sono presenti esclusivamente nel versante extracellulare, dove costituiscono il Glicocalice.

Immagine modificata da Rosati e Colombo. Citologia. 2000. Ediermes editore

Caratteristiche della membrana: asimmetria dei lipidi

Nella membrana plasmatica la distribuzione dei lipidi è fortemente asimmetrica. Nella membrana dei globuli rossi, ad esempio, gli sfingolipidi e la fosfatidilcolina è maggiormente distribuita nel monostrato esoplasmatico, mentre la fosfatidil-serina, -inositolo e –etananolamina maggiormente distribuiti nel 1 monostrato citoplasmatico (B).