La membrana plasmatica

globuli rossi I globuli rossi rappresentano un sistema ideale per lo studio della membrana plasmatica

Plasmalemma di globulo rosso

Due membrane adiacenti Cellula 1 Membrana Spazio intercellulare Cellula 2

Membrana plasmatica: Generalità Costituisce il limite esterno della cellula e svolge funzioni di: Isolamento fisico Regolazione degli scambi Sensibilità Supporto strutturale

Struttura della membrana (modello a mosaico fluido) Fluido extracellulare canale proteine Citoplasma Doppio strato fosfolipidico

Il doppio strato fosfolipidico “testa” polare (idrofila) …acqua… “sigillo” impermeabile …acqua… “coda” non polare (idrofoba)

Le membrane biologiche contengono colesterolo Colesterolo nel doppio strato lipidico; il colesterolo aiuta a rendere la membrana impermeabile alle piccole molecole solubili in acqua e mantiene la membrana flessibile in un ampio intervallo di temperature

aderente ma non immersa nel doppio strato fosfolipidico proteine di membrana aderente ma non immersa nel doppio strato fosfolipidico proteina estrinseca

proteine di membrana proteina intrinseca parzialmente o interamente immersa nel doppio strato fosfolipidico proteine di membrana attraversa la membrana da parte a parte proteina intrinseca “transmembrana”

Proteine di membrana CANALI ENZIMI RECETTORI TRASPORTATORI

Insaturazione degli acidi grassi Membrane cellulari: Fattori che determinano la fluidità del doppio strato Temperatura Minore T = Minore fluidità Lunghezza delle catene aciliche Maggiore lunghezza = minore fluidità Teste polari Interno idrofobico Teste polari Interno idrofobico Teste polari Proteine Diminuiscono la fluidità Testa polare Regione Irrigidita dal colesterolo Più fluida Colesterolo Magg. Colesterolo = Minore Fluidità Insaturazione degli acidi grassi Magg. insat = Magg. fluidità Oleato Oltre alla temperatura, altri fattori possono determinare la fluidità del doppio strato lipidico. In generale i lipidi con catene aciliche corte raggiungono lo stato di transizione a temperature più basse di lipidi con catene lunghe. Le catene corte infatti presentano una superficie inferiore per formare interazioni di van der Waals con altre catene vicine e ciò aumenta lo stato di fluidità della membrana. Un aumento di fluidità è determinato anche dall’aumento delle insaturazioni degli acidi grassi. Questo è il risultato di un aumento del volume occupato da ogni singola coda idrofobica che si ripercuote su un minore grado di impaccamento dei fosfolipidi La presenza di insaturazioni (doppi legami) di tipo cis, aumenta volume libero della catena di acido grasso, aumentandone la fluidità, ancora una volta per riduzione delle forze di van der Waals. L’aumento dell’insaturazione degli acidi grassi è una strategia che cellule batteriche o organismi ectotermi, la cui temperatura fluttua in relazione a quella ambientale, mettono in atto per mantenere un adeguata fluidità del doppio strato lipidico di membrana anche a bassa temperatura. Organismi ectotermi come i teleostei Antartici adattati evolutivamente alla sopravvivenza a temperature inferiori agli 0°C, presentano tale adattamento omeoviscoso del doppio strato lipidico per evitare l’irrigidimento delle membrane cellulari. Un altro elemento che influenza la fluidità del doppio strato è il colesterolo. Questo lipide è troppo idrofobico per costituire una struttura a foglietto, ma si intercala tra i fosfolipidi. Il suo gruppo idrossilico polare è in contatto con la soluzione acquosa vicino alle teste polari dei fosfolipidi; gli anelli steroidei interagisce con le catene aciliche. Il colesterolo limita il movimento casuale della regione fosfolipidica che si trova sulla superficie esterna dei foglietti, ma separa e allontana tra loro le code delle catene aciliche inducendo una maggiore fluidità nelle regioni più interne del doppio strato. A temperature di 37 °C il colesterolo rende le membrane complessivamente meno fluide. A basse temperature il colesterolo ha un effetto opposto in quanto impedendo le interazioni tra catene di acidi grassi adiacenti mantiene la membrana allo stato fluido ed impedisce la cristallizzazione. Infine anche una maggiore quantità di proteine ha generalmente una diminuzione della fluidità delle membrane cellulari

Modello di membrana di Singer e Nicolson (a “mosaico fluido”, 1972)

Membrana plasmatica: Struttura Composta principalmente di Fosfolipidi Proteine Glicolipidi Colesterolo Precisa organizzazione strutturale Doppio strato fosfolipidico Proteine intrinseche ed estrinseche

intra-extra la membrana plasmatica separa l’interno della cellula dallo spazio extracellulare il fluido che riempie la cellula (citosol) ha una composizione diversa dal fluido extracellulare

Citosol Fluido extracellulare Na+ K+ alcune componenti si trovano in concentrazioni maggiori all’interno della cellula Consistenza simile a uno “sciroppo” o a una gelatina altre sono più concentrate nello spazio extracellulare lipidi Proteine e aminoacidi carboidrati

in che modo vengono generate e mantenute le differenti concentrazioni di sostanze fra ambiente extracellulare e citosol?

Prima di affrontare il tema del trasporto di sostanze attraverso la membrana plasmatica… Quali meccanismi regolano il movimento di “sostanze” fra due compartimenti qualsiasi? per esempio, cosa regola il movimento di bagnanti fra due spiagge contigue?

 diffusione semplice

se molti “individui” sono concentrati in una spiaggia…

…e il passaggio dall’una all’altra è libero...

…i bagnanti tenderanno rapidamente a distribuirsi in numero approssimativamente uguale nelle due spiagge

se molti “individui” sono concentrati in una spiaggia… La diffusione semplice è il movimento netto di sostanze da un’area a concentrazione maggiore a un’area a concentrazione minore

diffusione facilitata  diffusione facilitata

questa spiaggia è popolata da bambini e da lottatori di sumo

mentre i bambini passano facilmente fra i paletti di recinzione, i lottatori devono usare speciali porte girevoli

il passaggio dei lottatori è “facilitato” dalle porte girevoli ma se i lottatori di sumo sono molti, si crea una “coda” davanti ai passsaggi e ci vorrà più tempo perché fra le due spiagge sia raggiunto l’equilibrio.

 osmosi

Per comprendere meglio l’osmosi, torniamo per un momento al meccanismo di diffusione semplice, immaginando di condurre un piccolo esperimento...

questa è la diffusione semplice questo recipiente è diviso in due da un filtro e contiene, nel comparto di sinistra, un’alta concentrazione di una sostanza in grado di attraversare il filtro. questa è la diffusione semplice l’equilibrio di concentrazione viene ristabilito dal rapido passaggio di tale sostanza attraverso la membrana.

Il filtro che divide questo recipiente, invece, non consente il passaggio di detta sostanza (le sue maglie sono troppo fini). l’equilibrio di concentrazione viene ristabilito grazie al passaggio di acqua (solvente) dal compartimento di destra a quello di sinistra. questa è l’osmosi

Osmosi E’ la diffusione delle molecole d’acqua (solvente) attraverso una membrana Si verifica attraverso una membrana permeabile all’acqua ma non ai soluti Per osmosi, l’acqua attraversa una membrana verso il comparto a maggiore concentrazione di soluti

Torniamo alla cellula... .. e al passaggio di sostanze fra i due lati della membrana plasmatica

Diffusione semplice Fluido extracellulare Citoplasma la diffusione attraverso la membrana può avvenire attraverso il doppio strato fosfolipidico... Fluido extracellulare ... oppure attraverso i canali proteici Citoplasma

Quali sostanze “passano” per diffusione semplice? sostanze polari come l’acqua e piccoli ioni utilizzano invece specifici canali proteici Quali sostanze “passano” per diffusione semplice? molte sostanze, tuttavia, non possono attraversare la membrana senza un “aiuto” speciale... Glucoso Alcol Acqua alcune sostanze dotate di liposolubilità come l’alcol possono attraversare il “sigillo” idrofobo rappresentato dalle code apolari dei fosfolipidi Citoplasma

Processi passivi: diffusione facilitata Certi composti (troppo grandi per passare attraverso i canali di membrana) possono essere passivamente trasportati da PROTEINE VETTRICI

Diffusione facilitata 1 Aggancio della molecola alla proteina vettrice

Diffusione facilitata 2 Liberazione della molecola nel citoplasma Cinetica di saturazione

Cinetica di saturazione Se la concentrazione di glucoso da un lato della membrana sale rapidamente, tutte le proteine vettrici possono risultare occupate: la velocità di passaggio del soluto diventa costante (come accade con una folla di persone al passaggio di un numero limitato di porte girevoli)

le “vie” di passaggio attraverso la membrana plasmatica   

Osmosi e cellule Oltre ai soluti, anche il solvente della materia vivente, l’acqua, diffonde da un lato all’altro della membrana plasmatica. L’acqua è spinta in un senso o nell’altro dall’eventuale presenza di pressione osmotica, creata dalla differenza di concentrazione di soluti che non attraversano la membrana Questo effetto ha risvolti importanti, per esempio, in seguito a rapide variazioni di concentrazione del plasma sanguigno...

Osmosi e globuli rossi Ipotonico Emolisi Isotonico Nessuno Ipertonico se il fluido extra-cellulare è... Ipotonico Isotonico Ipertonico L’effetto sui globuli rossi è... Emolisi Nessuno Dentellatura

processi di trasporto passivi diffusione (semplice e facilitata) e osmosi sono processi di trasporto passivi in quanto non implicano un dispendio energetico

Processi di trasporto attivo Richiedono molta energia, ma… Consentono di spostare sostanze contro un gradiente (di concentrazione, elettrico, ecc.)

trasporto attivo

Fino al 40% dell’energia di una cellula a riposo 3 Na + 2 K + Pompa di scambio Na-K Fino al 40% dell’energia di una cellula a riposo 3 Na + 2 K + Canali per micron2: 4 K 100 Na 1000 pompe Na-K ATP ADP

La presenza di pompe ioniche provoca... Pompa sodio-potassio Canale per il potassio Canale per il sodio proteina

distribuzione asim-metrica di ioni i canali di membrana sono attraversati dagli ioni passivamente, a seconda dei loro gradienti distribuzione asim-metrica di ioni Cl- Na+ K+ le pompe ioniche determinano e mantengono gradienti di concentrazione ai due lati della membrana proteina

Potenziale transmembrana + + + + + + + + + + - - + + - - - - - - + + - - - La asimmetria nella distribuzione di ioni carichi elettricamente è all’origine di una differenza di potenziale fra i due lati della membrana che si trova normalmente in tutte le cellule - -70 mV -

endocitosi ed esocitosi molecole e particelle di dimensioni rilevanti non possono attraversare la membrana nei modi appena descritti. la cellula è tuttavia in grado di catturare o di espellere tali sostanze attraverso un tipo diverso di trasporto attivo transmembrana... trasporto attivo

endocitosi

esocitosi

endocitosi ed esocitosi

Endocitosi mediata dai recettori ligandi ligandi adesi ai recettori recettori endocitosi ritorno alla superficie vescicola rivestita Endocitosi mediata dai recettori fusione distacco endo-lisosoma ligandi rimossi

Pinocitosi e fagocitosi Pinocitosi (“cellula che beve”) Formazione di vescicole riempite di fluido extracellulare Processo non specifico come l’endocitosi mediata da recettore, ma molto comune Fagocitosi (“cellula che mangia”) Produzione di vescicole contenenti materiali solidi (anche grandi come la cellula stessa) Operata solo da cellule del sistema immunitario

Riassunto: Processi attivi di trasporto transmembrana pompe ioniche endocitosi endocitosi mediata da recettori pinocitosi fagocitosi esocitosi