Biologia per Majors I

Descrivi la struttura e la funzione delle membrane, in particolare il doppio strato fosfolipidico

In questo risultato, impareremo a conoscere la struttura delle membrane.

Struttura della Membrana Cellulare

Una cellula membrana plasmatica definisce il limite della cella e determina la natura del suo contatto con l’ambiente. Le cellule escludono alcune sostanze, ne prendono altre ed espellono altre ancora, il tutto in quantità controllate. Le membrane plasmatiche racchiudono i confini delle cellule, ma piuttosto che essere un sacchetto statico, sono dinamiche e costantemente in flusso. La membrana plasmatica deve essere sufficientemente flessibile da consentire a determinate cellule, come i globuli rossi e i globuli bianchi, di cambiare forma mentre passano attraverso capillari stretti. Queste sono le funzioni più ovvie di una membrana plasmatica. Inoltre, la superficie della membrana plasmatica porta marcatori che consentono alle cellule di riconoscersi l’un l’altro, che è vitale come tessuti e organi si formano durante lo sviluppo precoce, e che in seguito svolge un ruolo nella distinzione “sé” contro “non-sé” della risposta immunitaria.

La membrana plasmatica trasporta anche recettori, che sono siti di attacco per sostanze specifiche che interagiscono con la cellula. Ogni recettore è strutturato per legarsi con una sostanza specifica. Ad esempio, i recettori superficiali della membrana creano cambiamenti all’interno, come i cambiamenti negli enzimi delle vie metaboliche. Queste vie metaboliche potrebbero essere vitali per fornire energia alla cellula, produrre sostanze specifiche per la cellula o abbattere i rifiuti cellulari o le tossine per lo smaltimento. I recettori sulla superficie esterna della membrana plasmatica interagiscono con ormoni o neurotrasmettitori e consentono di trasmettere i loro messaggi nella cellula. Alcuni siti di riconoscimento sono utilizzati dai virus come punti di attacco. Sebbene siano altamente specifici, gli agenti patogeni come i virus possono evolvere per sfruttare i recettori per ottenere l’ingresso in una cellula imitando la sostanza specifica che il recettore è destinato a legare. Questa specificità aiuta a spiegare perché il virus dell’immunodeficienza umana (HIV) o uno qualsiasi dei cinque tipi di virus dell’epatite invadono solo cellule specifiche.

Modello a mosaico fluido

Nel 1972, S. J. Singer e Garth L. Nicolson proposero un nuovo modello della membrana plasmatica che, rispetto alla precedente comprensione, spiegava meglio sia le osservazioni microscopiche che la funzione della membrana plasmatica. Questo è stato chiamato il modello di mosaico fluido. Il modello si è evoluto un po ‘ nel tempo, ma rappresenta ancora meglio la struttura e le funzioni della membrana plasmatica come ora le comprendiamo. Il modello a mosaico fluido descrive la struttura della membrana plasmatica come un mosaico di componenti – tra cui fosfolipidi, colesterolo, proteine e carboidrati—in cui i componenti sono in grado di fluire e cambiare posizione, pur mantenendo l’integrità di base della membrana. Sia le molecole fosfolipidiche che le proteine incorporate sono in grado di diffondersi rapidamente e lateralmente nella membrana (Figura 1). La fluidità della membrana plasmatica è necessaria per le attività di alcuni enzimi e molecole di trasporto all’interno della membrana. Le membrane plasmatiche variano da 5-10 nm di spessore. Come confronto, i globuli rossi umani, visibili tramite microscopia ottica, hanno uno spessore di circa 8 µm, o circa 1.000 volte più spesso di una membrana plasmatica.

Figura 1. Il modello a mosaico fluido della struttura della membrana plasmatica descrive la membrana plasmatica come una combinazione fluida di fosfolipidi, colesterolo, proteine e carboidrati.

La membrana plasmatica è costituita principalmente da un doppio strato di fosfolipidi con proteine incorporate, carboidrati, glicolipidi e glicoproteine e, nelle cellule animali, colesterolo. La quantità di colesterolo nelle membrane plasmatiche animali regola la fluidità della membrana e cambia in base alla temperatura dell’ambiente cellulare. In altre parole, il colesterolo agisce come antigelo nella membrana cellulare ed è più abbondante negli animali che vivono in climi freddi.

Il tessuto principale della membrana è composto da due strati di molecole di fosfolipidi, e le estremità polari di queste molecole (che sembrano una raccolta di sfere nella rappresentazione di un artista del modello) (Figura 1) sono in contatto con fluido acquoso sia all’interno che all’esterno della cellula. Pertanto, entrambe le superfici della membrana plasmatica sono idrofile (“amanti dell’acqua”). Al contrario, l’interno della membrana, tra le sue due superfici, è una regione idrofoba (“che odia l’acqua”) o non polare a causa delle code di acidi grassi. Questa regione non ha attrazione per l’acqua o altre molecole polari (ne parleremo ulteriormente nella prossima pagina).

Le proteine costituiscono il secondo principale componente chimico delle membrane plasmatiche. Le proteine integrali sono incorporate nella membrana plasmatica e possono estendersi in tutto o in parte della membrana. Le proteine integrali possono servire come canali o pompe per spostare i materiali dentro o fuori dalla cellula. Le proteine periferiche si trovano sulle superfici esterne o interne delle membrane, attaccate a proteine integrali o a molecole di fosfolipidi. Entrambe le proteine integrali e periferiche possono servire come enzimi, come allegati strutturali per le fibre del citoscheletro, o come parte dei siti di riconoscimento della cellula.

I carboidrati sono il terzo componente principale delle membrane plasmatiche. Si trovano sempre sulla superficie esterna delle cellule e sono legati alle proteine (formando glicoproteine) o ai lipidi (formando glicolipidi). Queste catene di carboidrati possono essere costituite da 2-60 unità di monosaccaridi e possono essere diritte o ramificate. Insieme alle proteine periferiche, i carboidrati formano siti specializzati sulla superficie cellulare che consentono alle cellule di riconoscersi l’un l’altro.

Come i virus infettano organi specifici

Figura 2. L’HIV attracca e si lega al recettore CD4, una glicoproteina sulla superficie delle cellule T, prima di entrare o infettare la cellula. (credito: modifica del lavoro da parte degli Stati Uniti National Institutes of Health / National Institute of Allergy and Infectious Diseases)

Specifiche molecole di glicoproteina esposte sulla superficie delle membrane cellulari delle cellule ospiti sono sfruttate da molti virus per infettare organi specifici. Ad esempio, l’HIV è in grado di penetrare le membrane plasmatiche di specifici tipi di globuli bianchi chiamati cellule T-helper e monociti, così come alcune cellule del sistema nervoso centrale. Il virus dell’epatite attacca solo le cellule del fegato.

Questi virus sono in grado di invadere queste cellule, perché le cellule hanno siti di legame sulle loro superfici che i virus hanno sfruttato con glicoproteine altrettanto specifiche nei loro cappotti. (Figura 2). La cellula viene ingannata dal mimetismo delle molecole del rivestimento del virus e il virus è in grado di entrare nella cellula. Altri siti di riconoscimento sulla superficie del virus interagiscono con il sistema immunitario umano, spingendo il corpo a produrre anticorpi. Gli anticorpi sono fatti in risposta agli antigeni (o proteine associate a patogeni invasivi). Questi stessi siti servono come luoghi per gli anticorpi da attaccare e distruggere o inibire l’attività del virus. Sfortunatamente, questi siti sull’HIV sono codificati da geni che cambiano rapidamente, rendendo molto difficile la produzione di un vaccino efficace contro il virus. La popolazione di virus all’interno di un individuo infetto si evolve rapidamente attraverso la mutazione in diverse popolazioni, o varianti, distinte dalle differenze in questi siti di riconoscimento. Questo rapido cambiamento dei marcatori di superficie virali diminuisce l’efficacia del sistema immunitario della persona nell’attaccare il virus, perché gli anticorpi non riconosceranno le nuove variazioni dei modelli di superficie.

Fosfolipidi

Come abbiamo appena appreso, il tessuto principale della membrana è composto da due strati di molecole di fosfolipidi. Le aree idrofile o “amanti dell’acqua” di queste molecole (che sembra una raccolta di sfere nella resa di un artista del modello) (Figura 1) sono in contatto con il fluido acquoso sia all’interno che all’esterno della cellula. Pertanto, entrambe le superfici della membrana plasmatica sono idrofile. Al contrario, l’interno della membrana, tra le sue due superfici, è una regione idrofobica o non polare a causa delle code di acidi grassi. Questa regione non ha attrazione per l’acqua o altre molecole polari (ne parleremo ulteriormente nella prossima pagina).

Le molecole idrofobiche o che odiano l’acqua tendono ad essere non polari. Interagiscono con altre molecole non polari nelle reazioni chimiche, ma generalmente non interagiscono con molecole polari. Quando immessi in acqua, le molecole idrofobiche tendono a formare una palla o un cluster. Le regioni idrofile dei fosfolipidi tendono a formare legami idrogeno con acqua e altre molecole polari sia all’esterno che all’interno della cellula. Pertanto, le superfici della membrana che si affacciano sull’interno e sull’esterno della cellula sono idrofile. Al contrario, l’interno della membrana cellulare è idrofobo e non interagisce con l’acqua. Pertanto, i fosfolipidi formano un’eccellente membrana cellulare a due strati che separa il fluido all’interno della cellula dal fluido all’esterno della cellula.

Figura 3. Questa molecola fosfolipide è composta da una testa idrofila e due code idrofobiche. Il gruppo di testa idrofilo è costituito da un gruppo contenente fosfato attaccato a una molecola di glicerolo. Le code idrofobiche, ciascuna contenente un acido grasso saturo o insaturo, sono lunghe catene di idrocarburi.

Una molecola di fosfolipide (Figura 3) è costituita da una spina dorsale di glicerolo a tre atomi di carbonio con due molecole di acidi grassi attaccate ai carboni 1 e 2 e un gruppo contenente fosfato attaccato al terzo carbonio.

Questa disposizione dà alla molecola complessiva un’area descritta come la sua testa (il gruppo contenente fosfato), che ha un carattere polare o carica negativa, e un’area chiamata coda (gli acidi grassi), che non ha carica. La testa può formare legami idrogeno, ma la coda non può. Una molecola con questa disposizione di un’area caricata positivamente o negativamente e un’area non caricata, o non polare, è indicata come anfifilica o “dual-loving.”

Questa caratteristica è vitale per la struttura di una membrana plasmatica perché, in acqua, i fosfolipidi tendono a organizzarsi con le loro code idrofobiche l’una di fronte all’altra e le loro teste idrofile rivolte verso l’esterno. In questo modo, formano un doppio strato lipidico—una barriera composta da un doppio strato di fosfolipidi che separa l’acqua e altri materiali su un lato della barriera dall’acqua e altri materiali sull’altro lato. Infatti, i fosfolipidi riscaldati in soluzione acquosa tendono a formare spontaneamente piccole sfere o goccioline (chiamate micelle o liposomi), con le loro teste idrofile che formano l’esterno e le loro code idrofobiche all’interno (Figura 4).

Figura 4. In una soluzione acquosa, i fosfolipidi tendono a sistemarsi con le loro teste polari rivolte verso l’esterno e le loro code idrofobiche rivolte verso l’interno. (credito: modifica del lavoro di Mariana Ruiz Villareal)

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