Biologia e sistematica vegetale
Le membrane cellulari
Le cellule richiedono le membrane
per la loro esistenza…
La membrana plasmatica è quella che definisce i confini della cellula e
aiuta a creare e mantenere ambienti elettrochimicamente distinti tra
l’interno e l’esterno della cellula.
Le membrane cellulari:
delimitano i contorni della cellula e dei
suoi diversi compartimenti interni.
Funzioni della membrana:
1.
2.
3.
Foto al TEM di una sottile sezione
criofissata di una cellula del meristema
dell’apice radicale
4.
5.
Delimitare contorni della cellula e
dei suoi compartimenti
Costituire siti di specifiche
funzioni
Contenere proteine di trasporto
per regolare il movimento di
sostanze tra interno ed esterno o
tra i vari organelli
Contenere i recettori necessari per
rilevare i segnali esterni
Fornire i dispositivi per la
comunicazione cellula-cellula e
per l’adesione cellulare.
Queste barriere delimitano
compartimenti nei quali la
composizione chimica può
differire da quella delle
regioni circostanti ed essere
ottimizzata per un’attività
particolare.
Le membrane possono inoltre
fungere da “impalcatura” per
alcune proteine.
Rappresentazione schematica di una
cellula del mesofillo fogliare,
raffigurante i principali sistemi di
membrane ed i domini di una parete
cellulare di una cellula vegetale
differenziata
LA MEMBRANA PLASMATICA
Controlla il trasporto delle molecole verso l’interno e l’esterno della
membrana;
Trasmette i segnali dall’ambiente alla cellula;
Partecipa alla sintesi e all’assemblaggio delle molecole della parete
cellulare;
Fornisce legami fisici tra gli elementi del citoscheletro e la matrice
extracellulare.
Al pari di tutte le membrane biologiche,la
membrana plasmatica mostra una permeabilità
selettiva:
permette, cioè, ad alcune sostanze di attraversarla
più facilmente di altre.
Esistono molte affinità tra membrana plasmatica
vegetale e quella animale e le differenze sono in
parte dovute alla contiguità con le pareti
cellulari e ai rapporti con l’apoplasto.
Le membrane
Barriera di permeabilità.
Permeabilità selettiva a determinate sostanze
Divisione in compartimenti funzionali
Es.
Mitocondrio: contiene enzimi, substrati e le molecole utili
per il processo della respirazione aerobica
Lisosoma: contiene enzimi per la degradazione selettiva
di proteine e lipidi.
Lipidi e proteine si associano con interazioni non covalenti a
costituire una pellicola di ~ 8nm di spessore.
Modello di membrana a mosaico
fluido
Secondo il modello di SINGER &
NICOLSON,oggi largamente
accettato, le membrane sono
delle strutture
appiattite,tridimensionali,
formate da proteine e lipidi.
Si tratta di un
mosaico di proteine
affondate in un
doppio strato lipidico
fluido, i cui
componenti sono in
costante movimento.
In questo modello
alcune delle proteine
della membrana si
muovono, più o meno
liberamente, nel
doppio strato fluido.
Poiché le proteine e le molecole dei lipidi si
muovono lateralmente all’interno del doppio
strato, le proteine formano arrangiamenti, o
mosaici, che variano nel tempo e da sito a sito
da cui il nome a “MOSAICO FLUIDO” !
Il modello a “mosaico fluido”
illustra come i caratteri
meccanici e fisiologici della
membrana siano definiti
dalle proprietà
chimico - fisiche dei vari
componenti cellulari.
LE MEMBRANE DELLA CELLULA HANNO LA STESSA STRUTTURA
DI BASE:
Un Doppio Strato Lipidico E Proteine Globulari
Le cellule vegetali contengono sistemi differenti di membrane.
TIPI DI MEMBRANE PRESENTI NELLE CELLULE
VEGETALI
 MEMBRANA PLASMATICA
 MEMBRANA NUCLEARE
 RETICOLO ENDOPLASMATICO
 CISTERNE DEL GOLGI (CIS, MEDIANO, TRANS)
 VESCICOLE DI TRASPORTO RIVESTITE DI CLATRINA
 MEMBRANA DELLE VESCICOLE DI ENDOCITOSI
 MEMBRANA ENDOSOMICA
 MEMBRANE DEL CORPO MULTIVESCICOLARE/VACUOLO AUTOFAGICO
 TONOPLASTO
 MEMBRANA DEL PEROSSISOMA
 MEMBRANA DEL GLIOSSISOMA
 MEMBRANE DEL CLOROPLASTO
 MEMBRANE DEI TILACOIDI
 MEMBRANE DEI MITOCONDRI
Dal momento in cui si formano le cellule,per sopravvivere, devono
mantenere l’integrità di tutti i compartimenti delimitati da membrane,
cosicché tutti i sistemi di membrane devono passare da una generazione
di cellule alla successiva in una forma funzionalmente attiva.
L’eredità delle membrane segue alcune regole:
 le cellule figlie ereditano una serie completa di
membrane dalla loro madre
 ciascuna cellula madre potenziale mantiene una serie
completa di membrane
 le nuove membrane vengono prodotte soltanto mediante
crescita e fissione di membrane esistenti; non possono
essere costruite de novo
Mentre il doppio strato fosfolipidico fornisce la
struttura di base e la natura impermeabile delle
membrane cellulari, le proteine sono responsabili della
maggior parte delle funzioni della membrana.
La maggior parte delle membrane sono composte
dal 40% al 50% di lipidi (riferiti al peso), e dal
40% al 50% di proteine, la cui quantità e il cui tipo
riflettono la funzione della membrana.
Le membrane coinvolte nella trasduzione di energia,
come le membrane interne dei mitocondri e le
membrane tilacoidali dei cloroplasti, consistono fino al
75% di proteine.
Alcune sono enzimi che catalizzano le reazioni associate
alla membrana stessa, mentre altre, sono trasportatori
che presiedono al trasporto di molecole e ioni specifici
verso l’interno o l’esterno della cellula o dell’organello.
Altre ancora agiscono come recettori e
trasduttori di segnali chimici.
Quindi la membrana plasmatica risulta
costituita da proteine e lipidi in parti circa uguali
(in peso), ma c’è anche un buon 10% di carboidrati,
legati alle proteine e ai lipidi sulla superficie esterna.
Molti carboidrati di membrana sono presenti sotto forma di glicoproteine e
una piccola parte di glicolipidi, e cioè di lipidi con carboidrati a catena
corta attaccati a essi.
LIPIDI:
I pricipali lipidi del plasmalemma
sono i fosfolipidi, gli steroli ed in
minor misura (10, 20%) i glicolipidi.
I FOSFOLIPIDI :
sono molecole anfipatiche, cioè
costituite da una testa polare
idrofila e da code apolari idrofobe.
Questi si dispongono in modo da
formare un doppio strato lipidico.
La geometria
risultante è
controllata
dalla forma
delle
molecole
anfipatiche e
dal bilancio
dei domini
idrofobici ed
idrofilici.
Quando messe a contatto con l’acqua queste molecole si autoassemblano spontaneamente in strutture di ordine superiore.
Le teste idrofile massimizzano le loro interazioni con le molecole
d’acqua, mentre le code idrofobiche interagiscono le une con le altre
minimizzando la loro esposizione con la fase acquosa.
I FOSFOLIPIDI : contengono una testa polare carica e due code
idrocarburiche.
Le code di acidi grassi contengono dai 14 ai 24 atomi di carbonio ed
almeno una delle code ha uno o più doppi legami. Le pieghe introdotte dai
doppi legami influenzano il loro impacchettamento che, a sua volta,
influenza la fluidità complessiva della membrana.
Steroli
Fra gli steroli è comune e
diffuso il ß-sitosterolo,
mentre è più scarso il
colesterolo(tipico
componente delle
membrane animali).
Nel doppio strato lipidico gli steroli si comportano diversamente dai
fosfolipidi, soprattutto perché il dominio idrofobico di una molecola di
sterolo è molto più grande rispetto alla testa polare non carica.
Di conseguenza gli steroli di membrana non solo sono capaci di
diffondere rapidamente nel doppio strato, ma anche fare un “flip-flop”
e con una frequenza superiore rispetto ai fosfolipidi.
Molecola di colesterolo
Il colesterolo è un fondamentale
costituente della membrana
plasmatica con l’importante
ruolo di mantenerne la fluidità,
soprattutto in presenza di agenti
tendenti a fluidificarla (es.
alcoli).
Molecole di colesterolo all’interno
del bilayer fosfolipidico
Steroli presenti nella membrana
I glicolipidi
Pur non essendo marcatamente
presenti, rivestono il ruolo di
recettori, per mezzo della loro
estremità glucidica sporgente
rispetto alla membrana.
I vari tipi di lipidi e fosfolipidi
sono generalmente distribuiti
in percentuali differenti in
ognuno dei due strati lipidici
della membrana, che può
contenere oltre 100 tipi
differenti di costituenti
proteici.
PROTEINE: Nella membrana plasmatica delle piante si trova in
media il 3% delle proteine cellulari totali.
Le proteine si
associano con il doppio
strato in differenti
modi, ciascuno dei
quali riflette la
diversa funzione sia
strutturale che
enzimatica che esse
svolgono.
Le proteine infatti possono essere immerse in una o
nell’altra faccia del doppio strato lipidico (proteine
periferiche) oppure attraversarlo
completamente(proteine integrali).
Integrali
monopasso
Ancorate ai lipidi
multipasso
Periferiche
SONO STATE IDENTIFICATE DUE CONFIGURAZIONI
NELLE PROTEINE TRANSMEMBRANA:
Una relativamente semplice di
forma allungata, consistente in
un’ α elica inserita nell’interno
idrofobo della membrana, con
porzioni idrofile non regolari
che si protendono su entrambi
i lati.
Un’ altra viene individuata nelle
proteine globulari a struttura
tridimensionale complessa tale
da formare ripetuti
“passaggi”attraverso la
membrana. Anche in queste
proteine la catena polipetidica
usualmente attraversa il
doppio strato lipidico come
una serie di α eliche.
La proteina
rappresentata a lato,
possiede sette eliche
transmembrana,
(rappresentate
schematicamente dai
cilindri). I segmenti
idrofili non elicoidali
della proteina sono in
contatto con le
soluzioni acquose su
entrambi i lati della
membrana.
Le zone lipofile
interagiscono con le code
lipofile delle molecole
lipidiche,mentre le zone
idrofile sono in
connessione con le teste
idrofile dei lipidi
costituenti la membrana.
Questa organizzazione
rende stabile la struttura
di membrana.
Le proteine possiedono poli idrofili,
nei quali si accumulano i gruppi
polari dei componenti
aminoacidici e poli lipofili formati
da catene apolari di idrocarburi
degli aminoacidi.
Le membrane plasmatiche vegetali contengono un notevole numero di
Vi sono anche
dei flavocitocromi
(NADH ossidasi e NADPH
proteine
con funzioni ossidoriduttive.
ossidasi) transmembrana, presenti a bassi livelli e coinvolti
Abbondanti enzimi redox del plasmalemma sono il citocromo b561 (che
nelle reazioni di difesa da patogeni e nella riduzione dei
avrebbe funzione di mantenere le comunicazioni tra l’ambiente cellulare e
metalli.
l’ambiente esterno) e alcune flavoproteine interne, come una NADH-cit b5
reduttasi e una chinone reduttasi NADPH-dipendente.
La membrana plasmatica contiene inoltre
numerosi recettori, ormonali e non,e il
complesso proteico della cellulosa sintasi
. L’unico complesso enzimatico intrinseco
del plasmalemma vegetale che
contribuisca alla sintesi di parete.
I complessi enzimatici di cellulosa sintasi
formano”rosette”incluse nella
membrana plasmatica. Ogni”rosetta”
sintetizza cellulosa da un derivato del
glucosio, l’UDP-glucosio (uridina
difosfato glucosio). Le molecole di
UDP-glucosio penetrano nella rosetta
dalla parte citoplasmatica della
membrana e una microfibrilla viene
estrusa dalla faccia esterna della
membrana.
Le proteine sono più voluminose e si muovono più
lentamente,molte a causa del loro legame con il
citoscheletro, sembrano essere praticamente
immobili.
LE MEMBRANE SONO FLUIDE
Le membrane biologiche non sono strati statici di molecole rigidamente
bloccate in una posizione. Una membrana è stabilizzata fondamentalmente
da interazioni idrofobe,che sono molto più deboli dei legami covalenti.
Il movimento laterale dei fosfolipidi all’interno della membrana è rapido,
mediamente 2μm al secondo.
Fluidità del doppio strato lipidico
E’ fondamentale per i processi di trasporto e per
le attività enzimatiche.
Dipende da composizione in lipidi (lunghezza delle
catene di acidi grassi e presenza di doppi legami)
e dalla T .
Temperatura di transizione di fase (Tm): t a cui
il doppio strato artificiale si gelifica (congela) se
raffreddato o diventa di nuovo fluido (fonde) se
riscaldato.
La membrana deve essere al di sopra di Tm per
funzionare correttamente.
Atomi di C e doppi legami…
La membrana si mantiene fluida fino ad una certa temperatura (che dipende dal tipo di
lipide di cui è costituita), al di sotto della quale i lipidi si associano tra di loro in
modo particolarmente serrato,causandone la solidificazione.
La membrana si mantiene fluida anche a basse temperature solo se è ricca di fosfolipidi
con code idrocarburiche insature (i doppi legami impediscono loro di associarsi
strettamente).
Le singole molecole lipidiche in un doppio strato non sono
legate covalentemente le une dalle altre, per cui sono libere di
muoversi.
Gli studi sul movimento dei fosfolipidi nei doppi strati
hanno rilevato che queste molecole possono diffondere
lateralmente, ruotare, flettere le loro code, oscillare su e
giù e diffondere trasversalmente.
La rotazione delle singole
molecole attorno all’asse
longitudinale ed il loro
oscillare su e giù sono eventi
molto rapidi.
Contemporaneamente a questi
moti, vi è il costante flettersi
delle code idrocarburiche.
Dato che la flessione aumenta
verso la fine delle code, il
centro del doppio strato ha il
più alto grado di fluidità.
Si ritiene che le singole molecole
saltellano entro posti liberi
(buchi) che si formano in
seguito al moto termico delle
molecole lipidiche di ciascun
monostrato
Flip-flop: un evento raro
E’ invece sostenuta la rotazione e la diffusione laterale.
Il “flip-flop”,
avviene raramente.
Si tratta infatti di
un movimento
energeticamente
non favorito.
Esistono cmq delle
proteine particolari:”le
flippasi” che mediano i
movimenti dei lipidi
neosintetizzati sempre
in un’unica direzione.
Meccanismo d’azione di un
traslocatore di fosfolipidi
L’asimmetria della membrana: si stabilisce durante la
biogenesi nel reticolo endoplasmatico e viene
mantenuta grazie alla presenza di traslocatori di
membrana e quindi grazie alle differenti proteine
presenti sui lati citosolico e extra-cellulare.
Il movimento spontaneo di un lipide da uno strato
all’altro (flip-flop) è raro.
I trasporti di membrana avvengono secondo diverse modalità
Trasporti:
- attivi
- secondariamente attivi
caratteristiche
contro-gradiente
dipendenti dal metabolismo
saturanti
selettivi
contro-gradiente
accoppiati a flussi ionici
saturanti
selettivi
- passivi facilitati
secondo-gradiente
saturanti
selettivi
- passivi diffusivi
secondo-gradiente
non selettivi
non saturanti
esempi
Na/K-ATPase, Ca-ATPase,
H/K-ATPase
cotrasporto Na/glucosio,
cotrasporto H/peptidi,
antiporto Na/Ca
trasporto di glucosio,
trasporto di amminoacidi
ioni attraverso i canali
diffusione di sostanze lipofile
Il passaggio di sostanze disciolte attraverso
la membrana viene chiamato
DIFFUSIONE.
Grazie alla diffusione i soluti si distribuiscono uniformemente
nelle soluzioni.
La diffusione è rappresentata da un movimento netto di un soluto
da una regione ad elevata concentrazione verso una a
concentrazione inferiore.
La velocità di diffusione varia a seconda della sostanza coinvolta,
ma si mantiene comunque fino a quando non si è raggiunto
l’equilibrio.
Movimento di molecole attraverso le membrane:
la diffusione semplice
Permeabilità dei doppi strati lipidici
Le molecole idrofile attraversano la membrana per mezzo di
proteine di Membrana: trasportatori o canali
Gli ioni diffondono
attraverso i canali ionici
Il flusso diffusivo di uno
ione dipende dal
Gradiente di concentrazione
Gradiente elettrico a cavallo
della membrana
Trasporto Attivo
• È richiesta energia metabolica (ATP)
• I soluti si muovono CONTRO un
gradiente di potenziale elettrochimico
Tipi di trasporto attivo
Trasporto attivo
primario
Trasporto attivo
secondario
Necessità di Energia
Non richiede ulteriore energia
oltre a quella derivata dal
movimento molecolare
Richiede ATP
ENDOCITOSI
DIFFUSIONE
ESOCITOSI
Diffusione
Semplice
Diffusione
Facilitata
Molecole attraversano
il doppio strato lipidico
Trasporto
Attivo
SECONDARIO
Crea
gradienti
per
Trasporto mediato
da proteine di membrana
Caratteristiche Strutturali
FAGOCITOSI
Trasporto
Attivo
PRIMARIO
Vescicole rivestite
da membrana