Biologia: studi recenti

BIOLOGIA: STUDI RECENTI

Come abbiamo visto le membrane cellulari hanno una funzione altamente specializzata, e nonostante siano tutte formate per la maggior parte da due strati lipidici, contengono, 'immerse' al loro interno e affacciate a una o a entrambe le superfici, una serie di proteine che permettono a ciascuna membrana di svolgere la propria attività. La composizione dei lipidi (grassi) che costituiscono i due strati principali della membrana può variare: essa comprende, nella maggior parte glicolipidi e colesterolo. Tuttavia, i vari tipi di membrana o addirittura zone delimitate di essa, devono la loro individualità alle caratteristiche delle proteine contenute in quella regione. Le proteine di membrana si possono classificare in due grossi gruppi: al primo appartengono le proteine integrali, di cui fanno parte quasi tutte le proteine che attraversano la membrana; del secondo gruppo fanno parte le proteine periferiche. Le proteine integrali interagiscono direttamente con il doppio strato fosfolipidico e contengono una o più strutture ad alfa-elica formate da amminoacidi idrofobici: un esempio classico è la rodopsina batterica, che è stato il primo esempio di strutture di questo tipo risolta a livello cristallografico. Questi complessi proteici sono stabilizzati all'interno della membrana da interazioni tra le eliche e molti recettori presentano questo tipo di struttura. Le proteine periferiche sono legate alla membrana attraverso interazioni con altre proteine integrali e non direttamente alla membrana stessa. Le membrane biologiche sono molto asimmetriche e questo è principalmente dovuto al fatto che le proteine integrali sono legate in maniera asimmetrica e molecole dello stesso gruppo mantengono lo stesso orientamento; un enzima legato alla membrana, p. es., esporrà su una delle superfici sempre la stessa faccia e quindi l'asimmetria è collegata ai vari aspetti delle funzioni della membrana. Molte proteine sono libere di muoversi in maniera laterale nel doppio strato, a eccezione di quelle che sono ancorate a strutture citoplasmatiche o a proteine della matrice extracellulare. Una eccezione a questo fenomeno è data dalla membrana degli eritrociti (globuli rossi), che non contiene proteine mobili ma una serie di proteine come la spectrina e l'actina che formano una rete connessa da interazioni specifiche con varie strutture e che mantengono la forma della c., dal momento che i globuli rossi non posseggono il citoscheletro, che costituisce 'l'impalcatura' della cellula. Le c., quando sono organizzate in tessuti, sono connesse tra loro da vari tipi di giunzioni cellulari che nella membrana cellulare sono costituite da complessi proteici. Alcune proteine integrali formano giunzioni molto serrate che impediscono il passaggio di fluidi da una c. all'altra o, come nel caso delle c. epiteliali (p. es. quelle del pancreas o dell'epitelio intestinale), definiscono domini della membrana, specializzati in diverse funzioni e legati alle proteine specifiche di quella zona. Alcune proteine p. es. legano particolari ormoni, altre vengono inglobate nelle vescicole secretorie. Le giunzioni di adesione e i desmosomi legano le c. adiacenti in maniera tale da dare una compattezza e una rigidità al tessuto stesso, in qualche caso legandosi alla matrice extracellulare, mentre le giunzioni gap permettono il passaggio di piccole molecole tra una c. e l'altra. Il nucleo della c., che contiene i cromosomi in cui avvengono molti dei processi cellulari legati all'espressione dei geni, è circoscritto da una doppia membrana a doppio strato lipidico che contiene proteine diverse.

Questa membrana controlla il traffico tra il nucleo e il citoplasma ed è interrotta da un numero elevatissimo di 'pori nucleari', strutture molto caratteristiche e che hanno una funzione attiva nel trasporto di molecole complesse come l'RNA messaggero. Il poro ha una struttura anulare che si affaccia su entrambi i lati del doppio strato della membrana e fanno parte del suo complesso molte proteine che in totale formano un agglomerato di 120 milioni di dalton, una dimensione veramente grande all'interno della cellula. Il passaggio di complessi ribonucleici è attivamente regolato come da un cancello e richiede il consumo di energia fornita dalla molecola di ATP. La membrana plasmatica è una barriera permeabile e selettiva tra il citoplasma e lo spazio extracellulare che permette il rapido afflusso di sostanze nutritive come il glucosio, gli amminoacidi e i lipidi, il mantenimento al suo interno dei prodotti metabolici necessari e l'uscita di sostanze di scarto o di materiale che deve essere immesso nello spazio extracellulare o in una c. adiacente; questo meccanismo permette alla c. di mantenere per quanto possibile un ambiente costante al suo interno. Il traffico di sostanze non è solo dovuto al fenomeno della diffusione, ma è strettamente regolato da enzimi e complessi proteici che agiscono da vere e proprie pompe sulla superficie cellulare. Esistono tre tipi di meccanismi di trasporto: quelli che usano l'energia dell'ATP per portare avanti un trasporto energeticamente sfavorevole e vengono definiti trasportatori attivi o pompe, la cui velocità è di circa (10/1000/s) ioni; i canali proteici, che trasportano acqua e ioni in un processo energicamente favorevole e rapidissimo con circa 108/s ioni; infine un terzo gruppo chiamato trasportatori che ha una velocità di trasporto intermedia, di circa 104 ioni/s. Finora sono stati identificati tre tipi di 'trasportatori' che agiscono con lo stesso meccanismo di base: si legano alla sostanza da trasportare, come conseguenza del legame cambiano conformazione e la sostanza viene spinta all'interno. La differenza tra i vari tipi di questa classe è dovuta alla capacità di legare una o più molecole al loro interno. Inoltre un trasporto sfavorevole energicamente può essere accoppiato a un trasporto favorevole e in questa maniera una sostanza esce e l'altra entra o una sostanza che entra facilmente trascina con sé attraverso il cambio conformazionale un'altra molecola il cui ingresso è sfavorevole. La regolazione del pH all'interno della c. è mantenuta utilizzando questo tipo di trasporto tra ioni. Nelle c. di mammifero ci sono circa 20.000 diversi tipi di proteine e ciascuna di esse una volta sintetizzata deve raggiungere la particolare regione cellulare che le compete e così le circa trenta diverse membrane devono contenere un definito gruppo di proteine specifiche per portare avanti le loro funzioni, come p. es. nel caso di un recettore per un particolare ormone che deve essere esposto sulla superficie della c. destinata a usare quell'ormone. Enzimi con funzioni nucleari come p. es. le DNA polimerasi o le RNA polimerasi, una volta assemblate nel reticolo endoplasmatico devono raggiungere il nucleo per espletare la loro funzione. La distribuzione delle proteine avviene a vari livelli; qualche proteina è direttamente sintetizzata nei mitocondri con un sistema simile a quello cellulare ma tutto all'interno di questi organelli, mentre la maggior parte delle proteine cellulari è codificata dal DNA nucleare e sintetizzata dai ribosomi nel citoplasma. Esistono vari segnali che assicurano il destino delle proteine o di interi organelli nel giusto compartimento cellulare. Le proteine che sono sintetizzate genericamente dai ribosomi citoplasmatici si dividono in due grandi gruppi, quelle sintetizzate dai ribosomi legati alla membrana nel cosiddetto reticolo endoplasmatico ruvido (ruvido perché le sue membrane sono piene di ribosomi) e quelle che vengono sintetizzate da ribosomi non attaccati alla membrana. Le proteine di quest'ultimo gruppo restano nel citosol o vengono trasportate nel nucleo, nei mitocondri o in altri compartimenti cellulari, mentre quelle sintetizzate nei ribosomi legati al reticolo ruvido entrano nel pathway secretorio. Alcune di esse attraversano la membrana del reticolo mentre vengono sintetizzate e si vengono a trovare nel lumen del reticolo. Alcune di queste vengono secrete dalla c., dopo la loro sintesi e inviate al Golgi attraverso vescicole di trasporto e in seguito espulse dalla c. attraverso la esocitosi. Durante questo fenomeno le vescicole secretorie, piene di proteine specifiche, si fondono con la membrana e vengono rilasciate all'esterno della c., mentre altre sono destinate a rimanere nel reticolo o sono trasportate ai lisosomi.

La gerarchia assicura una specifica destinazione per ogni proteina prodotta. Un gruppo importante di proteine sintetizzate nel reticolo ruvido è quello delle proteine integrali di membrana, che presentano un orientamento unico rispetto allo strato fosfolipidico della membrana e possiedono una sequenza di 25 amminoacidi, definita 'topogenica'(dal gr. tópos, luogo) che assicura una inserzione appropriata di questa proteina nel reticolo. Tuttavia solo alcune delle proteine integrali di membrana restano nella stessa membrana una volta sintetizzate: alcune, come p. es. i recettori, vanno incontro a vari cicli di endocitosi e modificazione prima di raggiungere la destinazione finale. Il mitocondrio, l'organello responsabile della produzione di energia per la c., contiene un DNA che si replica in maniera autonoma dal DNA nucleare. Questa molecola codifica per molte proteine intramembranarie che prendono parte al trasporto di elettroni, durante la catena respiratoria responsabile della formazione dell'ATP. È interessante notare che esiste una differenza tra le specie sul tipo di geni del DNA mitocondriale: infatti in alcuni organismi gli stessi geni che sono in una specie mitocondriali, sono invece presenti nel DNA nucleare. Questa osservazione fa pensare che durante l'evoluzione vi sia stato uno scambio tra i due genomi. La maggior parte delle proteine mitocondriali è codificata da geni nucleari, sintetizzata nei ribosomi del citosol e successivamente importata nel mitocondrio. Queste proteine sono sintetizzate in unità lunghe che contengono regioni necessarie al loro trasporto all'interno dell'organello e che successivamente vengono eliminate; inoltre, dopo essere state sintetizzate, vengono mantenute in uno stato semidenaturato e il loro trasporto è causato da un meccanismo attivo che richiede energia; una parte della proteina si lega a uno specifico recettore sulla membrana esterna e quando la membrana interna viene a trovarsi molto vicina si forma un poro che permette il passaggio della proteina all'interno e, una volta a destinazione, la proteina importata assume la sua forma attiva. In questi ultimi anni il DNA mitocondriale è stato usato per studi di genetica evoluzionistica per due importanti motivi: il primo è che la sua frequenza di mutazione è diversa da quella del DNA nucleare e le mutazioni che avvengono nel suo genoma raramente portano alla morte dell'individuo perché nella c. ci sono migliaia di mitocondri; il secondo motivo è che i mitocondri si ereditano dalla madre, quindi due fratelli hanno lo stesso DNA mitocondriale anche se sono figli di padri diversi. Questa caratteristica permette di tracciare alberi genealogici seguendo solo la discendenza materna e questo si è rivelato molto importante per stabilire la vicinanza genetica tra le varie popolazioni della Terra. Questo metodo introdotto da A. Wilson ha permesso di definire l'origine africana della specie umana. Studiando le sequenze di una regione del DNA mitocondriale non essenziale alla vita dell'organello e quindi in grado di conservare nel tempo le mutazioni, Wilson e collaboratori hanno paragonato questa regione nei genomi mitocondriali di diverse popolazioni che abitano il pianeta e hanno stabilito che tutte hanno in comune sequenze che sono caratteristiche delle popolazioni africane, mentre queste ultime sono simili solo a se stesse. Inoltre è stato possibile seguire le varie migrazioni dell'uomo e le separazioni in gruppi etnici e, studiando la frequenza delle mutazioni, è stato possibile proporre una data per la nascita delle prima donna africana, che può risalire, con un margine di errore importante, a circa 190.000 anni fa. Il citoscheletro, costituito da una rete di fibre, riempie il citoplasma dando la forma alla cellula. Questa struttura, composta da tre sistemi fibrosi come i microtubuli, i microfilamenti e i filamenti intermediari, provvede anche all'impalcatura dove si attaccano i vari organelli cellulari ed è responsabile della motilità cellulare. Una delle proteine che costituiscono il citoscheletro è l'actina, che è una delle proteine più conservate nella c., la quale si lega in maniera specifica all'ATP per formare fibre e costituisce una fitta rete attaccandosi alle proteine integrali della membrana. La polimerizzazione dei filamenti di actina e il loro assemblaggio in reti e matasse costituisce uno dei meccanismi attraverso i quali la c. genera le forze necessarie a spingere la membrana cellulare in avanti durante il movimento cellulare. Nelle c. muscolari le fibre di actina sono connesse con la miosina, che è una molecola capace di grossi cambi conformazionali, usando il legame con l'ATP, e la conversione di ATP in ADP viene utilizzata per la contrazione muscolare. La rete di actina e miosina costituisce il reticolo sarcoplasmatico che, inoltre, contiene le pompe per il controllo del livello del calcio necessario alla contrazione muscolare. Le funzioni e l'organizzazione del citoscheletro variano con il tipo di c., ma le caratteristiche strutturali e i meccanismi legati al suo assemblaggio sono gli stessi.