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BARRIERA MEMBRANA CELLULARE (o LIPIDICO-PROTEICA) / NUCLEARE

La membrana cellulare (detta anche membrana plasmatica o plasmalemma) è un sottile rivestimento selettivamente permeabile che delimita tutte le cellule, separandole e proteggendole dall'ambiente esterno extra-cellulare e presiedendo così all’omeostasi cellulare. Tale rivestimento è composto in prevalenza da un doppio strato di fosfolipidi (c.d. bilayer fosfolipidico), proteine integrali contenenti regioni idrofobiche (rivolte verso l'interno della membrana) ed idrofile (rivolte verso l'esterno) che permettono il libero passaggio di acqua, gas (O2 CO2 N2) e piccole molecole liposolubili (senza carica elettrica) quali ammoniaca, urea, alcoli e glicerolo oltre a molecole solubili nei lipidi (ormoni steroidei).
Nella elevata componente lipidica (essenzialmente fosfolipidi) della membrana cellulare si trovano numerose proteine-membrana che intervengono direttamente nella formazione della membrana plasmatica e di membrane-barriera a livello delle giunzioni intercellulari. Tali proteine di trasporto trans-membranoso assicurano il passaggio di ioni e molecole idrosolubili (elettricamente cariche). Vi si riscontra anche una piccola percentuale di glucidi, in forma di glicoproteine (integrali) e glicolipidi, e di molecole di colesterolo che stabilizzano la membrana. Tutti i carboidrati delle glicoproteine, proteoglicani e glicolipidi localizzati sul lato non citosolico della membrana formano un rivestimento di zuccheri chiamato glicocalice.
Il glicocalice protegge la superficie cellulare dal danneggiamento meccanico e chimico lubrificando inoltre la superficie assorbendo acqua.
A livello dei substrati acquosi i fosfolipidi formano spontaneamente una bio-membrana costituita da un duplice strato di molecole. Il polimorfismo lipidico sembra avere importanza in alcuni fenomeni delle membrane cellulari, quali le fusioni tra membrane, l’esocitosi e l’endocitosi.
In genere ai lipidi è associata una funzione di barriera idrofobica, alle proteine quelle di trasporto specifico, riconoscimento e comunicazione e di conversione di energia e ai carboidrati quelle di riconoscimento e comunicazione.
Trasporti trans-membranosi
Le barriere sono in genere permeabili solo per un piccolo numero di sostanze solubili a basso peso molecolare (diffusione semplice di glicerina, alcoli, urea, ecc). Alcune proteine o lipoproteine giocano un ruolo importante nel trasporto di sostanze attraverso la membrana e probabilmente un numero di altri componenti sono coinvolti nelle funzioni relative al trasporto (ad esempio, recettori). Un vettore collega materiale tollerabile e può muoversi nella membrana. Se tali vettori risultano fissi ciò significa l’esistenza di specifici pori o canali di trasporto per una determinata sostanza. In presenza di interazioni idrofobiche, ioniche, ecc. si verifica invece una c.d. traslocazione secondaria.
Esistono due principali tipi di proteine di trasporto: le proteine carrier che legano il soluto da un lato della membrana e lo trasportano dall’altro lato con un cambiamento di conformazione della proteina; le proteine canale che formano pori idrofilici nella membrana attraverso cui certi ioni possono diffondersi.
La diffusione può essere facilitata (trasporto passivo) allorché il trasporto non dipenda da altre sostanze presenti nel meccanismo cellulare e non comporti dispendio di energia (trasporto di glucosio negli eritrociti); nel trasporto attivo (che comporta dispendio di energia), che viene facilitato con l’intervento di proteine, la diffusione può coinvolgere un unico soluto oppure essere congiunta quando coinvolga in una stessa direzione due o più sostanze (trasporto nella mucosa intestinale di glucosio ed amminoacidi associato con ioni del sodio Na+); ovvero essere caratterizzata da un meccanismo di accoppiamento laddove vi sia flusso di altre sostanze in direzione opposta.
Per quanto riguarda il trasporto di macro-molecole, esso richiede la formazione di vescicole-trasportatrici che precorrono la funzione di endocitosi (ingestione di sostanze esterne) da parte della membrana cellulare.
Nel caso di composti intracellulari trasportati nell’ambiente esterno extracellulare si ha invece esocitosi (secrezione).
Il passaggio attraverso la componente lipidica della membrana avviene per semplice diffusione passiva, secondo il gradiente di concentrazione tra i compartimenti intra- ed extracellulare e senza consumo di energia (ATP). Il movimento delle molecole è diretto dal compartimento a più alta concentrazione a quello a concentrazione più bassa ed è influenzato dalle dimensioni e dalla lipofilia della molecola.
Dalle proteine-barriera non si può escludere la P-glicoproteina che è una proteina di membrana che appartiene alla superfamiglia dei trasportatori ABC (le proteine ABC trasportano varie molecole attraverso le membrane intra- ed extra-cellulari).
La sua attività nota sembra essere quella di estrudere dal citoplasma sostanze anfipatiche neutre o debolmente basiche penetrate nella cellula.
La P-glicoproteina funge anche da trasportatore nella barriera emato-encefalica ed è anche presente su rene, fegato ed intestino dove regola il transito di numerose sostanze (tra cui farmaci). E’ distribuita in modo estensivo ed espressa da neuroni, astrociti, cellule endoteliali, placenta, trofoblasto, ovaie, testicoli e cellule tumorali, enterociti (riduce l'assorbimento di sostanza tossiche), epatociti, cellule tubulari renali.
La p-glicoproteina svolge quindi una funzione di barriera funzionale tra questi tessuti ed il sangue. Essa è difatti anche nota come glicoproteina di permeabilità (modulatrice di assorbimento, distribuzione, metabolismo ed escrezione di sostanze) o di resistenza multi-farmaco (come tale ha funzione di pompa di efflusso per composti xenobiotici che accetta un ampio spettro di substrati).
E' responsabile del diminuito accumulo di farmaco nelle cellule multifarmaco-resistenti e spesso media lo sviluppo di resistenza nei confronti di farmaci anticancro.
Concentrazioni plasmatiche di farmaco troppo elevate e conseguente tossicità possono derivare da una diminuita espressione genica di Pgp. L’inibizione della glicoproteina-P è una via per incrementare la concentrazione di farmaco nel cervello.


MEMBRANA NUCLEARE (o INVOLUCRO NUCLEARE)
Nelle cellule dei procarioti non esiste una membrana che circonda il nucleo e la maggior parte del DNA (con unico cromosoma) si trova nella parte centrale della cellula (in una zona detta nucleoide in quanto non hanno nucleo).
Nelle cellule eucariote il DNA è suddiviso tra due o più cromosomi i quali, tranne che al momento della divisione cellulare, sono contenuti in un nucleo circondato da una membrana. Il nucleo è l’organulo più voluminoso della cellula.
Nelle cellule degli eucarioti il nucleoplasma risulta delimitato da un involucro nucleare o carioteca (ovvero “membrana nucleare”) costituito da due membrane di fosfolipidi (tipica struttura bilayer cellulare) : la membrana nucleare interna (che definisce e delimita l'area nucleare) e la membrana nucleare esterna, separate da uno spazio perinucleare di 10-14 nm.
Ogni membrana interna poggia su una lamina costituita da una rete fibrosa di filamenti proteici mentre la membrana esterna si continua col reticolo endoplasmatico rugoso (RER).  I fosfolipidi e le proteine globulari che costituiscono la membrana hanno qualità anfipatiche, che sono alla base della permeabilità selettiva della membrana.
L’involucro nucleare è costellato da pori nucleari vale a dire da strutture in grado di mettere in comunicazione il comparto nucleare con quello citoplasmatico circostante in prossimità dei quali le due membrane appaiono fuse andando a costituire il c.d. “Complesso del poro” a forma di canestro.
I pori nucleari (a forma di doppio anello e costituiti da proteine di membrana) circondano una struttura interna anellare detta trasportatore responsabile del movimento molecolare : essi quindi funzionano a mo’ di canali e servono al passaggio di molecole di grandi dimensioni dal nucleo al citoplasma (ad es. le molecole RNA messaggero) e regolando il passaggio di altri materiali.
Le molecole di dimensioni inferiori ai 50 kDa hanno diffusione libera all’interno del nucleo mentre le altre sono trasportate da recettori di importazione (Importine) a mezzo di alcune sequenze di amminoacidi (arginina e lisina) e di proteine direttamente associate. Tali proteine vengono poi rilasciate al di fuori del nucleo da appositi recettori di esportazione (Esportine).


GIUNZIONI CELLULARI
Cellule adiacenti possono essere collegate da diversi tipi di giunzioni :
1)-Giunzioni occludenti (o zonulae occludentes o tight junctions);
2)-Giunzioni ancoranti o di ancoraggio (che comprendono le giunzioni intermedie (o zonulae adhaerentes) e i desmosomi (o maculae adhaerentes o giunzioni aderenti);
3)-Giunzioni comunicanti o serrate (gap junctions o nexus).
1)-Nelle giunzioni occludenti vi è impermeabilizzazione di un epitelio : esse cioè assicurano una perfetta aderenza fra gli strati cellulari lipidici (c.d. bilayer lipidici) a mezzo di proteine inter-membranose impedendo il passaggio di sostanze fra il dominio extra-cellulare apicale ed il dominio basolaterale della membrana plasmatica; danno origine ai canalicoli interfacciali.
Con le giunzioni strette (occludenti) viene impedito il passaggio incontrollato di acqua e di soluti dai tessuti all’ambiente e viceversa. Esse cioè sigillano gli spazi fra le cellule dei foglietti epiteliali impedendo la migrazione non selettiva di molecole e cellule dal lume dell’organo al sangue e viceversa.
L’impermeabilità delle tight junctions dipende dal numero delle “righe” di proteine occludenti (alcuni epiteli, come quello vescicale, hanno una impermeabilità molto più alta di altri).
Le principali proteine delle giunzioni strette sono la claudina, l’occludina e le proteine ZO, che ancorano la giunzione ai microfilamenti di actina.
Nelle giunzioni occludenti si nota la presenza, su strati differenti esterni ed interni, di fosfolipidi delle due cellule coinvolte nella giunzione.
2)-Nelle giunzioni ancoranti o di ancoraggio si verifica, appunto, un ancoraggio meccanico tra due cellule adiacenti. Proteine di membrana interagiscono a livello interstiziale con quelle della cellula adiacente.
Ad un primo livello le giunzioni intermedie assicurano: a) un accollamento delle membrane, separate dal “cemento intercellulare” (acido ialuronico); b) un supporto citoscheletrico a base di actina.
Ad un secondo livello i desmosomi danno luogo ad una giunzione tenace rinforzata da abbondanti fasci di microfilamenti potenzialmente contrattili. Apportano resistenza meccanica all’epitelio (resistenza a forze di trazione).
La membrana plasmatica, vista la sua consistenza di film oleoso, non contribuisce in modo significativo alla resistenza meccanica della giunzione.
Negli emidesmosomi le adesioni che ancorano le cellule alla matrice extra-cellulare sono mediate da integrine mentre la perdita di adesione può essere prodotta da disintegrine, brevi peptidi che legandosi alle integrine inibiscono competitivamente il legame con le proteine della matrice.
3)-Nelle giunzioni comunicanti si verifica un trasferimento di piccole molecole (soprattutto ioni) tra cellule adiacenti.
Esse permettono l’accoppiamento elettrico e metabolico di cellule contigue lasciando passare ioni e piccole molecole. Specifici segnali extracellulari (ad es. neurotrasmettitori) possono far chiudere o aprire le giunzioni comunicanti.
Le gap junctions presentano membrane intercellulari strettamente accollate di modo che l’interstizio si presenti ridottissimo. La superficie delle gap junctions risulta tappezzata da canali proteici trans-membrana (connessoni) perfettamente allineati coi connessoni della cellula adiacente: il tutto rende possibile i collegamenti intercellulari.