1.4. PERIFERIA CELULARĂ (ÎNVELIŞUL CELULAR)

Pe baza ideilor fundamentale din cadrul teoriei celulare a lui Schleiden şi Schwann şi a unor observaţii individuale s-a postulat încă din secolul trecut faptul că trebuie să existe o structură de sine stătătoare care să realizeze „frontiera” dintre celulă – această unitate morfo-funcţională de sine stătătoare – şi mediul extracelular. Datorită existenţei unor mijloace tehnice de studiu modeste, periferia celulară sau învelişul celular a fost descrisă iniţial ca o simplă membrană.

Schimbarea de concepţie a adus-o microscopia electronică care a oferit posibilitatea studiului secţiunilor ultrafine la rezoluţii mai mici de 50 nm. Datele obţinute au relevat faptul că învelişul celular este o structură morfo-funcţională complexă formată din plasmalemă sau membrană plasmatică, glicocalix şi citoschelet membranar. Această structură defineşte limitele unei celule, menţinând în acelaşi timp diferenţele esenţiale între citosol şi mediul extracelular. Elementul central al acestei structuri şi de o deosebită importanţă pentru funcţionarea normală a unei celule îl reprezintă plasmalema sau membrana celulară externă.

A. Funcţiile membranei1. Fucţia de barieră şi compartimentareaMembranele sunt structuri continui ce delimitează conţinutul întregii celule

de mediul extracelular şi realizează compartimentarea celulelor. Astfel, plasmalema separă celulele de mediul înconjurător şi le conferă individualitate, iar membrana nucleară şi sistemul de endomembrane delimitează o serie de structuri intracelulare menţinând individualitatea şi compoziţia lor moleculară specifică, realizând compartimentarea funcţională a celulei. Datorită acestei compartimentări activităţile specializate se pot desfăşura cu un minim de interferenţe externe şi pot fi reglate independent una de alta.

2. Sediul unor activităţi biochimice – membranele nu numai delimitează interiorul celular dar sunt şi compartimente distincte şi importante. Datorită structurii lor reprezintă o reţea intracelulară în care o serie de componente se pot aranja ordonat în vederea interacţiunii şi/sau a unor activităţi metabolice.

3. Realizarea unei bariere cu permeabilitate selectivăMembranele previn schimbul necontrolat de molecule între cele două medii

pe care le separă. Membrana ce înconjură celulele poate fi comparată cu acel şanţ cu apă din jurul castelelor: ambele reprezintă o barieră generală, ambele au poduri mobile ce permit trecerea.

4. Transportul substanţelorMembrana celulară conţine mecanismele pentru transportul substanţelor de

pe o parte pe cealaltă, adesea în sensul gradientului de concentraţie. Aceste mecanisme permit unei celule să acumuleze substanţe cum ar fi glucide,

aminoacizi, necesare metabolismului şi edificării macromoleculelor necesare activităţilor celulare.

Plasmalema prin intermediul componentelor sale realizează şi transportul ionilor având rol important în stabilirea gradientelor ionice. Această proprietate este esenţială pentru neuroni şi celulele musculare.

5. Rol în transmiterea, recepţionarea şi răspunsul la semnalePlasmalema are rol esenţial în răspunsul celular la stimuli şi mesaje externe,

proces numit transducţia semnalului. Ele conţin receptori care recunosc şi leagă molecule specifice numite liganzi cu o structură complementară şi generează apoi un semnal care influenţează activităţile interne celulare ex.: sinteza unor cantităţi sporite de glicogen, pregătirea pentru diviziunea celulară, eliberarea Ca2+ din rezervele interne sau chiar intrarea în apoptoză.

6. Interacţiuni intercelularePlasmalema mediază interacţiunile între o celulă şi vecinii săi: semnalizare,

adezivitate, schimb de substanţe.7. Transducţia energieiMembranele sunt implicate în procesele prin care un tip de energie este

convertit în alt tip. De exemplu: în timpul fotosintezei, sau în cazul sintezei de ATP, procese localizate la nivelul membranei interne a cloroplastelor, respectiv mitocondriei.

B. PLASMALEMAI. Evoluţia conceptului de membrană celulară. Modele de organizare a

membranei celulareApariţia şi dezvoltarea plasmalemei, membrana celulară limitantă, a

reprezentat unul din momentele cheie în apariţia primei forme de viaţă, celula ancestrală. Aşa cum menţionam, ea reprezintă elementul esenţial a structurii complexe ce este învelişul celular, numeroşi cercetători lansând încă din secolul trecut o serie de ipoteze, susţinute de dovezi experimentale, privind existenţa acestui „strat” limitant, distinct, dotat cu proprietăţi specifice datorate însăşi poziţiei sale, considerând-o una din structurile celulare specializate ce limitează cantitativ şi calitativ schimburile dintre cele două medii (extra şi intracelular) şi care îşi desfăşoară activitatea numai în cadrul unităţii întregului sistem.

Legat de conceptul de membrană biologică, botanistul german W. Pfeffer afirma în 1890: „celula este înconjurată de o membrană limitantă iar aceasta este o barieră universală exceptând trecerea apei şi a soluţiilor”.

1. Cea mai timpurie ipoteză o faptului că membrana plasmatică conţine molecule lipidice a apărut în 1895 şi aparţine lui Overton. Unul din punctele esenţiale ale cercetărilor sale a fost şi descoperirea faptului că moleculele substanţelor solubile în lipide intră în celule mult mai uşor decât cele de substanţe polare, hidrofile. În urma acestor observaţii el formulează în 1902 teoria conform căreia plasmalema este formată dintr-un strat lipidic continuu ce acoperă întreaga suprafaţă celulară.

2. În 1925, Görter şi Grendel imaginează pentru prima dată, dispoziţia bimoleculară a stratului lipidic. Ei au extras lipidele din membrana eritrocitară, au calculat aria celulară totală şi au găsit că aria minimă măsurată a lipidelor totale comprimate pe o depresiune monostratificată este dublul acestei valori ceea ce a condus la conceptul de bistrat. Procedeul folosit nu a reuşit extragerea tuturor lipidelor membranare dar acest aspect a fost compensat prin subestimarea ariei celulare. Pe baza rezultatelor acestor studii se sugera pentru prima dată faptul că bistratul lipidic ar putea fi trăsătura fundamentală a membranelor biologice.

Ideea bistratului lipidic, drept bază structurală a membranelor biologice s-a menţinut până astăzi dar, modelul lui Görter şi Grendel, deşi valoros pentru aceste timpuri are ca principală deficienţă faptul că nu ia în considerare posibilitatea existenţei proteinelor alături de lipide în structura membranelor.

3. În 1932, Cole a măsurat tensiunea superficială a membranelor ouălor de stea de mare găsind valori de aproximativ 0,1 dyne/cm; Harvey şi Shapiro (1932-1933) măsoară tensiunea superficială la nivelul membranelor celulare în diferite condiţii experimentale constatând că există largi variaţii ale valorilor tensiunii superficiale între plasmalemele diferitelor celule dar oricum, ele erau foarte scăzute (aprox. 0,2 dyne/cm). Aceste valori scăzute erau neconcordante cu ipoteza conform cărora, membranele celulare erau alcătuite din pelicule subţiri de molecule lipidice a căror tensiune superficială este mult mai mare.

4. Danielli şi Harvey (1934) au studiat tensiunea superficială a unor picături lipidice provenind din ouăle de scrumbie şi au găsit că după o spălare extensivă, aceasta are valori de aprox. 9 dyne/cm. Atunci când au adăugat un extract citoplasmatic, acestor picături lipidice, tensiunea lor superficială a scăzut iar agentul responsabil a fost găsit ca fiind o proteină.

De asemenea, Danielli a găsit că proteinele se dispersează la nivelul unei interfeţe ulei-apă determinând o scădere iniţială marcată a tensiunii superficiale care se refăcea cu timpul, ajungând însă la valori finale mult mai mici de cea de la interfaţa ulei-apă.

Având în vedere rezultatele acestor experimente, în 1935, Danielli şi Davson au prezentat un model general de structură a membranei celulare pe care l-au generalizat ulterior prin teoria „pauci-moleculară” care afirmă că toate membranele biologice au un miez „lipoid” mărginit de monostraturi de lipide ce au capetele polare îndreptate extern, acoperite de monostraturile proteice.

În modelul original, ei nu indică numărul de monostarturi lipidice din interiorul membranei deoarece, lipseau datele privind grosimea membranei celulare; de asemenea, nu se specifică dacă proteinele ce tapetează lipidele pe cele două feţe ale membranei sunt globulare sau extinse sub forma unui film monomolecular.

5. În 1950 Danielli şi Davson revizuiesc acest model şi ţinând seama de prezenţa permeabilităţii selective sugerează că în plus faţă de stratul intern şi

extern de proteine există pori liniari delimitaţi de proteine ce străbat bistratul lipidic şi oferă posibilitatea de intrare şi ieşire soluţiilor polare şi ionilor.

6. În 1957 J. D. Robertson propune modelul unităţii structurii membranelor cu următoarele caracteristici:

- toate membranele au ca structură de bază bistratul lipidic - proteine diferite tapetează intern şi extern bistratul lipidic7. Perfecţionarea tehnicilor de microscopie electronică şi de biologie

moleculară au condus după 1960 la revizuirea acestui model. De exemplu, criofractura a permis cercetătorilor vizualizarea particulelor din interiorul hidrofobic al membranelor, considerându-se că acestea sunt proteine şi sunt prezente nu numai la nivelul suprafeţei interne şi externe a membranelor. Deasemenea cercetările de biologie moleculară au demonstrat că proteinele pot executa mişcări în planul membranei. Toate aceste rezultate i-au determinat în 1975 pe Singer şi Nicholson de la Universitatea San Diego, California să propună modelul membranar în mozaic fluid care timp de trei decade a fost ”dogma centrală” a biologiei membranelor. În cazul acestui model atenţia este concentrată mai puţin pe aspectul morfologic şi mai mult pe aspectele moleculare, funcţionale şi starea fizică a lipidelor.

Acest model are următoarele caracteristici: - bistratul lipidic reprezintă structura de bază a membranelor cu proteine

ataşate intern, extern şi transmembranar;- membranele sunt structuri dinamice în care componentele sunt mobile şi

se pot agrega tranzitoriu pentru diferite interacţiuni;- membranele sunt structuri asimetrice datorită distribuţiei asimetrice a moleculelor componente.II. Structura moleculară a plasmalemeiÎn structura moleculară a plasmalemei intră: proteine 52%; lipide 40%;

glucide 8%. Lipidele conferă membranelor rolul de barieră, iar proteinele funcţionalitate. Raportul lipide – proteine variază în funcţie de specie, tipul celular, tipul de membrană şi de funcţiile îndeplinite de aceasta. De exemplu în membrana mitocondrială internă procentul proteinelor (75%) este mult mai mare faţă de cel al lipidelor (25%) comparativ cu teaca de mielină care conţine doar ~ 25% proteine şi restul glicolipide. Aceste diferenţe se datorează faptului că membrana mitocondrială internă este o structură cu funcţii importante (ex. sinteza de ATP) în timp ce teaca de mielină are ca principal rol cel de izolator electric.

II.1. Lipidele membranareÎn membranele biologice se regăsesc trei categorii principale de lipide:

fosfolipide, glicolipide şi colesterol.Diferite ca structură, aceste molecule au o proprietate comună, sunt

amfipatice, termen introdus în 1936 de Hartley. Ele sunt constituite dintr-o zonă hidrofilă şi una hidrofobă.

Zona hidrofilă reprezentată de:- o grupare polară în cazul fosfolipidelor - rest glucidic în cazul glicolipidelor- gruparea OH de la C3 din primul inel al moleculei de colesterolZona hidrofobă reprezentată de :- două lanţuri sau cozi de acizi graşi în cazul fosfolipidelor- un lanţ de acid gras şi unul de sfingozină în cazul glicolipidelor- întreaga moleculă formată din patru inele de C în cazul colesterolului

membranar.Fosfolipidele membranare cuprind fosfogliceridele şi sfingolipidele.Fosfogliceridele sunt digliceride la care două grupări hidroxil din molecula

de glicerol sunt esterificate cu acizi graşi iar cea de a treia este esterificată cu o grupare fosfat hidrofilă. Fosfogliceridele membranare prezintă o grupare adiţională legată la cea fosfat. Aceasta poate fi: colina rezultând fosfatidilcolina, serina rezultând fosfatidilserina, etanolamina rezultând fosfatidiletanolamina şi inozitolul rezultând fosfatidilinozitolul. Acizii graşi din cozile hidrofobe sunt unul saturat, unul nesaturat cu 16 până la 20 de atomi de carbon. Prezenţa dublei legături determină existenţa unei cuduri la nivelul lanţului de acizi graşi.

Sfingolipidele sunt derivaţi de sfingozină, un aminoalcool cu lanţ lung de atomi de carbon. Molecula de bază este ceramida. Diferite lipide bazate pe sfingozine au grupări adiţionale esterificate la alcoolul terminal al sfingozinei. Cea mai răspândită moleculă sfingolipidică este sfingomielina.

Glicolipidele membranare se împart în funcţie de gruparea ce este esterificată la alcoolul terminal al sfingozinei în cerebrozide şi gangliozide.

În multe cerebrozide gruparea polară este reprezentată de un singur rest glucidic, de exemplu glucoză sau galactoză. De exemplu galactocerebrozida, prezentă în teaca de mielină în proporţii de 40% în monostratul extern al bistratului lipidic al plasmalemei celulei Schwann. Gangliozidele conţin unul sau mai multe resturi de acid sialic.

Glicolipidele sunt molecule lipidice care fac dovada unei asimetrii frapante şi stabile în distribuţia lor în cadrul membranelor plasmatice a celulelor animale: găsim aceste molecule în special în jumătatea externă a dublului strat lipidic.

Variază remarcabil de la o specie la alta şi chiar între ţesuturile unei specii.Gangliozidele localizate la nivelul plasmalemei celulelor epiteliale, în zona

apicală, au un rol de protejare a acesteia în cazul unor condiţii deosebite: ph scăzut, enzime litice, etc.

Colesterolul membranar este o moleculă mare în formă discoidală, cu patru inele de carbon şi o grupare hidroxil la carbonul trei. Plasmalemele eucariotelor conţin cantităţi relativ importante de colesterol, cu rol în reglarea fluidităţii şi creşterea stabilităţii bistratului lipidic, conferind un anumit grad de rigiditate plasmalemelor. Proporţia este mai mare în membranele care predomină funcţia de barieră şi mai mică în membranele celulare.

Proprietăţile lipidelor membranare:1. structură amfifilă sau amfipatică; formează în mod spontan în apă micele,

forma cea mai stabilă fiind bistratul lipidic.2. mişcarea lipidelor membranare are un rol esenţial în fluiditatea

membranelor şi implică: - mişcări în interiorul moleculei fosfolipidelor- mişcări ale întregii molecule de fosfolipide: mişcarea de difuzie laterală

sau translaţie, mişcarea de rotaţie în jurul axei longitudinale a moleculei, mişcarea de difuzie transversală sau ”flip – flop”.

3. asimetria bistratului lipidic ce implică distribuţia asimetrică a principalelor fosfolipide membranare, exemplu: fosfatidilinozitolul este concentrat în monostratul intern al bistratului lipidic, fosfatidilserina situată tot în monostratul intern în plasmalema plachetelor sanguine şi eritrocitelor, etc.

Lipidele membranare sunt mai mult decât simple elemente structurale, ele au efecte importante asupra proprietăţilor biologice ale membranei:

- compoziţia în lipide determină starea fizică a membranei, iar aceasta influenţează activitatea unor proteine membranare

- furnizează precursorii pentru o serie de mesageri activi cu rol în reglarea unor funcţii celulare

- flexibilitatea bistratului face ca membranele să fie structuri deformabile- facilitează fuziunea sau mugurirea membranei (în cursul procesului de

secreţie celulară, în fertilizare, etc).Proteinele membranare Funcţie de tipul celular sau organitul celular o membrană poate conţine sute

de proteine diferite. Acestea au funcţii diferite printre care se numără: transportul ionilor şi a unor molecule, recunoaşterea şi legarea unor molecule semnal şi transducţia semnalului prin membrană, rol în realizarea zonelor de cuplaj celular, etc.

Raportul proteinei lipide dintr-o membrană diferă funcţie de tipul membranei şi rolurile îndeplinite de aceasta deoarece proteinele conferă funcţionalitate membranei în timp ce lipidele asigură în primul rând funcţia de barieră. De exemplu: mielina care are rol de izolator electric conţine 25% proteine comparativ cu membrana mitocondrială internă cu funcţii metabolice importante conţine aproximativ 75% proteine.

Proteinele membranare pot fi grupate funcţie de poziţia faţă de bistratul lipidic, în: a) proteine periferice (extrinseci) asociate cu suprafaţa membranei prin intermediul unei componente a bistratului lipidic sau de părţile polare ale unor proteine intrinseci. Unele proteine periferice de pe faţa internă a plasmalemei funcţionează ca enzime sau factori ce transmit semnale transmembranare sau formează o reţea fibrilară ce reprezintă un suport mecanic al membranei. În cadrul proteinelor periferice o categorie aparte reprezintă proteinele periferice ancorate de lipide (ex: cel puţin două proteine asociate în

acest mod la faţa internă a membranei Src şi Ras sunt implicate în transformarea unei celule normale în celulă tumorală). b) proteine integrale (intrinseci)