Adattamento omeoviscoso: il segreto della resistenza a bassa temperatura

La membrana cellulare è una struttura complessa e la sua integrità è fondamentale per la sopravvivenza della cellula stessa, sia negli organismi pluricellulari che in quelli unicellulari.

Essa infatti non è solo una semplice barriera che racchiude e protegge il  citoplasma ma è anche la superficie attraverso la quale le cellule interagiscono con l’ambiente esterno e scambiano con esso materia ed energia.

Formata da un doppio strato di molecole di natura principalmente fosfolipidica (oltre che da glicolipidi e steroli), orientate in un certo modo le une verso le altre (Fig.1), la membrana cellulare non è affatto una struttura rigida ma anzi presenta una certa fluidità: i lipidi che la compongono infatti non sono fissi in un certo sito ma possono muoversi in vari modi, in particolare tramite diffusione laterale (Fig.2).

(Fig.1) La membrana cellulare è formato da un doppio strato fosfolipido; i fosfolipidi sono molecole dotate di una porzione (testa) polare, quindi capace di stare a contatto con un ambiente acquoso, e due code apolari idrofobiche. I fosfolipidi si rivolgono gli uni verso gli altri tramite le rispettive code apolari.
(Fig.2) I quattro possibili movimenti dei fosfolipidi all’interno della membrana cellulare.

Il giusto grado di fluidità è una condizione indispensabile perchè la membrana biologica funzioni in modo corretto e garantisca la sopravvivenza cellulare.

I fosfolipidi tuttavia (come tutti i lipidi del resto) sono molecole che diminuiscono rapidamente la loro fluidità in seguito ad abbassamento della temperatura, tendendo a gelificare e dando luogo cosi’ ad una struttura più rigida.

La maggior parte dei procarioti e degli eucarioti unicellulari sono capaci di regolare la fluidità delle loro membrane cellulari in risposta a variazioni ambientali di temperatura; questa capacità è detta: ”Adattamento omeoviscoso” e permette di mantenere la viscosità della membrana sempre approssimativamente allo stesso grado ottimale.

L’adattamento omeoviscoso adotta strategie diverse a seconda della specie considerata, ma in generale essa si basa su due strategie alquanto semplici che modificano chimicamente i fosfolipidi (Fig.3).

(Fig.3) Un fosfolipide è formato da una testa polare e due code apolari; le due code sono lunghe catene idrocarburiche di acidi grassi che possono presentare o meno un certo numero di doppi legami carbonio-carbonio al loro interno.

Nei batteri del genere Micrococcus ad esempio un abbassamento della temperatura ambientale porta all’attivazione di sistemi enzimatici che variano la composizione lipidica della membrana, aumentando la percentuale di acidi grassi a 16 atomi di carbonio contenuti nei fosfolipidi rispetto alla percentuale di quelli a 18 atomi di carbonio.

Le catene di acidi grassi più corte infatti presentano una minore attrazione tra loro e ciò si traduce nell’aumento del grado complessivo di fluidità della membrana.

In altre specie invece la strategia è diversa: l’aumento del grado di fluidità viene infatti garantito dall’attivazione di un enzima che modifica il grado d’insaturazione degli acidi grassi stessi, piuttosto che la loro lunghezza.

E’ quello che accade ad esempio in Escherichia coli: un abbassamento della temperatura induce la sintesi di un enzima detto comunemente: ”Desaturasi”, che introduce doppi legami al posto di legami semplici tra gli atomi di carbonio delle catene idrocarburiche degli acidi grassi; i doppi legami riducono l’attrazione tra le code idrofobiche.

In questo modo si abbassa la temperatura di transizione (cambiamento di fase) della membrana stessa, assicurando cosi’ che essa rimanga sufficientemente fluida anche a bassa temperatura.

L’adattamento omeoviscoso avviene anche nei lieviti (e nelle piante) ma per questi particolari microrganismi sembra che un ruolo determinante sia giocato dall’ossigeno: l’ossigeno infatti a bassa temperatura è più biodisponibile ed essendo un substrato preferenziale per l’enzima desaturasi, un suo aumento determina in parallelo un aumento di attività enzimatica che si traduce in una maggior quantità di acidi grassi insaturi sintetizzati e quindi in un maggior grado di fluidità della membrana cellulare.

Esiste invero anche una terza strategia di adattamento omeoviscoso in natura, ma essa si riscontra maggiormente negli anfibi e nei rettili piuttosto che nei microrganismi e si basa sull’aumento della percentuale di steroli (in particolare colesterolo) presenti nella composizione della membrana: gli steroli diminuiscono l’interazione tra le catene idrocarburiche degli acidi grassi e riducono cosi’ la tendenza delle membrane a gelificare a basse temperature.

Grazie all’evoluzione dell’adattamento omeoviscoso in tutte le sue varie forme i microrganismi sono riusciti a colonizzare tutti gli ambienti della terra, anche i più rigidi ed estremi, sviluppando un’ incredibile capacità di resistenza che li rende, una volta di più, i veri ed incontrastati signori della natura.

Sebbene gli studi di esobiologia (scienza che si occupa della ricerca di forme di vita nello spazio e su altri pianeti) siano ancora all’inizio in fondo, molti scienziati nutrono già fin d’ora particolare interesse per eventuali batteri che potrebbero essere ritrovati su detriti spaziali o frammenti di asteroide: le temperature dello spazio siderali infatti possono raggiungere anche i 3 gradi kelvin (-270 gradi centigradi) e sarà estremamente interessante analizzare con attenzione la composizione della loro membrana cellulare per capire come essa possa variare rispetto a quella dei microrganismi terrestri in risposta a temperature tante estreme.

Per approfondire sui “Batteri spaziali” si veda anche:

http://www.microbiologiaitalia.it/2016/09/23/nuovi-funghi-in-grado-di-sopravvivere-nello-spazio/ e

http://www.microbiologiaitalia.it/2017/11/30/batteri-sconosciuti-fuori-dalla-iss-e-se-fossero-nuove-forme-aliene/ )

Forse quello che sappiamo delle possibili strategie di adattamento omeoviscoso è in realtà solo l’inizio.

 

 

 

Bibliografia di riferimento

”Il mondo della cellula”; W.M. Becker ed altri, edizioni Pearson

“Microbiologia”; Lansing M. Prescott ed altri, edizioni Zanichelli

 

Crediti alle immagini

Immagine in evidenza:

https://www.inmeteo.net/blog/2017/11/21/meteo-italia-freddo-neve/

Struttura del doppio strato fosfolipidico nella membrana cellulare (Fig.1):

https://www.electroyou.it/pietrobaima/wiki/la-trasmissione-elettrica-nervosa

Movimenti possibili ai fosfolipidi nella membrana cellulare (Fig.2):

https://slideplayer.it/slide/12778240/

Struttura dei fosfolipidi (Fig.3):

http://cadernomedicina.blogspot.com/2015/01/o-fosfolipidio-o-muro-das-celulas.html

 

Approfondimenti

Ci sono numerosi modelli e teorie sul come si sia evoluta la membrana cellulare; al riguardo può risultare utile la lettura del seguente articolo:

Informazioni su Simone Rinaldi 22 Articoli
Laureando in Biotecnologie Farmaceutiche presso l'Università degli studi di Milano; appassionato di Microbiologia, Farmacologia e Biologia in generale. Amo la musica (specie l'Epic Metal ma spazio volentieri anche in altri generi), sono un accanito lettore di romanzi Fantasy, un discreto cuoco (a quanto dicono..!) e mi piace fare lunghi giri in bicicletta per le campagne del mio paese.

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