Le membrane cellulari contengono una varietà di molecole biologiche, in particolare lipidi e proteine. La composizione non è fissa, ma cambia costantemente per fluidità e cambiamenti ambientali, anche più volte durante le diverse fasi di sviluppo cellulare.
Composizione delle Membrane Cellulari
Negli studi sui globuli rossi, il 30% della membrana plasmatica è lipidica. I glicolipidi rappresentano solo una piccola quantità di circa il 2% e gli steroli costituiscono il resto. Le catene idrocarburiche nei fosfolipidi e nei glicolipidi contengono solitamente un numero pari di atomi di carbonio, tipicamente tra 16 e 20. Gli acidi grassi con 16 e 18 atomi di carbonio sono i più comuni. Gli acidi grassi possono essere saturi o insaturi, con la configurazione dei doppi legami quasi sempre "cis". La lunghezza e il grado di insaturazione delle catene di acidi grassi hanno un profondo effetto sulla fluidità della membrana, poiché i lipidi insaturi evitano di agglomerarsi, diminuendo così la temperatura di fusione (aumentando la fluidità) della membrana.
L'intera membrana è tenuta insieme tramite l'interazione non covalente delle code idrofobiche; tuttavia la struttura è piuttosto fluida e non fissata rigidamente in posizione. In condizioni fisiologiche, le molecole di fosfolipidi nella membrana cellulare si trovano allo stato liquido. Ciò significa che le molecole lipidiche sono libere di diffondersi e mostrano una rapida diffusione laterale lungo lo strato in cui sono presenti. Tuttavia, lo scambio di molecole di fosfolipidi tra i lembi intracellulari ed extracellulari del doppio strato è un processo molto lento.
Le zattere lipidiche e le caveole sono esempi di microdomini arricchiti di colesterolo nella membrana cellulare. Il colesterolo si trova normalmente disperso in varia misura nelle membrane cellulari, negli spazi irregolari tra le code idrofobiche dei lipidi di membrana, dove conferisce un effetto irrigidente e rinforzante sulla membrana. Inoltre, la quantità di colesterolo nelle membrane biologiche varia a seconda degli organismi, dei tipi di cellule e persino delle singole cellule.
Il colesterolo, uno dei componenti principali delle membrane plasmatiche, regola la fluidità dell'intera membrana, il che significa che il colesterolo controlla la quantità di movimento dei vari componenti della membrana cellulare in base alle sue concentrazioni. Alle alte temperature, il colesterolo inibisce il movimento delle catene di acidi grassi fosfolipidici, causando una ridotta permeabilità alle piccole molecole e una ridotta fluidità della membrana. È vero il contrario per il ruolo del colesterolo nelle temperature più fredde. La produzione di colesterolo, e quindi la sua concentrazione, viene sovraregolata (aumentata) in risposta alla temperatura fredda. A temperature fredde, il colesterolo interferisce con le interazioni della catena degli acidi grassi. Agendo come antigelo, il colesterolo mantiene la fluidità della membrana. Il colesterolo è più abbondante negli animali che vivono in climi freddi rispetto a quelli che vivono in climi caldi.
Leggi anche: Tutto sui carboidrati
I carboidrati sono importanti nel ruolo del riconoscimento cellula-cellula negli eucarioti; si trovano sulla superficie della cellula dove riconoscono le cellule ospiti e condividono informazioni. I virus che si legano alle cellule utilizzando questi recettori provocano un'infezione. Il glicocalice è una caratteristica importante in tutte le cellule, in particolare negli epiteli con microvilli. Dati recenti suggeriscono che il glicocalice partecipa all'adesione cellulare, all'homing dei linfociti, e molti altri. Il penultimo zucchero è il galattosio, e lo zucchero terminale è l'acido sialico, poiché la struttura dello zucchero è modificata nell'apparato di Golgi.
Proteine di Membrana
La membrana cellulare ha un grande contenuto di proteine, tipicamente circa il 50% del volume della membrana. Queste sono importanti, perché responsabili di varie attività biologiche. Circa un terzo dei geni del lievito codifica specificamente per loro, e questo numero è ancora più alto negli organismi multicellulari.
Il modello di Singer-Nicolson, molto più fedele alla realtà, vede la membrana plasmatica come un mosaico fluido in cui i componenti sono mobili e capaci di instaurare interazioni transitorie o semipermanenti. La membrana plasmatica è una barriera selettiva: fa entrare molecole nutritizie e rilascia all’esterno prodotti metabolici inutili. Lascia all’esterno molecole indesiderabili e microorganismi e all’interno i componenti intracellulari. Riceve informazioni, permette alla cellula di muoversi ed espandersi. I due strati sono asimmetrici e fluidi e ogni membrana deriva da membrane pre-esistenti. Il loro accrescimento è determinato dall’inserimento dei lipidi e proteine nella matrice fluida del doppio strato.
Le proprietà che sono rivolte al versante esterno delle cellule sono ben diverse da quelle rivolte nel versante del citoplasma; svolgono, infatti, funzioni differenti.
Classificazione delle Proteine di Membrana
Le proteine di membrana sono molecole proteiche associate strettamente alla membrana cellulare. Ne esistono di numerosi tipi e svolgono funzioni differenti. Alcune sono legate alla superficie della membrana, altre la attraversano del tutto o in parte. Alcune di queste, collocate nella porzione esterna della membrana a contatto con la matrice extracellulare, presentano all'estremità libera delle componenti glucidiche e sono parte fondamentale del cosiddetto glicocalice.
Leggi anche: Importanza delle ghiandole paratiroidee
A seconda della loro interazione con il doppio strato lipidico, le proteine di membrana si dividono in due categorie principali:
- Proteine integrali (o intrinseche): Sono proteine anfipatiche transmembrana. Porzioni di una proteina integrale di membrana che risiedono all’interno del doppio strato lipidico, hanno carattere idrofobico; formando interazioni idrofobiche con le catene d’acidi grassi dello strato lipidico ancorando la proteina, mostrando l’impermeabilità della membrana. Hanno una o più eliche transmembrana.
- Proteine periferiche (o estrinseche): Sono associate alle membrane mediante legami elettrostatici deboli con le teste idrofiliche dei fosfolipidi oppure con le porzioni idrofobiche delle proteine integrali che sporgono dal doppio strato lipidico. Possono di solito essere solubilizzate estraendoli con soluzioni saline. Sono legate con legami non covalenti a proteine integrali di membrana o alla testa dei fosfolipidi. Possono trovarsi sia sul lato citosolico sia su quello extracellulare.
Funzioni delle Proteine Periferiche
Le proteine periferiche svolgono importanti ruoli, quelle situate sulla faccia interna alla membrana, formano una rete di fibrille che agiscono come uno scheletro di membrana formando un supporto meccanico alla membrana e un ancoraggio per le proteine integrali. Fornisce supporto meccanico. È importante nel mediare la risposta infiammatoria.
Mobilità delle Proteine di Membrana
La maggior parte delle proteine di membrana non sono collocate in una posizione fissa, ma sono libere di muoversi secondo lo schema della membrana a mosaico fluido. Le proteine di membrana si muovono e uno degli esperimenti che ha provato in modo univoco questo fatto è stato quello di Edidin e Frye nel 1970 in cui una cellula di topo e una umana sono state fuse insieme: dopo quaranta minuti le proteine delle due cellule si erano mescolate tra loro.
Un altro esperimento è quello del Recovery Fluorescence After Photobleaching (FRAP): si sbianca una parte della membrana cellulare e dopo un po’ di tempo le proteine si muoveranno in quella zona. È usato nel riconoscimento cellula-cellula e cellula-substrato.
Ruolo nella Sintesi delle Proteine di Membrana
Il reticolo endoplasmatico (RE), oltre che nella sintesi dei lipidi di membrana, è coinvolto anche nella sintesi delle proteine integrali di membrana. Come per i lipidi, le proteine vengono caricate per la prima volta nelle membrane a livello del RE e in seguito fluiscono lungo il complesso di Golgi in direzione della membrana plasmatica. C’è anche un flusso di proteine che va dalle membrane del RE ruvido verso la membrana nucleare. Le proteine vengono inserite nelle membrane del RE mediante un processo noto come meccanismo del segnale.
Leggi anche: Proteine con Attività Catalitica
Gli RNA messaggeri (mRNA) di queste proteine contengono una sequenza che, tradotta in catena polipeptidica, costituisce un segnale all’inizio della proteina (peptide-segnale). Il segnale fa sì che la catena polipeptidica e i ribosomi che la assemblano, aderiscano al RE. Dopo l’adesione, il peptide-segnale, che contiene un segmento idrofobico in grado di attraversare la membrana, promuove l’entrata del polipeptide nella membrana stessa. Dopo aver svolto la sua funzione, il peptide-segnale viene enzimaticamente rimosso. L’aggiunta di eventuali gruppi glucidici avviene anch’essa nel reticolo endoplasmatico e si completa nel complesso di Golgi.
I primi gruppi glucidici vengono aggiunti alle proteine di nuova sintesi che sono rivolte verso l’interno delle cisterne del RE. Questi gruppi glucidici vengono allungati man mano che le proteine si spostano attraverso il complesso di Golgi. Le unità glucidiche complete, qui come nel RE, sono rivolte verso l’interno delle vescicole che si staccano dal Golgi. La fusione delle vescicole con la membrana plasmatica dispone i carboidrati sulla superficie esterna della cellula.
Le proteine di membrana di mitocondri e altri organelli cellulari derivano da ribosomi che non sono associati a membrane ma sono liberi nel citoplasma. Dopo essere state sintetizzate, queste proteine penetrano negli organuli mediante un processo analogo a quello del meccanismo del segnale. Molte di queste proteine si trovano inizialmente in una conformazione che espone i gruppi aminoacidici polari sulla superficie, rendendole solubili nel citoplasma. Dopo aver raggiunto la membrana dell’organulo bersaglio, esse vanno incontro ad un cambiamento conformazionale che promuove la loro inserzione nella membrana, con le regioni apolari localizzate all’interno e quelle polari esposte sulla superficie della membrana.
Un gruppo di proteine dette chaperonine mantiene le proteine di membrana degli organelli nella conformazione che facilita il loro trasferimento attraverso il citoplasma e l’inserzione nelle membrane bersaglio.
Funzioni delle Proteine di Membrana
Le proteine presenti sulla membrana cellulare svolgono una molteplicità di funzioni. Innanzitutto, partecipano alla composizione strutturale della membrana e, come detto, alla formazione del glicocalice.
La membrana cellulare, essendo esposta all'ambiente esterno, è un importante sito di comunicazione cellula-cellula. Pertanto, sulla superficie della membrana è presente un'ampia varietà di recettori proteici e proteine di identificazione, come gli antigeni.
Trasporto di Membrana
La membrana cellulare funziona quindi come un filtro selettivo, che consente solo a determinate sostanze di entrare o uscire dalla cellula. Poiché la membrana agisce come una barriera per alcune molecole e ioni, questi possono presentarsi in concentrazioni diverse sui due lati della membrana. È considerato un processo di trasporto passivo perché non richiede energia ed è azionato dal gradiente di concentrazione creato da ciascun lato della membrana.
Tale gradiente di concentrazione, attraverso una membrana semipermeabile, crea il flusso osmotico per l'acqua. L'osmosi, nei sistemi biologici, implica un solvente, che si muove attraverso una membrana semipermeabile in modo simile alla diffusione passiva, poiché il solvente si muove in base al gradiente di concentrazione e non richiede energia.
I nutrienti, come gli zuccheri o gli aminoacidi, devono entrare nella cellula, mentre alcuni prodotti del metabolismo devono lasciare la cellula. Le proteine canale proteiche, chiamate anche permeasi, sono generalmente piuttosto specifiche, e riconoscono e trasportano solo una varietà limitata di sostanze chimiche, spesso limitate a una singola tipologia.
I canali ionici consentono agli ioni inorganici come sodio, potassio, calcio o cloro di diffondersi lungo il loro gradiente elettrochimico attraverso il doppio strato lipidico grazie ai pori idrofili attraverso la membrana. Le pompe protoniche sono pompe proteiche incorporate nel doppio strato lipidico che consentono ai protoni di viaggiare attraverso la membrana trasferendosi da una catena laterale di amminoacidi a un'altra.
Il passaggio di ioni attraverso la membrana può avvenire secondo gradiente (senza consumo di energia) o contro gradiente (con consumo di energia). I canali ionici sono responsabili del passaggio secondo gradiente e sono formati, in genere, da più sub-unità proteiche trans-membrana che si uniscono a formare una struttura tridimensionale che attraversa la membrana e al cui interno è presente un poro acquoso in cui possono fluire gli ioni. Una prima forma di selezione è determinata dalla presenza di specifici amminoacidi all'estremità, dotati di carica elettrica, che selezionano gli ioni in base alla polarità. La forma e la dimensione delle aperture, poi, selezionano anche il tipo specifico di ione in grado di attraversarli.
Questa classe di proteine di membrana è in grado di permettere il trasporto secondo gradiente di concentrazione di grosse molecole idrofile, come gli zuccheri. La superficie esterna di queste proteine è in grado di riconoscere la molecola specifica e, una volta legata ad essa, cambia conformazione, trasportandola dal lato opposto della membrana e rilasciandola.
Altri complessi proteici trans-membrana sono responsabili del trasporto contro gradiente di ioni o macromolecole con consumo di ATP. Un esempio di trasporto attivo primario è definito dalle pompe P, come ad esempio le pompe sodio/potassio che trasferiscono contro gradiente sodio verso l'esterno e potassio verso l'interno della cellula. Le pompe P legano l'ATP, lo idrolizzano e utilizzano il fosfato liberato per fosforilare una delle proprie subunità. Il legame col fosfato causa un cambiamento conformazionale nella pompa, che diviene in grado di accogliere uno (o più) ioni.
Il trasporto attivo secondario è legato al passaggio contro gradiente di macromolecole come ad esempio gli zuccheri, e avviene attraverso il trasporto accoppiato di ioni. Gli ioni possono essere trasportati nella stessa direzione delle macromolecole (sinporto) oppure in direzione opposta (antiporto).
L'endocitosi è un percorso per l'internalizzazione di particelle solide (fagocitosi), piccole molecole e ioni (pinocitosi) e macromolecole. Proprio come il materiale può essere introdotto nella cellula mediante invaginazione e formazione di una vescicola, la membrana di una vescicola interna può essere fusa con la membrana plasmatica, espellendo il suo contenuto nell'ambiente circostante.
Nel processo di esocitosi, il vacuolo alimentare contenente rifiuti non digeriti, o la vescicola secretoria germogliata dall'apparato di Golgi, viene prima spostato dal citoscheletro interno della cellula alla superficie. La membrana della vescicola entra in contatto con la membrana plasmatica. Le molecole lipidiche dei due doppi strati si riorganizzano e le due membrane vengono, quindi, fuse.
Recettori e Trasduzione del Segnale
Una altra classe di proteine di membrana fondamentali sono quelle legate alla trasduzione del segnale. Queste proteine, dette recettori, possiedono un dominio, nella porzione esterna, in grado di riconoscere la molecola segnale (ligando). L'unione col ligando causa una modificazione conformazionale della proteina nella sua porzione citosolica, che può agire attivando un canale ionico (e quindi andando a cambiare l'equilibrio ionico intracellulare che a sua volta determina l'avvio di altre reazioni) oppure andando ad interagire con altre proteine di membrana, di tipo estrinseco, posizionate sulla superficie interna della membrana.
Un recettore accoppiato a proteine G è una singola catena polipeptidica che attraversa il doppio strato lipidico sette volte, rispondendo alle molecole segnale (cioè ormoni e neurotrasmettitori).
Proteine di Membrana e Ricerca Biomimetica
Per poter studiare queste proteine di membrana, gli scienziati hanno avuto la necessità di sviluppare dei sistemi modello più semplici, definiti “biomimetici” al fine di poter mimare in vitro ciò che avviene normalmente nelle membrane cellulari. I primi studi sull’inclusione di proteine di trasporto all’interno dei doppi strati sono stati condotti sulle “Black lipid membrane”, membrane lipidiche nere sospese. Per superare queste limitazioni negli anni le membrane lipidiche nere hanno subito dei cambiamenti. Grazie allo sviluppo di membrane lipidiche “supportate” (Supported lipi membranes) e “ancorate” (Thethered lipid membranes) è stato possibile incorporare e studiare diverse proteine transmembrana per molteplici scopi.
Le vescicole lipidiche e i liposomi si formano sospendendo un lipide in una soluzione acquosa, quindi agitando la miscela mediante sonicazione, ottenendo la vescicola. Le vescicole possono essere formate con molecole e ioni all'interno. Anche le proteine possono essere incorporate nella membrana, solubilizzandole con detergenti e legandole ai fosfolipidi in cui è formato il liposoma. Sono utilizzati come sistemi di trasporto per i farmaci. Sulla loro superficie ci sono specifiche proteine (ormoni, anticorpi) che permettono ai liposomi di legarsi a cellule bersaglio.
Influenza della Temperatura sulla Fluidità di Membrana
La fluidità di membrana è essenziale per il suo funzionamento: una membrana troppo rigida non permetterebbe la mobilità e una membrana troppo fluida mancherebbe il supporto meccanico e i componenti non potrebbero essere orientati.
Diversi fattori influenzano la fluidità della membrana:
- Saturazione delle code idrocarburiche: Code insature si compattano in modo meno stretto e la membrana è fluida anche a basse temperature: se sono presenti ramificazioni la temperatura per far gelificare il tutto sarà più bassa rispetto a quanto sarebbe stato se i fosfolipidi fossero saturi.
- Presenza di colesterolo: Il colesterolo rompe l’impacchettamento delle catene di acidi grassi.
Sopra la temperatura di transizione, a 36-37°C, i lipidi sono relativamente fluidi: il doppio strato ha la consistenza di un cristallo liquido bidimensionale. Si muovono mantenendo un livello di ordine elevato. Sotto la temperatura di transizione, quando la temperatura si abbassa, i lipidi si trasformano in un gel cristallino congelato. Il movimento è limitato.