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 e Fluidità 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.
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.
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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.
Ruolo dei Carboidrati e Glicocalice
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.
Proteine di Membrana: Struttura e Funzioni
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. Le proteine integrali sono transmembrana anfipatiche.
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.
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.
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Le proteine presenti sulla membrana cellulare sono semplicemente legate alla membrana fosfolipidica. Queste proteine sono dette estrinseche (o periferiche), e possono aderire al lato interno della membrana cellulare, trovandosi quindi a contatto con il citosol, o possono ritrovarsi all'esterno, a contatto con la matrice extracellulare. Il legame con la membrana può essere di diversi tipi: legami non covalenti, ad esempio legami a idrogeno, o legami covalenti con i fosfolipidi. Tali legami possono essere diretti o mediati da piccole molecole di zucchero.
Le proteine intrinseche (o integrali), invece, possiedono una porzione idrofobica e attraversano, del tutto o in parte, la membrana. Alcune fuoriescono solo da un lato (internamente o esternamente), altre da entrambi i lati. Queste ultime sono dette proteine trans-membrana e spesso mettono in comunicazione l'esterno e l'interno della cellula.
Le proteine integrali della membrana sono antipatiche. 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.
Le proteine periferiche 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. 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.
Tipi di Proteine Integrali e Loro Funzioni
Le proteine integrali possiedono diversi domini e regioni: le aree che protrudono verso la parte citoplasmatica o verso l’esterno della cellula sono costituite da residui amminoacidici idrofilici, mentre la regione inserita nello strato lipidico è formata da residui amminoacidici idrofobici. Proprio grazie alle loro porzioni extra- e intracellulari, le proteine integrali fungono da recettori o bersagli per molecole segnale.
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- Canali Ionici: 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.
- Pompe Protoniche: 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.
- Recettori Accoppiati a Proteine G: 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).
Tali proteine, inoltre, spesso agiscono come canali ionici e proteine di trasposto deputate al passaggio verso e fuori la cellula di ioni o molecole. I canali ionici sono pori idrofilici che attraversano la membrana, per la cui formazione le proteine integrali si ripiegano in modo tale che gli amminoacidi idrofobici vengano a trovarsi perifericamente, interagendo con gli acidi grassi dello strato fosfolipidico, mentre gli amminoacidi idrofilici siano esposti all’interno del canale.
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.
La maggior parte delle proteine di membrana deve essere incorporata nella stessa. Affinché ciò avvenga, una "sequenza segnale" N-terminale di aminoacidi dirige le proteine al reticolo endoplasmatico, che inserisce le proteine nel doppio strato lipidico.
La membrana cellulare svolge anche un ruolo nell'ancoraggio del citoscheletro per dare forma alla cellula e nell'attaccarsi alla matrice extracellulare, e ad altre cellule per tenerle insieme per formare i tessuti.
Trasporto attraverso la 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.
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).
Endocitosi ed Esocitosi
La membrana plasmatica crea una piccola deformazione verso l'interno, detta invaginazione, nella quale viene catturata la sostanza da trasportare. Questa invaginazione è causata dalle proteine all'esterno della membrana cellulare, che agiscono come recettori, raggruppandosi in depressioni che, alla fine, promuovono l'accumulo di più proteine e lipidi sul lato citosolico della membrana.
La deformazione, poi, si stacca dalla membrana all'interno della cellula, creando una vescicola contenente la sostanza catturata. 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.