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. Le proteine di membrana sono molecole proteiche associate strettamente alla membrana cellulare.
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. Ogni membrana deriva da membrane pre-esistenti. Il loro accrescimento è determinato dall’inserimento dei lipidi e proteine nella matrice fluida del doppio strato. 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.
Composizione e Rapporto Proteine-Lipidi
Nella membrana in genere il rapporto (proteina-lipide) è di 1:1 perché anche se indubbiamente le proteine sono come numero molto inferiori ai lipidi, i quali sono più piccoli di molto dalle proteine. A seconda del tipo cellulare ci sono più o meno proteine. 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.
Fluidità della 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. 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.
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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.
Fattori che influenzano la fluidità
- 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.
- La 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.
- La presenza di colesterolo, perché questo rompe l’impacchettamento delle catene di acidi grassi.
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.
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.
Tipi di Proteine di Membrana
Esistono numerosi tipi di proteine di membrana 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. 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.
Proteine Integrali
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 integrali sono transmembrana anfipatiche. Hanno una o più eliche transmembrana.
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Proteine Periferiche
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.
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 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 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.
Inoltre:
- Le proteine integrali possono servire come recettori, canali, trasportatori di ioni o soluti, possono trasferire elettroni.
- 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.
- Le proteine periferiche forniscono supporto meccanico ed è importante nel mediare la risposta infiammatoria.
- È usato nel riconoscimento cellula-cellula e cellula-substrato.
Trasporto di Ioni e Molecole
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.
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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).
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.
Mobilità delle Proteine di Membrana
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.
Glicocalice e 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.
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.
Liposomi e Vescicole Lipidiche
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.