Le proteine di membrana sono molecole proteiche strettamente associate alla membrana cellulare. Ne esistono numerosi tipi e svolgono funzioni differenti. Alcune sono legate alla superficie della membrana, altre la attraversano del tutto o in parte.
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. 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.
Tipi di proteine di membrana
Alcune 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.
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.
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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. La membrana cellulare funziona quindi come un filtro selettivo, che consente solo a determinate sostanze di entrare o uscire dalla 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.
Di seguito sono elencate alcune delle funzioni principali svolte dalle proteine di membrana:
- Trasporto di ioni e molecole
- Trasduzione del segnale
- Composizione strutturale della membrana
- Formazione del glicocalice
- Ancoraggio del citoscheletro
Trasporto di ioni
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.
Proteine di trasporto multisubstrato
Un’altra famiglia di proteine di trasporto che incide frequentemente sulla farmacologia e sulla farmacocinetica dei farmaci è quella delle proteine di trasporto multisubstrato che sono presenti sia tra gli Eucarioti sia nei Procarioti. Le loro funzioni e il loro impatto sui farmaci possono essere esemplificate dalla glicoproteina P (Pgp) che è un membro della superfamiglia ABC (ATP binding cassette) ed è la più diffusa e più studiata. La sua capacità di estrudere dalla cellula una gran varietà di molecole lipofile fa sì che essa sia in grado di interferire con l’assorbimento di molti farmaci e con il loro passaggio attraverso le barriere fisiologiche come la barriera ematoencefalica.
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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.
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.
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.
Glicocalice
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.
Tabella riassuntiva dei tipi di proteine di membrana e loro funzioni
| Tipo di Proteina | Funzione Principale |
|---|---|
| Proteine estrinseche (periferiche) | Aderiscono alla superficie della membrana, supporto strutturale |
| Proteine intrinseche (integrali) | Attraversano la membrana, trasporto di molecole e ioni |
| Canali ionici | Trasporto di ioni secondo gradiente |
| Pompe P | Trasporto attivo primario (es. pompa sodio/potassio) |
| Recettori | Trasduzione del segnale |
| Proteine di trasporto multisubstrato | Estrusione di molecole lipofile (es. glicoproteina P) |