Biologia - Cellule, virus e DNA

Struttura e funzioni delle membrane cellulari

Le membrane cellulari sono costituite da un doppio strato di fosfolipidi, che formano una barriera selettivamente permeabile. Questa struttura impedisce il passaggio di sostanze non desiderate all'interno della cellula e permette il controllo del flusso di molecole.

Le proteine presenti nelle membrane sono responsabili della maggior parte delle funzioni specifiche delle membrane stesse. Sulle membrane plasmatiche vi è una proteina ogni 25 lipidi. Tuttavia, questo rapporto varia in relazione alla funzione.

Le proteine di transmembrana e le proteine associate sono proteine integrali (o intrinseche) di membrana. Presentano una struttura ad alfa-elica e al loro interno si distinguono delle regioni idrofiliche e delle regioni idrofobiche.

Le proteine associate possono essere poggiate sulla membrana sul lato esterno o sul lato interno: si tratta di proteine che intervengono nei meccanismi di trasduzione del segnale.

Le proteine legate a lipidi (lipoproteine) e le proteine legate ad altre proteine o a catene saccaridiche (glicoproteine) presentano unità polisaccaridiche sul lato esterno e sono coinvolte in diverse funzioni cellulari.

Le proteine di membrana

Le proteine di membrana sono proteine periferiche di membrana che interagiscono con parti esposte delle proteine integrali di membrana o α-dei lipidi. Le proteine integrali di membrana formano dei pori: presentano una serie di domini α-elica integrati nel bilayer fosfolipidico che circondano uno spazio cilindrico interno a formare un poro. Le porine, le acquaporine hanno funzione di trasporto.

Il modello a mosaico fluido

Il modello a mosaico fluido è definito a mosaico poiché la membrana plasmatica è costituita da componenti proteiche distinti e vede la convivenza di lipidi e proteine. Vi è un bilayer fosfolipidico in cui sono presenti delle proteine a funzione implicata nei diversi processi a cui la membrana assolve. È definito fluido poiché le proteine sono libere di muoversi all'interno della membrana.

Le proteine di membrana contribuiscono all'asimmetria della membrana

Anche le proteine di membrana, dal punto di vista funzionale, possono essere vettori, connettori,

recettori ed enzimi. Le cellule sono sistemi aperti che possono scambiare materia ed energia tra l'esterno e l'interno. Affinché questo scambio avvenga, devono necessariamente avvenire processi di trasporto. La maggior parte delle proteine di membrana sono proteine con funzione di trasporto (vettori) nell'ambito delle quali si distinguono proteine canale che costituiscono dei pori (come le porine) e proteine Carrier. Vi sono proteine con funzione di ancoraggio (connettori) che sono adese alla matrice extracellulare come le integrine e con funzione di riconoscimento cellulare. Vi sono proteine di membrana con funzione recettoriale (recettori): ad esempio, gli ormoni agiscono sulle cellule attraverso un'interazione ligando-recettore ed i recettori risultano essere localizzati sulla membrana plasmatica. Vi sono anche proteine di membrana con funzione catalitica (enzimi) per reazioni che avvengono a livello della membrana o all'interno della cellula. La membrana

plasmatica è implicata in processi di trasporto che mettono in comunicazione l'ambiente extracellulare con l'ambiente intracellulare. I processi di trasporto di membrana sono suddivisi in due grandi categorie: - processi di trasporto attivo che risultano essere endoergonici, ossia richiedono energia; - processi di trasporto passivo non associati al consumo di energia che avvengono in maniera spontanea. I trasporti passivi possono avvenire per diffusione semplice o per diffusione facilitata. La diffusione semplice non richiede un vettore, ossia la mediazione di una proteina. La diffusione facilitata, invece, richiede l'ausilio di una proteina. Nell'ambito dei trasporti attivi si distinguono i trasporti attivi primari che dipendono direttamente dall'idrolisi dell'ATP e mediati da vettori e, i trasporti attivi secondari dipendenti o associati a trasporti attivi primari. Nell'ambito del trasporto di macromolecole si distinguono i meccanismi.

Di endocitosi si intende l'assimilazione di macromolecole all'interno delle cellule. Con esocitosi si intende l'espulsione di macromolecole dalla cellula.

Le membrane biologiche hanno una permeabilità selettiva. La velocità di attraversamento di una membrana biologica dipende dalla grandezza di un soluto e dalla sua permeabilità nei lipidi. La membrana può essere facilmente attraversata da piccole molecole idrofobiche (O2, CO2, N2, benzene) in quanto il bilayer fosfolipidico è prevalentemente idrofobico nel lato interno (l'idrofobicità è conferita dalle catene idrocarburiche degli acidi grassi) e da molecole piccole polari senza carica netta (H2O, glicerolo che è un osmoprotettore, etanolo). Molecole più grandi polari senza carica netta (amminoacidi, glucosio, nucleotidi) e ioni (micronutrienti quali H+, Na+, HCO3-, K+, Ca2+, Cl-, Mg2+) non possono attraversare.

liberamente la membrana plasmatica. La dimensione delle molecole influenza il loro passaggio attraverso la membrana. Sposta i soluti verso l'equilibrio (da una concentrazione maggiore ad una minore), tendendo a formare, da una distribuzione casuale, una situazione di equilibrio, con concentrazioni uguali in ogni punto. La diffusione semplice minimizza il contenuto di energia libera: le molecole si muovono secondo il gradiente di concentrazione e, se ioni carichi, si spostano secondo il gradiente elettrochimico. All'equilibrio non avviene più movimento perché l'energia libera è minima. La velocità di diffusione dipende dal gradiente di concentrazione, dalla dimensione e dalla massa delle molecole, dalla temperatura e dalla densità della soluzione. Attraversano la membrana per diffusione i gas (ossigeno e diossido di carbonio), molecole idrofobiche (benzene, acido acetico, acido formico), piccole molecole polari, l'acqua.

molecole liposolubili e non cariche. La diffusione dell'acqua attraverso le membrane è un particolare meccanismo noto come osmosi. Ai lati della membrana l'acqua è sempre mescolata con diversi soluti. Bisogna considerare che ai due lati della membrana l'acqua è sempre mescolata con ioni e molecole. La concentrazione dei soluti (espressa come numero di molecole per millilitro di soluzione) è inversamente proporzionale alla concentrazione dell'acqua. Inoltre, a differenza dell'acqua, la maggior parte dei soluti non diffonde liberamente attraverso la membrana. L'acqua diffonde nella direzione in cui il soluto è più concentrato. L'osmosi può modificare la forma di una cellula. In una soluzione ipertonica (maggiore concentrazione di soluti rispetto alla cellula) si ha fuoriuscita di acqua dalla cellula. Le cellule animali si raggrinziscono. Nelle cellule vegetali, la membrana plasmatica si stacca dalla parete cellulare (plasmolisi). In una soluzione uguale a

quella dell'ambiente intracellulare) le cellule animali e vegetaliisotonica (concentrazioneconservano una forma caratteristica e stabile). In una soluzione ipotonica (minore concentrazione disoluti rispetto alla cellula) l'acqua penetra nella cellula. Le cellule animali (per esempio globulirossi) si gonfiano e scoppiano. Le cellule vegetali diventano turgide ma mantengono la loro formagrazie alla parete cellulare.

Le molecole che non attraversano il doppio strato lipidico per diffusione semplice possonoattraversarla attraverso diffusione facilitata. Se un soluto è più concentrato fuori che dentro lacellula e nella membrana è presente un canale o una proteina di trasporto, esso entraspontaneamente per trasporto passivo (senza spesa energetica). La diffusione facilitata è tipica dellesostanze polari come gli zuccheri e gli amminoacidi, degli ioni che non attraversano mai il doppiostrato lipidico a causa della carica e dell'alto grado di idratazione.

doppio strato lipidico. Le proteine di trasporto o carrier, invece, si legano al soluto specifico e subiscono cambiamenti di conformazione per trasferire il soluto legato attraverso la membrana. Le proteine canale, come le acquaporine (AQP), formano un poro idrofilo che permette il passaggio continuo di molecole attraverso il doppio strato lipidico. Le acquaporine, scoperte dal biologo statunitense Peter Agre, aumentano la permeabilità osmotica delle cellule consentendo un ingresso continuo di acqua all'interno della cellula e permettendo un rapido riequilibrio attraverso il doppio strato lipidico. Le acquaporine sono proteine canale che appartengono alla famiglia delle proteine con 6-8 segmenti transmembrana, associate a formare tetrameri.il fenomeno dell'attrazione elettrostatica che favorisce il loro passaggio attraverso i canali ionici. Le acquaporine, invece, sono proteine che permettono il passaggio selettivo dell'acqua attraverso la membrana cellulare. Esse sono costituite da canali idrofobici che consentono solo alle molecole di acqua di attraversarli, escludendo altre molecole e ioni. Le acquaporine classiche sono coinvolte nel trasporto dell'acqua, mentre le acquagliceroporine sono coinvolte nel trasporto sia dell'acqua che del glicerolo. Nell'uomo, sono presenti diverse acquaporine (AQP0-AQP10) che si trovano in diverse localizzazioni, come gli eritrociti, il rene, l'intestino, le ghiandole salivari, il pancreas e il fegato. I canali ionici, invece, sono proteine che permettono il passaggio selettivo degli ioni attraverso la membrana cellulare. A differenza delle acquaporine, i canali ionici sono soggetti a un meccanismo di apertura/chiusura o gating, che regola il flusso di ioni attraverso la membrana. Questo meccanismo di gating permette di controllare il passaggio degli ioni e di creare un potenziale elettrochimico transmembrana, ovvero una differenza di carica tra l'esterno e l'interno della membrana, che influisce sul trasporto degli ioni. In conclusione, sia le acquaporine che i canali ionici sono importanti per il flusso dell'acqua e degli ioni attraverso la membrana cellulare, ma differiscono nel meccanismo di apertura e nella selettività delle molecole che possono attraversarli.trasporto specifiche per quella sostanza. Questo processo di trasporto è chiamato trasporto attivo. La membrana cellulare è composta principalmente da fosfolipidi, che formano un doppio strato chiamato bicchiere lipidico. I fosfolipidi hanno una testa idrofila e una coda idrofobica, il che significa che la testa è attratta dall'acqua mentre la coda è respinta dall'acqua. Le proteine di membrana svolgono molte funzioni importanti, tra cui il trasporto di sostanze attraverso la membrana. Ci sono diversi tipi di proteine di trasporto, tra cui le proteine di trasporto di membrana, che facilitano il passaggio di sostanze attraverso la membrana. Le proteine di trasporto possono essere selettive, il che significa che possono trasportare solo determinate sostanze. Ad esempio, ci sono proteine di trasporto specifiche per il glucosio, che consentono al glucosio di attraversare la membrana cellulare. Il trasporto attraverso la membrana può avvenire in diversi modi. Ad esempio, il trasporto passivo avviene senza l'uso di energia e si basa sul gradiente di concentrazione delle sostanze. Il trasporto attivo, d'altra parte, richiede energia e può avvenire contro il gradiente di concentrazione. In conclusione, la membrana cellulare svolge un ruolo fondamentale nel controllo del passaggio di sostanze all'interno e all'esterno della cellula. Le proteine di trasporto sono responsabili del trasporto selettivo di sostanze attraverso la membrana, consentendo alla cellula di mantenere l'omeostasi e di svolgere le sue funzioni vitali.e di membrana sono proteine specializzate che facilitano il movimento di molecole attraverso la membrana cellulare. Queste proteine possono essere di diversi tipi, come trasportatori di membrana, canali ionici o pompe ioniche. I trasportatori di membrana sono proteine che legano specificamente una molecola o un ione e lo trasportano attraverso la membrana cellulare. Possono essere di due tipi: trasportatori passivi e trasportatori attivi. I trasportatori passivi facilitano il movimento delle molecole attraverso la membrana senza richiedere energia. Questi trasportatori possono essere di due tipi: trasportatori di diffusione semplice e trasportatori di diffusione facilitata. I trasportatori di diffusione semplice permettono il passaggio di molecole piccole, come l'ossigeno e il biossido di carbonio, attraverso la membrana cellulare. Questi trasportatori sono altamente selettivi e permettono solo il passaggio di molecole specifiche. I trasportatori di diffusione facilitata, invece, facilitano il passaggio di molecole più grandi, come gli zuccheri e gli amminoacidi, attraverso la membrana cellulare. Questi trasportatori utilizzano un meccanismo di legame e cambiamento di forma per trasportare le molecole attraverso la membrana. I trasportatori attivi, invece, richiedono energia per trasportare le molecole attraverso la membrana. Questi trasportatori possono essere di due tipi: trasportatori primari e trasportatori secondari. I trasportatori primari utilizzano l'energia fornita dall'idrolisi dell'ATP per trasportare le molecole attraverso la membrana. Un esempio di trasportatore primario è la pompa sodio-potassio, che trasporta ioni sodio e potassio attraverso la membrana cellulare. I trasportatori secondari, invece, utilizzano il gradiente di concentrazione di un altro soluto per trasportare le molecole attraverso la membrana. Un esempio di trasportatore secondario è il cotrasportatore sodio-glucosio, che trasporta gli zuccheri attraverso la membrana utilizzando il gradiente di concentrazione degli ioni sodio. In conclusione, i trasportatori di membrana sono proteine specializzate che facilitano il movimento di molecole attraverso la membrana cellulare. Questi trasportatori possono essere di diversi tipi e utilizzano meccanismi diversi per trasportare le molecole attraverso la membrana.