Membrane biologiche

Le membrane biologiche

Tutte le cellule sono circondate da una membrana plasmatica, che le separa dall'ambiente esterno e le rende entità distinte. La membrana plasmatica contribuisce a mantenere un ambiente interno compatibile con la vita. Le cellule eucariotiche sono caratterizzate dalla presenza di numerosi organuli delimitati da membrane. Alcuni di questi organuli formano il sistema di endomembrane, che si estende in tutta la cellula.

Funzioni delle membrane biologiche

Le membrane biologiche sono strutture complesse, formate da lipidi e proteine in costante movimento. Le proprietà delle membrane gli permettono di svolgere molteplici funzioni vitali per la cellula:

• Regolano il passaggio dei materiali
• Suddividono la cellula in compartimenti
• Fungono da superfici per le reazioni chimiche
• Aderiscono e comunicano con altre cellule
• Trasmettono segnali tra l'ambiente esterno e quello interno della cellula
• Sono parte essenziale dei sistemi di trasferimento e di immagazzinamento dell'energia

Quindi: La membrana plasmatica separa fisicamente l'interno della cellula dall'ambiente extracellulare, riceve informazioni sui cambiamenti nell'ambiente esterno, regola il passaggio di materiali dentro e fuori la cellula e comunica con altre cellule. Le membrane biologiche formano compartimenti all'interno delle cellule eucariotiche, permettendo lo svolgimento di funzioni diverse. Le membrane fungono da superficie per le reazioni biochimiche.

I fosfolipidi

I fosfolipidi sono i principali responsabili delle proprietà fisiche delle membrane biologiche. Alcuni fosfolipidi hanno caratteristiche uniche, ad esempio formare strutture a doppio strato. Un fosfolipide contiene due catene di acidi grassi unite a due dei tre atomi di carbonio di una molecola di glicerolo. Le catene degli acidi grassi formano la porzione apolare e idrofobica del fosfolipide. Legato al terzo carbonio del glicerolo, è presente un gruppo fosfato carico negativamente e idrofilico, il quale a sua volta è legato ad un gruppo organico polare ed idrofilico.

Le molecole di questo tipo, con regioni idrofobiche e regioni idrofiliche distinte, si chiamano molecole anfipatiche. Dato che una delle estremità di ciascun fosfolipide si combina con l'acqua, mentre quella opposta no, l'orientamento più favorevole assunto da queste molecole in acqua risulta essere una struttura a doppio strato. I fosfolipidi tendono ad avere uno spessore uniforme: la forma cilindrica, insieme alle proprietà anfipatiche, sono responsabili della formazione del doppio strato.

I fosfolipidi formano un doppio strato poiché le molecole hanno:

• Due regioni distinte: una idrofilica, una idrofobica
• Una forma cilindrica che gli permette di associarsi all'acqua per formare un doppio strato

Quindi: Le cellule fosfolipidiche sono anfipatiche: hanno regioni idrofobiche ed idrofiliche. Le teste idrofiliche dei fosfolipidi sono sulle due superfici esterne del doppio strato, mentre le catene di acidi grassi idrofobiche si trovano nella parte interna.

Il modello a mosaico fluido

Le membrane contengono diversi tipi di proteine, di forma e dimensioni diverse, che sono associate al doppio strato per formare una struttura a mosaico. Secondo questo modello a mosaico fluido, le membrane sono costituite da un doppio strato fluido di molecole fosfolipidiche, nel quale le proteine sono immerse come tessere di un mosaico. Questo modello a mosaico non è statico, ma le proteine cambiano continuamente posizione.

Un'importante proprietà fisica dei fosfolipidi è che si comportano come cristalli liquidi. Le molecole lipidiche si organizzano ordinatamente, con le teste rivolte verso l'esterno e le catene di acidi grassi rivolte verso l'interno. Le molecole sono libere di ruotare e di muoversi lateralmente all'interno di un singolo strato e, tale movimento conferisce al doppio strato le proprietà di un fluido bidimensionale. Una molecola fosfolipidica può muoversi lungo la superficie di una cellula eucariotica in pochi secondi. La fluidità dei lipidi di membrana permette a molte proteine di muoversi.

Con l'aiuto di enzimi presenti nella membrana cellulare, le molecole fosfolipidiche si spostano da uno strato all'altro. Affinché una membrana possa funzionare adeguatamente, è necessario che i suoi lipidi siano in uno stato di fluidità ottimale. Se i lipidi sono troppo fluidi, la struttura della membrana risulta indebolita; se il doppio strato lipidico è troppo rigido, alcune funzioni della membrana vengono inibite, ad esempio il trasporto di sostanze.

A temperature normali le membrane cellulari sono fluide; a basse temperature i movimenti delle catene di acidi grassi sono rallentati. Se la temperatura scende ad un punto critico, la membrana si converte in uno stato di gel più solido. Lo stato della membrana dipende dalla sua componente lipidica. Molti organismi hanno dei meccanismi di regolazione che permettono di mantenere la membrana in uno stato fluido ottimale. Alcuni lipidi di membrana hanno la capacità di stabilizzare la fluidità della membrana stessa.

Il ruolo del colesterolo

Il colesterolo, steroide presente nelle membrane cellulari animali, è uno di questi "tamponi di fluidità". La molecola di colesterolo è idrofobica, ma grazie alla presenza di un unico gruppo ossidrilico, è leggermente anfipatica. Il gruppo ossidrilico si associa con le teste idrofiliche dei fosfolipidi; la restante parte della molecola di colesterolo, idrofobica, si incastra tra le catene idrocarburiche degli acidi grassi. A basse temperature le molecole di colesterolo fungono da "spaziatori" tra le catene idrocarburiche.

Il colesterolo fa sì che la membrana non si indebolisca o si destabilizzi ad alte temperature. Le molecole di colesterolo interagiscono con quelle porzioni di catene idrocarburiche più vicine alle teste fosfolipidiche, riducendo il movimento.

Quindi: In quasi tutte le membrane biologiche, i lipidi del doppio strato sono in uno stato fluido o di cristallo liquido; ciò fa sì che le molecole possano muoversi rapidamente nel piano della membrana. Anche le proteine si muovono all'interno della membrana.

Flessibilità e fusione delle membrane

I doppi strati lipidici hanno difficoltà ad avere estremità libere, quindi tendono a saldarsi tra loro formando delle vescicole chiuse. Essi sono flessibili, e ciò permette alla membrana cellula di cambiare forma senza rompersi. Inoltre, in condizioni opportune, possono fondersi tra loro.

Quando una vescicola si fonde con un'altra membrana, formano un'unica ininterrotta struttura. Dalle membrane del reticolo endoplasmatico, si formano diverse vescicole di trasporto che si fondono successivamente con le membrane del complesso del Golgi, permettendo il trasferimento di materiale da un compartimento all'altro.

Quindi: I doppi strati lipidici sono flessibili e autosigillati, e possono fondersi con altre membrane. Queste proprietà sono alla base del trasporto di materiali da una parte all'altra della cellula e all'interno di vescicole che gemmano da varie membrane cellulari e si fondono poi con altre membrane.

Proteine integrali o periferiche

Le due principali classi di proteine di membrana si distinguono in base al modo in cui sono associate al doppio strato lipidico.

Le proteine di membrana integrali sono strettamente legate alla membrana e possono essere rilasciate solo dopo la distruzione del doppio strato. Queste proteine sono anfipatiche. Alcune proteine integrali non si estendono completamente lungo la membrana. Molte altre, chiamate proteine transmembrana, si estendono completamente attraverso di essa.