Membrane biologiche

Il fosfolipide più abbondante è la fosfatidilcolina, che presenta una testa idrofila

costituita da un gruppo fosfato esterificato con la colina.

Gli sfingolipidi derivano invece dalla sfingosina, un aminoalcol a lunga catena. Tra

questi, la sfingomielina è il più abbondante e, se al posto del gruppo fosfato si lega

un carboidrato, si formano i glicolipidi.

Il colesterolo, presente in tutte le membrane delle cellule animali, è una molecola

anfipatica: possiede un nucleo idrofobico steroideo a quattro anelli e un

piccolo gruppo ossidrilico (OH) idrofilo.

Un aspetto fondamentale della membrana è la sua asimmetria: i due foglietti lipidici

non sono uguali.

Nel lato citosolico si trovano prevalentemente fosfatidilserina,

fosfatidiletanolammina e fosfatidilinositoli (coinvolti nella segnalazione cellulare),

mentre nel lato esterno si concentrano fosfatidilcolina, sfingomielina e

glicolipidi.

Questa distribuzione asimmetrica viene stabilita nell’apparato di Golgi, grazie

all’azione di enzimi chiamati flippasi, che trasferiscono specifici fosfolipidi da uno

strato all’altro.

I lipidi di membrana possono compiere diversi tipi di movimento:

Diffusione laterale, in cui si spostano lungo il piano della membrana

 (molto frequente e rapida);

Rotazione, attorno al proprio asse;

 Flessione, delle code idrofobiche;

 Movimento flip-flop, cioè il passaggio di un lipide da un foglietto all’altro

 del doppio strato.

Questo movimento è molto raro perché richiede il superamento della barriera

idrofobica.

È reso possibile solo grazie all’intervento di enzimi specifici:

Scramblasi, che spostano i fosfolipidi in modo casuale per equilibrare i

 due strati (es. nel reticolo endoplasmatico);

Flippasi che, trasferisce in modo selettivo determinati lipidi da un lato

 all’altro, mantenendo l’asimmetria della membrana.

La sintesi dei nuovi fosfolipidi avviene invece nel reticolo endoplasmatico, dove

enzimi specifici li inseriscono inizialmente sul lato citosolico; poi,

enzimi chiamati scramblasi ne distribuiscono una parte in modo

casuale per favorire la crescita simmetrica del doppio strato.

Le proteine di membrana rappresentano circa il 50% della

massa della membrana e sono responsabili della maggior parte

delle sue funzioni.

Possono essere di due tipi:

integrali (o intrinseche), immerse nel doppio strato

 lipidico, talvolta attraversandolo completamente (proteine

transmembrana);

periferiche (o estrinseche), associate solo alla superficie

 interna o esterna della membrana tramite interazioni non

covalenti o legami con altre proteine.

Le proteine possono muoversi lateralmente all’interno della membrana,

confermando la natura dinamica del cosiddetto modello del mosaico fluido. In

questo modello, le proteine sono “incastonate” nel doppio strato lipidico come tessere

di un mosaico, e possono spostarsi liberamente come “iceberg galleggianti in un mare

di lipidi”.

Le proteine di membrana svolgono diverse funzioni:

trasporto di sostanze attraverso la membrana (canali, pompe,

 trasportatori);

adesione tra cellule o tra cellula e matrice extracellulare;

 riconoscimento e comunicazione cellulare;

 attività enzimatica;

 ancoraggio al citoscheletro.



Le proteine transmembrana possono attraversare il doppio strato una o più volte, in

genere con strutture a α-elica o β-barile.

Quelle che attraversano più volte la membrana formano canali per il passaggio di

ioni e piccole molecole idrofile.

Inoltre, sulla superficie esterna della membrana plasmatica si trovano carboidrati

legati covalentemente a proteine (glicoproteine e proteoglicani) e a lipidi

(glicolipidi).

Tutti questi zuccheri formano un rivestimento protettivo chiamato glicocalice, uno

strato zuccherino che riveste la membrana. Il glicocalice, presente in tutte le cellule

animali, è particolarmente abbondante nei tessuti epiteliali e nelle cellule immunitarie,

dove i residui di zucchero agiscono come segnali di identificazione. Svolge molteplici

funzioni:

protezione della cellula da danni meccanici;

 adesione tra cellule;

 movimento durante lo sviluppo embrionale;

 risposta immunitaria e infiammatoria;

 riconoscimento cellulare e fertilizzazione.



La membrana plasmatica permette scambi con ambiente esterno ed interno. È

selettivamente permeabile, infatti, crea una selezione delle sostanze che possono

entrare o meno all’interno della cellula.

Esistono diversi principali meccanismi di trasporto quali:

Diffusione semplice. È un processo spontaneo che non richiede energia

 e avviene secondo un gradiente di concentrazione, cioè da una zona a

concentrazione maggiore a una zona concentrazione minore. In questo

processo le molecole possono attraversare gli spazi tra le catene degli acidi

grassi. Gli spazi si creano grazie al movimento dei fosfolipidi e ai punti

di insaturazione. Non è richiesta energia perché ciò che spinge le molecole è

la differenza di concentrazione ai due lati della membrana.

Diffusione facilitata: È un processo spontaneo che non richiede energia e

 avviene secondo gradiente di concentrazione. Le molecole passano

attraverso proteine di membrana ovvero le proteine di trasporto quali:

Carrier (o trasportatori o permeasi): sono proteine transmembrana

 che possiedono una tasca idrofilica in grado di legare la molecola che

deve essere trasportata.

Canali ionici: proteine transmembrana che formano un poro nel

 doppio strato lipidico e che permette il passaggio degli ioni. Ogni

proteina di trasporto è specifica per una o più determinate molecole,

determinando così la specificità di substrato. I canali possono avere 2

conformazioni: canale aperto e canale chiuso. Il canale si apre o si

chiude in base alle necessità della cellula. A canale aperto, gli ioni si

muovono seguendo il gradiente di concentrazione.

Esempi di canali sono:

Canali ligando - dipendenti (ormoni, neurotrasmettitori, proteine);

 Canali voltaggio - dipendenti (differenza di potenziale tra i lati della

 membrana);

Canali meccanosensori (differenza di tensione sulla membrana);

 Acquaporine (sebbene l’acqua si muova senza problemi attraverso la

 membrana, il suo trasporto in caso di necessità è affidato a queste proteine di

membrana).

In base alla richiesta energetica del trasporto si distinguono due categorie generali

di trasporto:

Trasporto passivo avviene senza consumo di ATP.

 In questo tipo di trasporto rientrano:

- Diffusione libera attraverso i lipidi delle membrane

- Diffusione agevolata attraverso le proteine della membrana

Trasporto attivo è necessario per quelle molecole che devono essere

 trasportate contro gradiente di concentrazione, cioè da una regione a

minore concentrazione a una a maggiore concentrazione. Richiede

energia, perché il movimento non avviene spontaneamente ed è mediato da

proteine di membrana.

Il trasporto attivo si divide in:

- Trasporto attivo diretto (primario): l’energia necessaria per il

trasporto viene dall’idrolisi dell’ATP (idrolisi= rottura mediata da

una molecola di H2O). Le proteine che operano questo trasporto sono

enzimi dotati di attività ATPasica, cioè enzimi che catalizzano

l’idrolisi dell’ATP. Tali proteine sono chiamate pompe ATP -

dipendenti o pompe ATPasiche. Un esempio di trasporto attivo diretto

è la pompa sodio-potassio. La pompa sodio-potassio fa entrare

potassio (K+) nella cellula e fa uscire sodio (Na+) contro gradiente di

concentrazione mediante idrolisi dell’ATP. La sua funzione è quella di

mantenere stabile l’equilibrio osmotico delle cellule, mediante il

volume cellulare (previene raggrinzamento e rigonfiamento cellulare).

- Trasporto attivo indiretto: l’energia necessaria per il trasporto deriva

dall’esistenza di un gradiente elettrochimico prodotto da un

trasporto attivo diretto.

Spesso avviene per co-trasporto (o trasporto accoppiato) ovvero viene utilizzata

l’energia del gradiente di ioni prodotto da una pompa ATPasica (es Na+) per favorire il

movimento contro gradiente di molecole organiche (es glucosio).

Quando il trasporto è mediato da trasportatori può definirsi:

uniporto: in cui un uniporto trasferisce una certa sostanza in una certa

 direzione

Simporto: in cui un simporto trasferisce 2 sostanze diverse nella stessa

 direzione

Antiporto: in cui un antiporto trasferisce 2 sostanze diverse una in direzione

 opposta all’altra

Il simporto e l’antiporto rappresentano due modalità di co trasporto.

TRASPORTO DI MEMBRANA:

Le cellule, unità fondamentali di ogni organismo vivente, non vivono isolate ma sono

immerse in un ambiente complesso che richiede continui scambi di materiale e

informazioni. Per questo, esse si avvalgono di meccanismi di trasporto specifici, come

il trasporto mediato da vescicole, che permette il movimento di macromolecole e

particelle di grandi dimensioni attraverso la membrana plasmatica.

In questo processo, le vescicole, piccole sacche delimitate da membrana, sono

protagoniste.

nell’esocitosi, le vescicole di secrezione si formano tramite gemmazione

 dell’apparato di Golgi, inglobando materiali da espellere; poi la membrana della

vescicola si fonde con la membrana plasmatica, rilasciando il contenuto

all’esterno della cellula.

Nell’endocitosi, la membrana plasmatica si invagina per inglobare materiale

 extracellulare, formando vescicole che vengono internalizzate.

Questa può avvenire tramite fagocitosi, dove si inglobano grandi

particelle come batteri o detriti cellulari, oppure tramite pinocitosi, che

permette l’assorbimento di fluidi e sostanze disciolte.

Un’altra forma, più specifica, è l’endocitosi mediata da recettori, in cui

 molecole specifiche si legano a proteine recettoriali sulla membrana,

formando fossette rivestite di clatrina che poi si distaccano come vescicole

all’interno della cellula.

Questi scambi sono fondamentali non solo per il trasporto di materiali ma anche per la

comunicazione tra cellule. Le cellule devono comunicare tra loro e con l’ambiente

esterno per garantire il funzionamento coordinato dei tessuti e degli organi,

rispondendo di cambiamenti ambientali e regolando processi vitali quali crescita,

differenziamento, sopravvivenza e metabolismo.

La comunicazione cellulare può avvenire tramite contatto diretto e mediante

molecole segnale che si legano a recettori specifici sulla superficie o

all’interno delle cellule bersaglio.

Le molecole segnale includono neurotrasmettitori, ormoni, fattori di crescita e

citochine