Membrana cellulare e meccanismi di trasporto

Fisiologia umana generale

La fisiologia è lo studio del funzionamento di un organismo vivente, più precisamente di una singola cellula, di un tessuto, che poi può essere organizzato in un organo, in un apparato, in un individuo. Non si può studiare il funzionamento senza conoscere la struttura. La fisiologia si può suddividere in tre parti: la fisiologia generale, o fisiologia cellulare, la neurofisiologia e la fisiologia umana, o fisiologia d'apparato. La fisiologia generale è la base sia per la neurofisiologia, sia per la fisiologia d'apparato; la neurofisiologia riguarda la fisiologia del sistema nervoso, quello che coordina ed è di base per tutti gli apparati; la fisiologia d'apparato riguarda appunto gli apparati.

Argomenti della fisiologia generale

• La struttura e la funzione della membrana cellulare;
• Il potenziale di membrana o di riposo;
• Il potenziale d'azione;
• Le sinapsi;
• Il muscolo scheletrico.

Membrana cellulare e meccanismi di trasporto

Ogni cellula è circondata da una membrana che permette alla cellula di avere un mezzo interno e un mezzo esterno. Le cellule sono separate tra loro dalle membrane, per cui la membrana ha un doppio ruolo: far sì che la cellula sia una singola entità, ma anche fare in modo che le cellule siano in comunicazione tra di loro, quindi permette e regola gli scambi tra l'esterno e l'interno e viceversa. Serve anche per comunicare, per passare informazioni da una cellula all'altra, e può essere un supporto.

La membrana cellulare è costituita da un doppio strato fosfolipidico, con molecole proteiche inserite parzialmente o totalmente in esso. Sulla superficie extracellulare ci sono anche carboidrati, legati sia alle proteine che ai lipidi. Tutte le membrane hanno componenti simili e uno spessore di circa 7-8 nanometri, che equivalgono a 70-80 Angstrom.

Si può definire la membrana come una struttura a mosaico fluido: il mosaico fa capire che la membrana non è costituita da un unico tipo di particelle, ma da diversi componenti, lipidi, proteine di diverso tipo, glucidi legati ai lipidi e alle proteine; inoltre, il mosaico è fluido poiché la membrana non è una struttura fissa, ma può cambiare le sue caratteristiche sempre rispetto alla funzione che andrà a svolgere.

La membrana viene sempre rappresentata con un doppio strato fosfolipidico, quindi con i lipidi che sono costituiti da una testa fosfolipidica e da delle cosiddette code. Questa è la struttura continua della membrana, anche se è un continuo che viene interrotto dalle proteine transmembranarie, o proteine intrinseche. Le proteine non sono distribuite in modo uniforme, ma in maniera diversa, con funzioni differenti.

Si parla quindi di proteine estrinseche, o associate, o periferiche, che si trovano su una delle due superfici della membrana. La membrana, infatti, avrà una superficie intracellulare e una superficie extracellulare. I glucidi si legano alle proteine formando le glicoproteine, la cui caratteristica principale è quella di specificizzare la cellula. Dalla parte interna hanno principalmente una funzione enzimatica e strutturale.

Le proteine che attraversano totalmente la membrana sono le proteine intrinseche, integrali o transmembranarie, fortemente legate alla matrice fosfolipidica. Esse hanno diverse funzioni: una funzione di struttura, una funzione enzimatica, una funzione recettoriale (quindi la funzione di interagire con una sostanza) o di trasporto. Le proteine di trasporto possono essere canali o carrier.

Quando parlo di doppio strato fosfolipidico posso dire che i fosfolipidi sono costituiti da un trigliceride in cui al posto dell'acido grasso c'è un gruppo fosfato. I fosfolipidi hanno dunque una parte idrosolubile e una parte liposolubile (le code). Ci sarà dunque una disposizione particolare: le parti fosfolipidiche polari sono all'esterno, quelle non polari sono all'interno.

Oltre ai fosfolipidi abbiamo anche il colesterolo, che è idrofobico non polare; va a inserirsi tra le code dei fosfolipidi e ha un'importante funzione relativa all'integrità delle membrane cellulari, soprattutto a livello delle cellule nervose. La membrana cellulare dunque è costituita da colesterolo, fosfolipidi, carboidrati e proteine. Colesterolo e fosfolipidi formano il doppio strato fosfolipidico, che possiamo definire una barriera selettiva, selettiva perché fa selezione tra il citoplasma e l'ambiente esterno. I fosfolipidi, insieme ai carboidrati, formano i glicolipidi; i carboidrati insieme alle proteine formano le glicoproteine, che hanno capacità strutturale, di riconoscimento cellulare e di difesa immunitaria.

Le proteine di membrana possono essere integrali ed estrinseche. Le proteine che saranno trasportatori di membrana possono essere, come si diceva in precedenza, carrier o canali. Mentre i carrier possono svolgere la loro funzione senza cambiare struttura, i canali la cambiano, potranno essere canali aperti e chiusi. Abbiamo poi proteine strutturali, che troviamo nel citoscheletro; hanno una funzione enzimatica e di recettori di membrana, che serviranno sempre per l'attivazione di enzimi o per la traduzione di segnali, o ancora in fenomeni di altro tipo riguardanti sempre la funzione della membrana.

Tipi di trasporto

I trasporti possono essere definiti in maniera diversa. Si può parlare di trasporti facendo riferimento all'energia:

• Trasporti passivi, che non richiedono una spesa energetica, che sono la diffusione semplice e la diffusione facilitata;
• Trasporti attivi, in cui c'è una spesa energetica diretta attraverso la molecola adenosintrifosfato, ATP, che sono il trasporto attivo primario (da cui dipende un trasporto attivo secondario), oppure dei trasporti in cui abbiamo una spesa energetica molto forte perché si utilizzano dei tratti di membrana, l'endocitosi, l'esocitosi e la fagocitosi.

Per quel che riguarda i trasporti passivi, la diffusione semplice è quel tipo di trasporto in cui la molecola passa semplicemente attraverso il doppio strato fosfolipidico. La diffusione facilitata, invece, si ha quando c'è un trasporto mediato, che richiede una proteina di membrana.

Per quel che riguarda i trasporti attivi, il trasporto attivo primario si ha quando ci sono necessità fisiche maggiori, che richiedono la formazione di una vescicola. L'endocitosi è quel trasporto che consiste nell'introduzione di materiale all'interno della cellula. C'è un qualcosa all'esterno, la membrana la avvolge formando una vescicola, poi la sostanza verrà rilasciata all'interno della cellula.

L'esocitosi è il fenomeno opposto, ossia il trasporto di materiale dall'interno della cellula verso l'esterno: ci sono delle vescicole che contengono al loro interno delle proteine che devono essere espulse all'esterno. La vescicola si avvicina al plasmalemma; i fosfolipidi della membrana del plasmalemma si toccano con i fosfolipidi della vescicola, si fondono tra loro e la vescicola si apre in questo modo sulla membrana plasmatica, rilasciando il contenuto all'esterno. Questo è il processo dell'esocitosi, in cui si ha una sorta di aggiunta sulla membrana plasmatica.

La fagocitosi si ha quando viene introdotto qualcosa di corpuscolato, di solido, all'interno della cellula.