Membrane Biologiche - Biologia

Giulia Pirazzini - Membrane biologiche

Struttura delle membrane biologiche

Per effettuare numerose reazioni chimiche necessarie per la vita è fondamentale che la cellula mantenga un ambiente interno appropriato. Tutte le cellule infatti sono circondate dalla membrana plasmatica che le separa dall’ambiente esterno, creando vere e proprie entità distinte. Regolando il passaggio delle sostanze dentro e fuori, la membrana plasmatica contribuisce quindi a mantenere un ambiente interno compatibile con la vita.

Le membrane biologiche sono strutture complesse e dinamiche, costituite da lipidi, proteine e glucidi (natura glico-lipo-proteica) in costante movimento. Le membrane svolgono varie funzioni:

• Regolano il passaggio dei materiali;
• Suddividono la cellula in compartimenti;
• Fungono da superfici per le reazioni chimiche;
• Aderiscono e comunicano con le altre cellule;
• Trasmettono segnali tra l’ambiente esterno e l’interno della cellula.

Le membrane sono considerate la parte essenziale dei sistemi di trasferimento e di immagazzinamento dell'energia.

I fosfolipidi e il doppio strato della membrana cellulare

I fosfolipidi sono i principali responsabili delle proprietà fisiche delle membrane biologiche, poiché alcuni di essi hanno caratteristiche uniche, come la capacità di formare strutture a doppio strato. Un fosfolipide è costituito da 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, mentre il gruppo fosfato, carico negativamente e legato al terzo carbonio del glicerolo, è idrofilico e legato a sua volta ad un gruppo organico polare e idrofilico. Le molecole di questo tipo vengono definite molecole anfipatiche.

Tutti i lipidi che vanno a costituire il core delle membrane biologiche hanno caratteristiche anfipatiche, determinando in modo prevedibile la loro interazione con l’acqua. Quando immerse in acqua, l’orientamento che assumono queste molecole è di una struttura a doppio strato, disposizione che permette alle teste idrofiliche dei fosfolipidi di associarsi liberamente con l’ambiente acquoso, mentre le code idrofobiche sono relegate all’interno della struttura, lontane dalle molecole d’acqua.

Questo “core” idrofobico costituisce una barriera che impedisce a molti tipi di molecole idrofiliche di passare attraverso la membrana. Un’importante proprietà di esso è l’interno idrofobico: alle normali temperature biologiche le catene di acidi grassi sono in continuo movimento, conferendo al doppio strato la proprietà di un cristallo liquido, o di un fluido bidimensionale. Nelle cellule questo movimento è facilitato da particolari proteine di membrana comunemente chiamate filippasi. Le proprietà anfipatiche non bastano però a spiegare la capacità dei lipidi di associarsi in un doppio strato: la loro forma riveste una certa importanza.

Il modello a mosaico fluido

La membrana plasmatica ha uno spessore che non supera i 10 nm. Il microscopio elettronico rivelò una struttura a tre strati, con due strati scuri e uno chiaro nel mezzo. Da questa osservazione, nel 1972 Singer e Nicolson proposero un modello di struttura della membrana che costituisce la sintesi di tutte le proprietà conosciute delle membrane biologiche: il modello a mosaico fluido. In questo modello, le membrane sono costituite da un doppio strato fluido di molecole fosfolipidiche nel quale le proteine di membrana sono immerse, come le tessere di un mosaico. Questo modello non è statico, poiché le proteine cambiano continuamente posizione e si muovono come degli iceberg che galleggiano in un mare fluido costituito da fosfolipidi.

Le membrane biologiche sono fluidi bidimensionali

Le qualità fluide del doppio strato lipidico permettono alle proteine in esso immerse di muoversi lungo il piano della membrana. Tuttavia non tutte le proteine presentano lo stesso comportamento: alcune sono ancorate al citoscheletro o alla matrice extracellulare e tendono a rimanere in una posizione fissa sulla superficie della cellula.

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 ne risulta indebolita. Se invece il doppio strato fosfolipidico è troppo rigido, risultano inibite diverse funzioni di membrana come ad esempio il trasporto di alcune sostanze. Se la temperatura scende ad un punto critico, la membrana è convertita in uno strato di gel più solido.

Alcune proprietà dei lipidi di membrana influenzano la fluidità del doppio strato. I grassi contenenti un’alta percentuale di acidi grassi saturi infatti tendono ad essere solidi a temperatura ambiente a causa delle numerose interazioni di Van der Waals lungo le catene degli acidi grassi. Al contrario, i grassi insaturi tendono ad essere liquidi a temperatura ambiente per la presenza di una struttura non lineare con le catene adiacenti, limitando le interazioni. Molti organismi hanno quindi dei meccanismi in grado di mantenere la loro membrana in uno stato fluido ottimale.

Il colesterolo

Alcuni lipidi hanno la capacità di stabilizzare la fluidità della membrana stessa. Il colesterolo è uno di questi “tamponi di fluidità”: è una molecola idrofobica che, grazie alla presenza di un gruppo ossidrilico, è leggermente anfipatica. Il gruppo ossidrilico infatti si associa con le teste idrofiliche dei fosfolipidi; la rimanente parte della molecola, idrofobica, si incastra tra le catene idrocarburiche degli acidi grassi. A basse temperature le molecole di colesterolo fungono da “spaziatori” tra le catene idrocarburiche, diminuendo le interazioni di Van der Waals (che favorirebbero la solidificazione). Il colesterolo fa inoltre sì che la membrana non si indebolisca o destabilizzi ad alte temperature: le molecole di colesterolo interagiscono fortemente con quelle porzioni delle catene idrocarburiche.