Struttura ed organizzazione della membrana cellulare

Le complesse reazioni chimiche che sono in definitiva responsabili della vita degli animali possono procedere soltanto in condizioni stabili e ristrette. La costanza di queste condizioni cellulari può essere mantenuta grazie alle funzioni delle membrane biologiche. Queste costituiscono una barriera selettiva che lascia passare solo certi materiali e non altri.
Alla loro superficie, le cellule sono circondate da una membrana plasmatica, una complessa struttura di natura lipidica, straordinariamente sottile, che racchiude il citoplasma (citosol e organelli cellulari) ed il nucleo cellulare. Le funzioni generali della membrana cellulare sono:
Isolamento fisico: la membrana cellulare è una barriera fisica che separa il liquido intracellulare all'interno della cellula dal circostante liquido extracellulare;
Regolazione degli scambi con l'ambiente: la membrana cellulare controlla l'entrata nella cellula di ioni e nutrienti, l'eliminazione di cataboliti e il rilascio di prodotti di secrezione;
Comunicazione tra cellula e ambiente: la membrana cellulare contiene proteine che consentono alla cellula di riconoscere e di rispondere ai segnali esterni;
Supporto strutturale: alcune proteine della membrana sono ancorate al citoscheletro, la struttura interna di supporto che mantiene la forma della cellula.
In generale, tutte le membrane biologiche, incluse le membrane interne degli organelli delle cellule eucariotiche, hanno la stessa essenziale struttura: molecole proteiche e lipidiche tenute assieme da interazioni non covalenti, e una piccola quantità di carboidrati (8 nm di spessore). Le molecole lipidiche sono disposte a formare un doppio strato continuo, detto doppio strato lipidico, che è relativamente impermeabile al passaggio della maggior parte delle molecole idrosolubili. La componente lipidica costituisce circa la metà della massa delle membrane plasmatiche nelle cellule animali. I tre principali tipi di lipidi presenti nelle membrane cellulari sono:
1.Fosfogliceridi, caratterizzati da uno scheletro di glicerolo;
2.Sfingolipidi, che hanno scheletri costituiti da sfingosina;
3.Steroli, come il colesterolo, che sono apolari e sono leggermente idrosolubili;
I primi due tipi di lipidi sono anfipatici, possiedono cioè un estremità idrofilica (solubile in acqua) ed un estremità idrofobica (insolubile in acqua). La doppia natura di questi lipidi di membrana anfipatici, con le loro teste idrofiliche e le loro code idrofobiche, è un elemento fondamentale per l'organizzazione delle membrane biologiche. Le teste polari si orientano verso l'acqua mentre le code apolari si orientano l'una verso l'altra, essendo reciprocamente attratte dalle forze di Van der Waals. Per questo, queste molecole sono ideali per formare un'interfaccia tra una fase lipidica (non acquosa) all'interno della membrana stessa e le fasi acquose intracellulare ed extracellulare a contatto delle superfici interna ed esterna della membrana. Queste stesse forze fanno si che i doppi strati lipidici possano risaldarsi in seguito ad una loro eventuale lacerazione. Le proprietà idrofobiche delle catene idrocarburiche dei fosfolipidi sono alla base della scarsa permeabilità delle membrane alle sostanze polari (come ioni inorganici ed anelettroliti polari come il glucosio e l'insulina) e della loro maggiore permeabilità alle sostanze apolari (come, gli ormoni steroidei). La terza classe di lipidi di membrana è costituita dagli steroli, sostanze in larga misura apolari e solo leggermente idrosolubili. Una volta inserita nella membrana la molecola di sterolo si adatta perfettamente tra le code idrocarburiche dei fosfolipidi e glicolipidi, ed aumenta la viscosità della parte centrale idrocarburica della membrana. Inoltre, la membrana cellulare è attraversata da proteine integrali (dette anche proteine transmembrana), che agiscono sia da filtri selettivi che da dispositivi di trasporto attivo per l'introduzione delle sostanze nutritizie e per l'espulsione dei prodotti cellulari e delle scorie metaboliche. Queste sono fortemente legate all'interno della membrana grazie a legami non covalenti con le code lipidiche dei fosfolipidi del doppio strato della membrana. Le proteine integrali sono classificate in famiglie a seconda di quanti segmenti transmembrana posseggono. Molte ne hanno sette mente altre possono averne anche dodici. Le proteine periferiche, invece, non attraversano l'intero spessore della membrana cellulare come fanno quelle integrali, invece, si legano debolmente a proteine che attraversano la membrana o alle regioni polari dei fosfolipidi. Possono essere rimosse senza distruggere l'intera membrana e tra queste vi sono anche alcune proteine che ancorano il citoscheletro. Infine abbiamo le proteine ancorata a lipidi, che come dice la stessa parola, sono legate covalentemente a code lipidiche che s'inseriscono nel doppio strato. Quindi, come si può capire da questa organizzazione,  le membrane cellulari fanno sì che alcuni ioni siano presenti a concentrazioni differenti sui lati esterno ed interno e ciò è alla base della formazione di gradienti di concentrazione di molte specie ioniche attraverso la membrana. A questo scopo, le proteine canale presenti nelle membrane cellulari partecipano attivamente al trasferimento di sostanze tra i vari compartimenti e, in definitiva, regolano la concentrazione citoplasmatica degli ioni disciolti e di altre molecole con notevole precisione. Comunque, le membrane sono strutture dotate di notevole fluidità, in cui gran parte dei lipidi e delle molecole proteiche “fluttua” nel piano del doppio strato. La porzione in cui lipidi e proteine sono presenti in una membrana dipende dal tipo cellulare o organello al quale la membrana stessa appartiene. I lipidi, che sono molecole molto più piccole e semplici delle proteine, costituiscono la struttura primaria della membrana. Le proteine integrali immerse nella membrana, invece, svolgono ruoli più specializzati come il trasporto di molecole, la catalisi di reazione e la trasduzione di segnali chimici. Altre proteine hanno il compito di ancorare la membrana al citoscheletro o a cellule adiacenti. In generale, le molecole lipidiche sono insolubili in acqua ma si sciolgono in solventi organici.  Comunque, bisogna ricordare, che numerosi esperimenti hanno dimostrato che alcune molecole proteiche sono libere di diffondere lateralmente nella membrana e questo a portato al famoso modello a mosaico fluido della membrana (Singer e Nicolson, 1972). Secondo questo modello le proteine globulari sono integrate con il doppio strato lipidico, con alcune molecole proteiche che sono completamente immerse nel doppio strato ed altre immerse solo parzialmente. Si ritiene che queste proteine integrali siano anfipatiche, con le porzioni apolari immerse nel nucleo idrocarburico del doppio strato e con le porzioni polari che formano una superfici idrofilica con i gruppi laterali carichi degli amminoacidi sporgenti nella parte acquosa. Ricorrendo a varie tecniche, è stato possibile dimostrare che le molecole lipidiche si spostano molto raramente da un lato all'altro della membrana, ma si scambiano di posto con molecole adiacenti in un monostrato circa 107 volte per secondo. Questo rapido scambio laterale di lipidi determina una rapida migrazione lungo il piano della membrana ma non attraverso la stessa. La fluidità della membrana, invece, dipende dalla sua composizione ed il colesterolo gioca un ruolo molto importante nel regolare questa caratteristica della membrana. Infatti, il colesterolo, quando è presente, si lega debolmente ai fosfolipidi adiacenti rendendo il doppio strato lipidico significativamente meno fluido ma più resistente. Tuttavia, l'eccessiva incorporazione di colesterolo può provocare anche perdita di flessibilità. Questo è alla base del cosiddetto “indurimento delle arterie”, un importante causa delle malattie cardiovascolari. Infine, come abbiamo precedentemente accennato, troviamo i carboidrati di membrana che sono generalmente polimeri di glucosio legati alle proteine di membrana (glicoproteine) oppure ai lipidi di membrana (glicolipidi). Si trovano esclusivamente sulla superficie esterna della cellula, dove formano uno strato protettivo, detto glicocalice.