La membrana cellulare detta anche membrana plasmatica è una barriera che controlla lo scambio di composti e informazioni tra le parti esterne e interne della cellula e svolge un ruolo cruciale in quasi tutti i fenomeni cellulari come la protezione cellulare, riconoscimento dei nutrienti e eventi di segnalazione.
Come strato più esterno di una cellula, la membrana cellulare separa la cellula dall’ambiente ed è considerata la prima barriera per difendere la cellula dai danni esterni. Dopo la scoperta delle cellule da parte di Robert Hooke nel 1665 solo all’inizio del XIX secolo, le cellule furono riconosciute come entità separate, non connesse e legate da singole pareti cellulari.
Nella seconda metà del XIX secolo, con il progresso nel campo della microscopia si riconobbe l’esistenza delle membrane cellulari e nel 1895 il fisiologo e biologo britannico Ernest Overton propose che fossero costituite da lipidi.
Nel 1972 il biologo statunitense Seymour Jonathan Singer e il biochimico statunitense Garth L. Nicolson proposero il modello a mosaico fluido secondo cui la membrana cellulare è composta da un doppio strato lipidico, nel quale sono immerse le proteine, che svolgono la gran parte delle funzioni tipiche della membrana.
Struttura della membrana cellulare
I componenti principali della membrana cellulare, che è una struttura altamente eterogenea, sono i lipidi ovvero fosfolipidi e colesterolo, proteine e gruppi di carboidrati legati ad alcuni dei lipidi e delle proteine. Una molecola di fosfolipide è costituita da glicerolo legato a due molecole di acidi grassi attaccate a due atomi di carbonio adiacenti mentre il terzo carbonio è legato a un gruppo contenente un fosfato modificato.
struttura
Questa disposizione conferisce alla molecola una natura anfipatica essendo costituita sia da un componente idrofobo che da un componente idrofilo. Una singola molecola di fosfolipide ha un gruppo fosfato ad un’estremità, chiamato “testa” e due catene affiancate di acidi grassi che compongono le “code” lipidiche“.
Il gruppo fosfato è caricato negativamente, rendendo la testa polare e idrofila che sono quindi attratte dalle molecole d’acqua nel loro ambiente. Le code lipidiche, invece, sono prive di carica, non polari e idrofobe che respingono e vengono respinte dall’acqua.
La membrana cellulare è costituita da due strati adiacenti di fosfolipidi, che formano un doppio strato. Le code di acido grasso dei fosfolipidi si affacciano all’interno, lontano dall’acqua, mentre le teste di fosfato si affacciano sul lato acquoso esterno. Poiché le teste sono rivolte verso l’esterno, uno strato è esposto all’interno della cella e uno strato è esposto all’esterno e dato che i gruppi fosfato sono polari e idrofili, sono attratti dall’acqua nel fluido intracellulare.
Il doppio strato di fosfolipidi è costituito da due fogli adiacenti di fosfolipidi, disposti coda a coda. Le code idrofobiche si associano tra loro, formando l’interno della membrana cellulare. Le teste polari entrano in contatto con il fluido all’interno e all’esterno della cellula.
Le proteine sono il secondo componente principale della membrana cellulare. Esistono due categorie principali di proteine di membrana ovvero le proteine integrali e quelle periferiche. Le proteine integrali della membrana cellulare sono integrate nella membrana e hanno almeno una regione idrofobica che le ancora al nucleo idrofobico del doppio strato fosfolipidico.
Alcune si legano solo parzialmente alla membrana, mentre altre si estendono da un lato all’altro della membrana e sono esposte su entrambi i lati. Le proteine che si estendono attraverso tutta la membrana sono chiamate proteine transmembrana.
Le parti di una proteina di membrana integrale che si trovano all’interno della membrana cellulare sono idrofobe, mentre quelle che sono esposte al citoplasma o al fluido extracellulare tendono a essere idrofile.
modello a mosaico fluido
Le proteine transmembrana possono attraversare la membrana una sola volta, o possono avere fino a dodici diverse sezioni che attraversano la membrana. Un tipico segmento che attraversa la membrana è costituito da 20-25 amminoacidi idrofobi disposti in un’α-elica, sebbene non tutte le proteine transmembrana si adattino a questo modello. Alcune proteine di membrana integrali formano un canale che consente il passaggio di ioni o altre piccole molecole.
Le proteine di membrana periferiche si trovano sulle superfici esterne e interne della membrana cellulare, legate a proteine integrali o a fosfolipidi. A differenza delle proteine di membrana integrali, le proteine di membrana periferiche non si legano al nucleo idrofobo della membrana e tendono a essere legate più debolmente.
I carboidrati in generale, si trovano sulla superficie esterna delle cellule e sono legati alle proteine con cui formano le glicoproteine o ai lipidi con cui formano i glicolipidi. Queste catene di carboidrati possono essere composte da 2-60 unità monosaccaridiche e possono essere lineari o ramificate.
La fluidità della struttura della membrana cellulare è determinata dal grado di insaturazione delle catene idrocarburiche dei fosfolipidi e dalla quantità di colesterolo presente nella membrana.
Funzioni
La membrana cellulare, oltre a formare e sostenere la struttura della cellula svolge un ruolo fondamentale nel mantenimento dell’integrità cellulare regolando il movimento dei materiali dentro e fuori le cellule ed è anche coinvolta nella mediazione di molti importanti processi biologici come la comunicazione cellula-cellula, la segnalazione, l’adesione, la migrazione di specie all’interno e al di fuori della cellula.
cellula
Nel corpo, le membrane funzionano a livello di tessuti, cellule e domini intracellulari, agiscono come barriere protettive e come trasduttori di messaggi extracellulari trasportati da agenti chimici perché hanno siti di riconoscimento che interagiscono con metaboliti, ioni, ormoni, anticorpi o altre cellule in modo specifico. Questa caratteristica selettività delle membrane nell’interazione con molecole specifiche conferisce proprietà uniche a un dato tipo di cellula.
Tra le funzioni della membrana cellulare vi è il trasporto di elettroni, i sistemi di conservazione dell’energia nella membrana mitocondriale, la biosintesi delle proteine nel reticolo endoplasmatico rugoso, la modifica e il confezionamento delle proteine per l’esportazione nelle membrane del complesso del Golgi , la detossificazione dei farmaci nel reticolo endoplasmatico liscio e la ricezione e la trasduzione della luce nelle membrane del disco delle cellule della retina.
Una importante funzione della membrana cellulare è la sua capacità di regolare la concentrazione di sostanze all’interno della cellula come ioni Ca2, Na+, K + e Cl –, nutrienti tra cui zuccheri, acidi grassi e amminoacidi e prodotti di scarto, in particolare anidride carbonica che fuoriescono dalla cellula.
