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Le membrane cellulari

La membrana plasmatica provvede all'isolamento dell'ambiente extracellulare da quello intracellulare contribuendo a mantenere la cellula lontano dall'equilibrio termodinamico. Infatti all'equilibrio le concentrazioni di ioni e metaboliti sono identiche dentro e fuori la cellula e in questa situazione la cellula non potrebbe sopravvivere. La membrana non può essere attraversata da nulla che non riceva la sua approvazione; il risultato è che molte sostanze si trovano solo dentro o solo fuori la cellula e molte di quelle che stanno sia fuori che dentro hanno concentrazioni molto diverse all'interno e all'esterno.

La barriera che separa la cellula dal mondo esterno, è costituita da lipidi, colesterolo, proteine, glicoproteine e recettori essenziali per la comunicazione. In quanto barriera selettiva, la membrana cellulare contribuisce a regolare in modo intelligente lo scambio di materia, energia e informazione tra interno della cellula e tutto quanto è presente nel mezzo extraplasmatico esterno. Essa è costituita da un sottile strato di lipidi (essenzialmente fosfolipidi, glicolipidi e sfingolipidi) organizzati in un doppio strato molecolare molto ordinato (Modello a mosaico fluido di Singer e Nicolson, 1972, Vedi letture consigliate), ma al tempo stesso molto fluido, per uno spessore dell'ordine di circa 50 milionesimi di millimetro. Se la cellula avesse le dimensioni di una grande zucca, in proporzione la sezione di una membrana avrebbe lo spessore di una linea tracciata con un pennarello molto sottile, cioè spessa pochi decimi di millimetro. Eppure questa microscopica sottilissima struttura svolge funzioni estremamente importanti per il funzionamento della cellula, grazie alle funzioni mediate da una serie di proteine che possono essere sia di tipo periferico(i) che integrali di membrana, cioè proteine che attraversano l'intero spessore del doppio strato lipidico.  Nonostante il fatto che la composizione delle membrane biologiche sia molto variabile tra diverse specie, e perfino da un tipo di cellula ad un'altra del medesimo organismo, la struttura unitaria di base della membrana (il doppio strato lipidico) rimane la stessa. 

Da dove deriva la peculiare struttura, flessibilità e organizzazione della membrana cellulare? Innanzitutto dai lipidi che hanno caratteristiche che si definiscono anfipatiche, cioè proprietà in parte idrofobiche (per la presenza di code idrocarboniche di acidi grassi) e in parte idrofiliche (per la presenza di teste polari). Di conseguenza i lipidi si organizzano spontaneamente orientando le loro teste polari verso l'ambiente intra- ed extra-cellulare (ricco di acqua) mentre "nascondono" verso l'interno della membrana stessa le code di acidi grassi. E' del tutto evidente che questa organizzazione costituisce una barriera idrofobica assolutamente impenetrabile al passaggio di molecole d'acqua e di molecole elettricamente cariche, che non riescono a superare la grande barriera energetica costituita dalle code idrocarboniche dei lipidi.

Il passaggio da una parte all'altra della membrana di ioni e molecole cariche, essenziale per il mantenimento delle condizioni di omeostasi cellulare, è invece mediato da proteine di trasporto molto specializzate. Come vedremo meglio nella sezione dedicata al trasporto queste proteine possono comportarsi da trasportatori attivi o passivi: possono cioè favorire il passaggio di molecole cariche secondo il gradiente elettrochimico esistente oppure condurre ioni e molecole cariche contro gradiente di concentrazione(i). Le molecole d'acqua invece permeano attraverso la membrana grazie all'azione di altre proteine trasportatrici dette acquaporine (vedi pagina trasporto ionico).

I lipidi non svolgono solo una funzione di supporto scheletrico della membrana ma in alcuni casi possono svolgere importanti funzioni modulatorie sul trasporto e la comunicazione.

Anche gli organelli intracellulari (nucleo, mitocondri, lisozomi, vacuoli, reticolo endoplasmatico, ecc...) sono delimitati da membrane di diversa composizione ma di struttura sostanziamente identica a quella della membrana plasmatica. 

Bibliografia 

Ferreri C., Chatgilialoglu, C. (2011) Membrana cellulare e lipidomica. Consiglio Nazionale delle Ricerche Editore 

Gambale, F., Diena. T, Poggi, R., Doria, G. (2008) micro&MACRO: viaggio nella cellula - Journey through the cell, ERGA Edizioni

Lehninger A.L. (2004) Principles of biochemistry. Nelson D.L. and Cox M.M.

Singer, S.J., Nicolson, G.L. (1972) The fluid mosaic model of the structure of the cell membranes. Science 175:720-731

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Le proteine periferiche (vedi figura) sono appena adsorbite sulla parte più esterna della membrana e non attraversano completamente il doppio strato lipidico
In alcuni casi molto particolari qualche proteina può operare sia da trasportatore attivo che da trasportatore passivo di ioni e molecole cariche