MEMBRANA PLASMATICA La membrana plasmatica è una struttura chiusa che avvolge la cellula e media ogni sua relazione con il mondo esterno. Alla membrana arrivano i segnali fisici e chimici che permettono alla cellula di modulare molte delle funzioni vitali ed è la membrana che regola il passaggio di molecole dentro e fuori la cellula. Grazie alle funzioni di DELIMITAZIONE, di BARRIERA DI PERMEABILITÀ ed alla capacità di CONTROLLARE i FLUSSI DI SOSTANZE, la membrana può mantenere la composizione chimica della cellula diversa da quella dell’ambiente extracellulare e, all’interno della cellula, può delimitare dei compartimenti a loro volta con composizione specifica. I componenti fondamentali della membrana sono i fosfolipidi o fosfogliceridi. I fosfolipidi sono lipidi costituiti da due lunghe catene aciliche legate a due gruppi idrossilici del glicerolo che a sua volta ha il terzo gruppo idrossilico legato al fosfato. Le catene aciliche legate al glicerolo possono essere costituite da sedici a diciotto atomi di carbonio legati con legame semplice (lipidi saturi, burro) o legame doppio (lipidi insaturi, olio). Le catene aciliche del fosfolipide sono apolari e, quindi, escluse da ogni interazione con l’acqua, mentre il fosfato e le molecole a esso legate sono polari e, quindi, idrofiliche. Per questa ragione la molecola si dice anfipatica e la sua collocazione in una soluzione acquosa sarà congruente con questa asimmetria. La membrana plasmatica è uno degli elementi fondamentale delle cellule degli eucarioti e procarioti. La sua struttura è formata da un doppio strato di fosfolipidi e funge da barriera da barriera semipermeabile che separa l’interno della cellula dall’esterno. Oltre al suo ruolo di delimitare il citoplasma, la membrana svolge numerose funzioni indispensabili per la cellula, come la regolazione del traffico di molecole e ioni tra l’interno e l’esterno, le funzioni di riconoscimento e comunicazione tra le cellule. La membrana plasmatica è un complesso di lipidi e proteine in proporzioni variabili a seconda del tipo di cellula. La struttura fondamentale di una membrana plasmatica è formata da un sottile doppio strato di fosfolipidi (spessore di 5-10 nm). I fosfolipidi sono costituiti da una testa polare, idrofila, e due code apolari, idrofoba, e per questo sono dette ANFIPATICHE. A causa di questa caratteristica tendono spontaneamente a disporsi in un doppio strato quando sono in ambiente acquoso. Le teste polari si rivolgono all’esterno a contatto con l’acqua ai due lati opposti della membrana, mentre le code apolari sono risolte verso l’interno del doppio strato, dove l’acqua non è presente. La presenza di diversi gruppi funzionali conferisce particolari proprietà sia strutturali che funzionali del plasmalemma, ad esempio i gruppi presenti sulle teste polari possono fungere da siti di attacco per catene glucidiche o proteiche che sporgono dalla membrana. Oltre ai fosfolipidi un altro componente strutturale del doppio strato è il colesterolo (o altri steroli). Le molecole di colesterolo si insinuano tra le molecole di fosfolipidi, partecipando alla plasticità del doppio strato. La membrana plasmatica infatti non è da considerarsi come un elemento rigido e stabile, ma si comporta invece come un mosaico fluido in cui i componenti hanno una certa libertà di movimenti, soprattutto di scorrimento laterale e rotazione. Questo comportamento consente non solo il continuo modellamento e manutenzione dei componenti e della funzionalità della membrana cellulare, ma consente inoltre fenomeni più complessi di riorganizzazione della membrana come l’endocitosi, l’esocitosi e la divisione cellulare. La componente proteica della membrana, essendo più voluminosa, rappresenta fino al 50-70% del suo peso e ne conferisce i molteplici aspetti funzionali. Le proteine di membrana sono infatti presenti in un'ampia gamma di strutture e funzioni differenti, frequentemente sotto forma di glicoproteine e lipoproteine, e comprendono proteinecanale, recettori di membrana, proteine enzimatiche coinvolte nella regolazione di processi metabolici e strutturali. Le proteine di membrana si possono differenziare in integrali e periferiche. Le proteine integrali o transmembrana si inseriscono in profondità nel plasmalemma e vengono mantenute nella loro sede grazie a porzioni idrofobiche in sospensione nel doppio strato e porzioni idrofile che sporgono ai due lati opposti della membrana. Le proteine periferiche, invece, si trovano su un solo lato della membrana e possono ancorarsi saldamente ai fosfolipidi tramite legami covalenti, oppure formare interazioni elettrostatiche più deboli con le teste polari presenti nella membrana. Tipicamente le proteine integrali svolgono la funzione di recettori cellulari e di canali transmembrana, mentre le proteine periferiche svolgono funzioni enzimatiche, regolatorie e ormonali. La presenza dei diversi tipi di proteine, come anche dei lipidi, è molto differente tra la faccia esterna e quella interna della membrana cellulare. Questa asimmetria è dovuta ai diversi tipi di funzioni che sono richieste nello spazio esterno ed interno della cellula. Le sostanze possono uscire ed entrare dalle cellule attraverso la membrana. Questo processo è chiamato trasporto di membrana. Il trasporto di membrana può avvenire secondo modalità diverse. Può essere: Trasporto passivo, a sua volta suddivisa in diffusione semplice e diffusione facilitata; Trasporto attivo, nel caso in cui il trasporto avvien con consumo di energia, può essere trasporto attivo primario e trasporto attivo secondario; Trasporto vescicolare, a sua volta suddiviso in esocitosi ed endocitosi. Trasporto passivo: Diffusione semplice: è uno dei metodi con cui può avvenire il trasporto di membrana. La diffusione semplice è un trasporto passivo nel quale solo piccole molecole parzialmente polari e molecole più grandi apolari possono attraversare liberamente il doppio strato fosfolipidico della membrana cellulare, come ad esempio l'acqua, gli ormoni steroidei, e i gas molecolari come l'anidride carbonica, l'ossigeno e l'azoto. In questi casi il trasporto non si serve di alcun apparato di membrana e le sostanze si diffondono liberamente per osmosi, ovvero spostandosi in base al gradiente di concentrazione, da dove è più alta a dove è più bassa. Quindi, nelle cellule, questo movimento avviene senza dispendio di energia. Schema riassuntivo riguardante la diffusione semplice. Diffusione semplice delle molecole (osmosi) Le due caratteristiche fondamentali della diffusione semplice sono: il movimento di ciascuna molecola o ione è indipendente dalle altre; i movimenti sono casuali. Diffusione facilitata: è uno dei metodi con cui può avvenire il trasporto di membrana. La diffusione facilitata è un trasporto passivo attraverso la membrana cellulare che riguarda ioni e molecole polari, che a causa della loro carica o del loro ingombro non riescono ad attraversare il doppio strato di fosfolipidi. Anche la diffusione semplice avviene a favore del gradiente di concentrazione, e quindi non richiede energia, tuttavia in questo caso il trasporto necessita di proteine transmembrana, selettive e modulabili, che ne permettono il passaggio. Piccoli ioni come il sodio, il potassio, il cloro e il calcio passano attraverso veri e propri canali proteici o pori, mentre molecole più grandi come il glucosio e gli aminoacidi vengono trasportati dai cosiddetti "carrier", che sono strutture il cui legame con la molecola da trasportare determina un cambio di conformazione del carrier, che permette di liberarla dal lato opposto della membrana. L'apertura e chiusura dei canali (e dei carrier) può essere modulata da variazioni del potenziale di membrana, da legami del recettore (che è spesso una subunità glicoproteica del canale stesso) con specifiche molecole-segnale, o attraverso il legame con secondi messaggeri solubili, oppure da stimolazioni meccaniche. È quindi un processo che richiede energia ed è utilizzato per spingere le molecole contro il loro gradiente di concentrazione, cioè da dove sono poche a dove sono molte. Trasporto attivo primario: Nel trasporto attivo primario l'energia viene fornita direttamente dall'idrolisi di una molecola di ATP, che creando intermedi ad alta energia permette lo spostamento degli ioni e molecole. Sistemi di questo tipo, quando trasportano ioni per creare un gradiente elettro-chimico, sono denominati "pompe". Un classico esempio è la pompa sodio-potassio (o pompa Na/K): che è uno dei maggiori partecipanti al momento del potenziale di membrana. La pompa sodio-potassio funziona sfruttando l’idrolisi di una molecola di ATP per spostare contro gradiente 3 ioni sodio (Na+) verso l’ambiente extracellulare, e 2 ioni potassio (K+) verso l’ambiente intracellulare. In questo modo la pompa Na/K riesce a mantenere una concentrazione di ioni sodio e potassio di 10-15 volte superiore da un lato all’altro del doppio strato. La pompa sodio- potassio funziona attraverso 4 fasi: 3 ioni di Na+ e 1 molecola di ATP si legano alla pompa sodiopotassio; L’idrolisi dell’ATP (ADP+P) provoca un cambiamento di conformazione della proteina di membrana; Gli ioni Na+ vengono liberati all’esterno della membrana e la nuova forma del canale permette il legame di 2 ioni K+; Il rilascio del fosforo riporta il canale alla sua forma originaria e gli ioni K+ vengono liberati all’interno della membrana cellullare. Un'altra pompa di membrana, la calcio-ATPasi, permette l'estrusione attiva dalla membrana di ioni calcio, ed è coinvolta in importanti processi cellulari come la contrazione muscolare, la trasmissione di impulsi nervosi, e la modulazione di numerose funzioni cellulari calcio-dipendenti. Trasporto attivo secondario: Nel trasporto attivo secondario, chiamato anche co-trasporto, l'energia necessaria non viene fornita dall'idrolisi di molecole di ATP, ma viene sfruttata l'energia del passaggio di una molecola a favore di gradiente per trasportare un'altra molecola contro il gradiente. Se le molecole da trasportare si trovano entrambe sullo stesso lato della membrana si parla di "simporto". Come ad esempio il cotrasportatore sodio-glucosio, il quale sfrutta l'energia fornita da 2 ioni sodio in entrata (a favore di gradiente) per introdurre nella cellula 1 molecola di glucosio contro il suo gradiente. Se le molecole si trovano ai due lati opposti della membrana si parla invece di "antiporto", come nel caso del cotrasportatore sodio-calcio (3Na/Ca), che sfrutta l'ingresso di ioni sodio per espellere ioni calcio. Trasporto vescicolare: Il transito delle sostanze da un lato all'altro della membrana cellulare (trasporto di membrana) è una funzione fondamentale per la cellula. Vi sono diverse modalità con cui il transito delle sostanze può avvenire da un lato all'altro della membrana cellulare. Uno di queste è il trasporto vescicolare, ovvero il trasporto mediato da vescicole o vacuoli. Le vescicole sono deputate al trasporto di grandi molecole come proteine o polisaccaridi o di grosse particelle come microrganismi o pezzetti di cellule. Il trasporto vescicolare coinvolge diversi complessi di membrana deputati al riconoscimento delle vescicole (recettori di membrana), l'attivazione della fusione e riorganizzazione delle membrane, e il conseguente rilascio del contenuto della vescicola nello spazio extracellulare (esocitosi) o all'interno della cellula (endocitosi). Il trasporto vescicolare permette la conduzione dei segnali nervosi nelle sinapsi tramite il rilascio di neurotrasmettitori, permette l'endocitosi e l'esocitosi di ormoni e di enzimi coinvolti nella secrezione ghiandolare, la fagocitosi di agenti patogeni ad opera del sistema immunitario, o ancora il trasporto di molecole da un compartimento all'altro della cellula (come avviene nell'apparato di Golgi).
