Membrana cellulare (Cell membrane)

La membrana cellulare, conosciuta anche come membrana plasmatica, membrana citoplasmatica o storicamente plasmalemma, funziona come una barriera biologica semipermeabile, isolando e salvaguardando l'interno cellulare dall'ambiente extracellulare esterno. Strutturalmente, la membrana cellulare è un doppio strato lipidico composto principalmente da fosfolipidi e glicolipidi. Negli eucarioti e in alcuni archaea, gli steroli, come il colesterolo nelle cellule animali, sono comunemente integrati all'interno di questo doppio strato, cruciale per regolare la fluidità della membrana a diverse temperature. Inoltre, la membrana incorpora varie proteine ​​di membrana, comprese proteine ​​integrali che attraversano l'intera membrana per agire come trasportatori, e proteine ​​periferiche che si legano alla superficie della membrana, spesso funzionando come enzimi per mediare le interazioni con l'ambiente cellulare. I glicolipidi incorporati nello strato lipidico esterno svolgono un ruolo comparabile.

La membrana cellulare (nota anche come membrana plasmatica o membrana citoplasmatica e storicamente denominata plasmalemma) è una membrana biologica semipermeabile che separa e protegge l'interno di una cellula dall'ambiente esterno (lo spazio extracellulare). La membrana cellulare è un doppio strato lipidico, solitamente costituito da fosfolipidi e glicolipidi; gli eucarioti e alcuni archaea hanno tipicamente anche steroli (come il colesterolo negli animali) intervallati tra loro, mantenendo un'adeguata fluidità della membrana a varie temperature. La membrana contiene anche proteine ​​di membrana, comprese proteine ​​integrali che attraversano la membrana e fungono da trasportatori, e proteine ​​periferiche che si attaccano alla superficie della membrana cellulare, agendo come enzimi per facilitare l'interazione con l'ambiente cellulare. I glicolipidi incorporati nello strato lipidico esterno hanno uno scopo simile.

La membrana cellulare regola con precisione il transito delle sostanze dentro e fuori la cellula, mostrando permeabilità selettiva sia agli ioni che alle molecole organiche. Oltre al suo ruolo regolatore, le membrane cellulari partecipano a numerose funzioni cellulari, tra cui l’adesione cellulare, la conduttività ionica e la segnalazione cellulare. Forniscono inoltre una superficie di ancoraggio per diversi componenti extracellulari, come la parete cellulare e il glicocalice ricco di carboidrati, nonché per la rete di fibre proteiche intracellulari nota come citoscheletro. Nell'ambito della biologia sintetica, le membrane cellulari possono essere ricostruite artificialmente.

Storia

La formulazione della teoria cellulare seguì la scoperta delle cellule da parte di Robert Hooke nel 1665. Inizialmente, la convinzione prevalente era che tutte le cellule possedessero una parete cellulare rigida, principalmente perché in quel periodo erano osservabili solo le cellule vegetali. I microscopisti si sono concentrati sulla parete cellulare per più di 150 anni fino a quando non sono emersi progressi significativi nella microscopia. All'inizio del XIX secolo, dopo la riuscita separazione delle cellule vegetali, le cellule furono identificate come entità distinte e indipendenti racchiuse da pareti cellulari individuali. Questo concetto è stato successivamente ampliato per comprendere le cellule animali, proponendo un meccanismo universale per la protezione e lo sviluppo cellulare.

Durante la seconda metà del 19° secolo, la microscopia non era in grado di distinguere tra membrane cellulari e pareti cellulari. Tuttavia, alcuni microscopisti hanno dedotto con precisione la presenza di membrane cellulari nelle cellule animali, nonostante la loro invisibilità, basandosi sul movimento interno ma non esterno dei componenti intracellulari. Hanno anche riconosciuto che queste membrane non erano analoghe alle pareti cellulari delle piante. Inoltre, inizialmente si era dedotto che le membrane cellulari non fossero costituenti essenziali per tutte le cellule. Di conseguenza, l’esistenza delle membrane cellulari rimase controversa tra molti ricercatori verso la fine del XIX secolo. Una revisione della teoria cellulare del 1890 riconobbe l'esistenza delle membrane cellulari ma le classificò come strutture secondarie. Fu solo attraverso successive indagini sull’osmosi e sulla permeabilità che le membrane cellulari ottennero un riconoscimento più ampio. Nel 1895, Ernest Overton ipotizzò che le membrane cellulari fossero a base di lipidi.

L'ipotesi del doppio strato lipidico, avanzata da Gorter e Grendel nel 1925, stimolò la discussione sulla struttura del doppio strato della membrana cellulare, traendo spunti dalle analisi cristallografiche e dalle osservazioni delle bolle di sapone. Per convalidare o confutare questa ipotesi, i ricercatori hanno effettuato misurazioni dello spessore della membrana. Nello specifico, hanno estratto i lipidi dai globuli rossi umani e hanno quantificato l’area superficiale che questi lipidi occuperebbero se diffusi su una superficie d’acqua. Dato che i globuli rossi maturi dei mammiferi sono privi sia di nuclei che di organelli citoplasmatici, la loro membrana plasmatica rappresenta l'unico componente contenente lipidi. Pertanto, si presumeva che tutti i lipidi isolati da queste cellule provenissero dalle loro membrane plasmatiche. Il rapporto osservato tra la superficie dell'acqua coperta dal lipide estratto e la superficie calcolata dei globuli rossi da cui è stato ottenuto il lipide è di circa 2:1. Questa scoperta li ha portati a concludere che la membrana plasmatica è composta da un doppio strato lipidico.

Nel 1925, Fricke determinò che le membrane degli eritrociti e delle cellule di lievito possedevano uno spessore compreso tra 3,3 e 4 nm, una misura coerente con un monostrato lipidico. Sebbene la costante dielettrica impiegata in queste indagini sia stata esaminata attentamente, gli esperimenti successivi non sono riusciti a confutare i risultati iniziali. Allo stesso tempo, il leptoscopio è stato sviluppato per misurare con precisione membrane eccezionalmente sottili confrontando l'intensità della luce riflessa da un campione con una membrana standard di spessore noto. Questo strumento potrebbe risolvere spessori compresi tra 8,6 e 23,2 nm, influenzati dai livelli di pH e dalla presenza di proteine ​​di membrana, con i valori più bassi che supportano l'ipotesi del doppio strato lipidico. Negli anni '30, il modello paucimolecolare proposto da Davson e Danielli (1935) ottenne un ampio consenso come modello prevalente della struttura della membrana. Questo modello ha avuto origine da studi che esaminavano la tensione superficiale tra oli e uova di echinoderma. Osservando valori di tensione superficiale significativamente inferiori a quanto previsto per un'interfaccia olio-acqua, i ricercatori hanno ipotizzato che una sostanza all'interno della superficie cellulare riducesse queste tensioni interfacciali. Di conseguenza, è stato ipotizzato che un doppio strato lipidico fosse inserito tra due sottili strati proteici. Il modello paucimolecolare raggiunse rapidamente importanza, dominando la ricerca sulla membrana cellulare per tre decenni fino a quando fu sostituito dal modello a mosaico fluido introdotto da Singer e Nicolson (1972).

Nonostante i numerosi modelli di membrana cellulare proposti prima del suo avvento, il modello a mosaico fluido è rimasto l'archetipo fondamentale per la struttura della membrana cellulare sin dal suo inizio negli anni '70. Sebbene il modello del mosaico fluido abbia subito un ammodernamento per incorporare le scoperte contemporanee, i suoi principi fondamentali persistono: la membrana è un doppio strato lipidico caratterizzato da teste esterne idrofile e un interno idrofobo. Le proteine ​​possono impegnarsi in interazioni polari con le teste idrofile, mentre le proteine ​​che attraversano completamente o parzialmente il doppio strato possiedono amminoacidi idrofobici che interagiscono con l'interno lipidico non polare. Oltre a rappresentare accuratamente la meccanica della membrana, il modello del mosaico fluido ha fatto avanzare la comprensione delle forze idrofobiche, che successivamente sono diventate un vincolo descrittivo cruciale per la caratterizzazione delle macromolecole biologiche.

Per molti secoli, gli scienziati hanno discusso il significato della struttura da loro osservata come membrana cellulare. Per quasi due secoli, le membrane furono visibili ma in gran parte ignorate come un importante componente cellulare con ruoli funzionali. Fu solo nel XX secolo che l'importanza della membrana cellulare venne riconosciuta. Nel 1925, gli scienziati Gorter e Grendel fecero la scoperta fondamentale che la membrana è "a base di lipidi". Questa intuizione li ha portati a proporre che la struttura debba essere disposta in una formazione a strati. Ulteriori indagini, che prevedevano un confronto tra l'area superficiale totale delle cellule e l'area superficiale dei lipidi, hanno prodotto un rapporto stimato di 2:1, stabilendo così la base iniziale per la struttura a doppio strato oggi riconosciuta. Questa scoperta rivoluzionaria ha stimolato numerosi nuovi studi a livello globale in varie discipline scientifiche, consolidando l'accettazione diffusa della struttura e delle funzioni della membrana cellulare.

La struttura è stata riferita da vari autori con termini diversi, tra cui ectoplasto (de Vries, 1885), Plasmahaut (pelle plasmatica, Pfeffer, 1877, 1891), Hautschicht (strato cutaneo, Pfeffer, 1886; usato con significato distinto da Hofmeister, 1867), membrana plasmatica (Pfeffer, 1900), membrana plasmatica, membrana citoplasmatica, involucro cellulare e membrana cellulare. Alcuni ricercatori che dubitavano dell'esistenza di un confine permeabile funzionale sulla superficie cellulare preferivano il termine plasmalemma (coniato da Mast, 1924) per denotare la regione esterna della cellula.

Composizione

Le membrane cellulari comprendono una vasta gamma di molecole biologiche, prevalentemente lipidi e proteine. La loro composizione non è statica ma si adatta dinamicamente per mantenere la fluidità e rispondere ai cambiamenti ambientali, anche fluttuando tra le diverse fasi dello sviluppo cellulare. Ad esempio, il contenuto di colesterolo nelle membrane cellulari dei neuroni primari umani varia e questa alterazione compositiva influenza la fluidità della membrana durante le fasi di sviluppo.

Il materiale viene incorporato o rimosso dalla membrana attraverso una varietà di meccanismi:

• L'esocitosi, la fusione delle vescicole intracellulari con la membrana cellulare, facilita sia l'espulsione del contenuto vescicolare che l'integrazione dei componenti della membrana della vescicola nella membrana plasmatica. Al contrario, l'endocitosi comporta la formazione di invaginazioni della membrana, o bolle, attorno al materiale extracellulare, che successivamente si staccano per formare nuove vescicole.
• Quando una membrana mostra continuità con una struttura tubolare composta da materiale di membrana simile, le sostanze provenienti dal tubo possono essere continuamente assimilate nella membrana.
• Nonostante la bassa concentrazione di componenti della membrana nella fase acquosa, attribuibile alla loro limitata solubilità in acqua, avviene uno scambio molecolare dinamico tra l'ambiente lipidico e quello acquoso.

Lipidi

Le membrane cellulari sono composte da tre classi primarie di lipidi anfipatici: fosfolipidi, glicolipidi e steroli. Le proporzioni relative di questi lipidi variano a seconda del tipo cellulare; tuttavia, i fosfolipidi costituiscono tipicamente la classe più abbondante, superando spesso il 50% del contenuto lipidico totale nelle membrane plasmatiche. I glicolipidi rappresentano una frazione minore, circa il 2%, mentre gli steroli costituiscono la parte rimanente. Mentre gli studi sui globuli rossi indicano che i lipidi costituiscono il 30% della loro membrana plasmatica, le membrane plasmatiche della maggior parte delle cellule eucariotiche sono generalmente composte da proporzioni approssimativamente uguali di lipidi e proteine ​​in peso.

Le catene grasse aciliche all'interno dei fosfolipidi e dei glicolipidi possiedono tipicamente un numero pari di atomi di carbonio, comunemente compreso tra 16 e 20, con predominanza di acidi grassi a 16 e 18 atomi di carbonio. Questi acidi grassi possono essere saturi o insaturi, con gli acidi grassi insaturi che mostrano quasi invariabilmente una configurazione "cis" per i loro doppi legami. Sia la lunghezza che il grado di insaturazione di queste catene di acidi grassi influenzano significativamente la fluidità della membrana. I lipidi insaturi introducono pieghe che impediscono l'impaccamento stretto degli acidi grassi, abbassando così la temperatura di fusione della membrana e di conseguenza aumentandone la fluidità. Il meccanismo biologico mediante il quale alcuni organismi regolano la fluidità delle loro membrane cellulari attraverso modifiche nella composizione lipidica è chiamato adattamento omeoviscoso.

L'integrità della membrana è mantenuta da interazioni non covalenti tra le code idrofobiche dei suoi lipidi costituenti; tuttavia, la sua struttura rimane altamente fluida anziché rigidamente fissa. In condizioni fisiologiche, le molecole di fosfolipidi all'interno della membrana cellulare esistono in uno stato cristallino liquido, consentendo la libera diffusione e un rapido movimento laterale all'interno dei rispettivi lembi a doppio strato. Al contrario, la traslocazione delle molecole fosfolipidiche tra i lembi intracellulari ed extracellulari del doppio strato è un processo considerevolmente lento. I microdomini arricchiti di colesterolo, come le zattere lipidiche e le caveole, rappresentano regioni specializzate all’interno della membrana cellulare. Inoltre, un sottoinsieme di lipidi che interagiscono direttamente con le proteine ​​integrali della membrana, formando uno strato strettamente legato attorno alla superficie proteica, è designato come guscio lipidico anulare, che funziona come componente integrale del complesso proteico.

Il colesterolo è tipicamente distribuito in misura variabile attraverso le membrane cellulari, occupando gli spazi interstiziali irregolari tra le code idrofobiche dei lipidi di membrana. In questa posizione conferisce un effetto irrigidente e rinforzante alla membrana. La concentrazione di colesterolo nelle membrane biologiche mostra una notevole variabilità tra diversi organismi, tipi di cellule e persino all’interno delle singole cellule. Essendo un costituente significativo delle membrane plasmatiche, il colesterolo svolge un ruolo cruciale nella regolazione della fluidità complessiva della membrana, controllando così la mobilità dei vari componenti della membrana in modo dipendente dalla concentrazione. A temperature elevate, il colesterolo limita il movimento delle catene di acidi grassi fosfolipidici, portando ad una diminuzione della permeabilità alle piccole molecole e ad una ridotta fluidità della membrana. Al contrario, a temperature più basse, la produzione e la concentrazione di colesterolo sono aumentate. In condizioni di freddo, il colesterolo interrompe le interazioni della catena degli acidi grassi, agendo efficacemente come antigelo per mantenere la fluidità della membrana. Di conseguenza, il colesterolo è più diffuso negli organismi adattati agli ambienti freddi rispetto a quelli dei climi caldi. Nelle piante, che non sintetizzano il colesterolo, i composti strutturalmente correlati noti come steroli svolgono un'analoga funzione regolatrice.

Fosfolipidi che formano vescicole lipidiche

Le vescicole lipidiche, note anche come liposomi, sono compartimenti sferici incapsulati da un doppio strato lipidico. Queste strutture fungono da strumenti di laboratorio per studiare l’impatto cellulare di varie sostanze chimiche, facilitando la consegna diretta alle cellule e offrendo approfondimenti sulla permeabilità della membrana cellulare. La formazione di vescicole lipidiche e liposomi comporta la sospensione di un lipide in una soluzione acquosa, seguita dalla sonicazione per agitare la miscela, che induce la formazione di vescicole. La quantificazione della velocità di efflusso dall'interno della vescicola alla soluzione circostante consente ai ricercatori di chiarire le caratteristiche di permeabilità della membrana. Le vescicole possono incapsulare molecole e ioni specifici formandoli in soluzioni contenenti le sostanze bersaglio. Inoltre, le proteine ​​possono essere integrate nella membrana solubilizzandole con detergenti e successivamente incorporandole nella struttura fosfolipidica durante la formazione dei liposomi. Tali preparati offrono una preziosa piattaforma sperimentale per studiare diverse funzioni delle proteine di membrana.

Carboidrati

Le membrane plasmatiche incorporano carboidrati, principalmente sotto forma di glicoproteine, insieme ad alcuni glicolipidi come cerebrosidi e gangliosidi. Negli eucarioti, i carboidrati sono fondamentali per il riconoscimento cellula-cellula, poiché risiedono sulla superficie cellulare per facilitare l'identificazione delle cellule ospiti e lo scambio di informazioni. I virus sfruttano questi recettori per l’attaccamento cellulare, portando all’infezione. Le membrane intracellulari generalmente mancano di glicosilazione; questa modifica, invece, avviene prevalentemente sulla superficie extracellulare della membrana plasmatica. Il glicocalice costituisce una caratteristica significativa di tutte le cellule, in particolare delle cellule epiteliali dotate di microvilli. Prove emergenti indicano il coinvolgimento del glicocalice in processi quali l'adesione cellulare, l'homing dei linfociti e numerose altre funzioni cellulari. La struttura portante degli zuccheri subisce modifiche all'interno dell'apparato del Golgi, risultando nel galattosio come penultimo zucchero e nell'acido sialico come zucchero terminale. L'acido sialico possiede una carica negativa, stabilendo così una barriera esterna contro le particelle cariche.

Proteine

Le membrane cellulari presentano un contenuto proteico sostanziale, che in genere costituisce circa il 50% del volume della membrana. Queste proteine ​​sono vitali per la funzione cellulare, poiché mediano diverse attività biologiche. Nel lievito, circa un terzo dei geni codifica specificatamente per proteine ​​di membrana, e questa proporzione è ancora maggiore negli organismi multicellulari. Le proteine ​​di membrana sono classificate in tre classi principali: proteine ​​integrali, proteine ​​periferiche e proteine ​​ancorate ai lipidi.

Le proteine ​​integrali sono caratterizzate come proteine ​​transmembrana anfipatiche. Esempi illustrativi di proteine ​​integrali comprendono canali ionici, pompe protoniche e recettori accoppiati a proteine ​​G. I canali ionici facilitano la diffusione degli ioni inorganici, inclusi sodio, potassio, calcio o cloruro, lungo i loro gradienti elettrochimici attraverso il doppio strato lipidico attraverso i pori idrofili. Le proprietà elettriche delle cellule, come i neuroni, sono regolate da canali ionici. Le pompe protoniche sono proteine ​​integrali di membrana incorporate nel doppio strato lipidico, che consentono la traslocazione dei protoni attraverso la membrana attraverso il trasferimento sequenziale tra le catene laterali degli amminoacidi. Queste pompe sono essenziali per processi come il trasporto degli elettroni e la sintesi di ATP. Un recettore accoppiato a proteine ​​G (GPCR) è costituito da una singola catena polipeptidica che attraversa il doppio strato lipidico sette volte, mediando le risposte a varie molecole segnale, come ormoni e neurotrasmettitori. I GPCR sono coinvolti in processi cellulari critici, tra cui la segnalazione cellula-cellula, la modulazione della produzione di AMP ciclico e la regolazione dell'attività dei canali ionici.

Data la sua esposizione all'ambiente extracellulare, la membrana cellulare funge da luogo cruciale per la comunicazione cellula-cellula. Di conseguenza, la sua superficie ospita una vasta gamma di recettori proteici e proteine ​​di identificazione, compresi gli antigeni. Ulteriori funzioni delle proteine ​​di membrana comprendono l'adesione cellula-cellula, il riconoscimento della superficie, l'interazione con il citoscheletro, la trasduzione del segnale, la catalisi enzimatica e il trasporto di sostanze attraverso la membrana.

La maggior parte delle proteine ​​di membrana necessita dell'inserimento nella membrana. Questo processo è avviato da una sequenza segnale N-terminale di aminoacidi, che indirizza le proteine ​​al reticolo endoplasmatico per l'inserimento nel doppio strato lipidico. Dopo l'inserimento, queste proteine vengono successivamente trasportate alle loro destinazioni finali tramite vescicole, che poi si fondono con le membrane bersaglio appropriate.

Funzione

La membrana cellulare racchiude il citoplasma delle cellule viventi, separando così fisicamente i costituenti intracellulari dall'ambiente esterno. Inoltre, la membrana cellulare è determinante nell'ancoraggio del citoscheletro, che conferisce integrità strutturale alla cellula, e nel facilitare le connessioni con la matrice extracellulare e altre cellule per formare tessuti coesivi. Oltre alla membrana cellulare, i funghi, i batteri, la maggior parte degli archaea e le piante possiedono una parete cellulare, che offre supporto meccanico e impedisce l'ingresso di molecole più grandi.

Caratterizzata da permeabilità selettiva, la membrana cellulare regola meticolosamente l'ingresso e l'uscita delle sostanze, consentendo così il trasporto di materiali essenziali per la vitalità cellulare. La traslocazione delle sostanze attraverso questa membrana avviene attraverso due meccanismi primari: il trasporto passivo, che procede senza dispendio energetico cellulare, e il trasporto attivo, che richiede l'utilizzo dell'energia da parte della cellula per il trasporto del materiale. Inoltre, la membrana è fondamentale per mantenere il potenziale elettrico della cellula. Di conseguenza, la membrana cellulare funziona come un filtro discernente, consentendo il passaggio solo di entità specifiche dentro o fuori la cellula. La cellula impiega vari meccanismi di trasporto che coinvolgono le membrane biologiche:

1. L'osmosi passiva e la diffusione rappresentano modalità di trasporto chiave. Alcune piccole molecole e ioni, tra cui l'anidride carbonica (CO₂) e l'ossigeno (O₂), attraversano la membrana plasmatica attraverso la diffusione, una forma di trasporto passivo. Dato il ruolo della membrana come barriera selettiva, molecole e ioni specifici possono presentare concentrazioni differenziali sulle sue due superfici. La diffusione comporta il movimento spontaneo di piccole molecole e ioni da un'area a concentrazione maggiore a una a concentrazione minore, con l'obiettivo di raggiungere l'equilibrio attraverso la membrana. Questo processo è classificato come trasporto passivo perché opera senza apporto di energia, guidato esclusivamente dal gradiente di concentrazione stabilito attraverso la membrana. Un gradiente di concentrazione attraverso una membrana semipermeabile stimola anche il flusso osmotico dell'acqua. In contesti biologici, l'osmosi comporta il movimento di un solvente, tipicamente acqua, attraverso una membrana semipermeabile, analogamente alla diffusione passiva, poiché il solvente segue il suo gradiente di concentrazione senza richiedere energia. Sebbene l'acqua sia il solvente cellulare predominante, anche altri liquidi, liquidi supercritici e gas possono funzionare in questa capacità.
2. I canali e i trasportatori delle proteine transmembrana sono parte integrante del trasporto cellulare. Queste proteine ​​si estendono sul doppio strato lipidico delle membrane, operando su entrambi i lati per facilitare la traslocazione delle molecole. I nutrienti essenziali, come zuccheri e aminoacidi, devono entrare nella cellula, mentre specifici sottoprodotti metabolici devono essere espulsi. Tali molecole possono subire una diffusione passiva attraverso canali proteici, come le acquaporine nella diffusione facilitata, o essere pompate attivamente attraverso la membrana da trasportatori transmembrana specializzati. Le proteine ​​canale proteico, note anche come permeasi, mostrano tipicamente un'elevata specificità, riconoscendo e trasportando solo una gamma ristretta di sostanze chimiche, spesso limitate a un singolo composto. I recettori sulla superficie cellulare rappresentano un'altra classe di proteine transmembrana, consentendo alle molecole di segnalazione cellulare di mediare la comunicazione intercellulare.
3. L'endocitosi descrive il meccanismo cellulare per assorbire le molecole attraverso l'inghiottimento. Questo processo inizia con la formazione della membrana plasmatica verso l'interno, denominata invaginazione, che incapsula la sostanza destinata al trasporto. Questa invaginazione è avviata dalle proteine ​​della membrana cellulare esterna che funzionano come recettori, raggruppandosi in depressioni che successivamente stimolano l'aggregazione di ulteriori proteine ​​e lipidi sulla faccia citosolica della membrana. Il segmento deformato si stacca quindi dalla superficie interna della membrana, formando una vescicola che racchiude la sostanza interiorizzata. L'endocitosi funge da percorso per l'internalizzazione di particelle solide (fagocitosi o "mangiamento di cellule"), piccole molecole e ioni (pinocitosi o "mangiamento di cellule") e macromolecole. Poiché l'endocitosi richiede un dispendio energetico, è classificata come una forma di trasporto attivo.
4. L'esocitosi comporta la fusione della membrana di una vescicola con la membrana plasmatica, rilasciando il suo contenuto nello spazio extracellulare. Questo processo serve molteplici funzioni cellulari, inclusa l'eliminazione dei rifiuti non digeriti dall'endocitosi, la secrezione di sostanze come ormoni ed enzimi e il trasporto transcellulare di materiali attraverso le barriere cellulari. Durante l'esocitosi, un vacuolo alimentare contenente rifiuti o una vescicola secretoria, tipicamente originati dall'apparato di Golgi, viene trasportato dal citoscheletro dall'interno della cellula alla sua superficie. Al contatto con la membrana plasmatica, le molecole lipidiche di entrambi i doppi strati si riorganizzano, portando alla fusione della membrana. All'interno della membrana fusa si forma un passaggio transitorio, che consente alla vescicola di scaricare il suo contenuto all'esterno della cellula.

Procarioti

I procarioti sono classificati in due domini primari: Archaea e Batteri, con questi ultimi ulteriormente suddivisi in tipi gram-positivi e gram-negativi. I batteri Gram-negativi possiedono sia una membrana plasmatica che una membrana esterna, separate da uno spazio periplasmatico, mentre altri procarioti presentano tipicamente solo una membrana plasmatica. Questi due tipi di membrana presentano differenze strutturali e compositive significative. La membrana esterna dei batteri gram-negativi si distingue dalle altre membrane procariotiche per il suo strato esterno, composto da lipopolisaccaridi, e il suo strato interno, formato da lipoproteine ​​e fosfolipidi. Questa membrana esterna spesso mostra una natura porosa a causa della presenza di proteine ​​integrali di membrana, come le porine, che creano canali. In contrasto con la membrana plasmatica interna generalmente simmetrica, la membrana esterna è asimmetrica, in parte a causa della distribuzione di queste proteine.

La fluidità delle membrane procariotiche è influenzata da diversi fattori, tra cui la composizione degli acidi grassi è un determinante primario. Ad esempio, quando Staphylococcus aureus è stato coltivato a 37 °C per 24 ore, la sua membrana ha mostrato uno stato più fluido piuttosto che una consistenza gelatinosa. Questa osservazione supporta il principio secondo cui le membrane sono più fluide a temperature più elevate rispetto a condizioni più fredde. Per stabilizzare una membrana che sta diventando eccessivamente fluida, la cellula tipicamente sintetizza catene di acidi grassi più lunghe o più sature.

Le cellule batteriche sono avvolte da una parete cellulare composta principalmente da peptidoglicano, un polimero di aminoacidi e zuccheri. Sebbene alcune cellule eucariotiche possiedano anche pareti cellulari, nessuna è costituita da peptidoglicano. La membrana esterna dei batteri gram-negativi è particolarmente ricca di lipopolisaccaridi, che sono molecole complesse che combinano poli- o oligosaccaridi con saccarolipidi, noti per stimolare l'immunità innata della cellula ospite. In condizioni di stress o durante le interazioni con le cellule bersaglio dell'ospite, in particolare quando è richiesta la virulenza, questa membrana esterna può formare sporgenze periplasmatiche o "vesciche", che possono funzionare come organelli di virulenza. Le cellule batteriche esemplificano i diversi adattamenti delle membrane cellulari procariotiche, caratterizzate da strutture adattate alla nicchia ecologica specifica dell'organismo. Ad esempio, le proteine superficiali su alcune cellule batteriche facilitano la loro motilità di scorrimento e molti batteri gram-negativi possiedono membrane cellulari dotate di sistemi di esportazione di proteine guidati da ATP.

Strutture

Modello di mosaico fluido

Il modello del mosaico fluido, proposto da S. J. Singer e G. L. Nicolson nel 1972 come successore del precedente modello di Davson e Danielli, concettualizza le membrane biologiche come un liquido bidimensionale in cui le molecole di lipidi e proteine possono diffondersi con vari gradi di facilità. Sebbene i doppi strati lipidici, che costituiscono la struttura fondamentale delle membrane, si comportino intrinsecamente come liquidi bidimensionali, la membrana plasmatica incorpora anche una sostanziale quantità di proteine ​​che contribuiscono ad un’ulteriore organizzazione strutturale. Esempi di tali elementi strutturali includono complessi proteina-proteina, nonché "picchetti" e "recinzioni" formati dal citoscheletro a base di actina e potenzialmente zattere lipidiche.

Doppio strato lipidico

I doppi strati lipidici si autoassemblano spontaneamente, comprendendo principalmente un sottile strato di fosfolipidi anfipatici. Questi fosfolipidi si dispongono in modo tale che le loro regioni idrofobiche della "coda" siano sequestrate dall'ambiente acquoso, mentre le loro regioni idrofile della "testa" si impegnano sia con le facce intracellulari (citosoliche) che extracellulari del doppio strato sferico continuo risultante. Le interazioni idrofobiche, chiamate anche effetto idrofobico, costituiscono l’impulso energetico primario per la formazione del doppio strato lipidico. Le interazioni migliorate tra le molecole idrofobiche, che portano al loro raggruppamento, facilitano legami più liberi tra le molecole d'acqua, aumentando così l'entropia del sistema. Questo intricato processo coinvolge varie interazioni non covalenti, tra cui le forze di van der Waals, le interazioni elettrostatiche e i legami idrogeno.

I doppi strati lipidici tipicamente mostrano impermeabilità agli ioni e alle molecole polari. L’orientamento specifico delle teste idrofile e delle code idrofobe all’interno del doppio strato lipidico impedisce efficacemente la diffusione di soluti polari, come aminoacidi, acidi nucleici, carboidrati, proteine ​​e ioni, attraverso la membrana. Al contrario, le molecole idrofobe generalmente subiscono una diffusione passiva. Questa permeabilità selettiva consente alla cellula di regolare con precisione la traslocazione di queste sostanze attraverso complessi proteici transmembrana specializzati, inclusi pori, canali e porte. Inoltre, le flippasi e le scramblasi facilitano la concentrazione della fosfatidilserina carica negativamente sul lembo della membrana interna. Questo, insieme a NANA, stabilisce un'ulteriore barriera elettrostatica contro il passaggio di porzioni cariche attraverso la membrana.

Le membrane cellulari svolgono una moltitudine di funzioni sia negli organismi eucariotici che procariotici. Un ruolo fondamentale riguarda la regolazione dell'ingresso e dell'uscita delle sostanze dalle cellule. La struttura del doppio strato fosfolipidico, concettualizzata dal modello del mosaico fluido e integrata con specifiche proteine ​​di membrana, è alla base della permeabilità selettiva della membrana e della sua capacità di meccanismi di trasporto sia passivi che attivi. Inoltre, nelle cellule procariotiche, così come nei mitocondri e nei cloroplasti degli eucarioti, le membrane sono fondamentali per facilitare la sintesi di ATP tramite chemiosmosi.

Polarità della membrana

In una cellula polarizzata, la membrana apicale, nota anche come membrana luminale, costituisce la superficie della membrana plasmatica orientata verso il lume. Questa caratteristica è osservata in modo prominente nelle cellule epiteliali ed endoteliali e si applica anche ad altri tipi di cellule polarizzate, come i neuroni. Al contrario, la membrana basolaterale, o membrana cellulare basolaterale, rappresenta la superficie della membrana plasmatica che forma i confini basale e laterale della cellula, rivolta esternamente verso l'interstizio e lontano dal lume. Il termine "membrana basolaterale" è un composito, che fa riferimento alla "membrana basale (base)" e alla "membrana laterale (laterale)" che, in particolare nelle cellule epiteliali, mostrano composizione e attività funzionale identiche. Coerentemente con il modello del mosaico fluido, le proteine, compresi i canali ionici e le pompe, possono traslocare liberamente tra le superfici basali e laterali della cellula. Le giunzioni strette, situate vicino alla superficie apicale delle cellule epiteliali, servono a impedire la migrazione delle proteine dalla membrana basolaterale alla membrana apicale, garantendo così che le superfici basale e laterale rimangano funzionalmente equivalenti ma distinte dal dominio apicale.

Strutture di membrana

La membrana cellulare è in grado di formare varie strutture "supramembrana", tra cui caveole, densità postsinaptiche, podosomi, invadopodi, adesioni focali e diversi tipi di giunzioni cellulari. Queste strutture specializzate mediano principalmente processi cellulari cruciali come l'adesione, la comunicazione intercellulare, l'endocitosi e l'esocitosi. La loro composizione coinvolge proteine specifiche, in particolare integrine e caderine, e possono essere visualizzate attraverso tecniche come la microscopia elettronica o la microscopia a fluorescenza.

Citoscheletro

Situato sotto la membrana cellulare all'interno del citoplasma, il citoscheletro funge da impalcatura strutturale per l'ancoraggio delle proteine ​​di membrana e facilita la formazione di estensioni cellulari. I componenti citoscheletrici mostrano interazioni estese e complesse con la membrana cellulare. Questo meccanismo di ancoraggio confina le proteine ​​su superfici cellulari specifiche, come la superficie apicale delle cellule epiteliali dell’intestino dei vertebrati, limitando così la loro diffusione laterale all’interno del doppio strato lipidico. Inoltre, il citoscheletro genera organelli simili ad appendici, tra cui ciglia (estensioni a base di microtubuli avvolte dalla membrana cellulare) e filopodi (estensioni a base di actina). Queste sporgenze rivestite da membrana si estendono dalla superficie cellulare, consentendo il rilevamento ambientale e/o facilitando il contatto con substrati o altre cellule. Le superfici apicali delle cellule epiteliali sono caratterizzate da un'elevata densità di microvilli simili a dita, a base di actina, che aumentano la superficie cellulare, migliorando di conseguenza l'assorbimento dei nutrienti. Il distacco localizzato del citoscheletro dalla membrana cellulare porta alla formazione di vescicole.

Membrane intracellulari

L'interno cellulare, racchiuso dalla membrana cellulare, comprende numerosi organelli legati alla membrana, ciascuno dei quali contribuisce alla funzionalità complessiva della cellula. Le origini, le strutture e le funzioni distinte di questi organelli introducono una variabilità significativa nella composizione cellulare, riflettendo le caratteristiche uniche di ciascuno.

• Si ipotizza che i mitocondri e i cloroplasti si siano evoluti dai batteri, un concetto centrale nella teoria endosimbiotica. Questa teoria è supportata da somiglianze funzionali tra alcuni batteri, come Paracoccus e Rhodopseudomonas, e i mitocondri, nonché tra cianobatteri (alghe blu-verdi) e cloroplasti. La teoria endosimbiotica presuppone che, nel corso del tempo evolutivo, una cellula eucariotica abbia inghiottito questi precursori batterici, portando alla creazione di mitocondri e cloroplasti all'interno delle cellule eucariotiche. Questo evento di inghiottimento ha provocato i caratteristici sistemi a doppia membrana di questi organelli, dove la membrana esterna derivava dalla membrana plasmatica dell'ospite e la membrana interna aveva origine dalla membrana plasmatica dell'endosimbionte. La presenza di DNA indipendente sia all'interno dei mitocondri che dei cloroplasti fornisce ulteriori prove della loro evoluzione da batteri fagocitati che si stabilirono con successo all'interno di un ospite eucariotico.
• All'interno delle cellule eucariotiche, la membrana nucleare delinea il nucleo dal citoplasma. Composto da membrane interne ed esterne, l'involucro nucleare regola rigorosamente il passaggio delle sostanze dentro e fuori dal nucleo. Il trasporto tra il citosol e il nucleo avviene attraverso i pori nucleari incorporati nella membrana nucleare. Una maggiore attività trascrizionale all'interno del nucleo è correlata ad una maggiore densità dei pori nucleari. Il complemento proteico del nucleo può differire significativamente da quello del citosol, poiché molte proteine ​​non possono attraversare i pori nucleari per semplice diffusione. Le membrane interna ed esterna dell'involucro nucleare mostrano composizioni proteiche distinte; in particolare, solo la membrana esterna è continua con la membrana del reticolo endoplasmatico (ER). Similmente al RE, la membrana nucleare esterna è costellata di ribosomi, che sintetizzano e traslocano le proteine ​​nello spazio intermembrana. La membrana nucleare subisce un disassemblaggio durante le fasi iniziali della mitosi e successivamente si rimonta nelle fasi successive.
• Il reticolo endoplasmatico (ER), un componente integrale del sistema endomembrana, costituisce una parte sostanziale del contenuto totale della membrana cellulare. Questa rete chiusa di tubuli e sacche funziona principalmente nella sintesi proteica e nel metabolismo dei lipidi. Esistono due tipi distinti di RE: RE liscio e RE ruvido. Il RE ruvido è caratterizzato da ribosomi attaccati, che sono cruciali per la sintesi proteica, mentre il RE liscio è prevalentemente coinvolto nella disintossicazione dalle tossine e nella regolazione del calcio intracellulare.
• L'apparato del Golgi è caratterizzato da sacche appiattite e interconnesse delimitate da membrana note come cisterne. I suoi vari compartimenti stabiliscono intricate reti tubolare-reticolari che facilitano l'organizzazione, la connettività dello stack e il trasporto delle merci. Queste reti sono spesso associate a filamenti continui di vescicole, tipicamente di diametro compreso tra 50 e 60 nm. Strutturalmente, l'apparato è organizzato in tre compartimenti primari, ciascuno composto da cisterne piatte a forma di disco, reti tubolare-reticolari e vescicole associate.

Variazioni

Le membrane cellulari mostrano diverse composizioni lipidiche e proteiche nei vari tipi di cellule, portando a una nomenclatura specializzata per contesti cellulari specifici.

• Il sarcolemma, la membrana cellulare specializzata delle cellule muscolari, condivide somiglianze strutturali con altre membrane cellulari ma possiede attributi funzionali distinti. Svolge un ruolo cruciale nella trasmissione dei segnali sinaptici, facilitando la generazione di potenziali d'azione e partecipando attivamente alla contrazione muscolare. Una caratteristica distintiva del sarcolemma è la formazione di tubuli T, piccoli canali che attraversano l'intera cellula muscolare. Inoltre, il sarcolemma misura tipicamente 10 nm di spessore, notevolmente maggiore dello spessore medio di 4 nm di una membrana cellulare generale.
• L'oolemma, che costituisce la membrana cellulare di un ovocita (cellula uovo immatura), si discosta dalla tipica struttura del doppio strato lipidico, poiché è privo di doppio strato lipidico e non è composto da lipidi. La sua architettura comprende invece un involucro interno di fecondazione e una zona pellucida esterna (o membrana vitellina nelle specie non mammiferi), costituita da glicoproteine. Nonostante questa divergenza strutturale, i canali funzionali e le proteine rimangono parte integrante dell'oolemma.
• L'axolemma è la membrana plasmatica specializzata che avvolge gli assoni delle cellule nervose, principalmente responsabile dell'avvio dei potenziali d'azione. Questa membrana presenta un doppio strato lipidico granulare e densamente imballato che si associa in modo intricato con elementi citoscheletrici come la spettrina e l'actina. Questi componenti citoscheletrici sono in grado di legarsi e interagire con le proteine transmembrana incorporate nell'axolemma.

Permeabilità

La permeabilità della membrana si riferisce alla velocità con cui le molecole si diffondono passivamente attraverso una membrana; queste molecole sono chiamate molecole permeanti. La permeabilità è influenzata principalmente dalla carica elettrica e dalla polarità della molecola, mentre la massa molare gioca un ruolo secondario. Dato il carattere idrofobo della membrana cellulare, le molecole piccole ed elettricamente neutre la attraversano più facilmente rispetto alle molecole più grandi e cariche. Il passaggio limitato di molecole cariche attraverso la membrana cellulare contribuisce alla ripartizione del pH di varie sostanze all'interno dei compartimenti fluidi del corpo.

Note e riferimenti

Note e riferimenti

Lipidi, membrane e traffico di vescicole – La biblioteca virtuale di biochimica e biologia cellulare

• Lipidi, membrane e traffico di vescicole – La biblioteca virtuale di biochimica e biologia cellulare
• Protocollo di estrazione delle proteine della membrana cellulare
• Omeostasi della membrana, regolazione della tensione, scambio di membrana meccanosensibile e traffico di membrana
• Strutture tridimensionali delle proteine associate alla membrana plasmatica delle cellule eucariotiche
• Composizione lipidica e proteine di membrane eucariotiche selezionate
• Cellule procariotiche ed eucariotiche