Membrana Cellulare

La membrana cellulare è molto importante perchè definisce i confini cellulari mantenendo importanti differenze tra l’ambiente citoplasmatico e l’ambiente extracellulare, i suoi gradienti ionici possono essere utilizzati per una serie di processi di vitale importanza, inoltre sono presenti recettori per diversi ormoni e fattori di crescita, molecole che servono per indurre la moltiplicazione ed il differenziamento cellulare, consentendo alla cellula di rispondere agli stimoli ambientali.

In generale le membrane biologiche hanno una struttura comune, detta modello a mosaico fluido, in cui sono costituite da un doppio strato di lipidi e proteine tenuti insieme da legami covalenti e non covalenti, in modo che la struttura sia particolarmente fluida, per far si che le proteine ed i lipidi presenti possano muoversi con facilità, senza gran dispendi energetici.

I lipidi presenti nel doppio strato hanno prevalentemente una funzione strutturale, mentre le proteine intercalate in questo strato hanno esclusivamente un ruolo funzionale. Il doppio strato lipidico è costituito da circa il 50 % di lipidi ed il 50 % da proteine, ma non sempre così, ad esempio a livello delle cellule di Schwann sono presenti più lipidi mentre a livello della membrana mitocondriale sono presenti numerose proteine enzimatiche, tipo le ATPsintetasi e le proteine appartenenti alla catena respiratoria.

I fosfolipidi di membrana sono caratterizzati da una testa polare idrofilica e due code apolari idrofobiche, che differiscono in lunghezza e per la presenza di doppi legami. Immersi in un ambiente polare, questi fosfolipidi tendono a formare un doppio strato lipidico che tende a richiudersi, che rappresenta proprio la struttura delle membrane biologiche. Altre particolari disposizioni dette “a micella”, si dispongono secondo una sfera con le teste polari esterne e le code idrofobe interne, disegnando all’interno un ambiente non acquoso. I fosfolipidi possono muoversi attraverso movimenti di diffusione laterale, di rotazione attorno al proprio asse, di flessione delle catene idrocarburiche e di flip flop, quest’ultimo che accade molto raramente e di solito avviene quando vengono attivati i processi di apoptosi.

Il colesterolo è un altro lipide molto importante presente a livello delle membrane biologiche, in particolare è formato da una testa polare, da quattro anelli planari e da una coda idrocarburica. Esso diminuisce la permeabilità di membrana a piccole molecole idrosolubili ed aumenta la rigidità del doppio strato lipidico.

I fosfolipidi di membrana più rappresentati sono la fosfatidiletanolammina, la fosfatidilserina, la fosfatidilcolina e la sfingomielina, ma di questi fosfolipidi più rappresentativi, abbiamo che la fosfatidilcolina e la sfingomielina sono più rappresentate nel versante esterno mentre fosfatidilserina e fosfatidiletanolammina sono più rappresentati sull’ambiente interno. È importante infatti che la composizione membranosa che guarda verso l’ambiente extracellulare sia costantentemente diversa dalla composizione del foglietto sul citoplasma, è importante l’asimmetria del doppio strato lipidico. Ad esempio la fosfatidilserina è una importante molecola recettoriale interna per l’enzima protein-cinasi, mentre gli inositoli sono molecole che hanno una funzione segnalatoria e sono sempre presenti sulla faccia interna della membrana. I glicolipidi di membrana più rappresentati sono i gangliosidi, i cerebrosidi (presenti soprattutto a livello del sistema nervoso centrale) e l’acido sialico. Questi glicolipidi sono presenti esclusivamente sul foglietto esterno della membrana cellulare, e sono coinvolti nei processi di riconoscimento tra due cellule.

Per quanto riguarda le proteine di membrana, esse si suddividono in proteine integrali (interagiscono covalentemente con la membrana cellulare) e proteine periferiche (interagiscono non covalentenemente con altre proteine di membrana).

Le proteine integrali possono essere proteine transmembrana che presentano una o più porzioni transmembrana che attraversano interamente la membrana cellulare, ad α-elica o a β-foglietto, oppure possono essere proteine associate alla membrana con particolari ancore di glicosilfosfatidilinositolo o attraverso gruppi prenilici (tipo l’acido miristico). Le proteine transmembrana hanno particolari funzioni, tra cui quelle di essere recettori di ormoni e fattori di crescita (fattori proteici che regolano la proliferazione e la maturazione della cellula, tipo l’EGF (cellule epiteliali) e l’NGF (cellule neuronali), ques’ultimo scoperto da Rita Levi Montalcini) caratteristici per ogni tipo di cellula, dunque sono recettori specifici, solo il legame specifico scatenerà sulla cellula quella risposta specifica.

La regione di legame con il ligando si chiama regione di binding, mentre il messaggio viene poi trasmesso attraverso particolari fenomeni che avvengono nella porzione intracellulare. L’importanza del modello a mosaico fluido si nota soprattutto nelle mediazioni tra il ligando ed il recettore, nel momento in cui quest’ultimo per accogliere il ligando dimerizza (o trimerizza) per l’unione di due (o tre) proteine integrali. Altre proteine transmembrana sono le proteine canale, le proteine di trasporto (tipo la pompa Na+/K+ ATPasi) o proteine che mediano il rapporto tra due cellule o l’adesione tra cellula e matrice, tipo le integrine, che sono recettori specifici per la laminina e la fibronectina, molecole appartenenti alle matrici extracellulari. Le proteine periferiche sono legate da legami non covalenti con altre proteine integrali, ma possono venir dissociate molto facilmente dal doppio strato lipidico, senza causare modificazioni importanti a livello strutturale. Le proteine di membrana si possono muovere per rotazione e per diffusione laterale, inoltre queste proteine possono venir confinate in specifiche regioni all’interno della membrana cellulare, ad esempio da “tight junction”.

Il glicocalice è formato da tutte quelle molecole glicosilate presenti sulla membrana esterna, ovvero glicoproteine, glicolipidi e catene polisaccaridiche dei proteoglicani di membrana. È molto importante nei fenomeni di adesione e riconoscimento cellula-cellula, ad esempio quando in un recipiente di coltura assisitiamo ad un fenomeno di confluenza (il terreno di coltura è saturo di cellule): attraverso l’interazione del glicocalice smettono di moltiplicarsi, effettuano una inibizione da contatto. Il glicocalice è molto importante anche quando i granulociti neutrofili devono aderire alle cellule endoteliali perchè devono rispondere ad una particolare azione infiammatoria: le P-selectine sono proteine molto importanti nella mediazione dei rapporti tra cellule epiteliali e granulociti neutrofili, esse sono infatti in grado di rilasciare segnali che attraggono i granulociti nella zona in cui devono lavorare (le chemochine sono sostanze che attraggono queste cellule), che prima di tutto rallentano la propria velocità, poi nelle vicinanze della zona in cui devono fermarsi formano sulla membrana delle glicoproteine che vengono a contatto con le P-selectine e le integrine: si ha il cosiddetto fenomeno di ROLLING (rotolamento), che porta il granulocita a fermarsi, cambia conformazione (fenomeno di diapedesi) ed esce dall’endotelio andando a svolgere la sua funzione infiammatoria.

Anche le cellule staminali emopoietiche utilizzano queste tipo di contatto, ad esempio quando vengono trattate leucemie e linfomi, quando si utilizza il trapianto di midollo osseo. Il paziente è sottoposto a mieloablazione (distruzione del midollo osseo malato) in un ambiente sterile, poi gli si somministra midollo osseo sano e compatibile in endovena, perchè le cellule staminali emopoietiche sono attratte dalla zona del midollo osseo con segnali diversi ma analoghi a quelli che fanno rallentare i granulociti nelle vicinanze della zona infiammata, andando ad inserirsi con gli stessi movimenti dei granulociti all’interno del midollo osseo.

La membrana cellulare è selettivamente permeabile, ed è una proprietà fondamentale per il mantenimento dell’omeostasi cellulare, vista infatti la presenza di un doppio strato lipidico sono presenti particolari meccanismi di trasporto che trasportano sostanze polari attraverso questo ambiente. La membrana è permeabile innanzitutto per diffusione passiva, ovvero si ha un trasferimento di gas (CO2, N2 e O2), molecole idrofobiche e piccole molecole polari (etanolo ed acqua, sebbene quest’ultima abbia un efficienza più bassa, che può essere aumentata attraverso canali proteici di acquaporine che aumentano il passaggio di acqua) mentre non passano ioni e molecole un po’ più grosse. In questo caso la velocità di diffusione è direttamente proporzionale al gradiente di concentrazione che è presente tra il doppio strato ed alla idrofobicità della molecola che deve entrare, ma è inversamente proporzionale allo spessore della membrana plasmatica, sebbene negli eucarioti questo spessore sia praticamente sempre lo stesso.