Membrana cellulare

Le membrane situate sulla superficie cellulare sono strutture che circondano e incapsulano ogni cellula. Separano la cellula dal suo ambiente extracellulare. Le membrane possono anche circondare gli organelli all'interno della cellula, come il nucleo e l'apparato del Golgi, per separarli dal citoplasma.

Funzioni della membrana cellulare

Le membrane cellulari svolgono tre funzioni principali:

• Comunicazione cellulare
• Compartimentazione
• Regolazione del trasporto cellulare

Comunicazione cellulare

La membrana cellulare contiene componenti chiamati glicolipidi e glicoproteine, che potrai approfondire nella sezione successiva. Questi componenti possono fungere da recettori e antigeni per la comunicazione cellulare. Specifiche molecole di segnalazione si legano a questi recettori o antigeni e avviano una catena di reazioni chimiche all'interno della cellula.

Compartimentazione

Le membrane cellulari tengono separate le reazioni metaboliche incompatibili, separando il contenuto della cellula dall'ambiente extracellulare e gli organelli dall'ambiente citoplasmatico. Questa operazione è nota come compartimentazione. Ciò garantisce che ogni cellula e ogni organello possano mantenere le condizioni ottimali per le specifiche reazioni metaboliche associate ad ogni organello.

Regolazione del trasporto cellulare

Il passaggio delle molecole ed elementi che entrano ed escono dalla cellula è mediato dalla membrana della superficie cellulare. La permeabilità è la facilità con cui le molecole possono passare attraverso la membrana cellulare - la membrana cellulare è una barriera semipermeabile, il che significa che solo alcune molecole possono passare. È altamente permeabile a piccole molecole polari non caricate, come l'ossigeno e l'urea. Nel frattempo, la membrana cellulare è impermeabile alle molecole non polari grandi e cariche. Tra queste vi sono gli aminoacidi carichi. La membrana cellulare contiene anche proteine di membrana che consentono il passaggio di molecole specifiche. Approfondiremo questo aspetto nella prossima sezione.

Struttura della membrana cellulare

La struttura della membrana cellulare è più comunemente descritta come "modello a mosaico fluido". Questo modello descrive la membrana cellulare come un doppio strato di fosfolipidi contenente proteine e colesterolo distribuiti in tutto il doppio strato. La membrana cellulare è "fluida" perché i singoli fosfolipidi possono muoversi in modo flessibile all'interno dello strato e "a mosaico" perché i diversi componenti della membrana hanno forme e dimensioni diverse, e sono posizionati sia nelle superfici sia immersi all'interno della stessa membrana.

Diamo un'occhiata più da vicino ai diversi componenti.

I fosfolipidi

I fosfolipidi contengono due regioni distinte: una testa idrofila e una coda idrofoba. La testa idrofila polare interagisce con l'acqua dell'ambiente extracellulare e del citoplasma intracellulare. Nel frattempo, la coda idrofobica non polare forma un nucleo all'interno della membrana e viene respinta dall'acqua. Questo perché la coda è composta da catene di acidi grassi. Di conseguenza, il bilayer è formato da due strati di fosfolipidi.

Figura 1.

Le code degli acidi grassi possono essere sature o insature. Gli acidi grassi saturi non hanno doppi legami di carbonio. Ne risultano catene di acidi grassi dritte. Gli acidi grassi insaturi, invece, contengono almeno un doppio legame di carbonio e questo crea delle "pieghe". Queste pieghe sono leggere piegature nella catena degli acidi grassi e creano spazio tra i fosfolipidi adiacenti. Le membrane cellulari con una percentuale maggiore di fosfolipidi con acidi grassi insaturi tendono a essere più fluide, poiché i fosfolipidi sono impacchettati in modo più sciolto.

Proteine di membrana

Esistono due tipi di proteine di membrana distribuite nel doppio strato fosfolipidico:

• Proteine integrali, dette anche proteine transmembrana.
• Proteine periferiche.

Le proteine integrali si estendono per tutta la lunghezza del doppio strato fosfolipidico e sono fortemente coinvolte nel trasporto attraverso la membrana. Esistono due tipi di proteine integrali: le proteine canale e le proteine trasportatrici.

Le proteine canale, o porine, forniscono un canale idrofilo alle molecole polari, come gli ioni, per attraversare la membrana. Di solito sono coinvolte nella diffusione facilitata e nell'osmosi. Un esempio di proteina canale è il canale dello ione potassio. Questa proteina canale consente il passaggio selettivo degli ioni potassio attraverso la membrana.

Figura 2.

Le proteine di trasporto cambiano la loro forma conformazionale per consentire il passaggio delle molecole. Queste proteine sono coinvolte nella diffusione facilitata e nel trasporto attivo. Una proteina trasportatrice coinvolta nella diffusione facilitata è il trasportatore di glucosio. Questa permette il passaggio di molecole di glucosio attraverso la membrana.

Figura 3.

Le proteine periferiche sono diverse in quanto si trovano solo su un lato del doppio strato fosfolipidico, sul lato extracellulare o intracellulare. Queste proteine possono funzionare come enzimi, recettori o contribuire a mantenere la forma della cellula.

Figura 4.

Glicoproteine

Le glicoproteine sono proteine con una componente costituita da carboidrati. Le loro funzioni principali sono quelle di contribuire all'adesione cellulare e di agire come recettori per la comunicazione cellulare. Ad esempio, i recettori che riconoscono l'insulina sono glicoproteine. Ciò favorisce l'immagazzinamento del glucosio.

Figura 5.

Glicolipidi

I glicolipidi sono simili alle glicoproteine, ma sono lipidi con una componente costituita da carboidrati. Come le glicoproteine, sono ottimi per l'adesione cellulare. I glicolipidi funzionano anche come siti di riconoscimento degli antigeni. Questi antigeni possono essere riconosciuti dal sistema immunitario per determinare se la cellula appartiene a noi o a un organismo estraneo; questo processo costituisce il riconoscimento cellulare.

Gli antigeni costituiscono anche i diversi gruppi sanguigni. Ciò significa che il gruppo A, B, AB o O è determinato dal tipo di glicolipide presente sulla superficie dei globuli rossi; anche questo è un riconoscimento cellulare.

Figura 6.

Il colesterolo

Le molecole di colesterolo sono simili ai fosfolipidi in quanto presentano un'estremità idrofobica e una idrofila. Ciò consente all'estremità idrofila del colesterolo di interagire con le teste dei fosfolipidi, mentre l'estremità idrofoba del colesterolo interagisce con il nucleo fosfolipidico delle code. Il colesterolo svolge due funzioni principali:

• Impedisce all'acqua e agli ioni di fuoriuscire dalla cellula.
• Regolare la fluidità della membrana.

Il colesterolo è altamente idrofobico e questo aiuta a prevenire la fuoriuscita del contenuto della cellula. Ciò significa che l'acqua e gli ioni presenti all'interno della cellula hanno meno probabilità di fuoriuscire.

Il colesterolo impedisce anche la distruzione della membrana cellulare quando le temperature diventano troppo alte o troppo basse. A temperature più elevate, il colesterolo riduce la fluidità della membrana per evitare che si formino grandi spazi tra i singoli fosfolipidi. A temperature più basse, invece, il colesterolo impedisce la cristallizzazione dei fosfolipidi.

Figura 8.

Fattori che influenzano la struttura della membrana cellulare

In precedenza abbiamo parlato delle funzioni della membrana cellulare, tra cui la regolazione di ciò che entra ed esce dalla cellula. Per svolgere queste funzioni vitali, è necessario mantenere stabile la forma e la struttura della membrana cellulare. Esamineremo i fattori che possono influenzare questo aspetto.

I solventi

Il doppio strato fosfolipidico è disposto con le teste idrofile rivolte verso l'ambiente acquoso e le code idrofobe che formano un nucleo lontano dall'ambiente acquoso. Questa configurazione è possibile solo con l'acqua come solvente principale.

L'acqua è un solvente polare e se le cellule vengono poste in solventi meno polari, la membrana cellulare può essere perturbata. Ad esempio, l'etanolo è un solvente non polare che può dissolvere le membrane cellulari e quindi distruggere le cellule. Questo perché la membrana cellulare diventa altamente permeabile e la struttura si rompe, permettendo al contenuto della cellula di fuoriuscire.

La temperatura

Le cellule funzionano meglio alla temperatura ottimale di 37°C. A temperature più elevate, le membrane cellulari diventano più fluide e permeabili. Questo perché i fosfolipidi hanno più energia cinetica e si muovono di più. Ciò consente alle sostanze di passare più facilmente attraverso il bilayer.

Inoltre, le proteine di membrana coinvolte nel trasporto possono denaturarsi se la temperatura è sufficientemente alta. Anche questo contribuisce alla rottura della struttura della membrana cellulare.

A temperature più basse, la membrana cellulare diventa più rigida perché i fosfolipidi hanno meno energia cinetica. Di conseguenza, la fluidità della membrana cellulare diminuisce e il trasporto di sostanze viene ostacolato.

Esperimento sulla permeabilità della membrana cellulare

La betalaina è il pigmento responsabile del colore rosso della barbabietola. L'alterazione della struttura della membrana cellulare delle cellule di barbabietola provoca la fuoriuscita del pigmento betalaina nell'ambiente circostante. Le cellule di barbabietola sono ottime per studiare le membrane cellulari, quindi, in questa attività pratica, potrai sperimentare come la temperatura influisce sulla permeabilità delle membrane cellulari.

Ecco i passaggi:

Tagliare 6 pezzi di barbabietola. Assicurarsi che ogni pezzo sia di uguale dimensione e lunghezza.

1. Lavare i pezzi di barbabietola in acqua per rimuovere il pigmento dalla superficie.
2. Mettere i pezzi di barbabietola in 150 ml di acqua distillata e posizionarli in un contenitore con acqua a sufficienza e a 10ºC.
3. Aumentare la temperatura dell'acqua a intervalli di 10°C. Procedere in questo modo fino a raggiungere 80ºC.
4. Prelevare un campione di 5 ml di acqua con una pipetta 5 minuti dopo il raggiungimento di ciascuna temperatura.
5. Eseguire la lettura dell'assorbanza di ciascun campione utilizzando un colorimetro calibrato. Utilizzare un filtro blu nel colorimetro.
6. Tracciare il grafico dell'assorbanza (asse Y) rispetto alla temperatura (asse X) utilizzando i dati di assorbanza.

Figura 8.

Dal grafico di esempio riportato, possiamo concludere che tra 50-60ºC la membrana cellulare è stata danneggiata. Questo perché la lettura dell'assorbanza è notevolmente aumentata, il che significa che nel campione è presente un pigmento di betalaina che ha assorbito la luce del colorimetro. Poiché nella soluzione è presente un pigmento di betalaina, sappiamo che la struttura della membrana cellulare è stata danneggiata, rendendola altamente permeabile.

Figura 9