membrane biologiche

membrane biologiche

I filtri ‘intelligenti’ che regolano lo scambio cellulare tra esterno e interno

Le membrane biologiche circondano ogni cellula, separandola dall’ambiente esterno, e funzionano come filtri che regolano lo scambio di sostanze tra esterno e interno: le sostanze nutrienti entrano e il materiale di rifiuto esce. Le membrane sono presenti anche all’interno della cellula: in questo caso formano l’involucro di organelli cellulari, come nucleo o mitocondri, e controllano gli scambi con il citoplasma

Senza membrane non sarebbe possibile la vita cellulare

Le membrane biologiche sono un elemento fondamentale nella vita cellulare degli organismi animali e vegetali. Ogni cellula è delimitata da una membrana cellulare o plasmatica che la separa dall’ambiente circostante e che regola gli scambi tra l’interno e l’esterno. Questa funzione è essenziale per la vita della cellula e quindi dell’intero organismo, consentendo l’ingresso delle sostanze nutrienti e l’uscita dei materiali di rifiuto. All’interno della cellula ci sono altre membrane che formano l’involucro di importanti elementi cellulari: il nucleo (membrana nucleare); l’apparato del Golgi e altri organelli, come lisosomi, vacuoli, mitocondri e, nelle cellule vegetali, cloroplasti. Queste membrane regolano gli scambi tra l’interno degli organelli e il citoplasma, la sostanza gelatinosa che riempie la cellula e in cui gli organelli sono immersi.

La straordinaria struttura a doppio strato

Le membrane biologiche sono fatte soprattutto di fosfolipidi, cioè grassi (lipidi) con una struttura complessa che contiene fosforo.

Per capire la struttura dei fosfolipidi possiamo pensare a un aquilone con due lunghe code. La testa dell’aquilone rappresenta la parte del fosfolipide a cui ‘piace’ essere a contatto con l’acqua, un po’ come la testa dell’aquilone che va incontro al vento: questa parte viene detta idrofila (dal greco «che ama l’acqua»). Le code dell’aquilone, invece, sembrano essere respinte dal vento: allo stesso modo i fosfolipidi hanno due code formate da catene di acidi grassi o lipidi, che vengono respinte dall’acqua e restano dietro alle teste. Le code dei fosfolipidi, insolubili nell’acqua, preferiscono stare in un ambiente che corrisponde alla loro struttura e per questo sono chiamate lipofiliche («che amano i grassi») o anche idrofobe («che temono l’acqua»).

Per comprendere com’è organizzata la membrana biologica, immaginiamo tanti aquiloni, l’uno di fianco all’altro: le teste allineate vanno incontro al vento (cioè l’ambiente acquoso che circonda le cellule), le code, respinte, restano sospese dietro. Ma le cellule, oltre a essere immerse in un ambiente acquoso, sono piene di citoplasma, anche questo ricco di acqua. Come possono quindi le code lipofiliche, che non amano l’acqua, stare a contatto con il citoplasma? Le molecole si organizzano come su due file di aquiloni, con le teste orientate in direzione opposta. In questo modo, le code degli aquiloni, le une di fronte alle altre, saranno protette dal vento dalle due file di teste che guardano verso l’esterno. Se si prova a disegnare queste due file di aquiloni, si ottiene quello che si chiama doppio strato lipidico, la struttura fondamentale di tutte le membrane biologiche, in cui due strati di fosfolipidi sono disposti in maniera speculare, con le teste idrofiliche orientate verso gli ambienti acquosi all’esterno e all’interno della cellula.

Proteine e trasporto attivo

I fosfolipidi grazie proprio al doppio strato lipidico costituiscono uno strato continuo attorno alla cellula, una vera e propria barriera selettiva, che lascia filtrare alcune sostanze ma non altre. Alcune molecole di piccole dimensioni come l’ossigeno e l’acqua attraversano facilmente la membrana, utilizzando meccanismi semplici come la diffusione e l’osmosi.

Altre molecole, per esempio i sali o alcune sostanze organiche, attraversano la membrana grazie a meccanismi più complessi. All’interno dello strato fluido e flessibile dei fosfolipidi, si trovano molte proteine che aiutano la membrana a svolgere il proprio lavoro di filtro ‘intelligente’, così importante per la vita della cellula. Le proteine delle membrane biologiche sono diverse per forma e dimensioni: alcune possono ‘galleggiare’ sullo strato di fosfolipidi come una barca sull’acqua, entrando solo per un poco nello spessore della membrana; altre invece la attraversano da parte a parte. In alcuni casi, più proteine si raggruppano e formano canali attraverso i quali le molecole idrofiliche possono passare. Altre proteine, chiamate trasportatori, funzionano come le porte girevoli degli alberghi, permettendo l’ingresso o l’uscita di molecole come amminoacidi e zuccheri. Canali e trasportatori consentono alle sostanze di spostarsi dal lato della membrana dove sono meno concentrate verso il lato dove sono più concentrate, vale a dire di muoversi contro il gradiente (cioè la differenza) di concentrazione, in modo opposto a quanto in genere avviene (diffusione). Questo tipo di trasporto, chiamato trasporto attivo, comporta lavoro da parte della cellula che così consuma l’energia immagazzinata attraverso altri processi.

Trasportatori e canali non sono in grado, però, di fare passare molecole ancora più grandi (macromolecole), come alcune grosse proteine e zuccheri complessi, per le quali la cellula utilizza meccanismi diversi, chiamati esocitosi ed endocitosi.

Altre funzioni delle proteine di membrana

Oltre a quella di facilitare il trasporto tra esterno e interno, le proteine di membrana hanno altre funzioni: alcune di queste, chiamate enzimi, rendono più facili le reazioni chimiche utili alla vita della cellula; altre contribuiscono a rendere stabile la membrana, legandosi con una particolare struttura all’interno della cellula, chiamata citoscheletro, lo scheletro della cellula formato da proteine dotate di una certa rigidità. Altre proteine, chiamate recettori, hanno il compito di riconoscere specifiche sostanze esterne alla cellula. Quando una particolare sostanza (per esempio un ormone o un neurotrasmettitore) trova il proprio recettore sulla membrana, si lega a esso e modifica la sua forma, come una chiave che entra nella propria serratura e la apre. Questo permette al recettore di trasmettere particolari segnali all’interno della cellula, modificandone l’attività o il metabolismo.

La struttura e le funzioni che abbiamo descritto sono comuni a tutte le membrane biologiche, ma i tipi di fosfolipidi e di proteine che le formano possono essere molto diversi. Tali differenze consentono alle cellule dei tessuti di rispondere nella maniera migliore alle funzioni e alle necessità dell’organismo.

Esocitosi ed endocitosi

L’esocitosi e l’endocitosi sono processi di trasporto che si basano sulla formazione di vescicole a partire da piccole porzioni di membrana e sulla loro fusione con altre zone di membrana. L’esocitosi (dal greco èso che significa «fuori») consente alle macromolecole, prodotte dentro alla cellula e immagazzinate in vescicole, di uscire attraverso un processo di fusione della membrana delle vescicole con quella della cellula. La fusione, facilitata dalla presenza di particolari proteine sulle due membrane biologiche, provoca l’apertura delle vescicole verso l’esterno e la fuoriuscita delle macromolecole. Al contrario, le macromolecole entrano nelle cellule per endocitosi (dal greco èndo che significa «dentro»). Le macromolecole si addensano dal lato esterno della membrana, che risponde alla loro presenza formando una rientranza sempre più profonda (invaginazione) che le circonda. I lembi della rientranza si toccano e, infine, si fondono, formando una vescicola che si staccherà verso l’interno della cellula portando con sé le macromolecole provenienti dall’esterno.

La diffusione

La diffusione è il meccanismo che consente a molecole di piccole dimensioni di attraversare la membrana, quando la loro concentrazione è diversa sui due lati di essa. Per esempio, le cellule del nostro corpo hanno bisogno per vivere dell’ossigeno presente nell’aria che, attraverso i polmoni, entra nel sangue e da qui poi si diffonde nelle cellule. Qui viene utilizzato dalla cellula: a questo punto la differenza (gradiente) di concentrazione tra interno ed esterno spinge altro ossigeno a diffondersi dal sangue nella cellula così come avviene per un gas che fluisce da una zona con maggiore pressione (e quindi con maggiore concentrazione) a una con minore pressione.