La membrana cellulare, detta anche membrana plasmatica, membrana citoplasmatica, plasmalemma o citomembrana, è un sottile rivestimento, con spessore di 5- (50-)Gerald Karp: Cell and molecular biology, 2006, 6th ed., che delimita la cellula in tutti gli organismi viventi, la separa dall'ambiente esterno e ne regola gli scambi di elementi e sostanze chimiche. Nelle cellule eucariote delimita anche gli organelli interni alla cellula. Osservazioni al TEM (microscopio elettronico a trasmissione) hanno dimostrato che tutte le cellule sono delimitate da una membrana.
Formata in prevalenza da lipidi, in massima parte fosfolipidi, viene chiamata anche "doppio strato fosfolipidico" o "bilayer fosfolipidico", secondo l'accezione inglese, perché si dispongono in un doppio strato di fosfolipidi con le teste idrofile volte verso l'ambiente esterno e il citoplasma. Le code idrofobe di conseguenza sono in contatto tra loro "nell'interno" del bilayer. Questa disposizione minimizza la superficie delle teste idrofile in contatto con l'acqua.
Nella componente lipidica si vanno a collocare, con importanti funzioni fisiologiche, proteine e una piccola percentuale di glucidi, in forma di glicoproteine e glicolipidi, e di molecole di colesterolo che la stabilizzano. Questa conformazione rende ragione delle principali funzioni delle membrane, in particolare del trasporto di sostanze dall'esterno della cellula all'interno e viceversa.
Esiste una sostanziale uniformità di struttura fra il plasmalemma e le altre membrane che delimitano i diversi comparti cellulari o organuli. Negli organismi eucarioti animali la membrana cellulare è lo strato più esterno, mentre nelle cellule eucariote vegetali è presente una parete cellulare; in alcuni procarioti la membrana cellulare è ricoperta da un rivestimento protettivo chiamato parete batterica.
Spesso la membrana plasmatica è attraversata da trasportatori e canali che permettono il passaggio delle sostanze. Ad esempio, nelle cellule beta del pancreas, la membrana plasmatica è ricca di trasportatori di glucosio e canali ionici (potassio ATP-dipendenti e calcio voltaggio-dipendenti) che rilevano i livelli di nutrienti e regolano il rilascio di insulina.
Composizione e asimmetria della membrana cellulare
Nella membrana cellulare si trova una grande quantità di lipidi (in particolare fosfolipidi).
I lipidi sono le molecole più rappresentate nella membrana plasmatica; quelli di membrana in cellule diverse, o anche in organuli diversi della stessa cellula, possono differire comunque per alcune caratteristiche:
lunghezza delle code idrofobe e loro grado d'insaturazione; struttura della testa polare; presenza di steroli.
Queste diversità sono legate alla presenza di specifiche catene laterali idrofobiche che li compongono.
Oltre alla componente lipidica si trovano numerose proteine (in rapporto 1:50 rispetto ai lipidi; per ogni proteina ci sono circa 50 molecole lipidiche), aventi importanti funzioni fisiologiche. Quelle di membrana sono distribuite in maniera asimmetrica sui due strati. Esistono proteine intrinseche che hanno dei domini transmembrana molto idrofobi ed estrinseche che interagiscono con la superficie polare del doppio strato fosfolipidico e con le porzioni extra membrana delle proteine intrinseche.
Si riscontra anche una piccola percentuale di glucidi (= carboidrati) in forma di glicoproteine e glicolipidi e di molecole di colesterolo che stabilizzano la membrana.
I carboidrati costituiscono dei siti di riconoscimento, possono essere legati alle proteine formando le glicoproteine o ai lipidi formando i glicolipidi.
La composizione dei due strati, esterno e interno, della membrana cellulare presenta notevoli differenze, non solo nella componente proteica, ma anche nella stessa componente lipidica, per cui la membrana plasmatica è caratterizzata da una marcata asimmetria, che riflette le differenti funzioni dei due monostrati. Tale asimmetria presenta importanti funzioni ed è finemente controllata dalla cellula.
Modello a mosaico fluido
Secondo il "modello a mosaico fluido", proposto nel 1972 da S. J. Singer e G. L. Nicholson, il doppio strato lipidico della membrana plasmatica è allo stato di liquido-cristallino ed in esso sono immerse numerose proteine, che grazie alla fluidità della componente lipidica presentano un notevole grado di mobilità; ad esse spetta lo svolgimento della gran parte delle funzioni di membrana. Il doppio strato lipidico non ha carattere omogeneo, ma piuttosto all'interno del mosaico fluido sono presenti microdomini lipidici meno fluidi (lipid rafts Simon e Ikonen, 1997), formati principalmente da sfingolipidi e colesterolo allo stato liquido-ordinato, che funzionerebbero sia da zattere di trasporto di componenti di membrana, sia da piattaforme per la genesi di segnali intracellulari, per cui in essi sono concentrate proteine specifiche.
Attualmente si distinguono due tipi di zattere lipidiche: le caveole e le zattere "non invaginate". Le prime si presentano morfologicamente come fossette (caveole) della superficie cellulare e biochimicamente sono caratterizzate dalla presenza della proteina strutturale caveolina (caveolinea), essenziale per la loro costituzione. I rafts "non invaginati" sono piattaforme morfologicamente indistinguibili dalla restante porzione della membrana cellulare; in condizioni basali sono di piccolissime dimensioni, ma sono in grado di confluire per formare piattaforme di maggiori dimensioni in seguito a stimolazione, ad esempio in conseguenza del legame dei recettori, contenuti nei rafts, con i corrispondenti segnali extracellulari.
Il concetto iniziale del modello a mosaico fluido, che prevedeva una distribuzione casuale delle proteine con ampia libertà di movimento laterale e di rotazione, deve quindi essere rivisto in favore di un modello di membrana in cui all'interno del doppio strato lipidico fluido esistono domini lipidici e aggregati proteici a carattere dinamico, la cui mobilità è ristretta sia dai legami lipidi-lipidi, proteina-proteina o proteina-lipidi, sia dalle interazioni delle proteine con il citoscheletro, con la matrice extracellulare o con cellule adiacenti.
Fluidità della membrana cellulare
In condizioni fisiologiche, sia le molecole lipidiche sia quelle proteiche in essa immerse sono in grado di muoversi all'interno del proprio monostrato della membrana cellulare. A temperature fisiologiche, la membrana cellulare è allo stato lamellare liquido-cristallino, in cui le catene idrocarboniose dei lipidi sono allo stato fluido, per cui manifestano una notevole libertà di movimento (stato L alfa di Luzzati). Al contrario, allo stato cristallino le catene idrocarboniose presentano una disposizione rigida, parallela alla perpendicolare della superficie del doppio strato (L beta) o angolata rispetto a questa (L beta'). La temperatura alla quale si verifica la fusione delle catene alifatiche, cioè il passaggio dallo stato cristallino a quello liquido-cristallino, si definisce temperatura di transizione (Tc o Temperatura Critica oppure Tm da melting).
La maggior parte delle proteine presenta movimenti di spostamento (diffusione) laterale; fanno eccezione le proteine di membrana ancorate al citoscheletro. Per quanto riguarda i lipidi di membrana, sono stati descritti diversi tipi di movimenti, che possono essere intramolecolari (1) o intermolecolari (2-4):
Rotazione intorno ai legami semplici C-C Rotazione intorno all'asse longitudinale Rotazione intorno all'asse trasversale (la rotazione di 180° porta ad un movimento di flip-flop) Diffusione laterale Movimenti collettivi, come l'ondulazione della membrana
Il movimento intermolecolare si svolge soprattutto in direzione orizzontale (diffusione laterale), oltre che intorno agli assi longitudinale e trasversale della molecola (rotazione e oscillazione), ma solo raramente avviene la rotazione trasversale di 180°, che causa il passaggio della molecola da un monostrato all'altro (movimento di flip-flop). Infatti dal punto di vista termodinamico è sfavorevole per una molecola polare penetrare con la sua estremità idrofila attraverso la parte idrofoba del doppio strato; la spesa di energia è minore nel caso di una molecola lipidica, ma anche in questo caso lo spostamento da una parte all'altra della membrana avviene molto lentamente. Nelle membrane artificiali e naturali, una singola molecola lipidica scambia il posto con quelle vicine con una frequenza di circa 107 volte al secondo e diffonde alcuni micron al secondo a 37 °C, con un coefficiente di diffusione (D) di circa 10–8 cm²/s. A questa velocità di spostamento, una molecola lipidica può diffondere lungo l'intera cellula batterica (≈1 micron) in un solo secondo, mentre può percorrere l'intera circonferenza di una cellula animale in circa 20 secondi.
I movimenti intramolecolari consistono nella rotazione intorno ai legami semplici C-C, che comporta l'isomerizzazione tra le differenti conformazioni della molecola lipidica, in particolare l'isomerizzazione trans-gauche. I movimenti di rotazione dei gruppi metilici e di isomerizzazione trans-gauche sono massimi verso il centro del doppio strato lipidico. La conformazione trans è la più stabile (minor contenuto di energia) in quanto i gruppi metilici sono alla massima distanza tra loro. Alla configurazione tutto trans (quando tutti i gruppi metilici sono in conformazione trans) la catena idrocarboniosa ha la sua massima lunghezza, in quanto la molecola è completamente distesa, mentre la presenza di conformazione gauche causa un piegamento della molecola. Allo stato cristallino (L beta), le catene alifatiche dei fosfolipidi sono in conformazione tutto trans, con l'aumento della temperatura l'eccitazione termica delle catene favorisce l'isomerizzazione trans-gauche. Poiché la percentuale delle conformazioni gauche aumenta con l'aumentare della temperatura, alle alte temperature le catene idrocarboniose dei fosfolipidi sono più corte.
I principali fattori che determinano la fluidità della membrana cellulare sono, oltre alla temperatura:
Lunghezza degli acidi grassi; Grado di insaturazione degli acidi grassi delle code dei fosfolipidi; Caratteristiche della testa polare; Concentrazione del colesterolo nella membrana.
Nei fosfogliceridi si trovano due tipi di acidi grassi: quelli saturi, in cui tutti i legami che gli atomi di carbonio possono formare sono saturati con atomi di idrogeno, e quelli insaturi, nei quali si formano doppi legami tra gli atomi di carbonio.
La fluidità del doppio strato lipidico è in parte dovuta alla abbondanza relativa degli acidi grassi insaturi; in genere l'acido grasso in posizione 2 dei fosfogliceridi è insaturo, tuttavia il grado di insaturazione varia a seconda della specie lipidica, essendo la fosfatidiletanolamina e la fosfatidilserina (prevalenti nel monostrato interno della membrana) più insature rispetto agli altri fosfolipidi, in primo luogo rispetto alla sfingomielina, che presenta circa il 70% di acidi grassi saturi.
La presenza di catene insature provoca un maggiore disordine nell'allineamento delle catene, rendendo più fluida la membrana, mentre le catene sature con il loro allineamento più compatto favoriscono la formazione di un reticolo rigido.
Infatti, i doppi legami con configurazione cis (che costituiscono la configurazione di quasi tutti gli acidi grassi insaturi naturali) causano un inginocchiamento della catena idrocarboniosa, per cui si riduce la lunghezza dei segmenti paralleli che interagiscono con le molecole vicine, ottenendo lo stesso effetto di un accorciamento della catena; il massimo effetto si ha quando il doppio legame occupa la posizione intermedia tra la fine della catena ed il glicerolo: allontanandosi il doppio legame dalla posizione intermedia, la lunghezza del segmento parallelo aumenta progressivamente e diventano maggiori le interazioni con le catene vicine.