La membrana cellulare – chiamata anche membrana plasmatica o membrana citoplasmatica – è tra i costrutti più affascinanti ed eleganti del mondo della biologia. La cellula è considerata l'unità fondamentale o "mattone" di tutti gli esseri viventi sulla Terra; il tuo stesso corpo ne ha trilioni e cellule diverse in diversi organi e tessuti ne hanno diverse strutture che si correlano squisitamente con le funzioni dei tessuti da queste costituiti cellule.
Mentre i nuclei delle cellule spesso attirano maggiormente l'attenzione poiché contengono il materiale genetico necessario per il passaggio informazioni alle generazioni successive dell'organismo, la membrana cellulare è letteralmente il custode e il guardiano delle cellule of Contenuti. Lungi dall'essere un semplice contenitore o barriera, tuttavia, la membrana si è evoluta per mantenere l'equilibrio cellulare, o equilibrio interno, attraverso un trasporto efficiente e instancabile. meccanismi che fanno della membrana una sorta di microscopica dogana, permettendo e negando l'ingresso e l'uscita di ioni e molecole in accordo con il tempo reale della cellula esigenze.
Membrane cellulari attraverso lo spettro della vita
Tutti gli organismi hanno membrane cellulari di qualche tipo. Ciò include i procarioti, che sono per lo più batteri e si ritiene che rappresentino alcune delle specie viventi più antiche sulla Terra, così come gli eucarioti, che includono animali e piante. Sia i batteri procarioti che le piante eucariotiche hanno una parete cellulare esterna alla membrana cellulare per una protezione aggiuntiva; nelle piante, questo muro ha pori e non sono particolarmente selettivi in termini di cosa può passare e cosa no. Inoltre, gli eucarioti possiedono organelli, come il nucleo e i mitocondri, racchiusi da membrane come quella che circonda la cellula nel suo insieme. I procarioti non hanno nemmeno nuclei; il loro materiale genetico è disperso, anche se un po' strettamente, in tutto il citoplasma.
Notevoli prove molecolari suggeriscono che le cellule eucariotiche discendono da cellule procariotiche, perdendo la parete cellulare ad un certo punto della loro evoluzione. Sebbene ciò rendesse le singole cellule più vulnerabili agli insulti, consentiva loro anche di diventare più complesse e di espandersi geometricamente nel processo. In effetti, le cellule eucariotiche possono essere dieci volte più grandi delle cellule procariotiche, una scoperta resa ancora più sorprendente dal fatto che una singola cellula è per definizione la totalità di un organismo procariotico. (Anche alcuni eucarioti sono unicellulari.)
Struttura della membrana cellulare
La membrana cellulare è costituita da una struttura a doppio strato (a volte chiamata "modello a mosaico fluido") composta principalmente da fosfolipidi. Uno di questi strati è rivolto verso l'interno della cellula, o citoplasma, mentre l'altro è rivolto verso l'ambiente esterno. I lati rivolti verso l'esterno e verso l'interno sono considerati "idrofili" o attratti da ambienti acquosi; la porzione interna è "idrofobica", ovvero respinta dagli ambienti acquosi. In isolamento, le membrane cellulari sono fluide a temperatura corporea, ma a temperature più basse assumono una consistenza gelatinosa.
I lipidi nel doppio strato rappresentano circa la metà della massa totale della membrana cellulare. Il colesterolo costituisce circa un quinto dei lipidi nelle cellule animali, ma non nelle cellule vegetali, poiché il colesterolo non si trova da nessuna parte nelle piante. La maggior parte del resto della membrana è rappresentata da proteine con una diversa varietà di funzioni. Poiché la maggior parte delle proteine sono molecole polari, come la membrana stessa, le loro estremità idrofile si protendono verso l'esterno della cellula e le loro estremità idrofobe puntano verso l'interno del doppio strato.
Alcune di queste proteine hanno catene di carboidrati attaccate ad esse, che le rendono glicoproteine. Molte delle proteine di membrana sono coinvolte nel trasporto selettivo di sostanze attraverso il doppio strato, che può farlo creando canali proteici attraverso la membrana o spostandoli fisicamente attraverso la membrana. Altre proteine funzionano come recettori sulla superficie cellulare, fornendo siti di legame per molecole che trasportano segnali chimici; queste proteine poi trasmettono queste informazioni all'interno della cellula. Ancora altre proteine di membrana agiscono come enzimi che catalizzano reazioni particolari della membrana plasmatica stessa.
Funzioni della membrana cellulare
L'aspetto critico della membrana cellulare non è che sia "impermeabile" o impermeabile alle sostanze in genere; se lo fosse, la cellula morirebbe. La chiave per comprendere il compito principale della membrana cellulare è che è selettivamente permeabile. Un'analogia: proprio come la maggior parte delle nazioni sulla Terra non vieta completamente alle persone di viaggiare attraverso il confini internazionali della nazione, i paesi di tutto il mondo non hanno l'abitudine di lasciare che nessuno e entrano tutti. Le membrane cellulari tentano di fare ciò che fanno i governi di questi paesi, su scala molto più ridotta: consentire alle entità desiderabili di entrare nella cellula dopo essere stato "controllato" mentre si impedisce l'ingresso a entità che potrebbero rivelarsi tossiche o distruttive per l'interno o la cellula come totale.
Nel complesso, la membrana funge da confine formale, tenendo insieme le varie parti della cellula insieme modo in cui un recinto intorno a una fattoria tiene insieme il bestiame anche permettendo loro di vagare e socializzare. Se dovessi indovinare i tipi di molecole che possono entrare ed uscire più facilmente, potresti dire rispettivamente "fonti di carburante" e "rifiuti metabolici", dato che questo è essenzialmente ciò che i corpi nel loro insieme fare. E avresti ragione. Molecole molto piccole, come l'ossigeno gassoso (O2), anidride carbonica gassosa (CO2), e acqua (H2O), può passare liberamente attraverso la membrana, ma il passaggio di molecole più grandi, come amminoacidi e zuccheri, è strettamente controllato.
Il doppio strato lipidico
Le molecole che sono quasi universalmente chiamate "fosfolipidi" che compongono il doppio strato di membrana cellulare sono più propriamente chiamate "glicerofosfolipidi". Sono costituiti da una molecola di glicerolo, che è un alcol a tre atomi di carbonio, attaccata a due lunghi acidi grassi su un lato e un gruppo fosfato dall'altro. Ciò conferisce alla molecola una forma lunga e cilindrica che ben si adatta al compito di essere parte di un foglio largo, che è ciò che assomiglia a un singolo strato del doppio strato di membrana in sezione trasversale.
La porzione fosfato del glicerofosfolipide è idrofila. Il tipo specifico di gruppo fosfato varia da molecola a molecola; ad esempio, può essere fosfatidilcolina, a che include un componente contenente azoto. È idrofilo perché ha una distribuzione non uniforme della carica (cioè è polare), proprio come l'acqua, quindi i due "vanno d'accordo" in ambienti microscopici ravvicinati.
Gli acidi grassi all'interno della membrana non hanno una distribuzione di carica irregolare in nessun punto della loro struttura, quindi sono apolari e quindi idrofobici.
A causa delle proprietà elettrochimiche dei fosfolipidi, la disposizione a doppio strato di fosfolipidi non richiede input di energia per creare o mantenere. Infatti, i fosfolipidi posti nell'acqua tendono ad assumere spontaneamente la configurazione del doppio strato più o meno allo stesso modo in cui i fluidi "cercano il proprio livello".
Trasporto di membrana cellulare
Poiché la membrana cellulare è selettivamente permeabile, deve fornire un mezzo per ottenere una varietà di sostanze, alcune grandi e altre piccole, da un lato all'altro. Pensa ai modi in cui potresti attraversare un fiume o un corso d'acqua. Potresti prendere un traghetto; potresti semplicemente essere trasportato da una leggera brezza, o potresti essere trasportato da costanti correnti fluviali o oceaniche. E potresti trovarti ad attraversare lo specchio d'acqua solo in primo luogo perché c'è troppo alto a concentrazione di persone dalla tua parte e una concentrazione troppo bassa dall'altra, presentando la necessità di uniformare cose fuori.
Ciascuno di questi scenari ha qualche relazione con uno o più modi in cui le molecole possono passare attraverso la membrana cellulare. Questi modi includono:
Diffusione semplice: In questo processo, le molecole si spostano semplicemente attraverso la doppia membrana per entrare o uscire dalla cellula. La chiave qui è che le molecole nella maggior parte delle situazioni si sposteranno lungo un gradiente di concentrazione, il che significa che si spostano naturalmente da aree di maggiore concentrazione a aree di minore concentrazione. Se dovessi versare un barattolo di vernice nel mezzo di una piscina, il movimento verso l'esterno delle molecole di vernice rappresenterebbe una forma di semplice diffusione. Le molecole che possono attraversare le membrane cellulari in questo modo, come puoi prevedere, sono piccole molecole come O2 e CO2.
Osmosi: L'osmosi potrebbe essere descritta come una "pressione di risucchio" che provoca il movimento dell'acqua quando il movimento delle particelle disciolte nell'acqua è impossibile. Ciò si verifica quando una membrana consente all'acqua, ma non alle particelle disciolte ("soluti") in questione, di attraversarla. La forza motrice è ancora una volta un gradiente di concentrazione, perché l'intero ambiente locale "cerca" uno stato di equilibrio in cui la quantità di soluto per unità di acqua è la stessa ovunque. Se ci sono più particelle di soluto su un lato di una membrana permeabile all'acqua e impermeabile ai soluti rispetto all'altro, l'acqua fluirà nell'area di maggiore concentrazione di soluto. Cioè, se le particelle non possono cambiare la loro concentrazione nell'acqua muovendosi, allora l'acqua stessa si muoverà per svolgere più o meno lo stesso lavoro.
Diffusione facilitata: Anche in questo caso, questo tipo di trasporto di membrana vede le particelle spostarsi da aree di maggiore concentrazione a aree di minore concentrazione. A differenza del caso della semplice diffusione, tuttavia, le molecole entrano o escono dalla cellula tramite canali proteici specializzati, piuttosto che semplicemente alla deriva attraverso gli spazi tra glicerofosfolipidi molecole. Se hai mai visto cosa succede quando qualcosa che va alla deriva lungo un fiume si trova improvvisamente in un passaggio tra le rocce, sai che l'oggetto (forse un amico su una camera d'aria!) accelera notevolmente mentre è in questo passaggio; così è con i canali proteici. Questo è più comune con molecole polari o cariche elettricamente.
Trasporto attivo: I tipi di trasporto di membrana discussi in precedenza comportano tutti il movimento lungo un gradiente di concentrazione. A volte, tuttavia, proprio come le barche devono risalire la corrente e le auto devono salire sulle colline, la maggior parte delle sostanze si muove contro un gradiente di concentrazione, una situazione energeticamente sfavorevole. Di conseguenza, il processo deve essere alimentato da una fonte esterna, e in questo caso tale fonte è l'adenosina trifosfato (ATP), quel combustibile diffuso per le transazioni biologiche microscopiche. In questo processo, uno dei tre gruppi fosfato viene rimosso dall'ATP per creare adenosina difosfato (ADP) e un fosfato libero, e l'energia liberata dall'idrolisi del legame fosfato-fosfato viene utilizzata per "pompare" le molecole lungo il gradiente e attraverso il membrana.
Il trasporto attivo può anche avvenire in modo indiretto o secondario. Ad esempio, una pompa a membrana può spostare il sodio attraverso il suo gradiente di concentrazione da un lato all'altro della membrana, fuori dalla cellula. Quando lo ione sodio si diffonde nell'altra direzione, potrebbe portare con sé una molecola di glucosio contro quella proprio gradiente di concentrazione della molecola (la concentrazione di glucosio è solitamente più alta all'interno delle cellule che sul al di fuori). Poiché il movimento del glucosio è contro il suo gradiente di concentrazione, questo è un trasporto attivo, ma poiché l'ATP non è direttamente coinvolto, questo è un esempio di secondario trasporto attivo.
