Membrane biologiche, struttura e funzioni

Per regolare il passaggio di sostanze attraverso compartimenti acquosi è necessario separarli uno dall’altro mediante una membrana che contenga fosfolipidi e questo è quello che è avvenuto durante l’evoluzione degli organismi viventi.



Le membrane biologiche, grazie alle proprietà della componente lipidica, controllano il traffico di metaboliti tra le cellule e tra i vari organelli citoplasmatici: infatti composti solubili nei lipidi passano facilmente attraverso le membrane, mentre quelli insolubili possono attraversarle solo se sono presenti delle specifiche proteine che catalizzano il trasporto.

Membrana plasmatica

La membrana plasmatica, detta anche plasmalemma, separa l’ambiente extracellulare da quello intracellulare e regola il traffico di molecole tra l’interno e l’esterno. Queste membrane formate da fosfolipidi separano anche gli organelli cellulari dal citosol. I nostri appunti sul citoplasma
Tutte le membrane hanno una struttura comune: sono costituite da lipidi che formano un doppio strato, proteine di membrana e glucidi che sono associati ai lipidi o alle proteine.

Lipidi nelle membrane biologiche

Una membrana tipica è costituita da fosfolipidi, colesterolo (steroidi) e glicolipidi (in piccole quantità negli organismi animali) e il rapporto tra queste classi di molecole varia da cellula a cellula e da organulo a organulo, ma quelli più abbondanti sono i fosfolipidi. Le cellule hanno dei meccanismi per controllare il tipo e la quantità di lipidi di membrana che sintetizzano e per indirizzarli agli organelli specifici.

I lipidi nelle membrane sono molecole anfipatiche che hanno:

  • Un’estremità idrofila che interagisce con l’acqua
  • Un’estremità idrofoba insolubile in acqua formata delle catene degli acidi grassi.

Essendo anfipatici i lipidi si orientano, in ambiente acquoso, formando un doppio strato fosfolipidico dello spessore di circa 7-10 nm.

  • I fosfolipidi sono i lipidi di membrana più abbondanti e si dividono in glicerofosfolipidi e sfingolipidi. I glicerofosfolipidi sono formati da una molecola di glicerolo esterificata a due molecole di acidi grassi e legata ad un gruppo fosforico che a sua volta è legato ad una molecola polare che può essere etanolammina, serina, colina.
    Gli sfingolipidi, invece, sono un po’ più complessi e derivano dalla sfingosina, un amminoalcol a 18 atomi di carbonio.
  • Il colesterolo è una molecola rigida ed è importante perché modula la fluidità della membrana. Ad alte temperature riduce la fluidità ed impedisce l’ingresso di piccole molecole, a basse temperature invece l’effetto è opposto.
  • I glicolipidi sono i principali componenti delle membrane dei cloroplasti nelle cellule vegetali, mentre sono presenti in piccole quantità nelle cellule animali.

Proteine nelle membrane biologiche

Conferiscono specificità alle membrane e si dividono in:

  • Proteine estrinseche: sono idrofiliche e sono associate alla superficie esterna o interna del doppio strato lipidico.
  • Proteine intrinseche: sono immerse nel doppio strato lipidico, possono attraversarlo completamente oppure no.

Leggi i nostri appunti sulle proteine di membrana

Anche le proteine possono muoversi nel modello fluido per rotazione o diffusione laterale (con movimenti più lenti rispetto a quelli dei lipidi).
La posizione di ogni proteina non è casuale e, ogni proteina, svolge un ruolo a livello delle membrane. Le proteine possono essere canali, enzimi e anche trasportatori e sono coinvolte nel trasporto attivo e nel trasporto passivo.

Glucidi nelle membrane biologiche

Sono sempre associati a proteine e lipidi e sono esposti solo sulla faccia non citosolica delle membrane (nelle membrane cellulari si trovano all’esterno, nelle membrane degli organelli si trovano verso l’interno).

Sono importanti perché glicoproteine e glicolipidi sono dei veri e propri recettori che permettono il riconoscimento cellula-cellula e la comunicazione fra le cellule perché riconoscono specifiche molecole segnale come ormoni o neurotrasmettitori.



Le cellule animali possiedono all’esterno della membrana plasmatica il glicocalice, che è un sottile rivestimento coinvolto nel riconoscimento cellula-cellula e nelle interazioni tra cellula e ambiente esterno: può infatti riconoscere e legare specifiche molecole.
Il glicocalice inoltre protegge la superficie cellulare dal danneggiamento meccanico.

Funzioni delle membrane plasmatiche

La struttura delle membrane biologiche non è fissa ma è fluida ed assolve a compiti importanti:

  • Permeabilità selettiva
  • Mantenimento dell’omeostasi del pH e della composizione ionica
  • Ancoraggio di sistemi enzimatici per il trasporto di metaboliti
  • Ancoraggio del citoscheletro
  • Riconoscimento e scambio di segnali chimici extracellulari
  • Adesione con altre cellule e con la matrice extracellulare

Da cosa dipende la fluidità di membrana? Consulta i nostri appunti

Asimmetria delle membrane biologiche

I lipidi non sono mischiati casualmente nei foglietti del doppio strato lipidico e fosfolipidi e colesterolo, a differenza degli altri lipidi, sono uniformemente distribuiti su entrambi i versanti del doppio strato lipidico. Ad esempio negli eritrociti umani la composizione lipidica tra lo strato interno e quello esterno è diverso. Le membrane sono asimmetriche perché tutti i lipidi che la compongono hanno funzioni diverse e, in base a quella che svolgono, si posizionano sul versante interno o su quello esterno.

  • Sfingomielina e fosfatidilcolina si trovano principalmente all’esterno
  • Fosfatidiletanolammina si trova principalmente all’interno
  • Fosfatidilserina si trova solo all’interno

Anche l’asimmetria delle proteine è una caratteristica delle membrane biologiche, infatti anche esse non sono disposte in modo casuale. Le glicoproteine sono disposte in modo da presentare la catena oligosaccaridica verso l’esterno, poi ci sono proteine rivolte verso l’interno che sono a contatto con strutture citoplasmatiche e infine ci sono le proteine transmembrana (che attraversano completamente il doppio strato) che possono funzionare come trasportatori o canali.



Rafts lipidici o zattere lipidiche nelle membrane plasmatiche

Sono zone specializzate della membrana plasmatica che presentano grandi quantità di colesterolo, circondate da fosfolipidi più fluidi (le zattere lipidiche sono zone a minore fluidità).
Nelle membrane cellulari degli animali ci sono numerosi raft lipidici che sono in grado di accogliere molte proteine di membrana (per via delle lunghe catene di acidi grassi) che si accumulano in queste regioni e, in questo modo, possono lavorare insieme e funzionare in modo integrato. Le proteine sono, ad esempio, enzimi coinvolti nel riconoscimento del segnali in cui il prodotto di uno è il substrato di un’altro. Se queste proteine fossero staccate non potrebbero funzionare correttamente.

Nei rafts lipidici la diffusione laterale delle proteine è impedita perché il colesterolo, essendo rigido, impacchetta e “blocca” il doppio strato. Sono, però, i raft lipidici a fluttuare nella membrana plasmatica.

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