La membrana plasmatica, che avvolge ogni cellula, oltre a definirne l’entità, ha il ruolo principale di separare ciò che sta al suo interno da ciò che sta all’esterno. Si crea così la possibilità di organizzare in maniera ordinata le attività chimiche già citate.

La membrana plasmatica non costituisce solo una barriera passiva, ma è in grado di regolare il passaggio di sostanze che la attraversano. La sua funzione è quindi anche quella di filtro selettivo capace di mantenere concentrazioni di ioni diverse fra interno ed esterno e di lasciare entrare le sostanze nutritive, facendo uscire i rifiuti: ciò permette di mantenere le condizioni in cui possono svolgersi le attività metaboliche.

Analogamente, le membrane interne che delimitano gli organelli (i mitocondri, il nucleo ecc.) controllano il passaggio di sostanze differenti tra i comparti cellulari, regolando così l’ambiente interno. Il controllo di questi scambi dipende dalle proprietà chimico-fisiche delle membrane e delle molecole che le attraversano. Tutte le membrane di una cellula (membrana plasmatica, membrana nucleare, e quelle che delimitano gli organelli interni) hanno una identica struttura: sono composte da un doppio strato di lipidi, la cui componente maggiore è rappresentata da fosfolipidi, ma sono presenti anche steroidi e glicolipidi, che si dispongono spontaneamente, per le proprietà dei lipidi, con le estremità idrofobiche rivolte verso l’interno. Il doppio strato ha la proprietà di autosigillarsi e formare un involucro chiuso dotato di una considerevole resistenza meccanica. Questa struttura funge da barriera per la maggior parte delle molecole biologiche solubili in acqua (aminoacidi, zuccheri, proteine e acidi nucleici) e per gli ioni inorganici.

Nel doppio strato sono inserite numerose proteine che mediano le diverse funzioni della membrana: alcune servono per trasportare dentro e fuori della cellula determinate molecole; altre sono enzimi, che catalizzano reazioni associate alla membrana; altre ancora servono per collegare lo scheletro della cellula con la membrana; o ancora, agiscono da recettori per captare e trasdurre i segnali chimici provenienti dall’ambiente. Il tipo e la quantità di proteine presenti varia da membrana a membrana, conferendo la capacità di svolgere funzioni differenti. Dunque membrane di cellule diverse o di organelli diversi avranno una componente proteica differente e, in misura minore, anche una composizione variabile dei lipidi.

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La struttura delle membrane è dinamica: si presenta infatti abbastanza fluida, e possiamo immaginare le proteine quasi come galleggianti in un “mare” di lipidi. La maggior parte delle molecole lipidiche e proteiche sono capaci di muoversi rapidamente sul piano della membrana. Non avvengono quasi mai, invece, scambi tra molecole di strati opposti. Poiché le due superfici della membrana cellulare, quella rivolta verso l’interno della cellula e quella rivolta verso lo spazio extracellulare, differiscono notevolmente per composizione chimica, e poiché è difficile che ci siano scambi di molecole fra i due strati, la membrana presenta una struttura asimmetrica, che riflette le diverse funzioni assolte dalle due superfici.

Le proteine che attraversano la membrana, per potersi ancorare alla porzione interna idrofobica del doppio strato lipidico devono contenere anch’esse una parte costituita da aminoacidi idrofobici, che non saranno respinti dai lipidi. Queste proteine sono dette transmembrana. Altre proteine sono esposte solo su una faccia del doppio strato oppure sono legate con un legame forte direttamente ai lipidi di membrana.

Tutte le membrane della cellula eucariote presentano, inoltre, molecole di carboidrati, sotto forma di catene di zuccheri complessi legate con legami forti alle proteine della membrana (glicoproteine) o ai lipidi (glicolipidi). La distribuzione degli zuccheri accentua i caratteri di asimmetricità della membrana cellulare: infatti le catene glicidiche sono presenti esclusivamente sul lato rivolto all’esterno della cellula. Si crea così una zona periferica ricca di carboidrati, che riveste la cellula ed è detta mantello cellulare.

La diffusione di molecole all’interno delle membrane in alcuni casi risulta limitata, perché determinate cellule, come per esempio, quelle degli epiteli, per poter svolgere le loro funzioni devono mantenere caratteristiche diverse a un polo della cellula rispetto all’altro. Inoltre le cellule epiteliali si uniscono strettamente fra loro a formare uno strato compatto, affinché non ci sia diffusione di molecole passanti nello spazio tra due diverse cellule.

L’epitelio intestinale, per esempio, ha una superficie rivolta verso il lume intestinale e l’altra rivolta verso il sangue; poiché le cellule dell’epitelio intestinale devono trasportare materiali utili (e solo quelli) dall’intestino al sangue, devono essere unite senza spazi fra loro e sono perciò tenute aderenti mediante un insieme di strutture che si trovano sulla membrana, dette giunzioni strette. Le giunzioni strette possono essere paragonate a una fascia circolare situata dentro la membrana cellulare. Le fasce circolari di due o più cellule aderiscono fra loro formando un’unica struttura, che impedisce il passaggio di qualsiasi molecola, ioni inorganici compresi. Questa fascia circolare divide anche la membrana cellulare in due porzioni: le proteine di membrana possono muoversi liberamente all’interno di una porzione, ma non possono passare all’altra. La separazione delle due parti mantiene l’asimmetria funzionale, di cui si è detto. Riprendendo l’esempio delle cellule dell’epitelio intestinale, nella porzione cellulare rivolta verso il lume dell’intestino troveremo proteine che sono in grado di trasportare attivamente il glucosio all’interno della cellula, mentre nella porzione rivolta verso i capillari sanguigni ci sono proteine che formano canali attraverso i quali il glucosio transita passivamente verso il sangue.
È evidente che, se nella cellula devono entrare sostanze nutritive e devono uscirne materiali di rifiuto, in qualche modo tali sostanze devono attraversare la membrana. Come ciò avvenga vedremo nel paragrafo sulla fisiologia cellulare.

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