Le molecole biologiche sono anfifiliche o anfipatiche, cioè sono contemporaneamente idrofobiche e idrofile. Il bilayer fosfolipidico contiene gruppi di testa idrofili carichi, che interagiscono con l’acqua polare. Gli strati contengono anche code idrofobiche, che si incontrano con le code idrofobiche dello strato complementare. Le code idrofobiche sono di solito acidi grassi che differiscono in lunghezza. Le interazioni dei lipidi, specialmente le code idrofobiche, determinano le proprietà fisiche del bilayer lipidico come la fluidità.
Le membrane nelle cellule tipicamente definiscono spazi chiusi o compartimenti in cui le cellule possono mantenere un ambiente chimico o biochimico diverso da quello esterno. Per esempio, la membrana intorno ai perossisomi protegge il resto della cellula dai perossidi, sostanze chimiche che possono essere tossiche per la cellula, e la membrana cellulare separa una cellula dal suo mezzo circostante. I perossisomi sono una forma di vacuolo che si trova nella cellula e che contiene i sottoprodotti delle reazioni chimiche all’interno della cellula. La maggior parte degli organelli sono definiti da tali membrane, e sono chiamati organelli “legati alla membrana”.
Permeabilità selettivaModifica
Probabilmente la caratteristica più importante di una biomembrana è che è una struttura selettivamente permeabile. Questo significa che la dimensione, la carica e altre proprietà chimiche degli atomi e delle molecole che tentano di attraversarla determinano se riescono a farlo. La permeabilità selettiva è essenziale per un’efficace separazione di una cellula o di un organello dai suoi dintorni. Le membrane biologiche hanno anche certe proprietà meccaniche o elastiche che permettono loro di cambiare forma e muoversi come richiesto.
Generalmente, piccole molecole idrofobiche possono facilmente attraversare i bilayer fosfolipidici per semplice diffusione.
Particelle che sono necessarie per la funzione cellulare ma che non sono in grado di diffondere liberamente attraverso una membrana entrano attraverso una proteina di trasporto di membrana o sono prese per mezzo dell’endocitosi, dove la membrana permette a un vacuolo di unirsi ad essa e spingere il suo contenuto nella cellula. Molti tipi di membrane plasmatiche specializzate possono separare la cellula dall’ambiente esterno: quelle apicali, basolaterali, presinaptiche e postsinaptiche, le membrane di flagelli, ciglia, microvilli, filopodi e lamellipodi, il sarcolemma delle cellule muscolari, così come le membrane specializzate della mielina e delle spine dendritiche dei neuroni. Le membrane plasmatiche possono anche formare diversi tipi di strutture “supramembrana” come caveolae, densità postsinaptica, podosoma, invadopodio, desmosoma, emidesmosoma, adesione focale e giunzioni cellulari. Questi tipi di membrane differiscono nella composizione lipidica e proteica.
Distinti tipi di membrane creano anche organelli intracellulari: endosoma; reticolo endoplasmatico liscio e ruvido; reticolo sarcoplasmatico; apparato di Golgi; lisosoma; mitocondrio (membrane interne ed esterne); nucleo (membrane interne ed esterne); perossisoma; vacuolo; granuli citoplasmatici; vescicole cellulari (fagosoma, autofagosoma, vescicole rivestite di clatrina, vescicole rivestite di COPI e COPII) e vescicole secretorie (inclusi sinaptosoma, acrosomi, melanosomi e granuli cromaffini).I diversi tipi di membrane biologiche hanno diverse composizioni lipidiche e proteiche. Il contenuto delle membrane definisce le loro proprietà fisiche e biologiche. Alcuni componenti delle membrane giocano un ruolo chiave in medicina, come le pompe di efflusso che pompano i farmaci fuori da una cellula.
FluiditàModifica
Il nucleo idrofobico del bilayer fosfolipidico è costantemente in movimento a causa delle rotazioni intorno ai legami delle code lipidiche. Le code idrofobiche di un bilayer si piegano e si bloccano insieme. Tuttavia, a causa del legame idrogeno con l’acqua, i gruppi di testa idrofili si muovono meno perché la loro rotazione e mobilità sono limitate. Questo si traduce in un aumento della viscosità del doppio strato lipidico più vicino alle teste idrofile.
Al di sotto di una temperatura di transizione, un doppio strato lipidico perde fluidità quando i lipidi altamente mobili mostrano meno movimento diventando un solido simile al gel. La temperatura di transizione dipende da tali componenti del bilayer lipidico come la lunghezza della catena idrocarburica e la saturazione dei suoi acidi grassi. La fluidità dipendente dalla temperatura costituisce un importante attributo fisiologico per i batteri e gli organismi a sangue freddo. Questi organismi mantengono una fluidità costante modificando la composizione degli acidi grassi dei lipidi di membrana in funzione delle diverse temperature.
Nelle cellule animali, la fluidità di membrana è modulata dall’inclusione dello sterolo colesterolo. Questa molecola è presente in quantità particolarmente elevate nella membrana plasmatica, dove costituisce circa il 20% dei lipidi della membrana in peso. Poiché le molecole di colesterolo sono corte e rigide, riempiono gli spazi tra le molecole di fosfolipidi vicine, lasciati dalle pieghe delle loro code di idrocarburi insaturi. In questo modo, il colesterolo tende a irrigidire il bilayer, rendendolo più rigido e meno permeabile.
Per tutte le cellule, la fluidità di membrana è importante per molte ragioni. Permette alle proteine di membrana di diffondersi rapidamente nel piano del bilayer e di interagire tra loro, come è cruciale, per esempio, nella segnalazione cellulare. Permette ai lipidi e alle proteine di membrana di diffondersi dai siti in cui sono inseriti nel bilayer dopo la loro sintesi ad altre regioni della cellula. Permette alle membrane di fondersi tra loro e di mescolare le loro molecole, e assicura che le molecole di membrana siano distribuite uniformemente tra le cellule figlie quando una cellula si divide. Se le membrane biologiche non fossero fluide, è difficile immaginare come le cellule potrebbero vivere, crescere e riprodursi.