Salute e malattia
Una barriera sottile e flessibile separa il contenuto della cellula dall'ambiente esterno. Questa barriera, chiamata membrana cellulare (o plasmatica), permette selettivamente lo scambio di certe molecole mantenendo fuori sostanze indesiderate. La membrana consente anche la comunicazione tra cellule e con l'ambiente. Sia piante che animali possiedono membrane cellulari, ma piante, lieviti e batteri hanno anche una parete cellulare rigida all'esterno per supporto e struttura. Le funzioni uniche della membrana ne determinano struttura e proprietà.
La membrana cellulare è costituita da un doppio strato di speciali molecole lipidiche, i fosfolipidi. Ogni fosfolipide ha due catene di acidi grassi legate a una testa fosfato-glicerolo. Gli acidi grassi sono idrofobi (repellono l'acqua), mentre la testa fosfato è idrofila (ama l'acqua). I due strati si dispongono con le code idrofobe all'interno. Secondo Carnegie-Mellon: The Structure and Function of the Cell Membrane, a contatto con l'acqua le molecole si riordinano per tenere le code lontane dall'acqua.
Due tipi di proteine sono disperse nella membrana: proteine integrali e periferiche. Le proteine integrali, catene lunghe di aminoacidi, attraversano l'intera membrana; parti interagiscono con l'esterno, altre con l'interno, perciò sono dette proteine transmembrana. Hanno due funzioni principali: agiscono come pori per ioni e nutrienti e trasmettono segnali dentro e fuori la cellula (James Burnette III, Carnegie-Mellon). Le proteine periferiche si attaccano solo alla superficie e fungono da ancore per il citoscheletro o fibre extracellulari.
Un rivestimento di carboidrati, il glicocalice, ricopre la superficie cellulare. È formato da brevi oligosaccaridi legati a certe proteine transmembrana. Secondo The Cell: Structure of the Plasma Membrane, il glicocalice fornisce l'identità cellulare, distinguendo cellule proprie da estranee, e protegge la superficie. Il colesterolo, altro lipide presente nella membrana, è sparso nell'interno idrofobo e impedisce alle code di impaccarsi troppo, mantenendo la membrana fluida.
Proposta per prima da Singer e Nicolson (Science, 18 febbraio 1972) come Modello a Mosaico Fluido, la membrana ha due caratteristiche essenziali. Prima: è una struttura a mosaico di diverse molecole. Ogni tipo cellulare in organismi uni- e pluricellulari ha una combinazione unica di proteine, carboidrati e lipidi. Esempio: la membrana dei globuli rossi ha oltre 50 tipi di proteine (Burnette, Carnegie-Mellon).
Seconda: la fluidità. I fosfolipidi si muovono liberamente e si riordinano all'interno di ogni strato, ma raramente attraversano la regione idrofoba per passare allo strato opposto. Le teste idrofile restano all'esterno, le code idrofobe nel nucleo del doppio strato. La fluidità genera doppi strati asimmetrici: in risposta a cambiamenti ambientali o differenze di temperatura, la distribuzione di proteine o carboidrati può variare tra i due strati, permettendo il passaggio selettivo di molecole e ioni. Un'illustrazione delle proprietà fluido-mosaico è disponibile su Carnegie-Mellon: The Structure and Function of the Cell Membrane.
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