17.3: Membrane e lipidi di membrana

Tutte le cellule viventi sono circondate da una membrana cellulare. Le cellule vegetali (Figura \(\PageIndex{1A}\)) e le cellule animali (Figura \(\PageIndex{1B}\)) contengono un nucleo cellulare che è anche circondato da una membrana e contiene le informazioni genetiche per la cellula. Tutto tra la membrana cellulare e la membrana nucleare—compresi i fluidi intracellulari e vari componenti subcellulari come i mitocondri e i ribosomi—è chiamato citoplasma. Le membrane di tutte le cellule hanno una struttura fondamentalmente simile, ma la funzione della membrana varia enormemente da un organismo all’altro e persino da una cellula all’altra all’interno di un singolo organismo. Questa diversità deriva principalmente dalla presenza di diverse proteine e lipidi nella membrana.

Figura \(\PageIndex{1}\): (A) Una cellula vegetale idealizzata. Non tutte le strutture mostrate qui si verificano in ogni tipo di cellula vegetale. (B) Una cellula animale idealizzata. Le strutture mostrate qui raramente si trovano tutte in una singola cellula animale.

I lipidi nelle membrane cellulari sono altamente polari ma hanno caratteristiche duali: parte del lipide è ionico e quindi si dissolve in acqua, mentre il resto ha una struttura idrocarburica e quindi si dissolve in sostanze non polari. Spesso, la parte ionica è indicata come idrofila, che significa “amare l’acqua”, e la parte non polare come idrofobica, che significa” acqua temendo ” (respinto dall’acqua). Quando viene permesso di galleggiare liberamente in acqua, i lipidi polari si raggruppano spontaneamente in una delle tre disposizioni: micelle, monostrati e doppi strati (Figura \(\PageIndex{2}\)).

Figura \(\PageIndex{2}\): Formano Spontaneamente di Lipidi Polari Strutture in Acqua: Monostrato, Micella, e doppio strato di

Micelle sono aggregazioni in cui i lipidi’ di idrocarburi code—di essere idrofobo—sono diretti verso il centro di assemblaggio e lontano dall’acqua circostante, mentre le teste idrofile sono diretto verso l’esterno, a contatto con l’acqua. Ogni micella può contenere migliaia di molecole lipidiche. I lipidi polari possono anche formare un monostrato, uno strato di una molecola spessa sulla superficie dell’acqua. Le teste polari sono rivolte verso l’acqua e le code non polari si attaccano all’aria. I doppi strati sono doppi strati di lipidi disposti in modo che le code idrofobiche siano inserite tra una superficie interna e una superficie esterna costituita da teste idrofile. Le teste idrofile sono a contatto con l’acqua su entrambi i lati del doppio strato, mentre le code, sequestrate all’interno del doppio strato, sono impedite dal contatto con l’acqua. I doppi strati come questo costituiscono ogni membrana cellulare (Figura \ (\PageIndex{3}\)).

Figura \(\PageIndex{3}\): Diagramma schematico di una membrana cellulare. La membrana che racchiude una tipica cellula animale è un doppio strato fosfolipidico con molecole di colesterolo e proteine incorporate. Le catene oligosaccaridiche corte sono attaccate alla superficie esterna.

Nell’interno a doppio strato, le code idrofobiche (cioè le porzioni di acidi grassi delle molecole lipidiche) interagiscono per mezzo di forze di dispersione. Le interazioni sono indebolite dalla presenza di acidi grassi insaturi. Di conseguenza, i componenti della membrana sono liberi di macinare circa in una certa misura, e la membrana è descritto come fluido.

I lipidi presenti nelle membrane cellulari possono essere classificati in vari modi. I fosfolipidi sono lipidi contenenti fosforo. I glicolipidi sono lipidi contenenti zucchero. Questi ultimi si trovano esclusivamente sulla superficie esterna della membrana cellulare, fungendo da marcatori di superficie distintivi per la cellula e quindi servono nel riconoscimento cellulare e nella comunicazione da cellula a cellula. Gli sfingolipidi sono fosfolipidi o glicolipidi che contengono l’alcol amminico insaturo sfingosina piuttosto che glicerolo. Le strutture diagrammatiche dei lipidi di membrana rappresentativi sono presentate in Figura \(\PageIndex{4}\).

Figura \(\PageIndex {4}\): Strutture componenti di alcuni importanti lipidi di membrana

I fosfogliceridi (noti anche come glicerofosfolipidi) sono i fosfolipidi più abbondanti nelle membrane cellulari. Sono costituiti da un’unità di glicerolo con acidi grassi attaccati ai primi due atomi di carbonio, mentre un’unità di acido fosforico, esterificata con una molecola di alcol (di solito un alcol amminico, come nella parte (a) della figura \(\PageIndex{5}\)) è attaccata al terzo atomo di carbonio del glicerolo (parte (b) della figura \(\PageIndex{5}\)). Si noti che la molecola di fosfogliceride è identica a un trigliceride fino all’unità di acido fosforico (parte (b) della figura \(\PageIndex{5}\)).

Esistono due tipi comuni di fosfogliceridi. Fosfogliceridi contenenti etanolammina come l’alcol amminico sono chiamati fosfatidiletanolammine o cefaline. Le cefaline si trovano nel tessuto cerebrale e nei nervi e hanno anche un ruolo nella coagulazione del sangue. I fosfogliceridi contenenti colina come unità di alcol amminico sono chiamati fosfatidilcoline o lecitine. Le lecitine si verificano in tutti gli organismi viventi. Come le cefaline, sono importanti costituenti del tessuto nervoso e cerebrale. I tuorli d’uovo sono particolarmente ricchi di lecitine. Le lecitine di grado commerciale isolate dalla soia sono ampiamente utilizzate negli alimenti come agenti emulsionanti. Un agente emulsionante viene utilizzato per stabilizzare un’emulsione-una dispersione di due liquidi che normalmente non si mescolano, come olio e acqua. Molti alimenti sono emulsioni. Il latte è un’emulsione di burrograsso in acqua. L’agente emulsionante nel latte è una proteina chiamata caseina. La maionese è un’emulsione di olio di insalata in acqua, stabilizzata dalle lecitine presenti nel tuorlo d’uovo.

Le sfingomieline, gli sfingolipidi più semplici, contengono ciascuno un acido grasso, un acido fosforico, sfingosina e colina (Figura \(\PageIndex{6}\)). Poiché contengono acido fosforico, sono anche classificati come fosfolipidi. Le sfingomieline sono costituenti importanti della guaina mielinica che circonda l’assone di una cellula nervosa. La sclerosi multipla è una delle numerose malattie derivanti da danni alla guaina mielinica.

La maggior parte delle cellule animali contiene sfingolipidi chiamati cerebrosidi (Figura \ (\PageIndex{7}\)). I cerebrosidi sono composti da sfingosina, un acido grasso e galattosio o glucosio. Assomigliano quindi alle sfingomieline ma hanno un’unità di zucchero al posto del gruppo fosfato di colina. I cerebrosidi sono costituenti importanti delle membrane delle cellule nervose e cerebrali.

Figura \(\PageIndex{7}\): Cerebrosidi. I cerebrosidi sono sfingolipidi che contengono un’unità di zucchero.

Gli sfingolipidi chiamati gangliosidi sono più complessi, di solito contenenti una catena ramificata da tre a otto monosaccaridi e/o zuccheri sostituiti. A causa della notevole variazione dei loro componenti zuccherini, sono state identificate circa 130 varietà di gangliosidi. La maggior parte dei processi di riconoscimento e comunicazione da cellula a cellula (ad es., antigeni del gruppo sanguigno) dipendono dalle differenze nelle sequenze di zuccheri in questi composti. I gangliosidi sono più diffusi nelle membrane esterne delle cellule nervose, anche se si verificano anche in piccole quantità nelle membrane esterne della maggior parte delle altre cellule. Poiché cerebrosides e gangliosides contengono gruppi di zucchero, sono anche classificati come glicolipidi.