Struttura della membrana: modello del mosaico fluido

Struttura della membrana: modello del mosaico fluido

La teoria della struttura della membrana, nota come modello del mosaico fluido, proposta nel 1972 da Jonathan Singer e da Garth Nicholson, postula che le proteine integrali si comportino come “iceberg” che fluttuano in un “mare” lipidico bidimensionale e che possano diffondere liberamente in senso laterale nella matrice lipidica, a meno che i loro movimenti non siano limitati da associazioni con altri componenti della cellula. La validità di questo modello è stata stabilita in diversi modi. Forse l'esperimento più consono a questo riguardo è quello di Michael Edidin in cui le cellule coltivate di topo vennero fuse con cellule umane formando una cellula ibrida detta eterocarionte. Le cellule di topo erano state marcate con un anticorpo specifico per le proteine del topo a cui era legato covalentemente un fluoroforo verde (immunofluorescenza). Le proteine sulle cellule umane erano state marcate, invece, in modo analogo con un anticorpo con un fluoroforo rosso. Dopo la fusione cellulare, le proteine del topo e dell'uomo, osservate con un microscopio a fluorescenza, erano segregate in due parti distinte dell'eterocarionte. Dopo 40 minuti a 37 °C queste proteine si sono mescolate. L'aggiunta di sostanze che inibiscono la sintesi proteica non rallenta la velocità del processo di mescolamento; soltanto abbassando la temperatura al di sotto di 15 °C si ha un notevole rallentamento del fenomeno. Queste osservazioni indicano che il processo di mescolamento è indipendente sia dall'energia metabolica che dall'inserzione di nuove proteine nella membrana. Esso è invece il risultato della diffusione di proteine preesistenti sulla membrana fluida, un processo che viene rallentato dalle basse temperature. Inoltre, le misure del recupero della fluorescenza dopo fotosbiancamento indicano che le proteine di membrana hanno velocità diffusione laterale diversa. Alcune possono muoversi liberamente e diffondere ad una velocità simile a quella dei lipidi altre, invece, diffondono molto più lentamente a causa dei loro contatti submembranosi. Comunque, la distribuzione delle proteine nella membrana può essere visualizzata con il microscopio elettronico usando la tecnica del freeze-fracture. Con questa tecnica, un campione di membrana viene raffreddato rapidamente alla temperatura dell'azoto liquido (-196 °C). Il congelamento immobilizza il campione e minimizza le possibili perturbazioni generate dalle successive manipolazioni. Il campione viene poi rotto con la lama di un  microtomo freddo, che spesso divide il doppio strato in due monostrati. Un'ultima caratteristica delle membrane biologiche è la loro asimmetria, infatti: le proteine transmembrana sono orientate sempre nella stessa direzione rispetto alla membrana, le proteine sono localizzate sempre su una specifica faccia della membrana, i lipidi sono distribuiti in modo asimmetrico tra il monostrato interno e quello esterno e i carboidrati, se presenti, sono localizzati solo sulla superficie esterna della membrana.