Fosfolipidi e doppio strato lipidico

I fosfolipidi sono le molecole che costruiscono le membrane biologiche. La loro forma — una testa polare e due code idrocarburiche apolari — li spinge a organizzarsi spontaneamente in acqua nel doppio strato lipidico, una struttura sottile, fluida e autoriparante che separa ogni cellula dall’ambiente esterno.

Vediamo com’è fatto un fosfolipide, che cosa significa anfipaticità, perché in acqua si forma da solo un doppio strato e perché questa struttura si comporta come un fluido bidimensionale.

Che cos’è un fosfolipide

Il fosfolipide più diffuso, il glicerofosfolipide, ha lo scheletro del glicerolo con due acidi grassi esterificati (le code apolari) e, al terzo gruppo, un fosfato a cui è legato un gruppo polare (la testa). Ne risulta una molecola con due regioni nettamente diverse: una testa idrofila carica o polare e due code idrofobiche idrocarburiche. È questa la chiave di tutto il comportamento di membrana.

Anfipaticità

Una molecola con una parte idrofila e una idrofoba è detta anfipatica (o anfifilica). Posta in acqua, si trova in conflitto: la testa «vuole» stare nell’acqua, le code la «rifuggono». La soluzione che minimizza l’energia è separare le due regioni, raccogliendo le code apolari al riparo dall’acqua e lasciando esposte le teste polari. Questa tendenza non è una forza attrattiva diretta fra le code, ma una conseguenza del comportamento dell’acqua: il cosiddetto effetto idrofobico.

Micella o doppio strato

Le molecole anfipatiche possono aggregarsi in due modi, e la geometria della molecola decide quale. Gli anfifili a coda singola, come i saponi, hanno una forma approssimativamente conica e formano micelle sferoidali, con le code al centro. I fosfolipidi a due code hanno una forma più cilindrica che non si presta alla curvatura stretta della micella: si dispongono invece in due foglietti affacciati, formando il doppio strato, con le code dei due foglietti rivolte l’una verso l’altra all’interno.

anfifilo 1 coda → micella  ·  anfifilo 2 code (fosfolipide) → doppio strato

Un’architettura autoriparante

Il doppio strato si forma da solo, per autoassemblaggio, e ha una proprietà notevole: è autoriparante. Una piccola lacerazione tende a richiudersi spontaneamente, perché esporre le code all’acqua è energeticamente sfavorevole. È la stessa ragione per cui le membrane possono fondersi e dividersi senza disgregarsi, e per cui si possono preparare in laboratorio vescicole artificiali (liposomi).

Un fluido bidimensionale

Il doppio strato non è rigido: è un fluido. I fosfolipidi sono liberi di muoversi rapidamente lateralmente, scambiandosi di posto con i vicini dello stesso foglietto. La mobilità è sorprendente: in una cellula batterica un lipide può percorrere per diffusione laterale tutta la lunghezza della cellula (circa 1 μm) in circa un secondo. L’interno del doppio strato è in movimento costante e ha una viscosità paragonabile a quella di un olio per motori. Per questo la membrana si descrive come un fluido bidimensionale.

Il contrasto fra i due moti è istruttivo. La diffusione laterale è quasi istantanea, ma il flip-flop, cioè il passaggio di un fosfolipide da un foglietto all’altro, è rarissimo, con tempi di dimezzamento di giorni: per farlo, la testa polare idratata dovrebbe attraversare l’interno apolare del doppio strato, cosa energeticamente molto sfavorevole. Questa asimmetria è ciò che permette ai due foglietti di una membrana di avere composizioni diverse e stabili nel tempo.

Perché conta nella pratica

Capire perché un doppio strato si forma da solo e si comporta come un fluido è la base per comprendere le membrane, la permeabilità e l’azione di molti farmaci e tensioattivi. Chi formula liposomi, sistemi di rilascio o emulsioni sfrutta esattamente l’anfipaticità e l’effetto idrofobico. E la fluidità della membrana — regolabile con la composizione lipidica — spiega come le cellule mantengono funzionali le loro membrane al variare della temperatura, un tema ripreso nell’articolo sui steroli.

Domande frequenti

Che cos’è un fosfolipide?

È un lipide con una struttura anfipatica: nei glicerofosfolipidi, lo scheletro di glicerolo porta due acidi grassi (le code idrofobiche) e un gruppo fosfato legato a una testa polare. Ne risulta una molecola con una testa idrofila e due code idrofobiche. Questa forma è ciò che spinge i fosfolipidi a organizzarsi in doppi strati e a formare le membrane delle cellule.

Perché i fosfolipidi formano un doppio strato e non una micella?

Per via della loro geometria. I fosfolipidi hanno due code idrocarburiche e una forma più cilindrica, che non si adatta alla curvatura stretta di una micella. Si dispongono quindi in due foglietti affacciati, con le code dei due strati rivolte verso l’interno e le teste polari verso l’acqua su entrambi i lati. Gli anfifili a coda singola, di forma più conica, formano invece micelle.

Che cos’è l’effetto idrofobico?

È la tendenza dell’acqua a escludere le regioni apolari, che spinge le code idrofobiche dei lipidi a raggrupparsi lontano dall’acqua. Non è una forza attrattiva diretta fra le code, ma una conseguenza del comportamento dell’acqua: aggregare le parti apolari riduce i contatti sfavorevoli con il solvente. È l’effetto che guida l’autoassemblaggio di micelle e doppi strati.

Perché la membrana si dice fluida?

Perché i fosfolipidi non sono fissi: si muovono rapidamente nel piano della membrana, scambiandosi di posto con i vicini (diffusione laterale), tanto da percorrere la lunghezza di una cellula batterica in circa un secondo. L’interno del doppio strato ha una viscosità simile a quella di un olio. Per questa libertà di movimento la membrana è descritta come un fluido bidimensionale.

Che cos’è il flip-flop dei fosfolipidi?

È il passaggio di un fosfolipide da un foglietto del doppio strato all’altro, cioè un movimento trasversale. È un evento rarissimo, con tempi di dimezzamento di giorni, perché richiede che la testa polare idratata attraversi l’interno apolare della membrana, cosa energeticamente molto sfavorevole. La sua rarità permette ai due foglietti di mantenere composizioni diverse e stabili.