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8 Membrane Biologiche preservano l individualità della cellula hanno permeabilità altamente selettiva pompe confine attivo canali controllano il flusso di informazione recettori specifici movimento verso i nutrienti risposta agli ormoni percezione della luce... generano e ricevono segnali chimici ed elettrici

9 Nelle cellule eucariotiche le membrane interne di organelli quali: il reticolo endoplasmatico, l apparato di Golgi, il mitocondrio etc. mantengono la distinzione tra gli organelli e il cytosol.

10 La membrana cellulare doppio strato: molecole non covalentemente legate fluido bidimensionale (A) Elettro-micrografia della membrana plasmatica di un globulo rosso (sezione trasversale) (B) disegno schematico della vista trasversale (C) disegno schematico tridimensionale

11 Proprietà comuni a tutte le membrane biologiche. strutture a foglio (doppio strato) di spessore 5 10 nm. principalmente proteine e lipidi (rapporto tra pesi che varia tra 1:4 e 4:1) tenute insieme da legami non-covalenti a. lipidi: regione idrofilica + regione idrofobica b. proteine: pompe, canali, recettori, trasduttori di energia, enzimi.. Le 2 facce del doppio strato sono diverse (asimmetria). Strutture fluide: a. rapidi spostamenti di lipidi e proteine sul singolo strato b. lenti flip-flop

12 Funzioni delle proteine della membrana cellulare connessione citoscheletro-doppio strato matrice extracellulare cellule vicine recezione e trasduzione di segnali chimici Cellula animale funzionante: sono necessarie molte proteine di membrana diverse Circa il 30% delle proteine codificate nelle cellule animali sono proteine di membrana

13 I vari modi in cui le proteine si associano con il doppio strato Attraversando la membrana con 1. una singola elica α, (possono essere covalentemente legate ad un acido grasso inserito nel monostrato) 2. eliche α multiple, 3. β sheet arrotolato (β barrel) Interagendo con un solo strato con 4. un α elica anfifilica, 5. un acido grasso, 6. via un oligosaccaride 7. e 8. Molte sono ancorate alle membrane via legami non covalenti con un altra proteina

14 Alcune proteine speciali formano pori nella membrana cellulare che permettono il passaggio di molecole. pdb Esempio di pompa di protoni (rodopsina). Viene utilizzata l energia luminosa (H.Luecke et al., Science 286:255260, 1999.)

15 Lipidi (o acidi grassi) Funzionano da molecole di combustibile riserve di energia molecole segnale componenti delle membrane Sono insolubili in acqua solubili in solventi organici (es. cloroformio)

16 La forma e la natura anfipatica delle molecole lipidiche favorisce la formazione spontanea di doppi-strati in mezzo acquoso Molecole idrofiliche: contengono gruppi carichi o gruppi polari che possono formare legami elettrostatici o legami idrogeno con le molecole d acqua Molecole idrofobiche: tutti o la maggior parte degli atomi sono non carichi o non polari sono insolubili in acqua 1 µm 2 area di doppio strato molecole lipidiche, 10 9 molecole lipidiche nella membrana plasmatica di una piccola cellula animale

17 Lipidi (o acidi grassi) catene di [da 14 a 24] atomi di carbonio (C) legati tra loro con un legame singolo (saturi) doppio o triplo (insaturi) valenze libere: legate a atomi di idrogeno (H) primo C = gruppo carbossilico (COOH). Generico lipide [n:m] con n = # C; m = # doppi legami Fluidità = f(n,m)= f(lunghezza, grado di saturazione) formula di struttura di un lipide insaturo

18 Acido Grasso Forma ionizzata Un acido grasso è composto da una catena idrocarburica idrofobica a cui è attaccata un gruppo carbossilico idrofilico. Acidi grassi più comuni: Acido palmitico o Palmitato (n=16, m=0) Acido oleico o Oleato (n=18, m=1) Acidi differenti hanno differenti catene modello Space-filling Formula strutturale modello Ball-and-stick

19 Principali lipidi di membrana: fosfolipidi, glicolipidi e colesterolo I più abbondanti sono i fosfolipidi Esempio di fosfolipide: la fosfatidilcolina Ciascun doppio legame forma un ginocchio nella coda.

20 Molecole idrofobiche in acqua le molecole d acqua si organizzano in gabbie che circondano la molecola idrofobica le gabbie sono strutture più ordinate dell acqua circostante la loro formazione aumenta l energia libera il costo di energia libera è minimizzato se le molecole idrofobiche clusterizzano in modo da coinvolgere il numero minimo di molecole d acqua nella formazione della gabbia

21 Le molecole idrofobiche e idrofiliche interagiscono in modo diverso con l acqua (A) (B) L acetone è polare e può avere interazioni elettrostatiche con le molecole d acqua anch esse polari l acetone si scioglie facilmente in acqua Il 2-metilpropano è idrofobico virtualmente insolubile in acqua formazione della gabbia δ - e δ + : cariche parziali atomi polari rosso/blu atomi non-polari grigio

22 Le molecole lipidiche (lipidi) formano spontaneamente aggregati che nascondono le code idrofobiche all interno ed espongono le teste idrofiliche all acqua micelle (~ sferiche) doppi strati (~ piani) (A) lipidi cuneiformi (sopra) formano micelle, mentre lipidi cilindrici (sotto) formano doppi strati piani. (B) sezione trasversale

23 La chiusura spontanea del doppio-strato fosfolipidico promuove la formazione di compartimenti chiusi Fosfolipidi cilindrici formazione spontanea doppio-strato Forza che determina la formazione del doppio strato Proprietà auto-riparatrici formazione di un piccolo strappo bordo accessibile all acqua (energeticamente sfavorito) eliminazione mediante ridistribuizione dei lipidi (nelle membrane cellulari degli eucarioti strappi più grandi sono riparati dalla fusione con vescicole intra-cellulari) La presenza di bordi accessibili all acqua è energeticamente sfavorita formazione di compartimenti chiusi natura anfipatica dei fosfolipidi formazione delle cellule

24 Il doppio-strato lipidico è un fluido bidimensionale Il primo esperimento che dimostrò che i lipidi possono muoversi liberamente nel doppio-strato (1970) fu fatto su doppi-strati sintetici. Due tipi di doppi strati sintetici: liposomi: micelle sferiche ( = 25 nm 1 mm, a seconda della preparazione) doppi strati planari (black membranes): formati su un foro tra 2 compartimenti acquosi

25 Liposomi Elettromicrofotografia di una vescicola La struttura a doppio strato è chiaramente visibile Disegno della sezione trasversale di un piccolo liposoma

26 black membrane Questi doppi-strati planari appaiono neri quando si formano su un piccolo foro Le black membranes sono utilizzate per misurare le proprietà di permeabilità delle membrane sintetiche

27 Langmuir-Blodgett I film di Langmuir-Blodgett sono ottenuti dalla deposizione di monostrati su un substrato solido Molecole anfifiliche sulla superficie dell acqua si dispongono come monostrati in cui la parte idrofobica si posiziona all interfaccia acqua-aria Quando le molecole sono depositate sulla superficie dell acqua sono inizialmente poco impacchettate ( fase gassosa ) Aumentando la pressione passano ad una fase liquida E quindi ad una fase solida Surface pressure (mn/m) Solid phase Liquid phase Molecular area (nm 2 /molecule) Gas phase

28 bilancia di Wilhelmy Barriera La compressione è fatta muovendo una barriera sulla superficie dell acqua Una bilancia di Wilhelmy è utilizzata per misurare i cambiamenti della pressione superficiale

29 Deposizioni di Langmuir-Blodgett I substrati: Idrofilici Vetro e quarzo Lastrine di metallo composte di ossidi di cromo, alluminio o stagno Argento e oro (substrati conduttori) arsenuri di silicio o gallio (semiconduttori) Idrofobici Mica e HOPG (Highly Ordered Pyrolytic Graphite

30 Y-type X-type

31 Z-type

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