Struttura della membrana plasmatica

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1 Struttura della membrana plasmatica

2 Le membrane biologiche La struttura e la funzione delle cellule dipendono in modo critico dalle membrane che: separano l ambiente esterno della cellula da quello interno definiscono i compartimenti interni delle cellule eucariotiche inclusi nucleo ed organuli citoplasmatici. Tutte le membrane biologiche hanno un organizzazione strutturale comune: un doppio strato di fosfolipidi con associate delle proteine di circa 2,5-3 nm

3 Lipidi di membrana: i fosfolipidi

4 Lipidi di membrana: i glicolipidi

5 L organizzazione delle membrane biologiche I costituenti essenziali delle membrane biologiche sono i fosfolipidi I fosfolipidi in acqua tendono a formare un doppio strato

6 Movimenti delle molecole fosfolipidiche all interno delle membrane 1. Diffusione trasversale (rara tranne nel REL dove esistono enzimi detti traslocatori di fosfolipidi o flippasi) 2. Diffusione laterale 3. Rotazione avvengono liberamente in modo rapido

7 Il modello a mosaico fluido

8 Fattori che influenzano la fluidità della membrana Lunghezza degli acidi grassi Grado di insaturazione degli acidi grassi Contenuto in colesterolo

9 Confronto tra l impacchettamento di acidi grassi saturi ed insaturi nella membrana (a) I lipidi con acidi grassi saturi si impacchettano bene nella membrana (b) I lipidi con una miscela di acidi grassi saturi ed insaturi non si impacchettano bene nella membrana (a) Interazioni di van der Waals più stabili (b) Interazioni di van der Waals meno stabili

10 Effetto della lunghezza della catena e del numero dei doppi legami sul punto di fusione degli acidi grassi Maggiore è il numero degli atomi di carbonio maggiore è il punto di fusione, minore è la fluidità Maggiore è il grado di insaturazione, minore il punto di fusione, maggiore è la fluidità

11 Gli steroli della membrana: il colesterolo

12 Il colesterolo nella membrana plasmatica

13 Fluidità di membrana: il ruolo della temperatura Il passaggio da una condizione all altra viene definita transizione di fase

14 Doppio ruolo del colesterolo nel controllo della fluidità di membrana A basse temperature il colesterolo evita che le catene idrocarburiche degli acidi grassi si possano legare le une alle altre, cioè aumenta la fluidità di membrana. Ad alte temperature rende la membrana meno fluida impedendone la scompaginazione, cioè diminuisce la fluidità di membrana. Diminuisce la permeabilità della membrana ai piccoli ioni poiché riempie gli spazi tra gli idrocarburi dei fosfolipidi che formano piccoli canali.

15 Principali classi delle proteine di membrana GPI: Glicosilfosfatidilinositolo

16 Le principali funzioni delle proteine di membrana Enzimi Proteine che trasportano elettroni Proteine di trasporto Proteine canale Recettori Compongono le gap junction Ruolo strutturale nella stabilizzazione della membrana

17 Funzione della membrana plasmatica

18 Le funzioni delle membrane

19 Trasporto attraverso le membrane

20 Permeabilità della membrana plasmatica

21 Tipi di trasporto attraverso la membrana plasmatica

22 Diffusione semplice

23 La diffusione sposta i soluti sempre verso l equilibrio Diffusione L energia libera è ridotta al minimo quando le molecole si muovono secondo il loro gradiente di concentrazione e quando gli ioni si spostano secondo il loro gradiente elettrochimico. La Diffusione procede dalle regioni con Energia libera più alta verso quelle con Energia libera più bassa.

24 La diffusione Semplice E anche detta diffusione passiva Prevede il passaggio di gas o piccole molecole polari prive di carica secondo un gradiente di concentrazione Manca di specificità in quanto tutte le piccole molecole possono essere trasportate. La fase limitante di questo trasporto è rappresentata dall attraversamento del doppio strato fosfolipidico

25 Fattori che controllano la diffusione attraverso i doppi strati lipidici Fattore Dimensione: doppio strato più permeabile alle molecole più piccole Polarità: doppio strato più permeabile alle molecole apolari Carica: doppio strato altamente impermeabile agli ioni Più Permeabile H 2 O (Acqua) CH 3 -CH 2 -CH 2 -OH (Propanolo) O 2 (Ossigeno) Meno Permeabile H 2 N-CO-NH 2 (Urea) HO-CH 2 -CHOH- CH 2 -OH (Glicerolo) OH - (Ione ossidrile) La diffusione semplice è limitata alle molecole piccole e apolari

26 L osmosi consiste nella diffusione dell acqua attraverso una membrana permeabile in modo differenziale Osmosi L acqua tende a spostarsi dalle regioni a concentrazione di soluto più bassa (con energia libera più elevata) alle regioni a più elevata concentrazione di soluto (con energia libera più bassa)

27 Diffusione semplice: l osmosi Poiché la maggior parte delle membrane biologiche sono impermeabili agli ioni, per equilibrare le concentrazioni di ioni tra 2 ambienti limitati da una membrana sarà l H 2 O a spostarsi Soluzione ipotonica= la concentrazione di soluti nella soluzione è minore di quella nella cellula Soluzione ipertonica= la concentrazione di soluti nella soluzione è maggiore di quella nella cellula Soluzione isotonica= la concentrazione di soluti nella soluzione è molto vicina a quella della cellula

28 Diffusione facilitata

29 La Diffusione Facilitata: movimento mediato da proteine Molte sostanze presenti nelle cellule sono troppo grandi o troppo polari per potere attraversare le membrane per diffusione semplice a velocità ragionevoli, anche se il processo è esoergonico Questi soluti possono spostarsi all interno e all esterno delle cellule e degli organuli a velocità apprezzabili solo con l aiuto di proteine di trasporto che mediano il movimento del soluto attraverso la membrana

30 Tipi di trasporto attraverso la membrana plasmatica PROTEINE TRASPORTATRICI (zuccheri, aa e nucleosidi) PROTEINE CANALE (ioni e piccole molecole)

31 Tre tipi di proteine di trasporto o carrier I trasportatori per antiporto e simporto vengono anche definiti cotrasportatori

32 L accoppiamento del trasporto ad una fonte di energia può essere diretto o indiretto ATPasi di trasporto o pompe ATPasi (b) Il simporto (e l antiporto) può anche essere definito trasporto attivo indiretto

33 Caratteristiche del trasporto per uniporto Il tasso di trasporto è elevato (la liposolubilità è irrilevante). Il trasporto è specifico. La specificità delle proteine carrier è il risultato di un adattamento stereochimico tra il soluto ed il suo sito di legame presente sulla proteina carrier.

34 Confronto fra le cinetiche della diffusione semplice e facilitata Il carrier innalza la velocità di trasporto qualunque sia il gradiente di concentrazione

35 La diffusione Semplice: un movimento spontaneo secondo gradiente Direzione del trasporto dell ossigeno e dell anidride carbonica negli eritrociti

36 Il trasportatore GluT1: modello di uniporto

37 La proteina scambiatrice di anioni dell eritrocita: una proteina carrier antiporto Proteina scambiatrice di anioni

38 La proteina scambiatrice di anioni dell eritrocita La CO 2 entra negli eritrociti per diffusione semplice Nella forma gassosa CO 2 non è molto solubile nelle soluzioni acquose, pertanto viene trasformata in ioni bicarbonato La proteina scambiatrice detta EA1 è selettiva ed accetta lo scambio 1:1, senza cambiare il potenziale di membrana

39 La proteina scambiatrice di Na + e glucosio: una proteina carrier simporto

40 Un modello di Meccanismo per il trasportatore per simporto Na + /glucosio

41 Il potenziale di membrana Ambiente extracellulare Ambiente intracellulare (-70 mv)

42 Caratteristiche dei canali ionici Selettivi: la maggior parte consente il passaggio di un solo tipo di ione (Na +,K +, Ca 2+ e Cl - ) Veloci: fino a un milione di ioni al secondo Controllati: possono essere aperti o chiusi medianti cambiamenti conformazionali delle proteine indotti da: Differenze di potenziale Ligando Stimolo meccanico

43 I canali del Na + voltaggio dipendenti

44 Il trasporto attivo diretto dipende da quattro tipi di ATPasi di trasporto ATPasi di tipo P (fosforilazione) ATPasi di tipo V (vescicola) ATPasi di tipo F (fattore) ATPasi di tipo ABC (cassetta che lega l ATP)

45 Principali tipi di ATPasi di trasporto Soluti trasportati Tipi di membrana Tipi di organismi ATPasi di tipo P Funzione dell ATPasi (fosforilazione) Na + e K + M. Plasmatica Animali Mantiene basso Na + e alto il K + all interno della cellula Ca 2+ M. Plasmatica Eucarioti Mantiene basso Ca 2+ nel citosol ATPasi di tipo V (vescicola) H + Vescicole Secr. Animali Mantiene basso il ph nell organulo attivando enzimi idrolitici ATPasi di tipo F (Fattore) H + M. mitocondr. Int. Eucarioti Genera un gradiente di H + che attiva la sintesi di ATP H + M. Plasmatica Procarioti Genera un gradiente di H + che attiva la sintesi di ATP ATPasi ABC (cassetta che lega l ATP) Diversi soluti M. Plasmatica M. Organelli Procarioti Eucarioti Passaggio sostanze nutritive, esportazione delle proteine, trasporto interno-esterno organelli

46 La molecola di ATP

47 Il trasporto Attivo Determina il movimento dei soluti sempre lontano dall equilibrio termodinamico cioè contro un gradiente di concentrazione o elettrochimico pertanto la loro azione deve essere accoppiata ad un sistema che cede energia E unidirezionale Assolve a tre principali funzioni: Assorbimento sostanze nutritive essenziali Rimozione dalla cellula di prodotti di secrezione o di rifiuto Mantiene le concentrazioni intracellulari di ioni inorganici specifici tra cui Na +,K +, Ca 2+ e H + in una situazione costante di non equilibrio

48 Esempio di ATPasi di classe P: la pompa Na + /K + ATPasi della membrana plasmatica All interno delle cellule animali la [K + ] è di circa mm mentre all esterno è molto più bassa e può variare ampiamente. La [Na 2+ ] è di circa mm considerevolmente inferiore all ambiente circostante. Pertanto sia il pompaggio all interno degli ioni K + che il pompaggio all esterno degli ioni Na 2+ richiedono energia

49 Esempio di ATPasi di classe P: la pompa Na + /K + ATPasi della membrana plasmatica

50 Tipi di trasporto attraverso la membrana plasmatica