Macromolecole Lipidi & Membrane

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1 LIPIDI (1) Macromolecole Lipidi & Membrane Biotec_2011 Miscellanea di molecole biologiche che condividono la proprietà di non essere solubili in acqua. Molecole idrofobiche. Es: Grassi Oli (grasso liquido a temperatura ambiente) Colesterolo Molecole derivate dalle precedenti LIPIDI (2) I loro legami chimici covalenti, quasi esclusivamente legami carbono idrogeno o carbono carbono, contengono molta energia: Tipo di legame Energia (kcal/mole) C-H 99 C-C 83 LIPIDI (3) I lipidi sono perciò una efficiente forma di immagazzinare molta energia in poco spazio. Gli animali usano l energia in eccesso per sintetizzare lipidi che immagazzinano finchè l energia non é necessaria. Anche alcune piante immagazzinano energia sotto forma di lipidi, di solito nei semi per fornire energia alla nuova piantina (ad es. semi di girasole, nocciole, mandorle, tutti molti oleosi) Se un animale o una pianta in sviluppo ha bisogno di energia può degradare i lipidi e rilasciare l energia immagazzinata nei suoi legami chimici. Lipidi modificati mediante collegamento ad un gruppo chimico idrofilico, che quindi sono molecole bipolari, giocano un ruolo fondamentale in quanto si associano spontaneamente in membrane. 1

2 Lipidi: Funzioni Immagazzinamento di energia (grassi e oli) Membrane cellulari (fosfolipidi) Cattura di energia luminosa (carotenoidi) Ormoni e vitamine (steroidei e acidi grassi modificati) Isolamento termico Isolamento elettrico dei nervi Repulsione di acqua (cere e oli) Gli acidi grassi sono lunghe catene idrocarburiche che hanno all estremità un gruppo acido ( COOH) Gli acidi grassi possono essere saturi o insaturi. Lipidi: Molecola insolubili in acqua I grassi (animali) e gli oli (vegetali) immagazzinano energia. I grassi e gli oli sono trigliceridi, composti da tre molecole di acidi grassi esterificate con una molecola di glicerolo. Il Glicerolo è una molecola con tre atomi di carbono e tre gruppi idrossilici ( OH), uno per ogni atomo di carbono. Gli acidi grassi sono lunghe catene idrocarburiche con un gruppo carbossilico ( COOH) ad una estremità. Lipidi: Acidi Grassi Saturi Gli acidi grassi saturi hanno soltanto legami carbono carbono singoli (sono saturi di idrogeni). Sono rigidi e dritti a temperatura ambiente. I grassi animali sono saturi. 2

3 Lipidi: Molecole insolubili in acqua Acidi grassi saturi e insaturi Gli acidi grassi insaturi hanno almeno un carbono coinvolto in un legame doppio nella catena la catena non è totalmente satura di atomi di idrogeno. I doppi legami provocano gomiti che impediscono un facile impacchettamento. Sono liquidi a temperatura ambiente. Le piante di solito hanno acidi grassi insaturi. Most animal fats, RT Most vegetable oils, one one or more double bonds RT Ac. Grassi saturi Ac. Grassi insaturi 3

4 Acidi grassi polinsaturi Contengono più di un legame doppio nella loro impalcatura. Includono molti composti importanti quali gli acidi grassi essenziali. I più noti sono polieni interrotti da gruppi metilenici: C C=C C C=C Gli acidi grassi essenziali sono tutti omega 3 e omega 6 acidi grassi con interruzione di gruppi metilenici saturo polinsaturo Acidi grassi monoinsaturi e polinsaturi I grassi sono designati come monoinsaturi si vi è soltanto un doppio legame e polinsaturi si ci sono due o più legami doppi. Gli acidi grassi omega 3 e omega 6 sono acidi grassi polinsaturi, la differenza sta nella localizzazione del legame doppio: Negli omega 3 il primo legame doppio si trova nell 3 atomo di carbonio Negli omega 6 il primo legame doppio si trova nel 6 stomo di carbono a contare dall estremità metilenica (nota come omega). importance of omega 3 and omega 6 fatty acids/ 4

5 Alcuni acidi grassi presenti naturalmente negli animali Trigliceridi Number of Number of Common name Systematic Formula carbons double bonds name 12 0 Laurate n Dodecanoate CH3(CH2)10COO 14 0 Myristate n Tetradecanoate 16 0 Palmitate n Hexadecanoate 18 0 Stearate n Octadecanoate CH3(CH2)12COO CH3(CH2)14COO CH3(CH2)16COO 20 0 Arachidate n Eicosanoate CH3(CH2)18COO 22 0 Behenate n Docosanoate CH3(CH2)20COO 24 0 Lignocerate n Tetracosanoate 16 1 Palmitoleate cis Δ 9 Hexadecenoate 18 1 Oleate cis Δ 9 Octadecenoate 18 2 Linoleate cis,cis Δ 9,Δ 12 Octadecadieno ate 18 3 Linolenate all cis Δ 9,Δ 12,Δ 15 Octadecatrieno ate 20 4 Arachidonate all cis Δ 5,Δ 8,Δ 11,Δ 14 Eicosatetraeno ate CH3(CH2)22COO CH3(CH2)5CH=C H(CH2)7COO CH3(CH2)7CH=C H(CH2)7COO CH3(CH2)4(CH=C HCH2)2(CH2)6CO O CH3CH2(CH=CH CH2)3(CH2)6COO CH3(CH2)4(CH=C HCH2)4(CH2)2CO O Sintesi di un Trigliceride Struttura dei trigliceridi 5

6 Tessuto adiposo e adipociti /biology/wags/histo page/colorpage/ca/w atmv.gif 3 Lipidi: Molecole Insolubili in acqua I fosfolipidi hanno due codi di acidi grassi idrofobici e un gruppo idrofilico legato al glicerolo. Struttura dei fosfolipidi Come conseguenza, in ambiente acquoso i fosfolipidi si orientano in modo tale che i gruppi fosfato (e i gruppi polari ad esso legati) si affacciano all acqua e le code si rivolgono dal lato opposto. In ambiente acquoso questi lipidi foermano doppi starti ( bilayers ) con le teste rivolte all esterno e lo code rivolte verso l interno. Le membrane cellulari sono così strutturate 6

7 Saponi, acidi biliari Struttura delle membrane Doppio strato lipidico («bilayer») 7

8 Unità di misura per riferimento Metro m Milimetro mm = 10 3 m Micron µm: 10 6 m Nanometro nm: 10 9 m = 10 3 µm [millimicron, obsoleto] Ångstrom Å = m = 10 1 nm Ångstrom: Unità spesso usata in Scienze Naturali e tecnologia per esprimere le dimensioni di atomi, molecule, e strutture biologiche microscopiche, le dimensioni dei legami chimici, la disposizione degli atomi nei cristalli, la lunghezza d onda della radiazione elettromagnetica e le dimensioni dei component dei circuiti integrati (elettronica). Giunzione fra due cellule Struttura trilaminare delle due membrane cellulari. Gartner, Istologia 8

9 Nell ambito di ogni foglietto, i fosfolipidi hanno libertà di movimento Il movimento da un foglietto all altro («flip flop») è difficoltato dal carattere anfipatico del lipide e ha bassa probabilità di avvenire. Può essere facilitato da appositi enzimi «flippasi») Nella membrana plasmatica la distribuzione dei fosfolipidi è assimmetica IMPORTANZA BIOLOGICA DELL ASSIMMETRIA DEI LIPIDI DELLE MEMBRANE (1) Le composizioni dei due monostrati del bilayer lipidico sono marcatamente diverse. Es: nella membrana degli eritrociti umani, quasi tutte le molecole lipidiche che hanno la colina (CH 3 ) 3 N + CH 2 CH 2 OH nel loro gruppo di testa (fosfatidilcolina e sfingomielina) si trovano nel foglietto esterno, mentre quasi tutte le molecole di fosfolipidi che contengono un aminogruppo terminale primario (fosfatidiletanolamina e fosfatidilserina) si trovano nel monostrato interno. Poichè la fosfatidilserina carica negativamente è localizzata nel monostrato interno, vi è una significativa differenza di cariche fra le due metà del doppio strato: 9

10 Importanza dell assimmetria (2) L assimmetria dei lipidi è funzionalmente importante. Molte proteine del citosol si legano a specifici gruppi di testa di lipidi presenti sul monostrato citosolico del bilayer lipidico. Ad es., l enzima proteina chinasi C (PKC) viene attivata in risposta a diversi segnali extracellulari. La PKC si lega alla faccia citosolica della membrana plasmatica, dove è concentrata la fosfatidilserina, e richiede questo fosfolipidi carico negativamente per la sua attività. Importanza dell assimmetria (3) In altri casi, il gruppo di testa dei lipidi deve essere prima modificato in modo da creare siti di aggancio per le proteine in un posto e momento determinati. Ad esempio, il fosfatidilinositolo, che è un fosfolipide poco rappresentato, concentrato nel monostrato citosolico delle membrane cellulari. Diverse chinasi dei lipidi possono legare gruppi fosfato in posizioni distinte dell anello di inositolo. Gli inositolo fosfolipidi fosforilati a questo punto fungono come siti di legame che reclutano proteine specifiche dal citosol fino alla membrana. Un importante esempio di chinasi dei lipidi è la fosfatidilinositolo chinasi (PI3 chinasi), che è attivata in risposta a segnali extracellulari ed aiuta a reclutare specifiche proteine di segnalamento fino alla faccia citosolica della membrana plasmatica. Proteina chinasi simili fosforilano gli inositolfosfolipidi delle membrane intracellulari e quindi aiutano a reclutare proteine che guidano il trasporto di membrana. I fosfolipidi della membran plasmatica sono usati anche in un altro modo nella risposta ai senali extracellulari. La membrana plasmatica contiene diverse fosfolipasi che sono attivate da segnali extracellulari per scindere molecole di fosfolipidi specifiche, generando frammenti di queste molecole che fungono da mediatori intracellulari a corta vita. Ad esempio, la fosfolipasi C, scinde un inositolo fosfolipide fosfolipide del monostrato citosolico della membrana plasmatica per generare due frammenti, uno dei quali rimane nella membrana ed aiuta ad attivare la proteina chinasi C, mentre l altro è rilasciato nel citosol dove stimola il rilascio di Ca 2+ dal reticolo endoplasmatico. Importanza dell assimmetria (4) Gli animali sfruttano l assimmetria dei fosfolipidi delle membrane plasmatiche per distinguere fra cellule vive e cellule morte. Quando una cellula animale subisce la morte cellulare programmata, o apoptosi, la fosfatidilserina, che normalmente è confinata nel monostrato citosolico della membrana plasmatica, viene rapidamente traslocata al monostrato extracellulare. La fosfatidilserina esposta sulla superficie cellulare serve di segnale per indurre le cellule vicine, come ad esempio i macrofagi, a fagocitare la cellula morta e a digerirla. La traslocazione della fosfatidilserina nelle cellule apoptotiche ha luogo mediante due meccanismi: Il traslocatore di fosfolipidi che normalamente trasporta i lipidi dal monostrato non citosolico al monostrato citosolico viene inattivato. Una scramblase che trasferisce i fosfolipidi non specificamente in entrambe le direzioni fra i due monostrati viene attivata. 10

11 La cellula come condensatore elettrico Il doppio strato fosfolipidico è un isolante quasi perfetto Esso può separare le cariche elettriche fra l interno e l esterno della cellula: la membrana funziona come un condensatore elettrico Le proprietà capacitive della membrana creano una differenza di distribuzione di cariche che porta allo stabilimento di un potenziale di membrana: Il numero di cariche negative è maggiore all interno della cellula La membrana plasmatica è polarizzata: ha una distribuzione di ioni e di molecole con carica elettrica diversa nei due lati. Le cellule eccitabili possono scaricarsi in quanto hanno pori attraverso i quali gli ioni possono passare: canali ionici gated applied science.com/sis/apoptosis/images/products/annexin01.gif SEMINARIO!!! SFINGOLIPIDI 11

12 Sfingolipidi (1) Lipidi derivati dall amminoalcool sfingosina. Un acido grasso è legato al gruppo amminico della sfingosina. I diversi gruppi polari (R) legati al gruppo OH conferiscono proprietà molto diverse. Se R è l idrogeno (H) il composto si chiama ceramide. Glicosfingolipidi Nella classe dei glicolipidi la testa polare é legata alla sfingosina mediante legame glicosidico di una molecola di zucchero, piuttosto che mediante un legame fosfoesterico, come nel caso dei fosfolipidi. Ceramidi I ceramidi sono una famiglia di molecole lipidiche. Un ceramide è composto da sfingosina e di un acido grasso Si trovano in elevata concentrazione nella membrana plasmatica come uno dei componenti della sfingomielina, che è uno dei principali lipidi del doppio strato lipidico. Per anni si è presunto che i ceramidi e altri sfingolipidi fossero soltanto elementi strutturali ma oggi si sa che sono molto di più. Forse uno degli aspetti più affascinanti del ceramide è che esso può agire da molecola di segnalamento. Le funzioni più note dei ceramidi come segnalatori cellulari includono la regolazione del differenziamento, proliferazione e morte cellulare programmata (Programmed cell Death, Glicosfingolipidi, GSLs Composti anfipatici che comprendono subunità glucidiche legate ad un ceramide. Sono costituenti ubiquitari della membrana plasmatica di tutte le cellule dei Vertebrati. Si ritiene che gli GSLs siano recettori per microorganismi e le loro tossine, modulatori della crescita cellulare e del differenziamento e organizzatori dell adesione delle cellule alle matrici. Si conoscono più di 400 tipi di GSLs anche se nei Vertebrati si trovano soltanto 7 tipi di monosaccaridi negli GSLs. 12

13 R: fosforilcolina sfingomielina Sphingolipids R: Zuchero/i glicosfingolipidi -Sphingomyelin (NO sugar residue) Major Glycosphingolipids are: -Cerebrosides:(single sugar) -Globosides (oligosaccharides -Sulfatides (acid single sugar) -Gangliosides (acid multiple sugar) Il cervello umano e il midollo spinale consistono in regioni grigie e bianche: La regione bianca è fatta da assoni delle cellule nervose avvolti in un rivestimento lipidico bianco, la guaina mielinica, che fornisce isolamento elettrico e permette una conduzione rapida dei segnali elettrici. La sclerosi multipla è provocata dalla degradazione graduale della guaina mielinica Le sfingomieline sono presenti in tutto il corpo come componente delle membrane di cellule del sistema nervoso. Cosituiscono circa il 25% dei lipidi della guaina mielinica che circonda ed isola le cellule del Sistema Nervoso Centrale. La malattia di Niemann Pick è provocata da un deficit dell enzima che degrada una quantità eccessiva di sfingolmielina, che quindi si accumula nel fegato, cervello e midollo osseo. Un bambino affetto di questa malattia di solito muore nell infanzia. 13

14 ons/thumb/c/c1/myelinated_neuron.jpg/220p x Myelinated_neuron.jpg 13_5.jpg Glycolipids and Cerebrosides: Glycolipids are complex lipids that contain carbohydrates. Cerebrosides are an example which contain the sphingosine backbone attached to a fatty acid and a carbohydrate. The carbohydrates are most often glucose or galactose. Those that contain several carbohydrates are called gangliosides. The example on the left is shown with glucose. Glucocerebroside has the specific function to be in the cell membranes of macrophages, (cells that protect the body by destroying foreign microorganisms. Galactocerebroside is found almost exclusively in the membranes of brain cells. There are several genetic diseases resulting from the absence of specific enzymes which breakdown the glycolipids. Tay Sachs, which mainly effects Jewish children, results in a build up of gangliosides and result in death in several years. Gaucher's disease results in the excessive build up of glucocerebroside resulting in severe anemia and enlarged liver and spleen. 14

15 Principali classi di glicosfingolipidi (1) Cerebrosidi: hanno un unico zucchero (di solito il galattosio) legato al ceramide. I cerebrosidi aumentano nella malattia di Krabbe a causa della mancanza dell enzima lisosomiale galattosidasi. Sulfatidi: sono esteri solforici dei galattocerebrosidi. Costituiscono fino al 15% della materia bianca del cervello. I solfatidi si accumulano nel cervello nel corso della leucodistrofia metacromatica a causa di mancanza dell enzima degradativo solfatasi. Principali classi di glicosfingolipidi (2) Globosidi: sono ceramide oligosaccaridi neutri, in cui gli zuccheri sono di solito galattosio, glucosio o N acetilgalattosamina. Un globoside importante é il ceramide triesosido che si accumula nel rene di pazienti con la malattia di Fabry a causa di mancanza dell enzima lisosomiale galattosidasi A. Gangliosidi: sono glicosfingolipidi acidi e contengono acido N acetilneuramico (noto anche come acido sialico o NANA). Sono concentrati nelle estremità nervose e costituiscono fino a 5 10% della massa lipidica totale delle cellule nervose. I gangliosidi più comuni sono G M1, G D1a, G D1b, G T1b. Il G M1 è un componente delle cellule della mucosa intestinale e si può legare alla subunità ß della tossina del colera, provocando un aumento dell camp, del trasporto degli ioni cloro, e una grave diarrea. Il G M2 aumenta nella malattia di Tay Sachs a causa di una carenza della ß hexosaminidase A. Ruolo degli sfingolipidi Prottetivo: ad es. sulla superficie apicale delle cellule epiteliali per proteggerle dal basso ph o dalla digestione enzimatica. Trasmissione elettrica: in particolare i gangliosidi che acquisiscono cariche elettriche dopo una campo elettrico nella cellula nervosa. Isolanti elettrici Riconoscimento cellula cellula: ad es. recettori di tipo sfingolipidi sui neutrofili si legano alla P selettina sulle cellule endoteliali. 15

16 Membrana plasmatico modello del mosaico fluido Modello del mosaico fluido Le molecole biologiche consistono di proteine inserite in un doppio strato lipidico. Le proteine integrali di membrana sono inserite nella membrana, di solito tramite regioni ad α elica con aminoacidi idrofobici. Alcune proteine transmembrana attraversano la membrana solo una volta, altre hanno diverse regioni che attraversano la membrana. Altre proteine sono ancorate alla membrana mediante lipidi che sono legati covalentemente alla catena polipeptidica. Queste proteine possono essere ancorate alla faccia extracellulare della membrana plasmatica mediante glicolipidi e alla faccia citosolica mediante acidi grassi o gruppi prenilici. Le proteine periferiche non sono inserite nella membrana ma sono attaccate mediante interazioni con proteine integrali di membrana. Spessore membrana: 5 8 nm (50 80 Å) FUNZIONI PRINCIPALI DELLE MEMBRANE TUTTE LE CELLULE Trasporto di nutrienti verso l interno Trasporto di prodotti di scarto e di proteine di secrezione verso l esterno Impedimento della perdita di metaboliti necessari alla cellula Mantenimento della composizione ionica e del ph (circa 7.2) adeguati nel citosol ORGANISMI MULTICELLULARI Zone specializzate contengono glicolipidi e glicoproteine che formano zone di contatto e giunzioni tra cellule per rendere più resistenti i tessuti e permettere lo scambio di metaboliti direttamente tra le cellule Zone di ancoraggio con le proteine del citoscheletro: conferiscono forma e resistenza alle cellule Idem cellule/matrice extracellulare: conferiscono forza e rigidità ai tessuti Microambiente adatto per alcuni enzimi e trasportatori di elettroni Zona di accumulo di recettori per molecole di segnalamento (ormoni, fattori di crescita, neurotrasmettitori, ecc.) 16

17 Funzione delle proteine delle membrane (2) Proteine di membrana 17

18 Proteine ancorate alla membrana da lipidi Ancore lipidiche, segue Nella maggior parte delle proteine transmembrana la catena polipeptidica attraversa il doppio strato lipidico in conformazione ad α elica (1) Glicoforina Una proteina transmembrana ha sempre un orientamento caratteristico nella membrana. Questo riflette il modo asimmetrico con cui è sintetizzato ed inserito nel doppio strato nel Reticolo Endoplasmatico ruvido e le diverse funzioni dei suoi domini citosolici e non citosolici. Questi domini sono separati da segmenti della catena polipeptidica che attraversano la membrana e che sono in contatto con l ambiente idrofobico del doppio strato lipidico e sono composti in gran parte di reisdui di aminoacidi con catene laterali non polari. 18

19 Proteine transmembrana (2) Poichè i legami peptidici stessi sono polari e dato che l acqua è assente, tutti i legami peptidici nell ambito del doppio strato sono portati a formare legami di idrogeno gli uni con gli altri. Il legame di idrogeno fra i legami peptidici viene massimizzato se la catena polipeptidica forma una α elica regolare nell attraversamento; si ritiene che sia in questo modo che la grande maggioranza dei segmenti che attraversano la membrana delle catene polipeptidiche attraversino il doppio strato. Proteine transmembrana (3) Nelle proteine a passo singolo il polipeptide attraversa un unica volta il doppio foglietto Nelle proteine transmembrana multipasso la catena polipeptidica l attraversa diverse volte. Proteine transmembrana (4) Una modalità alternativa per chè i legami peptidici del doppio strato lipidico satisfino alle esigenze di formare ponti di idrogeno è che i segmenti molteplici delle catene polipeptidiche si dispongano a β foglietto in modo da formare un barile chiuso (il cosiddetto barile β) Questa forma di struttura multipasso è tipica delle proteine porine. La forte tendenza a massimizzare i ponti di idrogeno in assenza di acqua significa inoltre che una catena polipeptidica che entra nel doppio strato probabilmente lo attraversa integralmente prima di cambiare direzione, dato che il piegamento della catena implica la perdita delle interazioni regolari necessarie per la formazione dei legami di idrogeno. 19

20 Tecnica della criofrattura per individuare posizione delle proteine di membrana «Freeze fracture» (Criodecapaggio) 20