Membrane cellulari caratteristica di tutte le cellule

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1 Membrane cellulari caratteristica di tutte le cellule

2 (compartimentazione funzionale) Funzioni della membrana

3 La membrana cellulare: cenni storici 1890 le sostanze solubili nei lipidi penetrano più facilmente delle molecole solubili in acqua quindi i lipidi sono presenti come un rivestimento sulla superficie della cellula OVERTON 1900 i lipidi, molecole anfipatiche si orientano sull acqua in modo tale che le teste idrofiliche guardano l acqua e le loro code idrofobiche si allontanano LANGMUIR 1925 attraverso il calcolo del rapporto fra l area di superficie di un globulo rosso ed il suo contenuto in lipidi è stata dimostrata la struttura a doppio strato lipidico della membrana plasmatica GORTER E GRENDEL 1920/50 si dimostra che il doppio strato lipidico è ricoperto all esterno ed all interno da proteine globulari e che è forato da pori circondati da proteine DAVSON E DANIELLI 1960 la microscopia elettronica rivela una struttura trilaminare comune a tutte le membrane (membrana unitaria) ROBERTSON 1970 si dimostra la disposizione a mosaico discontinuo delle proteine e la condizione fluida dei lipidi o modello a mosaico fluido. La membrana è un modello dinamico SINGER E NICOLSON 1980 si definiscono meglio le proteine, la maggior parte possiede sequenze idrofobe: proteine di transmembrana UNWIN E HENDERSON

4 I lipidi della membrana: la parte fluida del modello ambiente acquoso Tre tipi principali di lipidi: fosfolipidi, glicolipidi e steroli sono molecole anfipatiche I fosfolipidi comprendono i fosfogliceridi e gli sfingolipidi ambiente acquoso Fosfogliceridi cosìddetti per la presenza di un gruppo fosforico ed uno scheletro di glicerolo che insieme alla colina o inositolo formano la testa fortemente idrofila della molecola. Sono digliceridi. Sfingolipidi per la presenza della sfingosina

5 Glicolipidi Ai lipidi si aggiungono carboidrati. I più comuni sono i cerebrosidi, glicolipidi neutri (la testa ha un solo zucchero privo di carica) e i gangliosidi con carica negativa e testa oligosaccaridica. Svolgono funzione di mediatori cellula/ambiente, di smistamento delle proteine e determinazione gruppo sanguigno Steroli N-acetilgalattosammina Il più importante è il colesterolo. Mancano nelle membrane dei mitocondri e cloroplasti e nelle cellule Procariotiche dove sono presenti molecole simili dette opanoidi

6 Importanza del doppio strato lipidico Ogni membrana cellulare ha la propria composizione lipidica caratteristica (100 fosfolipidi) che può determinarne lo stato fisico ed influenzarne l attività delle proteine Proprietà membrana dovute al doppio strato lipidico: -struttura doppio strato le membrane non hanno mai un margine libero (sempre continue e ininterrotte) -flessibilità del doppio strato lipidico le membrane sono deformabili -facilita la fusione e a gemmazione -mantiene l appropriata composizione interna di una cellula -separa le cariche elettriche tra le due facce della membrana I molti tipi diversi di lipidi delle membrane sono distribuiti in modo casuale tra i due monostrati? I fosfolipidi sono distribuiti tra i due monostrati in modo ineguale sia nei tipi che nel grado di insaturazione prima proprietà della membrana: è asimmetrica membrana plasmatica eritrociti umani

7 L asimmetria riflette le differenti funzioni dei due monostrati. 80% dei lipidi che contengono colina sono situati nel monostrato esterno 90% dei lipidi con teste senza carica netta o con carica netta negativa sono localizzati nel monostrato interno dove sono coinvolti nella trasmissioni di segnali dall esterno all interno della cellula I glicolipidi sono solo nel mostrato esterno dove i carboidrati sono coinvolti in eventi di segnalazione e riconoscimento. L asimmetria della membrana è determinata durante la sua biogenesi una volta stabilita tende ad essere mantenuta

8 Movimenti dei lipidi: movimento a flip-flop o movimento trasversale è un evento termodinamicamente sfavorevole quindi raro Più frequente nelle membrane con proteine chiamate flippasi o traslocatori di fosfolipidi (aumento della distribuzione asimmetrica) (una volta alla settimana o una volta in diverse ore) rotazione e diffusione laterale avvengono liberamente, rapidamente e casualmente (10 milioni di volte al secondo)

9 I movimenti dei lipidi sono responsabili della seconda proprietà della membrana la fluidità diffusione laterale di lipidi veloce diffusione laterale proteine più lenta Misura della fuidità della membrana Tecnica del recupero della fluorescenza dopo sbiancamento

10 Le membrane funzionano correttamente solo allo stato fluido La fluidità cambia con la temperatura ogni doppio strato ha una caratteristica temperatura di transizione T m la fluidità della membrana cellulare dipende dai tipi di lipidi che contiene: dalla lunghezza delle catene degli acidi grassi loro grado di insaturazione

11 fluidità e permeabilità dipendono anche dal contenuto in colesterolo - a temperature superiori al Tm rende la membrana meno fluida (intercalazione molecole rigide) -a temperature inferiori al Tm rende la membrana più fluida (impedisce impacchettamento catene idrocarburiche) (stabilizza la fluidità della membrana) eucarioti e procarioti regolano la fluidità variando la composizione lipidica della membrana importante nei pecilotermi e negli animali ibernanti (adattamento omeoviscoso) 18 atomi C 1 doppio legame 18 atomi di C saturo

12 Perché è importante la fluidità della membrana? è un perfetto compromesso tra una struttura rigida ed ordinata in cui la mobilità è assente ed una in cui le molecole non possono essere orientate situazione priva di possibilità di organizzazione permette interazioni nello spessore della membrana come l assemblaggio di gruppi di proteine in punti particolari (giunzioni, sinapsi) una membrana rigida non permetterebbe molti processi cellulari quali movimento, accrescimento, secrezione, endocitosi, divisione Come si mantiene la fluidità della membrana se la temperatura si abbassa? desaturazione dei legami singoli nelle catene degli acidi grassi rimescolamento delle catene aumentando la % di colesterolo

13 Lipid raft glicosilfosfatidilinositolo chinasi piattaforme galleggianti (ricche di colesterolo, fosfatidilcolina e glicosfingolipidi) che concentrano particolari proteine coinvolte nel rilevamento e nella risposta ai segnali chimici che arrivano dall ambiente esterno Le zolle lipidiche del monostrato esterno sono accoppiate alle zolle lipidiche dello strato interno cosicchè il segnale recepito dal recettore all esterno può essere trasmesso all interno

14 Proteine di membrana: la parte a mosaico del modello In relazione al loro rapporto con il doppio strato lièidico lipidico si riconoscono: -proteine integrali -proteine periferiche -proteine di membrana ancorate ai lipidi

15 -proteine integrali anfipatiche - uno o più gruppi idrofobici gruppi idrofili che sporgono da uno o entrambi i lati conformazione ad α-elica a β-foglietto le porine glicoforina e batteriorodopsina proteine periferiche senza sequenze idrofobiche rimosse facilmente- presenti o sulla superficie extracellulare o su quella citoplasmatica (spectrina)

16 -proteine ancorate ai lipidi caratteristiche di entrambe le precedenti (sono periferiche ma legate allo strato idrofobico) dal lato interno unite con legame covalente ad ac. grasso dal lato esterno unite con legame covalente al glicolipide glicosilfosfatidilinositolo (GPI)

17 Quali funzioni svolgono le proteine di membrana? enzimatiche (glucosio fosfatasi - REL) trasportatori di elettroni (citocromi coinvolte nei processi ossidativi) trasportatori di soluti (proteine di trasporto, proteine canale, ATPasi) recettoriale (es. per ormoni, neurotrasmettitori) comunicazione intercellulare (connessoni) secrezione ed assorbimento di sostanze (esocitosi, endocitosi) ruolo strutturale (pori nucleari, connessioni tra la membrana e la matrice extracellulare)

18 Le proteine, come i lipidi, sono orientate asimmetricamente nel bilayer Le proteine periferiche sono connesse ad uno od all altro lato. Le proteine integrali collegano entrambi i monostrati ma sono orientate asimmetricamente: le regioni di una proteina esposte su un lato sono strutturalmente e chimicamente differenti dalle regioni esposte sull altro lato L orientamento viene determinato durante la biogenesi e mantenuto membrana funzionalmente asimmetrica Concentrazione soluto più bassa all esterno A B C proteina periferica proteina di transmembrana proteina integrale monotopica Si può stabilire come sono orientate le proteine, se solo sulla superficie interna od esterna o su entrambe le superfici

19 molte proteine di membrana sono glicosilate le glicoproteine svolgono un ruolo importante nel riconoscimento cellula-cellula contribuiscono alla formazione del glicocalice a causa dei gruppi anionici sulla superficie gli eritrociti si respingono

20 Glicocalice (rivestimento di zucchero) Formato da glicolipidi, glicoproteine e proteoglicani

21 Anche le proteine sono libere di muoversi nella membrana? Il mescolamento della fluorescenza dimostra la diffusione laterale delle proteine anche se più lenta dei lipidi fluoresceina rodamina Meccanismi che limitano la mobilità delle proteine: -le proteine si aggregano in grossi complessi -tight junction -ancoraggio

22 Movimento di sostanze attraverso la membrana cellulare: superamento della barriera di permeabilità - A diffusione semplice - B e C diffusione facilitata - D trasporto attivo

23 Diffusione semplice Le molecole diffondono a caso in entrambe le direzioni ma il flusso netto è secondo il gradiente di concentrazione con una velocità proporzionale al gradiente è limitata alle piccole molecole apolari (O2, CO2, etanolo) ed all acqua - un esempio: l ossigeno questo meccanismo permette agli eritrociti di assumere O nei polmoni e di liberarlo nei tessuti

24 Diffusione dell H2O L H2O, priva di carica, diffonde liberamente e si comporta in modo particolare cosa determina la direzione di diffusione dell acqua? Un soluto disciolto in H2O interrompe le ordinate interazioni tra le molecole di H2O aumentando l entropia e diminuendo l energia libera. L H2O si sposta sempre verso zone con energia libera più bassa, dove la concentrazione del soluto è più alta. Nelle cellule, spesso, tende a spostarsi verso l interno L aumentata pressione in A controbilancia la tendenza dell acqua a spostarsi da B ad A L osmosi è importante nel tratto digerente. Qui ogni giorno vengono secreti litri di liquido che proprio attraverso l osmosi vengono riassorbiti dalle cellule intestinali. Se alterato rapida disidratazione

25 Diffusione facilitata Se la sostanza è troppo grande o troppo polare proteina di trasporto che media il trasporto secondo gradiente di concentrazione (molecole non cariche) o gradiente elettrochimico (ioni) senza apporto di energia la funzione della proteina di trasporto è di facilitare la diffusione in discesa attraverso una barriera altrimenti impermeabile si possono classificare come proteine integrali con diversi segmenti transmembrana dal punto di vista funzionale di dividono in: Proteine carrier Proteine canale

26 Proteine carrier o permeasi o trasportatori sono proteine di transmembrana operano secondo il modello delle conformazioni alternative proteggendo così i gruppi polari del soluto sono analoghe agli enzimi per: modo d azione cinetica specificità inibizione competitiva (trasporto glucosio inibito da altri monosaccaridi che la proteina accetta)

27 le proteine carrier trasportano uno o due soluti uniporto simporto antiporto

28 Esempio di carrier uniporto: permeasi del glucosio 55 kda è diffusione facilitata perché: -è specifica per il glucosio -mostra cinetica di saturazione -sensibile inibizione competitiva -il processo è reversibile La bassa concentrazione intracellulare del glucosio viene mantenuta dalla sua fosforilazione e la membrana non ha permeasi per il glucosio-6- fosfato -eritrociti (GLUT1) -epatociti (GLUT2)

29 Esempio di carrier antiporto: proteina scambiatrice di anioni HCO3 - e Cl - trasporto accoppiato obbligato tra lo ione cloruro che entra e il bicarbonato che esce con un rapporto 1:1 la proteina funziona alternandosi tra due stati conformazionali ma richiede il legame simultaneo dei due soluti evita sbilanciamento di cariche Il risultato netto è il trasporto della CO2 dai tessuti ai polmoni dove viene espulsa

30 canali ionici proteine canale - formano canali di transmembrana idrofili per il passaggio di ioni tre tipi di proteine canale: - canali ionici - porine - acquaporine passaggio di un solo tipo di ione - sono canali molto selettivi - meccanismo d azione non ancora ben conosciuto - notevole velocità di trasporto -possono essere aperti o chiusi in risposta a determinati stimoli. tre tipi di stimoli: - cambiamenti potenziale di membrana: canali voltaggio dipendenti - unione di sostanze specifiche alla proteina canale: canali a controllo di ligando - risposta a forze meccaniche: canali a controllo meccanico

31 Canali voltaggio dipendenti I canali del Na+, K+ e Ca++ hanno la stessa struttura di base -Tubo rettangolare costituito da 4 subunità. Ogni subunità è costituita da 6 α-eliche transmembrana -La quarta α-elica (S4) ha amminoacidi carichi positivamente e funziona come sensore del voltaggio I canali del Na+ hanno però 2 meccanismi di chiusura. Si può chiudere in seguito alla rotazione della subunità S4 (channel gating) canale chiuso ma in grado di riaprirsi in risposta ad un segnale di depolarizzazione Si può chiudere in seguito all azione di una particella inattivante canale chiuso che non può riaprirsi immediatamente, anche se viene stimolato

32 Canali ligando-dipendenti - si aprono in risposta al legame con particolari sostanze - un esempio il recettore dell acetilcolina. - è formato da 5 subunità - lo stato chiuso è determinato da un anello di residui idrofobici di valina e leucina sulle subunità α : il Na non passa - si legano 2 molecole di acetilcolina - il legame induce un movimento rotazionale delle eliche trasmembrana interne con espansione del diametro del poro: il Na passa (canale del sodio ligando-dipendente)

33 Canali stimolo-dipendenti Le cellule capellute dell organo del Corti trasformano lo stimolo meccanico in uno stimolo elettrico. Sono solo I filamenti apicali sono collegati a canali ionici sensibili allo stress meccanico La deformazione meccanica data dalle onde sonore determina l apertura dei canali ionici determinando la depolarizzazione della cellula e l inizio del segnale dal nervo uditivo al cervello Spostamenti in direzione della parte piu alta del ciglio provocano una depolarizzazione delle cellule capellute mentre lo spostamento in direzione opposta provocano una iperpolarizzazione

34 porine proteine transmembrana presenti sulle membrane dei mitocondri, cloroplasti e batteri che permettono il passaggio rapido di diversi soluti idrofili il cui limite dimensionale è stabilito dalle dimensioni del poro Acquaporine (AQP) canali transmembrana che permettono il passaggio rapido dell acqua proteine canale presenti solo in certi tessuti (es. globuli rossi, epitelio dei tubuli renali) responsabili del trasporto rapido dell acqua proteine integrali con 4 subunità costituite da 24 segmenti di transmembrana ad α elica un esempio: l AQP-1 (tubuli renali) costituita da 24 segmenti di transmembrana che delimitano un canale centrale idrofilo di 0,3 nm ø dove le molecole di acqua scorrono in fila indiana alla velocità di diversi miliardi al secondo

35 movimento dei soluti contro gradiente di concentrazione o elettrochimico che richiede sempre impiego di energia Trasporto attivo svolge tre funzioni: assorbimento di sostanze nutritive rimozione dalla cellula di prodotti di secrezione e di rifiuto il mantenimento delle concentrazioni intracellulari di k+, Na+, Ca++, H+ in una situazione di costante non equilibrio

36 Il trasporto attivo, a della diffusione semplice o facilitata : - stabilisce uno stato stazionario di non equilibrio - possiede una direzionalità intrinseca In base alla fonte di energia esistono due tipi di trasporto attivo: - il trasporto attivo diretto (ATP asi) - trasporto attivo indiretto - Può essere antiporto o simporto

37 Esempi di trasporto attivo diretto: -ATPasi di tipo P (fosforilazione) -ATPasi di tipo V (vescicola) (lisosomi) -ATPasi di tipo F (fattore) (ATP sintetasi) -ATPasi di tipo ABC (cassetta per il legame all ATP) le ATPasi di tipo P vengono fosforilate in modo reversibile trasportano solo cationi molte sono localizzate nella membrana plasmatica (pompa Na+/K+; la H+ ATPasi responsabile dell acidificazione del succo gastrico; la Ca++ ATPasi che trasporta gli ioni calcio fuori dalla cellula o nel RE) Pompa Na+/K+

38 Un modello di meccanismo per la pompa Na +/ K + è una proteina allosterica mantiene il potenziale di membrana

39 le ATPasi di tipo ABC o cassetta che lega l ATP possiede quattro domini: 2 transmembrana (T) e 2 citoplasmatici leganti ATP (A) che accoppiano l idrolisi di ATP al trasporto di soluto trasportano notevole varietà di soluti

40 Mentre le altre classi di ATPasi trasportano solo cationi, le ATPasi ABC trasportano ioni, zuccheri, amminoacidi ed alcune di esse spingono antibiotici e farmaci fuori dalle cellule rendendole così resistenti al farmaco Grande interesse medico dalla scoperta che la fibrosi cistica è causata da un difetto genetico in una proteina di membrana strutturalmente affine ai trasportatori ABC Fibrosi cistica la più comune delle malattie genetiche gravi. Nel mondo ne sono colpite oltre persone La fuoriuscita del Cl grazie ad una ATPasi fornisce la forza motrice per il movimento del Na È presente un difetto nel gene che codifica per la proteina CFTR regolatore della conduttanza di transmembrana nella fibrosi cistica responsabile di una difettosa secrezione di ioni Cl- Colpiti soprattutto polmoni, pancreas e ghiandole sudoripare in cui è presente un muco molto denso che porta insufficienza respiratoria ed ostruzione dotti

41 Trasporto attivo indiretto o trasporto attivo secondario il movimento di un soluto secondo gradiente attiva il movimento di un secondo soluto contro gradiente Un modello di meccanismo: il trasportatore per simporto Na +/ glucosio nelle cellule epiteliali dell intestino è possibile assumere glucosio ed amminoacidi anche quando le loro concentrazioni esterne sono più basse di quelle interne