Nella cellula le vie metaboliche hanno localizzazioni specifiche

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1 Membrane Biologiche I processi mediante i quali le molecole biologiche vengono scisse e risintetizzate formano una rete di reazioni enzimatiche, complessa e finemente regolata, detta metabolismo dell organismo. Questa rete consente anche di produrre ed utilizzare energia libera.

2 Nella cellula le vie metaboliche hanno localizzazioni specifiche Vantaggio : compartimentalizzazione di vie metaboliche opposte e di attività enzimatiche antagoniste Svantaggio : necessità di trasportatori attraverso le membrane che delimitano i compartimenti cellulari. 2

3 Membrane Membrana biologiche cellulare

4 Membrana cellulare

5 Sistemi membranosi cellulari

6 Le membrane cellulari hanno la stessa composizione Chimica ed organizzazione molecolare Traffico di membrana

7 Funzioni La membrana della membrana plasmatica plasmatica Delimita il citoplasma formando una barriera meccanica Controlla l accesso dei soluti e dei solventi permettendo che le caratteristiche del citoplasma differiscano da quello dei liquidi esterni Permette l entrata e l uscita di macromolecole e strutture di dimensioni maggiori Risponde alla presenza di molecole segnale presenti all esterno innescando reazione interne di risposta Presenta molecole specifiche che permettono alla cellula di essere riconosciuta, di aderire ad altre cellule e di comunicare con loro

8 Membrane plasmatiche di cellule adiacenti al microscopio elettronico

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10 Le membrane delimitano compartimenti a diversa composizione chimica

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12 La componente lipidica dei sistemi membranosi I lipidi di membrana sono la componente fluida del modello di membrana a mosaico fluido. Sono molecole anfipatiche che formano spontaneamente un doppio strato.

13 I lipidi si possono spontaneamente organizzare in micelle e doppi Strati fosfolipidici

14 Fosfolipidi Fortemente polare Affinità per l H 2 O Gruppo fosforico I fosfolipidi hanno una struttura affine a quella dei trigliceridi dove al una delle catene di acidi grassi è sostituita da un gruppo fosforico Fortemente apolare Affinità per i lipidi

15 Tre diversi tipi di lipidi di membrana Ognuno possiede una componente idrofobica ed una idrofilica (in rosso) Interazione di una molecola idrofilica ed una idrofobica con l acqua

16 Fosfolipidi: a) fosfogliceridi derivati dal glicerolo (fosfatidilcolina ) b) sfingolipidi derivati dalla sfingosina (sfingomielina ) Glicolipidi: possono essere modificati dall aggiunta di carboidrati. I più comuni sono i cerebrosidi ed i gangliosidi. Abbondanti in membrane cellule nervose (40%) Funzioni: Effetto protettivo sulla membrana apicale delle cellule epiteliali (da cambiamenti di ph e/o enzimi degradativi) Effetti elettrici: alterazione del campo elettrico e della concentrazione di ioni Isolamento elettrico: nella mielina Riconoscimento: tossina del colera si lega a GM1 Adesione cellulare

17 Gli SFINGOLIPIDI lipidi complessi contenenti la sfingosina, un amminoalcol a lunga catena, al cui amminogruppo è legato, con legame ammidico, un acido grasso saturo quasi sempre composto da 22 atomi di carbonio. In tal modo, si viene a costituire l unità invariante di tutti gli s., detta Ceramide, che rappresenta la porzione idrofobica degli s. stessi. Gli sfingolipidi sono costituenti delle membrane plasmatiche dei Mammiferi e sono particolarmente abbondanti nella sostanza bianca del SISTEMA NERVOSO centrale Possono essere suddivisi in tre gruppi differenti: sfingomieline cerebrosidi gangliosidi.

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19 Glicolipidi: a) e b) possono essere modificati dall aggiunta di carboidrati. I più comuni sono i cerebrosidi ed i gangliosidi. Abbondanti in membrane cellule nervose (40%) Funzioni: Effetto protettivo sulla membrana apicale delle cellule epiteliali (da cambiamenti di ph e/o enzimi degradativi) Effetti elettrici: alterazione del campo elettrico e della concentrazione di ioni Isolamento elettrico: nella mielina Riconoscimento: tossina del colera si lega a GM1 Adesione cellulare

20 Sono stati identificati soggetti con patologie per deficit enzimatici relativi all enzima normalmente responsabile di molte delle reazioni del catabolismo degli sfingolipidi. Queste enzimopatie ereditarie, note come sfingolipidosi, sono caratterizzate dall accumulo intracellulare di uno sfingolipidi e si manifestano clinicamente soprattutto con alterazioni più o meno gravi del sistema nervoso. La sfingomielina, l unico s. contenente fosforo è particolarmente abbondante nella sostanza bianca e nel rivestimento di mielina che circonda e isola elettricamente molti assoni delle cellule nervose; è presente anche nei lipidi del sangue. In alcuni stati patologici, quali la sindrome di Nieman- Pick, quantità eccessive di sfingomielina si accumulano nel Tessuto nervoso.

21 Steroli: colesterolo Aumenta proprietà di barriera permeabile del doppio strato lipidico Interagisce con CH2 degli acidi grassi, facendone diminuire la mobilità Il doppio strato diventa meno deformabile e quindi meno permeabile Impedisce anche alle catene di CH2 di interagire troppo e di cristallizare, quindi inibisce transizioni di fase.

22 Steroidi Si tratta di una famiglia di composti organici molto importanti che hanno una struttura comune basata su più anelli fusi tra loro Il colesterolo è un importantissimo componente delle membrane cellulari Di questa famiglia fanno parte una serie di molecole che hanno funzione di messaggeri chimici, gli ormoni steroidei Sono O. steroidei per esempio gli ormoni sessuali come il testosterone o il progesterone

23 Schema della membrana del globulo rosso

24 L esperimento che chiarì l organizzazione dei lipidi in un doppio strato

25 Membrane diverse hanno rapporti diversi tra lipidi e proteine

26 Asimmetria delle membrane

27 Membrane diverse contegno percentuale diverse dello stesso lipide. Le diverse percentuali rispecchiano le peculiarità delle membrane Nei diversi elementi cellulari

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29 I lipidi e la fluidità della membrana - Fluidità: misura della facilità di scorrimento - Viscosità: misura della resistenza allo scorrimento Fattori da cui dipende la fluidità della membrana: 1) Assenza di legami covalenti tra molecole lipidiche 2) Presenza od assenza di doppi legami nella catena idrocarboniosa 3) Lunghezza della catena idrocarboniosa

30 Movimento dei lipidi nel doppio strato fosolipidico Flip-flop: un evento raro E invece sostenuta la rotazione e la diffusione laterale.

31 Fluidità del doppio strato lipidico E fondamentale per i processi di trasporto e per le attività enzimatiche. Dipende da composizione in lipidi (lunghezza delle catene di acidi grassi e presenza di doppi legami) e dalla t Temperatura di transizione di fase (Tm): t a cui il doppio strato artificiale si gelifica (congela) se raffreddato o diventa di nuovo fluido (fonde) se riscaldato. La membrana deve essere al di sopra di Tm per funzionare correttamente.

32 La lunghezza delle catene e la presenza di doppi legami influenzano il punto di fusione degli acidi grassi Stearato Oleato Linoleato linolenato

33 Catene di acidi grassi più corte o doppi legami riducono la tendenza delle catene idrocarburiche a fare legami tra di loro: la membrana resta fluida a t più basse. Es. acido oleico, insaturo acido stearico, saturo Lieviti e batteri regolano la concentrazione di acidi grassi insaturi e di catene più corte nella membrana quando la t scende (per es. con catene da 16 piuttosto che 18 C).

34 Il colesterolo Impedisce alle catene di CH2 di interagire troppo e di cristallizzare, quindi inibisce transizioni di fase troppo brusche. Rapporto 1:1 con fosfolipidi

35 Posizione del Colesterolo nel doppio strato fosfolipidico

36 Una membrana poco fluida non favorisce il passaggio di molecole

37 Una membrana fluida favorisce il passaggio di molecole

38 Le proteine di membrana Le specifiche funzioni di ciascuna membrana dipendono dal tipo di proteine presenti su quella specifica membrana. Lipidi e proteine di membrana possono essere glicosilati. Ciascuna membrana cellulare ha un set specifico di proteine che permettono alla membrana di svolgere le proprie specifiche attività Le proteine di membrana sono integrali o periferiche Le proteine integrali transmembrana contengono una o più eliche transmembrana Altre proteine integrali sono ancorate alle membrane mediante catene di carboidrati attaccate in maniera covalente Le proteine periferiche sono associate alle membrane attraverso interazioni con proteine integrali

39 Molte proteine di membrana si comportano come se galleggiassero in un mare di lipidi. I lipidi della membrana sono liberi di diffondere lateralmente nel piano del doppio strato, dando alle membrane carattere di dinamicità e flessibilità (modello a mosaico fluido). Per studiare le proteine di membrana si applica la tecnica della criofrattura della membrana lungo lo strato idrofobico

40 Le due facce di una membrana sono asimmetriche, in quanto differiscono per composizione lipidica e proteica

41 Schema di proteine di membrana in un doppio strato lipidico

42 Le proteine di membrana - Svolgono la maggior parte delle funzioni specifiche della membrana plasmatica - Possono essere glicosilate sulla faccia esterna (glicocalice o rivestimento cellulare)

43 Ancoraggio (integrine) Trasporto passivo Trasporto attivo Attività enzimatica Attività recettoriale e trasduzione del segnale Riconoscimento cellulare (formazione di tessuti, sistema HLA, antigeni di superficie) Giunzione intercellulare Funzioni delle proteine di membrana

44 Funzioni delle proteine di membrana

45 Solubilizzazione delle proteine di membrana I detergenti sono in grado di solubilizzare le Membrane e permettono di isolare le proteine Integrali di membrana

46 SDS PAGE Mediante l impiego di detergenti (SDS) è possibile isolare e visualizzare le proteine di membrana

47 Disposizione del detergente intorno alla componente idrofobica della proteina

48 Carboidrati e membrane Carboidrati Vengono attaccati all estremità che non entra mai in contatto col citoplasma (lume del RE) Glicoproteine Proteine di membrana a cui vengono attaccati degli oligosaccaridi Proteoglicani Proteine di membrana con una o più catene polisaccaridiche Glicolipidi Lipidi con attaccati degli oligosaccaridi

49 Glicocalice Strato protettivo formato dalle catene di zuccheri Glicoproteina transmembrana Glicoproteina Estrinseca Proteoglicano transmembrana Glicocalice Glicolipide ECM Membrana Cytosol

50 Glicocalice Impedisce alle cellule del sangue di attaccarsi tra loro o alle pareti dei vasi Importante nel riconoscimento cellula-cellula e nei fenomeni di adesione Neutrofili riconosciuti dalle cellule endoteliali, nei siti di infezione, il riconoscimento permette l adesione alla parete e l extravasazione Glicocalice Citosol Nucleo Membrana Plasmatica

51 Carboidrati presenti nelle glicoproteine

52 Glicocalice di una cellula dell epitelio intestinale

53 Il riconoscimento dei carboidrati di superficie sui neutrofili è la fase preliminare della loro migrazione fuori dai vasi nella sede dell infezione

54 Permeabilità relative del doppio strato lipidico sintetico a diverse categorie di molecole