La membrana plasma;ca. Trasporto di membrana.

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2 Tu=e le cellule hanno al meno una membrana che li separa dal ambiente esterno, ma che agisce come una barriera capace di importare ed esportare molecole, di ricevere e trasme=ere informazione e di ada=arsi ai bisogni motori della cellula. Le cellule eucario;che hanno pure tante membrane interne, simili a quella esterna ma ognuna con le sue proprietà par;colari a seconda del suo ruolo.

3 Le membrane biologiche sono doppi lipidici con delle proteine sparse da per tu=o: 1972: il modello del mosaico fluido. Proposto per soddisfare le leggi della termodinamica, collocando le molecole anfipa;che in maniera ada=a per il conta=o con due ambien; acquosi. 50 atomi

4 IL DOPPIO STRATO LIPIDICO E fa=o di lipidi anfipa/ci, con una testa idrofila e due code idrocarburiche idrofobe. I lipidi più abbonda; sono i fosfolipidi, fra i quali la più normale è la fosfa/dilcolina. Altri lipidi di membrana sono gli steroidi (come il colesterolo, in membrane animali) e i glicolipidi (testa saccaridica e code idrocarburiche).

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6 Le molecole idrofile interagiscono col acqua (testa), ma quelle idrofobe no, e per minimizzare l energia che richiede organizzare l acqua a=orno a loro, queste si condensano fra di loro e lontane dall acqua. Per molecole anfipa;che, il doppio strato chiuso in forma sferica è la soluzione più vantaggiosa: non ci sono conta@ fra molecole idrofobiche e acqua: liposomi.

7 Le membrane lipidiche sono flessibili e fluide, sia nel piano della membrana (movimen; laterali, molto comuni e veloci, fortemente dipenden; della temperatura), che trasversalmente (flip- flop, molto rari se non facilita;). La fluidità perme=e pure il movimento delle proteine nel piano della membrana. E molto importante per tu=e le funzioni cellulari collegate alle membrane (segnalazione, endo- ed exocitosi, etc.).

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10 La fluidità della membrana dipende (a temperatura fissa) della composizione lipidica: della lunghezza e doppi legami delle code idrocarburiche. Di più lunghe e dri=e le code, meno fluida la membrana. Idrocarburi di membrana: C, una coda satura e una insatura. - Lievi; e ba=eri: ada=ano la composizione della membrana alla temperatura cambiante. - Cellule animali: usano il colesterolo per regolare la fluidità (e la permeabilità) della membrana: più colesterolo (breve e rigido), più rigida è la membrana ad alta temperatura, ma pure più flessibile a bassa temperatura! Colesterolo: essenziale pure per la segnalazione e la endocitosi, e nella sintesi di ormoni steroidee, vitamina D e acidi biliari. Chi deve inserire più molecole di colesterolo per dare fluidità alla membrana, un topo o un pesce ar;co?

11 I due stra; della membrana sono asimmetrici: uno citosolico e uno extracellulare o verso l interno degli organuli Ogni strato ha una composizione lipidica e proteica par;colare e controllata dalla cellula. fosfa;dilcolina sfingomielina fosfa;dilserina fosfa;dilinositolo fosfa;diletanolamina glicolipidi colesterolo La membrana nuova si forma nel re;colo endoplasma;co. Degli enzimi sinte;zzano ed inseriscono i nuovi lipidi nel strato citosolico della membrana, dopo ci sono altri enzimi (flippasi) nella membrana plasma;ca che distribuiscono i lipidi fra in due stra;, in maniera specifica e asimmetrica. La nuova membrana viaggia alla des;nazione finale formando delle vescicole.

12 Glicolipidi L aggiunta di gruppi saccaridi avviene all interno del Golgi, dopo rimangono nel lato non citosolico della membrana, e finalmente sono des;na; al lato extracellulare della membrana plasma;ca, dove formano parte dello strato glucidico sterno che avvolge la cellula (rives/mento carboidra/co o glicocalice), con funzioni varie: protezione, interazione fra cellule, adesione, etc. Sezione istologica d intes;no tenue Fosfa/dilinositolo Questo fosfolipide si trova solo nel strato citosolico della membrana e ha un importante ruolo nella segnalazione intracellulare.

13 Ci sono delle zone par;colari nella membrana (come macchie) dove la composizione lipidica è diversa: meno fosfolipidi, più sfingomielina, glicolipidi e colesterolo: za;ere lipidiche, dove la membrana è più rigida e si concentrano certe proteine per svolgere la loro funzione.

14 LE PROTEINE DI MEMBRANA Sono il componente eminentemente funzionale della membrana, negli animali 50% circa della massa (anche se meno numerose dei lipidi, che sono più piccoli). Svolgono tan; ruoli diversi, e ci sono diverse proteine in diversi ;pi di membrane. TRASPORTATORI PROT. DI ANCORAGGIO RECETTORI ENZIMI

15 Le proteine si associano in modi diversi al doppio strato lipidico: Proteine di membrana: integrali periferiche TRANSMEMBRANA ASSOCIATE A LEGATE A LIPIDI ASSOCIATE AD UN MONOSTRATO ALTRE PROTEINE

16 Le proteine integrali si possono estrarre soltanto con detergen/ (anfipa;ci) che disgregano i lipidi; le periferiche con metodi più blandi basa; su forza ionica e ph estremo. Una volta isolate dai lipidi, le proteine si possono purificare per il loro analisi.

17 Le proteine trasmembrana ado=ano delle stru=ure ada=e ad a=raversare il doppio strato lipidico minimizzando i conta@ dei gruppi idrofobi col acqua: una sola alfa elica per tante proteine di segnalamento, ancoraggio o enzimi; più alfa eliche per proteine che fanno un poro acquoso (come trasportatori e canali), a volte cilindri beta (barili beta) per cer; pori dei ba=eri, mitocondri e cloroplas; (porine).

18 Ad oggi si è riuscito a determinare la stru=ura di tante proteine di membrana per metodi cristallografici (raggi X). Ad esempio, la prima proteina di membrana di mammifero a essere descri=a a livello stru=urale fu la citocromo C ossidasi (da cuore di mucca), per il Dr. Tsukihara della Università di Osaka (Giappone). Con;ene due copie di 13 subunità diverse, per un totale di dalton, e partecipa alla respirazione cellulare.

19 La membrana plasma;ca è molto e fragile, dunque viene rafforzata al interno della cellula da una re=e proteica: il cortex cellulare. Quello che si conosce meglio è il cotex degli eritroci; umani, formato principalmente di molecole di spectrina, lega; fra di loro e alla membrana d altre proteine di collegamento e ancoraggio.

20 Pero la membrana ha pure bisogno di tra=enere certe proteine in cer; pos; (domini di membrana) per la loro funzione, dunque hanno dei sistemi per limitare il loro spostamento nel piano della membrana: Proteine ancorate al cortex cellulare Proteine ancorate alla matrice extracellulare Proteine ancorate a proteine d altre cellule Proteine confinate al dominio apicale o basolaterale per giunzioni intercellulari (cellule epiteliali)

21 Molte delle proteine di membrana sono glicoproteine: hanno legato un oligosaccaride; alcune sono proteoglicani: sono legate a uno o più polisaccaridi. Ques; carboidra;, insieme a quelli dei glicolipidi, formano uno strato esterno alla membrana plama;ca: il rives/mento carboidra/co (o glicocalice), che svolge funzioni prote@ve e lubrifican;, ma pure di riconoscimento e adesione fra cellule.

22 Studio degli spostamen; molecolari nel piano della membrana: - SPT: single par.cle tracking (microscopia tracciante di singole par;celle), marcando molecole par;colari con an;corpi lega; a par;celle d oro.

23 - FRAP: fluorescence recovery a5er photobleaching (recupero della fluorescenza dopo fotosbiancamento).

24 TRASPORTO DI MEMBRANA Per sopravvivere, le cellule hanno bisogno di scambi con;nui col loro ambiente. Ques; sono regola; dalla membrana, che fa passare solo certe sostanze (diffusione passiva), e da proteine di trasporto della membrana, che possono essere: - trasportatori (o ve=ori): trasferiscono piccole molecole organiche e alcuni ioni inorganici; - canali: fanno passare ioni in maniera regolata (canali ionici). Ambi due sono molto sele@vi, e ci sono tan; ;pi di trasportatori e canali, distribui; in maniera specifica in ogni ;po di membrana e di cellula.

25 Per il corre=o funzionamento della cellula, le concentrazioni ioniche al interno e al esterno devono essere diverse, ma la carica ele=rica deve essere bilanciata: la carica di anioni intracellulari si bilancia col K +, la carica di Na + extracellulare si bilancia col Cl -.

26 Una membrana separa due ambien;, dove la concentrazione di un soluto può essere diversa, creando un gradiente chimico. Allo stesso tempo, alcuni di ques; solu; sono carichi (ioni), e si distribuiscono ai due la; in modo che il lato citosolico della membrana è carico nega;vamente e il lato esterno posi;vamente: si genera un potenziale di membrana. La combinazione dei due crea un gradiente ele;rochimico. Il trasporto a=raverso la membrana può essere: - A favore di gradiente: trasporto passivo o diffusione facilitata. - Contro gradiente: trasporto a@vo (ques; trasportatori vengono chiama; pompe), che richiede energia.

27 I TRASPORTATORI Sono specifici per un ;po di molecola, che si lega al trasportatore provocando un cambio di conformazione che rilascia la molecola dall altro lato della membrana. Trasportatori passivi: il trasportatore del glucosio (epatoci;): SANGUE Dopo mangiare: il glucosio ema;co entra Ore dopo il pasto: il glucosio epa;co esce CITOPLASMA

28 Trasportatori ci sono tre ;pi diversi: TRASPORTATORE POMPA ALIMENTATA POMPA ACCOPPIATO DA ATP FOTOALIMENTATA - Quelli fotoalimenta/, si trovano sopra=u=o nei ba=eri. - Quelli alimenta/ da ATP, come la pompa per il Na +, che fa uscire Na + contro gradiente ele=rochimico usando energia chimica (ATP). Nelle piante, funghi e ba=eri c e una pompa di H + che svolge un ruolo equivalente a quella di Na +, e funziona in modo simile. - Quelli che usano Il flusso di un soluto a favore di gradiente (ad esempio di Na + ) per il trasporto accoppiato di un altro soluto contro gradiente (simporte o an/porte).

29 In realtà la pompa di Na + è una pompa Na + - K + : per tre ioni sodio che escono, entrano due di potassio, usando una molecola di ATP : la pompa è pure un enzima, la Na + - K + ATPasi.

30 La pompa Na + - K + funziona in maniera complessa ma molto elegante, in maniera di non sprecare ATP inu;lmente

31 La pompa Na + - K + ha tre funzioni molto importan;: - Il gradiente di sodio mantenuto della pompa è molto forte (aprox volte più sodio fuori che dentro) e genera energia potenziale, molto importante per il trasporto de altre sostanze: la cellula usa aprox. 30% della sua energia per mantenere questo gradiente. - Mantenere l equilibrio osmo/co delle cellule animali: l acqua va dove la concentrazione di solu; è più alta (e quella di acqua più bassa), e un eccesso di solu; dentro la cellula potrebbe causare l ingresso di troppa acqua nelle cellule e la ro=ura della membrana per rigonfiamento. La pompa man;ene la concentrazione di Na + alta al esterno, che insieme al Cl - extracellulare mantengono una concentrazione alta di solu; fuori della cellula che equilibra quella di solu; intracellulari. - Mantenere il potenziale di membrana delle cellule animali: l a@vità della pompa è fondamentale per il mantenimento della carica nega;va nel lato interno della membrana plasma;ca. Questo potenziale di membrana partecipa pure al equilibrio osmo;co, visto che il gradiente ele=rico man;ene il Cl - al di fuori della cellula, e fa che il K + sia quasi in equilibrio ele=rochimico.

32 - Le cellule vegetali in vece hanno una forte parete cellulare al esterno della membrana plasma;ca, in grado di reggere la pressione generata dalle forze osmo;che (pressione di turgore) originate dalla entrata di acqua nella cellula ricca in solu;. La pressione di turgore man;ene la stru=ura delle piante, per esempio le foglie distese. - Un altra pompa importante per le cellule animali è la ATPasi di Ca 2+, che si trova nella membrana plasma;ca e in quella del re;colo endoplasma;co. In questo caso la cellula ha bisogno di mantenere una concentrazione bassissima di Ca 2+ nel citosole perché questo ione è fondamentale per la segnalazione intracellulare e per la a@vità di diverse proteine che legano Ca 2+.

33 Una visione d insieme: le cellule epiteliali del intes;no.

34 I CANALI Alcuni canali: Porine: passo di molecole cariche traverso la membrana ba=erica, di mitocondrie e cloroplas;. Acquaporine: facilitano il flusso di acqua a=raverso la membrana, senza fare passare altre molecole o ioni. CANALI IONICI Sono pori che perme=ono il passaggio passivo di piccole molecole idrosolubili, in par;colare Na +, K +, Cl - e Ca 2+. Ma non sono semplici pori: sono molto sele@vi e si possono chiudere ed aprire per regolare il flusso d ioni, che passano molto velocemente a favore di gradiente. La sele@vità è data dal passaggio molto stre=o per gli ioni, senza guaina acquosa e in conta=o dire=o con gli atomi all interno del canale, che per carica e grandezza di poro perme=ono solo il passaggio di un ;po d ione per il filtro sele@vo.

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36 - L apertura e chiusura dei canali accade spontaneamente, ma viene influenzata da diversi ;pi di s/moli: Controllato Controllato da Controllato da Controllato da dal potenziale un ligando un ligando uno s;molo extracellulare intracellulare meccanico

37 L dei canali ionici si può misurare con la tecnica del patch- clamp:

38 Il potenziale di membrana - Ai due la; della membrana plasma;ca c e una carica diversa nelle vicinanze della membrana, generando una differenza di potenziale che si chiama potenziale di membrana.

39 - Questa differenza di potenziale si deve alla presenza di anioni e ca;oni inorganici, par;colarmente Na +, K +, Cl - e Ca Il potenziale di membrana dipende dello spostamento di ques; ioni a traverso la membrana, che viene controllato dai canali ionici. E allo stesso tempo ci sono canali ionici controlla; dal potenziale. L apertura di ques; canali fa passare flussi di corrente in grado di generare un segnale ele;rico, come accade nei neuroni, ma pure in protozoi e piante. Canali ionici Potenziale di membrana

40 Come si stabilisce e controlla il potenziale di membrana? - Il potenziale di membrana a riposo dipende di canali di K + che si aprono e chiudono in maniera spontanea nella membrana: canali di dispersione per il K +. Ques; canali fanno uscire il potassio a favore di gradiente chimico (dentro la cellula la concentrazione è volte più alta di fuori), finché il gradiente ele=rico equilibra quello chimico, e il gradiente ele=rochimico per il potassio è zero. In questo momento il potenziale di membrana è di - 20 a mv (dipende del ;po di cellula e di organismo).

41 Come si stabilisce e controlla il potenziale di membrana? - Il potenziale di membrana dipende degli ioni per i quali la membrana è più permeabile, e si può calcolare con la equazione di Nernst: V = (R T/z F) ln (Co/Ci) V = 62 log 10 (Co/Ci) (per ca;oni 1+ a 37 o C) Se uno s;molo fa aprire altri canali e si stabiliscono flussi di altri ioni, il potenziale cambierà e non sarà più quello di riposo. Questo fenomeno è alla base della trasmissione di segnali ele;riche, come succede nei neuroni, le cellule specializzate nella trasmissione d informazione.

42 Come funziona un neurone? (1) - Immaginiamo un neurone in riposo, potenziale di membrana - 60 mv. - A una delle dendrite arriva un segnale chimico che apre canali controlla; da ligando. - Si producono flussi ionici che portano il potenziale di membrana a valori più posi;vi: depolarizzazione locale della membrana. - Questo causa l apertura di canali di sodio controlla; dal potenziale: entra sodio a favore di gradiente ele=rochimico, la depolarizzazione aumenta, portando il potenziale di membrana a valori più posi;vi ancora e aprendo più canali: si raggiunge un valore di soglia (+40 mv), si è sca=ato un potenziale di azione. Il tu=o in un millisecondo! - A +40 mv il sodio è in equilibrio ele=rochimico, e i canali di sodio sono ina@vi (non entra sodio e non si aprono). - Si aprono altri canali di potassio controlla; dal potenziale, il potenziale torna ai valori di riposo.

43 Come funziona un neurone? (2) - La depolarizzazione di un area della membrana si propaga al area vicina, in direzione contraria ai canali di sodio ina@vi, propagando il potenziale di azione giù lungo l assone. - Dietro del potenziale di azione, la pompa sodio- potassio rigenera i gradien; ionici e i canali di sodio si rigenerano pure, tornando ad essere chiusi e pron; per il prossimo segnale.

44 La trasmissione di segnali ele=rici, come il potenziale di azione (o impulso nervoso), si è studiata intensamente nell assone gigante del calamaro.