Le membrane biologiche: struttura, funzioni e trasporti

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1 Le membrane biologiche: struttura, funzioni e trasporti Quando lavoriamo sodo sviluppiamo calore e sudiamo Quando abbiamo «l acquolina in bocca» produciamo tanta saliva Fenomeni dovuti alla capacità delle cellule delle ghiandole sudoripare e salivari di regolare le sostanze in ingresso e uscita dalle cellule. Funzioni della membrana plasmatica Lezione 7: Le membrane biologiche: struttura, funzioni e trasporti Biologia e Genetica aa 2014/2015

2 MEMBRANE BIOLOGICHE - Strutture fondamentali che hanno consentito l evoluzione di cellule complesse - I procarioti hanno solo la membrana cellulare (o plasmatica) - Eucarioti hanno membrana plasmatica che è il confine della cellula (delimita il citosol) e le membrane degli organelli (delimitano gli organelli intracellulari e costituiscono il sistema endomembranoso) Membrana plasmatica: complesso di lipidi, proteine e carboidrati che delimita la cellula, regola gli scambi con l ambiente esterno e contiene sistemi di trasporto e segnale

3 Funzioni delle membrane cellulari La membrana plasmatica separa ambiente interno da esterno, mantenendo le condizioni compatibili per la vita Regola il passaggio delle sostanze da e per la cellula Suddividono la cellula in compartimenti (negli eucarioti) Fungono da superfici per le reazioni chimiche Trasmettono segnali tra l ambiente esterno e interno della cellula Componenti essenziali dei sistemi per trasferimento e immagazzinamento di energia

4 Struttura delle membrane Strutture dinamiche costituite principalmente da lipidi e proteine Fosfolipidi principali responsabili delle proprietà fisiche delle membrane Proteine associate al bilayer fosfolipidico Fosfolipidi sono molecole anfipatiche e hanno forma cilindrica In acqua si associano a formare un doppio strato Detergenti, molecole anfipatiche con un unico acido grasso, sono cilindrici In acqua si associano a formare micelle

5 La storia della struttura delle membrane ca 7-8 nm

6 Il modello a mosaico fluido di Singer e Nicolson (1972) Membrane costituite da doppio strato fluido di fosfolipidi nel quale sono immerse (o associate) proteine. Modello a mosaico non è statico, ma dinamico

7 Pur essendo ordinatamente disposte, le catene idrocarburiche degli acidi grassi sono in continuo movimento. Fosfolipidi sono quindi liberi di muoversi lateralmente La fluidità di membrana è regolata dal livello di saturazione degli acidi grassi e dalla presenza di colesterolo Acidi grassi saturi A basse temperature il colesterolo funge da spaziatore tra catene idrocarburiche, diminuendo le interazioni idrofobiche e prevenendo la solidificazione Ad alte temperature stabilizza la membrana, grazie all interazione con le teste fosfolipidiche e la conseguente riduzione del movimento Acidi grassi insaturi

8 Movimenti dei fosfolipidi di membrana - Rotazione intorno all asse maggiore - Diffusione laterale - Diffusione trasversale ( o flip-flop)

9 Fluidità del bilayer fosfolipidico consente a molecole immerse di muoversi lungo il piano In 1970, Frye and Edidin fused mouse and human cells and followed by immunofluorescence the redistribution of antigens on the surface of the resulting hybrids (see Cover). They first showed that in established hybrid cells"infinite time" controlsboth the mouse (green; panel A) and the human (red; panel B) surface antigens were in circumferential rings, hence, more or less uniformly distributed. In contrast, these antigens were located in separate hemispherical poles when viewed immediately after fusion (panel C). The redistribution of these proteins then proceeded briskly, with the mouse antigen (panel D) moving somewhat more slowly than its human counterpart (panel E). Within 40 min, both markers covered the entire surface of almost every fused cell pair (panels F and G). That the proteins diffused freely in a fluid phospholipid bilayer was inferred from a simple kinetic analysis and from the complete arrest of antigen redistribution below 15 C

10 Proteine di membrane integrali e periferiche

11 Le proteine (e non solo) sono orientate nella membrana in modo asimmetrico La membrana è asimmetrica; ad esempio fosfatidilcolina e sfingomielina sono sul lato esterno, fosfatidilserina sulla faccia interna.

12 Proteine che formeranno la superficie interna della membrana sono sintetizzate da ribosomi liberi nel citosol; le proteine associate alla superficie esterna attraverso il pathway RER-Golgi-vescicole di trasporto

13 Le proteine determinano le funzioni della membrana

14 I trasporti attraverso la membrana Le membrane biologiche funzionano come membrane selettivamente permeabili Trasporto passivo Diffusione semplice Le sostanze attraversano le membrane per Trasporto attivo Diffusione facilitata

15 Il trasporto passivo - Non richiede dispendio di energia da parte della cellula - Piccole molecole apolari attraversano direttamente la membrana plasmatica - Molecole polari attraversano la membrana grazie a proteine di membrana trasportatori ( o carrier) e canali - La diffusione semplice Molecole di soluto apolari si muovono attraverso una membrana biologica secondo gradiente di concentrazione, fino all equilibrio dinamico

16 Gli scambi di gas respiratori a livello del polmone e degli altri tessuti avvengono per diffusione semplice

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18 L osmosi è la diffusione di acqua attraverso una membrana semipermeabile La pressione osmotica della soluzione è la forza da applicare per impedire l ascesa del livello del fluido Soluzione salina fisiologica una soluzione di NaCl allo 0.9% è isotonica rispetto alle cellule umane e ai fluidi interstiziali

19 La diffusione facilitata - avviene secondo un gradiente di concentrazione - specifiche proteine rendono la membrana permeabile a un determinato soluto - proteine canale che formano canali idrofilici - proteine carrier che cambiano conformazione Canali ionici Diffusione facilitata del glucosio (es nei globuli rossi)

20 Il trasporto attivo - Trasporto di soluti attraverso la membrana contro gradiente di concentrazione - Richiede dispendio energetico diretto - Trasporto può essere accoppiato direttamente al consumo di ATP Trasporto attivo indiretto sfrutta il gradiente di concentrazione di un altra sostanza (es. ione) - È unidirezionale e può essere : un uniporto (es. trasporto attivo del Ca 2+ nel REL verso siti in cui è più concentrato) Un simporto (es. assorbimento di amminoacidi, con Na +, nelle cellule intestinali Un antiporto (es. pompa sodio-potassio)

21 Trasporto attivo primario La pompa Na-K (ATPasi dipendente) Il lavoro della pompa Na-K crea uno squilibrio di cariche tra interno ed esterno della cellula gradiente elettrochimico potenziale di membrana

22 Trasporto attivo secondario Simporto Na + - glucosio

23 Il trasporto del glucosio attraverso le cellule dell epitelio intestinale

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25 Le macromolecole e le particelle entrano nella cellula per endocitosi e escono per esocitosi

26 L endocitosi mediata da recettore è molto specifica

27 La fagocitasi è un particolare tipo di endocitosi

28 I macrofagi alveolari e il particolato atmosferico Macrofagi alveolari che hanno internalizzato particolato atmosferico Macrofagi alveolari al TEM con particelle di PM accumulate in grandi fagosomi