La compartimentalizzazione cellulare

Transcript

1 SISTEMA DI MEMBRANE

2 La compartimentalizzazione cellulare

3 LE MEMBRANE CELLULARI: UN SISTEMA IN EQUILIBRIO

4 FUNZIONI DELLE MEMBRANE - delimitano i contorni cellulari o degli orgnelli intracellulari - consentono di localizzare specifiche funzioni (ad es. allineamento di enzimi coinvolti in una sequenza di reazioni) - regolano il trasporto di soluti ed il ph cellulare - mantengono gradienti ionici ed elettrici - ricevono e trasmettono segnali - mediano le comunicazioni tra cellule e con l ambiente

5 Come sono costituite le membrane? Lipidi e proteine

6 LE MEMBRANE BIOLOGICHE FORMANO DEI DOPPI STRATI 5nm Lipide Proteina Lipidi Proteine

7 Diverse evidenze sperimentali hanno portato alla comprensione della struttura e proprietà delle membrane Gortel & Grendel Le membrane sono doppi strati Le membrane hanno una struttura uguale in cellule diverse e di organismi diversi Studi di biochimica Le membrane sono composte anche da proteine Le membrane sono FLUIDE

8 Il modello del mosaico fluido: le membrane cellulari sono costituite da un doppio strato lipidico fluido nel quale le proteine sono incastrate come le tessere di un mosaico. Jonathan Singer Garth Nicolson The fluid mosasic model of structure of Cell Membranes Science, vol 175, 1972, pag

9 FOSFOLIPIDI TESTA idrofilica CODA idrofobica

10 LIPIDI DI MEMBRANA

11 La struttura dei fosfolipidi dipende dal grado di saturazione degli acidi grassi che li compongono

12 COLESTEROLO

13 COLESTEROLO teste polari colesterolo (rigido) regione fluida

14 Le membrane sono costituite da un MOSAICO di proteine Le proteine conferiscono le funzioni a ciascun tipo di membrana e ne definiscono la specifica identità!

15 Le proteine di membrana: due principali tipi Proteine integrali di membrana Proteine periferiche Proteine con ancora GPI multipasso Barili beta monopasso Proteine ancorate mediante un lipide

16 Le proteine integrali sono rilasciate dalla membrana solo in seguito all azione di detergenti

17 Le proteine possono essere inserite in membrana secondo modalità differenti Proteine transmembrana Proteine legate alla collegamento membrana tramite un lipide di Proteine con ancora GPI multipasso Barili beta monopasso Proteine ancorate mediante un lipide

18 PROTEINE TRANSMEMBRANA spazio extracellulare Il dominio transmembrana contiene aminoacidi con catene laterali non polari citosol Il dominio transmembrana assume generalmente una struttura ad α-elica

19 LE PROTEINE DI MEMBRANA HANNO VARIE FUNZIONI ADESIONE > cellula-cellula, cellula matrice (CADERINE, INTEGRINE) TRASPORTO > canali, trasportatori (K +, Na/K-ATPasi)

20 LE PROTEINE DI MEMBRANA HANNO VARIE FUNZIONI ENZIMI: molti tipi catalizano reazioni che avvengono all interno o sulla superficie della membrana RECETTORI: legano molecole segnale (ad es. ormoni, fattori di crescita) e trasmettono l informazione all interno della cellula

21 LE PROTEINE DI MEMBRANA SONO SPESSO ASSOCIATE IN GROSSI COMPLESSI Il citoscheletro basato su spettrina è cruciale per il funzionamento del globulo rosso

22 NEL MUSCOLO C È UNA CONNESSIONE TRA CITOSCHELETRO E PROTEINE DELLA MATRICE EXTRACELLULARE

23 PROPRIETA DELLE MEMBRANE Sono strutture asimmetriche: la composizione in lipidi e proteine della faccia esterna e di quella interna è diversa fra loro riflettendo le diverse funzioni da loro svolte Sono strutture dinamiche e fluide: la maggior parte delle loro molecole sono capaci di muoversi nel piano della membrana. La fluidità dipende da composizione e temperatura. Costituiscono una barriera semipermeabile: consentono il passaggio selettivo di molecole

24 ASIMMETRIA DEL BILAYER LIPIDICO spazio extracellulare o luminale citosol La fosfatidilserina che ha una carica negativa si trova nel monostrato interno creando così una differenza di carica tra le due metà del doppio strato. I Glicolipidi si trovano nel monostrato esterno e possono avere funzione di protezione, di riconoscimento cellulare di isolamento elettrico (mielina delle cellule nervose).

25 IL LUME DEGLI ORGANELLI CORRISPONDE TOPOLOGICAMENTE ALLO SPAZIO EXTRACELLULARE

26 Il sistema ABO dei globuli rossi si basa su gangliosidi di membrana gal Ac.glul gal glu ceramide fuc Gruppo 0 galattosamina Gruppo A galattosio Gruppo B

27 BASI MOLECOLARI DEI GRUPPI SANGUIGNI Sangue Gruppo A A Anticorpi contro la molecola B Può ricevere sangue di gruppo A oppure 0 Sangue Gruppo B B Anticorpi contro la molecola A Può ricevere sangue di gruppo B oppure 0 Sangue Gruppo AB A B Può ricevere sangue di gruppo A, di gruppo B, gruppo AB e gruppo 0 Sangue Gruppo 0 Anticorpi contro le molecole A e B Può ricevere solo sangue di gruppo 0 E donatore universale

28 Le proteine transmembrana hanno uno specifico e unico orientamento nella membrana ponti disolfuro oligosaccaride alfa elica bilayer Asimmetria

29 Le membrane biologiche sono fluide e dinamiche Laser tweezers I lipidi si muovono nelle membrane diffusione laterale flip-flop flessione rotazione FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching) Le proteine si muovono nelle membrane

30 Da cosa dipende la fluidità delle membrane biologiche? Temperatura Composizione teste polari colesterolo (rigido) Lunghezza catene idrocarburiche Grado di saturazione (doppi legami) regione fluida

31 Le membrane costituiscono una barriera selettivamente permeabile E permeabile a gas e a piccole molecole non cariche, mentre è debolmente permeabile all acqua (che, comunque, passa attraverso interruzioni che si vengono a formare tra le catene di acidi grassi). E impermeabile a ioni e a grandi molecole cariche e non cariche

32 MECCANISMI DI TRASPORTO Diffusione Semplice: spontaneo movimento di una sostanza da una regione a più alta concentrazione ad una regione a bassa concentrazione D= KT 6πρε

33 MECCANISMI DI TRASPORTO OSMOSI: è il passaggio di H2O da una regione a più alta concentrazione di acqua attraverso una membrana semipermeabile ad una regione a bassa concentrazione di acqua

34 Soluzione isotonica Soluzione ipertonica Soluzione ipotonica Nessun movimento netto di acqua Movimento netto di acqua verso l esterno della cellula (raggrinzimento) Movimento netto di acqua verso l interno della cellula (Rigonfiamento) Il plasma umano e tutti i nostri fluidi corporei sono isotonici rispetto alle cellule che compongono il corpo Sol. isotonica ipertonica ipotonica

35 COMPOSIZIONE DEI LIQUIDI EXTRACELLULARI E INTRACELLULARI

36 Trasporto di membrana Trasporto attivo contro gradiente consumo di energia Trasporto passivo secondo gradiente non necessita energia Diffusione semplice Dipendente dalla liposolubilità della molecola Diffusione facilitata Mediata da trasportatori Specifica e saturabile

37 MODALITA DI TRASPORTO ATTRAVERSO LE MEMBRANE Uniporto Simporto Antiporto

38 TRASPORTO PASSIVO Canali ionici e trasportatori permettono il passaggio di ioni e molecole polari attraverso le membrane

39 Trasportatori o proteine vettrici o proteine carrier Le proteine vettrici cambiano conformazione dopo legame con il soluto

40 I canali ionici sono proteine che formano pori colmi di acqua che permettono il passaggio di specifici ioni

41 ESISTONO DUE CLASSI DI MOLECOLE CHE MEDIANO I TRASFERIMENTI MOLECOLARI ATTRAVERSO LE MEMBRANE PROTEINE TRASPORTATRICI. Hanno parti mobili in grado di spostare molecole. Si legano al soluto specifico da trasportare e subiscono una serie di cambiamenti conformazionali per trasferire il soluto attraverso la membrana. Mediano un tipo di trasporto che può essere sia passivo che attivo PROTEINE CANALE. Formano un poro idrofilico stretto che permette il passaggio soprattutto di piccoli ioni inorganici.. Interagiscono in modo debole con ciò che passa per il poro acquoso Il trasporto è quindi molto veloce.. Il trasporto attraverso le proteine canale è sempre un flusso passivo

42 Le varie modalità di trasporto passivo hanno caratteristiche differenti

43 TRASPORTO ATTIVO Il trasporto attivo avviene mediante proteine definite pompe. L energia necessaria deriva nella maggior parte dei casi da ATP. Le pompe sono complessi multi-proteici.

44 Pompa Na,K-ATPase E costituita da due subunità: subunità α direttamente coinvolta nel trasporto e subunità β con funzioni accessorie.

45 Pompa Na,K-ATPase

46 NA+/K+ ATPasi (Pompa del sodio e potassio) Ha un ruolo diretto nella regolazione del volume cellulare regolando le forze osmotiche Fondamentale per generare e mantenere il potenziale di membrana a riposo Il gradiente del sodio può essere sfruttato per attivare altri tipi di trasporto Il gradiente del sodio è cruciale per il mantenimento del ph cellulare

47 CO-TRASPORTO NA/GLUCOSIO NELLE CELLULE INTESTINALI 2 sodio entrano 1 glucosio entra

48 IL LEGAME DEL SODIO CREA UN SITO PER IL LEGAME CON IL GLUCOSIO

49 ANCHE I VALORI DEL ph CELLULARE SONO REGOLATI DALL ATTIVITA DELLA POMPA Na/K-ATPasi Scambiatore Na+/H+ Scambiatore Cl-/HCO3- Scambiatore Cl-/HCO3 dipendente da sodio dipendente da sodio indipendente da sodio

50 Il Ca 2+ è trasportato all esterno della cellula mediante un pompa Ca-ATPasi o mediante un antiporto che è spinto dal gradiente elettrochimico del Na Pompa Ca-ATPase

51 FIBROSI CISTICA o MUCOVISCIDOSI: CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance regulator) - E un canale del cloro presente sulla superficie apicale di cellule epiteliali delle vie aeree, intestino, ghiandole sudoripare Secrezioni mucose sono viscide con conseguente ostruzione dei dotti Diabete Nefrogenico o Insipido: Acquoporina 2 - E un canale dell acqua situato sulla superificie apicale dell epitelio renale. Poliuria (urine abbondanti), incapacità del rene di concentrare soluti

52 EREDITA DEI GRUPPI SANGUIGNI NELL UOMO I GRUPPI PRINCIPALI SONO: A,B,AB,0 SISTEMA A PIU ALLELI (A,B,0) GRUPPO A (omozigote AA oppure eterozigote A0) GRUPPO B (omozigote BB oppure eterozigote B0) GRUPPO AB (eterozigote AB) GRUPPO 0 (omozigote 00)