Funzioni delle membrane cellulari (1)

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1 Funzioni delle membrane cellulari (1) 1) Determinano una compartimentazione Le membrane formano dei foglietti continui e delimitano dei compartimenti. 1. La membrana plasmatica delimita i contorni e racchiude i contenuti dell intera cellula 2. Le membrane dell involucro nucleare e quelle citoplasmatiche delimitano i diversi compartimenti cellulari

2 Funzioni delle membrane cellulari (2) 3) Forniscono una barriera con permeabilità selettiva le membrane impediscono il libero scambio di materiali da un versante a un altro ma allo stesso tempo forniscono un mezzo di comunicazione fra gli spazi 4) Permettono e regolano soluti regolano il trasporto di sostanze all interno e all esterno delle cellule e dei loro organuli 5) Rispondono a segnali esterni le membrane plasmatiche svolgono una funzione fondamentale nella risposta di una cellula a stimoli esterni, un processo noto come TRASDUZIONE DEL SEGNALE 6) Presiedono a interazioni intercellulari le membrane plasmatiche mediano le interazioni fra le cellule e con l ambiente circostante

3 LA STRUTTURA DELLA MEMBRANA PLASMATICA

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5 IL TRASPORTO DI MEMBRANA

6 Le ridotte dimensioni cellulari sono garanzia di un elevata efficienza di scambio a livello di membrana

7 Il movimento di sostanze attraverso la membrana cellulare -le membrane sono selettivamente permeabili -La permeabilità di una sostanza dipende da: dimensioni carica - sebbene il doppio strato sia relativamente impermeabile agli ioni, le cellule devono essere in grado di far passare attraverso la membrana ioni e molecole polari come gli zuccheri e gli amminoacidi intervengono quindi PROTEINE DI MEMBRANA specializzate

8 Bilayer lipidico sintetico Molecole idrofobiche Molecole polari di piccole dimensioni SI Molecole polari di dimensioni maggiori IONI NO

9 Alta permeabilità Coefficienti di permeabilità: cm/sec Velocità di attraversamento della membrana Bassa permeabilità

10 Il movimento attraverso la membrana può avvenire principalmente in due modi: - in modo passivo per DIFFUSIONE - in modo attivo per mezzo di qualche tipo di processo di trasporto accoppiato ad energia Entrambi i movimenti possono portare a un FLUSSO NETTO

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12 TRASPORTO PASSIVO A: diffusione semplice B: diffusione facilitata TRASPORTO ATTIVO D: primario contro-gradiente C-E: secondario C: uniporto E: simporto

13 DIFFUSIONE Processo spontaneo una sostanza si sposta da una regione ad elevata concentrazione ad una a bassa concentrazione eliminando alla fine la differenza di concentrazione fra le due regioni

14 DIFFUSIONE ATTRAVERSO UNA MEMBRANA SEMIPERMEABILE FLUSSO NETTO EQUILIBRIO Alta concentrazione Bassa concentrazione uguale concentrazione

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17 Molecole idrofobiche Molecole polari di piccole dimensioni DIFFUSIONE SEMPLICE Attraverso il bilayer lipidico Molecole polari di dimensioni maggiori IONI DIFFUSIONE FACILITATA Mediante l utilizzo di trasportatori

18 DIFFUSIONE FACILITATA soluti polari, quali zuccheri e amminoacidi, nucleotidi e ioni che non possono penetrare nel doppio strato lipidico La sostanza che deve diffondere si lega ad una proteina INTEGRALE di membrana detta PROTEINA DI TRASPORTO O VETTRICE perché le molecole sono di natura idrofila e provviste di cariche elettriche La direzione del flusso dipende solo dalla concentrazione relativa della sostanza sui due lati della membrana

19 Le proteine vettrici offrono siti di legame che possono essere occupati da molecole di forma corrispondente Riconoscimento specifico proteina vettrice-ligando possono variare la loro conformazione in modo da aprirsi alternativamente sui due versanti della membrana legano le molecole da trasportare preferenzialmente dal lato dove sono presenti in maggior concentrazione

20 Trasporto facilitato Mediante una PROTEINA VETTRICE O CARRIER Gradiente di concentrazione Proteina di trasporto CARRIER L energia per la diffusione è fornita dal gradiente di concentrazione della sostanza che deve essere trasportata

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23 DIFFUSIONE DI IONI ATTRAVERSO LE MEMBRANE Il doppio strato lipidico è fortemente impermeabile ai composti con carica elettrica compresi piccoli ioni come Na +, K +, Ca 2+ e Cl -. Eppure il movimento di essi è essenziale per numerose attività cellulari.

24 TRASPORTO FACILITATO Mediante proteine canale o canali ionici Proteine integrali che presentano un canale polare delimitato dalle diverse subunità della proteina Proteina canale

25 CANALI IONICI permeabili a determinati ioni Permettono il passaggio di ioni specifici secondo gradiente di concentrazione Svolgono un ruolo importante nelle cellule nervose e muscolari Sono dotati di apertura a tempo - canali ionici a controllo di potenziale o di voltaggio - canali ionici a controllo chimico (o a controllo di ligando)

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27 Canali a controllo di voltaggio o di potenziale L apertura del canale avviene in seguito all arrivo di un onda di depolarizzazione di membrana Canali a controllo di voltaggio o di potenziale L apertura del canale avviene in seguito alla formazione di un legame tra proteina del canale con una molecola segnale, chiamata genericamente ligando, quale ad esempio un ligando o un neurotrasmettitore. Le proteine trasportatrici sono dette permeasi

28 L OSMOSI

29 OSMOSI Tipo particolare di diffusione che comporta il movimento netto di molecole di acqua attraverso una membrana selettivamente permeabile Le molecole di acqua rispetto agli ioni o piccoli soluti polari si muovono molto più velocemente attraverso la membrana secondo il loro gradiente

30 OSMOSI Le molecole di acqua passano dalla zona a minor concentrazione di soluti (compartimento IPOTONICO) alla zona a maggior concentrazione di soluti (compartimento IPERTONICO)

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33 Regolare il volume cellulare prevede il controllo delle forze di natura osmotica che farebbero contrarre o rigonfiare la cellula stessa quindi il controllo della concentrazione dei sali La pompa Na-K è un meccanismo attivo che svolge questo lavoro

34 La pompa Na-K contribuisce a generare e sostenere il potenziale di membrana: pompa attivamente ioni 3Na + fuori e ioni 2K + dentro impoverendo l interno di cationi

35 POTENZIALE DI MEMBRANA la membrana plasmatica separa due ambienti nei quali è mantenuta una diversa composizione ionica: piccoli cationi nel citoplasma, scarsi i piccoli anioni gradiente elettrochimico differenza di potenziale elettrico tra i due versanti della membrana di -70 mv esterno interno - trasmissione di impulsi elettrici - mediare alcuni sistemi di trasporto ( pompe ioniche )

36 TRASPORTO ATTIVO L energia immagazzinata nel gradiente di concentrazione non solo non è disponibile ma anzi lavora contro di esso I sistemi di trasporto ATTIVO necessitano di una fonte di energia per poter trasportare le sostanze contro il proprio gradiente di concentrazione - dipende dalla presenza di proteine vettrici dette pompe - Alcune di queste legano e idrolizzano una molecola di ATP liberando l energia per il trasporto

37 Pompa sodio-potassio Trasporto del Na+ e del K+ contro il loro gradiente di concentrazione

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39 I processi di trasporto delle molecole attraverso la membrana: Trasporto passivo Trasporto attivo

40 Esistono dei meccanismi di trasporto specifici: UNIPORTO viene trasportata una sola molecola in una direzione SIMPORTO in cui per esempio l energia accumulata da un trasporto attivo primario viene sfruttata per il trasporto di un altra molecola nella stessa direzione ANTIPORTO in cui la seconda molecola viene trasportata nella direzione opposta

41 UNIPORTO simporto antiporto COTRASPORTO

42 Cellula intestinale Lume intestinale Trasporto di glucosio guidato dal sodio Liquido extracellulare

43 membrana cellulare specializzazioni del plasmalemma

44 Adesione Cellulare In un organismo o tessuto, le cellule si riconoscono e si legano le une alle altre per mezzo di proteine di membrana che protrudono dalla superficie cellulare.

45 MOLECOLE DI ADESIONE Sono le molecole coinvolte nelle interazioni tra cellule e matrice extracellulare e nelle interazioni cellula-cellula. La FIBRONECTINA e una delle molecole responsabili del collegamento tra la matrice e la superficie cellulare. E una glicoproteina dimerica che possiede siti di attacco sia per il collagene che per i glicosamminoglicani (GAG). Ha un'estremità che presenta un'alta affinità per una famiglia di proteine intrinseche di membrana, i RECETTORI per la fibronectina. Le lamine basali contengono un'altra proteina di adesione cellulare detta LAMININA assemblata sotto forma di reticoli. Le lamine basali hanno siti di legame per i recettori della superficie cellulare e per il collagene di tipo II e sono associate alla ENTACTINA o NIDOGENO, che lega anch'essa il collagene di tipo IV. I principali recettori della superficie cellulare responsabili dell'attacco della cellula alla matrice extracellulare, sono le INTEGRINE, proteine transmembrana costituite da 2 subunità alfa e beta (esistono 20 diverse integrine con diverse combinazioni di alfa e beta e precisamente 15 diverse subunità alfa e 8 diverse subunità beta). Le integrine presentano una costituzione tessuto-specifica. Esse si legano a brevi sequenze di aa presenti in molte componenti della matrice extracellulare, compresi collagene, fibronectina e laminina. Servono anche per ancorare componenti del citoscheletro.

46 INTERAZIONI CELLULA CELLULA Sono processi selettivi mediati da proteine transmembrana dette "MOLECOLE DI ADESIONE CELLULARE" divise in 4 gruppi principali: SELETTINE, INTEGRINE e SUPERFAMIGLIA delle IMMUNOGLOBULINE e delle CADERINE. Selettine, integrine e caderine richiedono Ca 2+ e Mg 2+ per funzionare. Selettine, integrine e Ig mediano adesioni transitorie, in particolare, le selettine riconoscono carboidrati specifici presenti sulla superficie cellulare. Selettina E e P sono espresse dalle cellule endoteliali e si legano ad oligosaccaridi specifici espressi sulla superficie dei leucociti. La selettina L é espressa dai leucociti e riconosce un oligosaccaride della superficie delle cellule endoteliali. Le Ig-CAM comprendono molecole con domini di superficie correlati agli anticorpi, per cui sono state assegnate alla superfamiglia delle Ig. Ne sono state scoperte più di 30 e tra queste: le L-CAM (presenti sulle cellule epatiche), le N-CAM (a livello dei neuroni), le Ng-CAM (a livello della neuroglia), le I-CAM ( presenti su diversi tipi cellulari tra cui i leucociti). Le CADERINE sono responsabili soprattutto della formazione di giunzioni stabili tra le cellule dei tessuti; esse, infatti, uniscono tra di loro cellule dello stesso tipo attraverso legami di tipo omofilo. Esistono varie Caderine: la E é espressa sulle cellule epiteliali, la N é detta neurale e la P placentare.

47 Adesione Cellulare Le giunzioni strette (Tight junctions) prevengono il passaggio di molecole attraverso lo space circostante alle cellule, e definiscono regioni funzionali della membrana plasmatica impedendo la migrazione delle proteine sulla superficie cellulare. I desmosomi permettono alle cellule di aderire fortemente le une alle altre. Le gap junctions creano dei canali per comunicazioni chimiche e elettriche tra le cellule.

48 5.6 Part 1 Figure 5.6 Part 1

49 5.6 Part 2 Figure 5.6 Part 2

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51 SISTEMI DI GIUNZIONE CELLULARE Le membrane di cellule contigue presentano una serie di dispositivi specializzati che permettono un contatto più stretto e, in alcuni casi, anche scambi tra cellula e cellula. Si distinguono due classi di GIUNZIONI CELLULARI: 1) GIUNZIONI ADERENTI: desmosomi emidesmosomi fasce aderenti fasce occludenti 2) GIUNZIONI COMUNICANTI: giunzioni serrate Le giunzioni aderenti tengono insieme le cellule e funzionano come "cerniere" intercellulari che mantengono le cellule in posizioni fisse all'interno dei tessuti. Le giunzioni occludenti chiudono gli spazi intercellulari alla diffusione, formando una specie di barriera che impedisce il flusso diretto di ioni e molecole. Le giunzioni comunicanti formano canali aperti nelle membrane plasmatiche di cellule adiacenti, permettendo la diffusione diretta di ioni o piccole molecole da una cellula all'altra.

52 DESMOSOMI O MACULAE ADHERENTES Sono i sistemi di giunzione più diffusi (tessuti epiteliali) e i più complessi. Hanno forma circolare o ellittica; nella regione che contiene un desmosoma si osserva la PLACCA, uno spesso strato di materiale denso al di sotto della membrana plasmatica. A partire dalla placca, in direzione del citoplasma, si dipartono i filamenti intermedi di cheratina o vimentina. Sono detti TONOFILAMENTI e fungono da ancora per la giunzione. Si osservano emidesmosomi quando le cellule sono ancorate a materiale extracellulare anzicché ad altre cellule. Sono anche presenti a livello di cellule coltivate in vitro, dove fungono da ancoraggio alla plastica o al vetro.

53 -Desmosomi: detti anche "MACULAE ADHAERENTES". Le proteine che costituiscono i desmosomi sono: le DESMOPLACHINE I e II, glicoproteine associate alle placche, come la PLACOLOBINA. Esse non legano direttamente i filamenti intermedi. CHERATOCALMINA e DESMOCALMINA connettono le proteine della placca ed i filamenti intermedi, formando dei ponti DESMOGLEINE e le DESMOCOLLINE (caderine) glicoproteine integrali di membrana che stabiliscono adesioni intercellulari nella regione delle giunzioni. Negli emidesmosomi sono presenti solo DESMOPLACHINE e al posto delle desmogleine c'é una molecola di adesione appartenente alle integrine.

54 Desmosomi: detti anche "MACULAE ADHAERENTES". I desmosomi sono particolarmente abbondanti nei tessuti che sono sottoposti a stress meccanici in senso laterale o da stiramento (epidermide, epiteli che rivestono la superficie interna delle cavità corporee). Pur rappresentando i dispositivi di giunzione a più elevata resistenza meccanica, i desmosomi sono permeabili a liquidi che possono quindi circolare liberamente negli spazi extracellulari attraverso la sostanza extracellulare.

55 -GIUNZIONI ADERENTI (zonula ADHERENS) Esistono giunzioni aderenti di forme diverse: a bottone, a cintura, a configurazione estesa. Congiungono le cellule di alcuni tessuti animali con, ad esempio, quelle del muscolo cardiaco e delle membrane che avvolgono gli organi che rivestono le cavità corporee. Le placche delle giunzioni aderenti non hanno l'aspetto di uno strato denso con un punto, come nei desmosomi, ma quello di un reticolo a struttura irregolare. Le fibre che si dipartono dalle placche sono microfilamenti di actina. Anche le giunzioni aderenti sono presenti in una forma dimezzata sulla membrana di cellule che entrano in contatto con strutture extracellulari.

56 -GIUNZIONI ADERENTI (zonula ADHERENS) Da un punto di vista molecolare, i principali costituenti delle giunzioni aderenti sono proteine transmembrana che appartegono alla famiglia delle caderine. I segmenti citoplasmatici di queste molecole contribuiscono alla formazione delle placche ed all'organizzazione di un gruppo di proteine nella regione delle placche (alfa-actinina, vinculina, caderine, placoglobine). Le porzioni che si estendono all'esterno della membrana formano l'adesione cellula-cellula che tiene unite le giunzioni aderenti. Sia le giunzioni aderenti che i desmosomi sono Ca 2+ dipendenti.

57 - FASCE OCCLUDENTI (zonula occludens). Formano una cintura continua attorno alle cellule che rivestono le cavità corporee. Saldano insieme le cellule ed impediscono il passaggio dei liquidi tra la cavità corporea e le cellule sottostanti. Gli emistrati esterni di due membrane che costituiscono la giunzione si fondono tra loro lungo una linea di congiunzione; la fusione elimina lo spazio extracellulare e rende la giunzione impermeabile al passaggio di liquidi extarcellulari e di ioni e molecole in soluzione. La sigillatura é tanto migliore quanto maggiore é il numero di filamenti sigillanti.

58 - FASCE OCCLUDENTI (zonula occludens). La struttura molecolare non é ben nota: sono state identificate le proteine 20-1, 20-2, CINGOLINA, localizzate in un regione simile alla placca.

59 - FASCE OCCLUDENTI (zonula occludens). Le giunzioni strette sono molto più diffuse nei Vertebrati, soprattutto negli epiteli di rivestimento dell'apparato digerente. Sono comuni anche tra le cellule delle pareti dei capillari (cervello, reticolo). La funzione delle fasce occludenti é quella di impedire che sostanze provenienti dal lume penetrino negli interstizi cellulari. A livello della barriera emato-encefalica, esse bloccano il passaggio di molte molecole dal circolo sanguigno nel tessuto nervoso; passano però glucosio, neuro-ormoni, O 2 e CO 2. Le ZONULE OCCLUDENS possono essere lasse o strette a secondo che siano costituite da 1-2 o 8-10 bande interconnesse (tubulo convoluto prossimale, dotto collettore).

60 -GIUNZIONI COMUNICANTI (giunzioni serrate - GAP JUNCTIONS). Costituiscono un passaggio aperto attraverso cui ioni e piccole molecole passano da una cellula all'altra. Le membrane delle due cellule sono separate da uno spazio di 2-3 nm. E' stata dimostrata la presenza di un grande numero di cilindri cavi disposti con l'asse maggiore perpendicolare alla superficie delle cellule. E' stato osservato che i cilindri sulle membrane plasmatiche adiacenti si incontrano coda contro coda, formando una struttura aperta tra le cellule, non sigillando la giunzione dei fluidi extracellulari circostanti.

61 -GIUNZIONI COMUNICANTI (giunzioni serrate - GAP JUNCTIONS). Ogni cilindro, detto CONNESSONE, è costituito da 4-6 molecole di CONNESSINA. I canali delle giunzioni possono aprirsi e chiudersi in seguito a transizioni conformazionali delle molecole di connessione che costituiscono le pareti.

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63 Le giunzioni comunicanti rispondono a variazioni della concentrazione citoplasmatica di Ca 2+ = 10-5 M. La regolazione della [Ca 2+ ] può essere diretta o mediata dalla CALMODULINA. L'abbassamento del ph citoplasmatico provoca sempre la chiusura dei canali, indotta anche da variazioni di potenziale. La chiusura indotta da elevate [Ca 2+ ] può costituire un meccanismo di sicurezza. Ricordiamo che le giunzioni comunicanti sono presenti al livello di tutti i tessuti. Sono strutture transitorie e si formano solo quando c'é esigenza di contatto tra due cellule attigue. Le funzioni delle giunzioni comunicanti sono: trasporto dell'impulso nervoso ed inoltre interagiscono nella regolazione dei processi di differenziamento e proliferazione cellulare.