Le funzioni delle membrane biologiche

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1 Modulo 9: Membrane

2 Le funzioni delle membrane biologiche Membrane formano barriere fisiche. Separano il citosol dall ambiente esterno preservano l individualità della cellula mantenendola separata dall ambiente circostante. Delimitano i compartimenti intracellulari (nucleo, mitocondri, ER, lisosomi ecc.) Hanno funzioni di trasporto di metaboliti, di ioni. Permettono la comunicazione tra ambiente esterno ed interno attraverso recettori proteici. Attuano la conversione dell energia chimica attraverso la formazione di gradienti elettrochimici

3 Le membrane biologiche: proprietà Le membrane biologiche sono strutture laminari simili a fogli con spessori compresi tra 5 e 8 nm. Costituite principalmente da glicerofosfolipidi, sfingolipidi, colesterolo. Strutture senza legami covalenti tra le unità di base, le unità che le compongono sono tenute unite da interazioni non covalenti. Le membrane sono asimmetriche e di norma elettricamente polarizzate Permeabilità molto bassa per la maggior parte delle molecole. Contengono proteine specifiche e particolari responsabili di funzioni specializzate delle membrane. Distribuzione dei lipidi negli strati interno ed esterno della membrana plasmatica (eritrociti)

4 I principali componenti lipidici delle membrane biologiche Ogni membrana (plamatica o interna) ha una sua composizione lipidica ben precisa.

5 Il modello a mosaico fluido Le membrane sono strutture fluide e dinamiche. Fluidità di membrana: data dalle interazioni non covalenti, lasciano libere le molecole di spostarsi lateralmente nel piano della membrana. Membrane paragonate a un liquido bidimensionale. Le proteine galleggiano nel liquido bidimensionale. Le membrane biologiche sono soluzioni bidimensionali di lipidi orientati e proteine globulari (Singer & Nicholson1972) I lipidi inseriti nelle membrane sono soggetti ad una rapida diffusione laterale: 1 m 2 S -1 Mentre la diffusione trasversale è molto limitata.

6 La fluidità di membrana è controllata dalla composizione lipidica Le catene aciliche sono in uno stato ordinato Le catene aciliche sono in stato disordinato La temperatura (T m ) di transizione fluido (liquido cristallino)-solido (gel) dipende dalla lunghezza delle catene degli acidi grassi, dal loro grado di insaturazione e dalla presenza di colesterolo. La presenza di doppi legami rende le catene più irregolari diminuendo il numero di legami possibili tra le catene, rendendo le catene più fluide Gli animali a sangue freddo modificano la composizione in acidi grassi dei lipidi di membrana a seconda della T.

7 Il colesterolo è il principale modulatore della fluidità delle membrane degli animali Il colesterolo si inserisce nel doppio strato lipidico e si impacca tra i fosfolipidi/sfingolipidi Ha un duplice effetto: 1. con la sua struttura rigida spezza la regolarità dei legami tra catene aciliche sature rendendo la struttura meno ordinata (più fluida) 2. Aumenta il grado di impaccamento delle catene aciliche insature rendendo meno fluida la membrana. L effetto finale è uno smorzamento dei cambiamenti di fluidità della membrana

8 Le proteine di membrana Ogni tipo di cellula possiede un set specifico di proteine di membrana che consente di compiere funzioni specifiche Le funzioni principali : trasporto, comunicazione, produzione di energia, locomozione

9 Proteine periferiche e integrali di membrana Le proteine integrali attraversano la membrana attraverso lo strato lipidico formando interazioni idrofobiche con i lipidi. 1 monopasso; 2 multipasso; 3. barile ß; 4 Inserita su un solo lato Le proteine periferiche sono associate con le membrane attraverso interazioni con proteine integrali (7,8) oppure sono ancorate alla membrana da legami covalenti con lipidi (5,6).

10 Proteine di membrana ancorate ai lipidi Vari modi con cui le proteine sono ancorate alla membrana GPI: glicosilfosfatidilinositolo (GPI) un fosfolipide complesso legato all estremità carbossiterminale della proteina.

11 Proteine multipasso ad -elica Le proteine che attraversano il doppio strato lipidico (3 nm) comunemente formano -eliche di circa 20 aa con un elevato numero di residui idrofobici Esempio la batteriorodopsina, un trasportatore batterico di protoni H+, è formato da un fascio di 7 segmenti idrofobici ad alfa elica, che attraversano il doppio strato lipidico. I 7 segmenti transmembrana possono essere individuati analizzando la sequenza aa

12 I canali proteici possono essere formati da catene β Proteine di membrana con poro centrale posso anche avere una struttura formata esclusivamente da foglietti beta di catene antiparallele. Il canale interno è idrofilico. Le pareti esterne sono idrofobiche. Sequenza amino acidica La porina è una proteina di membrana esterna dei batteri Gram-negativi. I residui in giallo (idrofobici) sono rivolti all esterno quelli bianchi verso l interno del canale della porina I trattini indicano i legami idrogeno che stabilizzano la struttura secondaria

13 Le membrane biologiche sono selettivamente permeabili La permeabilità delle piccole molecole è correlata alla loro solubilità in un solvente non polare relativamente a quello dell acqua. Coefficienti di permeabilità, P (cm S -1 ) di alcuni soluti attraverso le membrane I gas, l acqua, e alcune sostanze lipofiliche (ormoni steroidei) hanno sufficiente permeabilità e si muovono per diffusione semplice, dalle regioni di maggiore concentrazione a quelle a minor concentrazione. Le molecole polari, idrofiliche e ioniche (gli ioni hanno P di 10 9 volte inferiori a quello dell acqua) hanno bisogno di proteine di membrana per il loro movimento attraverso le membrane Video su membrane transport :

14 Meccanismi di trasporto trans-membrana Trasporto passivo Il passaggio secondo concentrazione di composti polari ed ioni avviene per diffusione facilitata (trasporto facilitato, trasporto passivo) ad opera di trasportatori proteici selettivi. Il trasporto di ioni è mediato da trasportatori (ionofori) o canali ionici. Trasporto attivo Alcune sostanze vengono concentrate: il passaggio avviene con consumo di energia (ATP) ad opera di specifici trasportatori (pompe). In base al numero di soluti i sistemi di trasporto sono classificabili in: uniporto, simporto e antiporto.

15 Il trasporto passivo è facilitato da proteine di membrana Il movimento di una molecola elettricamente neutra avviene in direzione della minor concentrazione (secondo gradiente di concentrazione = distribuzione disuguale di concentrazione). molecola elettricamente neutra Il passaggio transmembrana di molecole polari richiede energia (energia di attivazione ΔG ǂ ). Proteine che forniscono una via alternativa (Trasportatori o permeasi) (in blu) facilitano il trasporto. (trasportatori paragonabili a catalizzatori proteici).

16 Il trasporto passivo avviene per mezzo proteine di trasporto I trasportatori sono proteine transmembrana multipasso. Ogni trasportatore è altamente selettivo per uno o pochi tipi di composti, si lega al ligando tramite uno specifico sito di legame. Due tipi: Trasportatori (proteine trasportatrici): legano le molecole da un lato della membrana e in seguito ad un cambiamento conformazionale della proteina le depositano dall altro. Il trasporto è saturabile. Canali: formano un poro idrofilico all interno della membrana che permette la diffusione di ioni specifici attraverso la membrana.

17 Il trasportatore del glucosio Trasportatore (GLUT-1) proteina 55 kda con 12 eliche transmembrana. Il trasporto è volte superiore alla diffusione semplice. Il processo di trasporto è descritto come una reazione enzimatica con S esterno e S interno * Ci sono 2 conformazioni alternative, T1 sporge all esterno, T2 sporge all interno. Ognuna è in grado di legare il glucosio con siti di legame esposti sulle due superfici. Il trasporto avviene in entrambe le direzioni dal comparto in cui il glucosio è più concentrato a quello in cui lo è meno. * Il glucosio non è in scala rispetto alla membrana

18 Variazione di energia (libera) durante il trasporto un soluto non carico Un soluto elettricamente neutro si muove verso la regione dove la sua concentrazione è minore fino all equilibrio. Per una specie molecolare non carica il lavoro per portare una molecola di concentrazione c 1 da un lato della membrana all altro lato in cui si trova alla concentrazione c 2 è dato da: ΔG= RTln(c 2 /c 1 ) = 2,3 RT log 10 (c 2 /c 1 ) R= costante dei gas (8,3 x10-3 kj mol -1 K-1 ) T= Temperatura in gradi Kelvin molecola elett. neutra La distribuzione disuguale di concentrazione (gradiente), determina una condizione ricca di energia. Per formare un gradiente è necessario spendere energia (trasporto attivo).

19 Variazione di energia (libera) per il trasporto di una molecola carica Lo spostamento di una carica (senza spostare una di segno opposto) genera un potenziale elettrico. Il costo energetico del movimento di uno ione dipende da: ΔG= 2,3 RTlog 10 (c 2 /c 1 ) + ZF ΔV Z = carica della specie trasportata F = costante di Faraday = 96,5 kj V -1 mol -1 V = potenziale elettrico (potenziale di membrana) + - molecola carica potenziale elettrochimico = gradiente di concentrazione (chimico) + potenziale elettrico Per potenziale di membrana si intende la potenziale elettrico, misurabile in una cellula. Tutte le tipologie cellulari presentano un potenziale di membrana che si aggira tra -60 mv e -70 mv. Il segno meno indica proprio che l'interno della cellula è carico negativamente.

20 Il trasporto attivo trasferisce un soluto contro gradiente di concentrazione o elettrochimico Se per portare una molecola di concentrazione c 1 da un lato della membrana all altro lato in cui si trova alla concentrazione c 2 abbiamo che: ΔG= 2,3 RTlog 10 (c 2 /c 1 ) + ZF ΔV >0 Ci troviamo in una condizione di trasporto contro gradiente elettrochimico e per trasportare la molecola è necessario spendere energia (trasporto attivo). Trasportare attivamente significa concentrare. Trasporto primario: Accumulo della molecola S 1 è accoppiato ad una reazione esoergonica : Conversione di ATP in ADP Trasporto secondario: Accumulo della molecola S 2 è accoppiato ad un secondo trasporto esoergonico (in direzione di gradiente) della molecola S 1 :

21 Composizione salina e trasporto di ioni I gradienti ionici negli organismi sono mantenuti da un sistema di trasporto: pompa Na+-K+ (ATPasi) Ione Na + K + Ca ++ liquido extracellulare 140 mm 4 mm 2.5 mm liquido intracellulare 14 mm 140 mm 0.1 M Rapporto out/in 10:1 1: :1 Cl mm 4 mm 25:1 ATPasi di tipo P comprendono trasportatori di cationi. L energia è fornita dall idrolisi dell ATP che catalizza la formazione di un composto fosforilato P. Struttura generale delle ATPasi di tipo P Esempi: uniporto ATPasi Ca++ (SERCA) antiporto ATPasi Na+ K+ delle cellule animali ATPasi H+ delle cellule delle piante Dominio A (Fosfatasi) Dominio T canale per lo ione (6 eliche)

22 Trasporto primario: il meccanismo della pompa per il calcio (SERCA) SERCA: pompa ATPasi per il calcio del reticolo endoplasmatico e sarcoplasmatico Variazione conformazionale E1/E2 Fosforilazione ciclica in Asp Trasformazione di ATP in ADP Uscita di 2 Ca++

23 La struttura della pompa del calcio Le ATPasi di tipo P sono simili tra loro. La Ca 2+ ATPasi del reticolo sarcoplasmatico dei miociti è stata studiata nel dettaglio. Rimuove rapidamente il Ca 2+ dal citoplasma e lo trasferisce al reticolo sarcoplasmatico promuovendo il rilassamento muscolare. Ca ATPasi formata da un dominio transmembrana (giallo) con sito legame Ca, e parte citoplasmatica con domini A (adattatore), P (legame P) e N (legame Nucleotide ATP). Il trasportatore si può trovare nello stato E 1 (non fosforilata) o E 2

24 Trasportatori guidati da idrolisi dell ATP Le ATPasi sono caratterizzate a seconda della funzione, struttura e del tipo di ioni che trasportano. ATPasi di tipo V: (vacuolari). Responsabili dell acidificazione sei lisosomi, endosomi, ATPasi di tipo F: Trasportano protoni. Fattori di accoppiamento energetico: utilizzano gradienti di H per formare ATP (ATP sintasi). Trasportatori ABC. Pompano amminoacidi, peptidi, proteine, ioni, vari lipidi, sostanze idrofobiche.

25 Trasporto secondario: accumulo del glucosio nelle cellule intestinali. Il co-trasporto di nutrienti attraverso le membrane delle cellule intestinali è un processo attivo che muove il glucosio contro gradiente di concentrazione. La fase che richiede energia per questo co-trasporto è: La Na+K+ATPasi che pompa il Na+ dalle cellule epiteliali al sangue mantenendo bassi i livelli di Na+ nella cellula Il simporto Na+-glucosio sulla superficie apicale che introduce glucosio nelle cellule favorito dal flusso di ioni Na+ secondo gradiente Il trasportatore del glucosio sulla superficie basale che versa il glucosio nel sangue secondo concentrazione.