LA MEMBRANA PLASMATICA

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1 LA MEMBRANA PLASMATICA

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3 Funzioni di una membrana cellulare (membrana plasmatica o plasmalemma) Funzione contenitiva (Isolamento fisico) Funzione di scambio (Regolazione degli scambi con l ambiente) Funzione di riconoscimento (comunicazione tra cellula e ambiente) Supporto strutturale

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5 Struttura delle membrane Film molto sottile di molecole lipidiche e proteiche tenute insieme da interazioni non covalenti Figura 3.4 Le membrane cellulari sono strutture dinamiche e fluide (Modello a mosaico fluido, Singer e Nicolson 1972) Le molecole lipidiche sono disposte come un doppiostrato dello spessore di circa 5-8 nm Il doppio strato lipidico forma la struttura base della membrana e funge da barriera selettiva

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7 I LIPIDI DELLA MEMBRANA PLASMATICA I lipidi costituiscono circa il 50% della massa delle membrane FOSFOLIPIDI, COLESTEROLO e GLICOLIPIDI

8 I principali lipidi della membrana sono i FOSFOLIPIDI (fosfogliceridi e sfingolipidi) Colina I FOSFOGLICERIDI derivano da Glicerolo Gli SFINGOLIPIDI derivano da Serina Abbiamo anche il Fosfatidil Inositolo coinvolto nella trasduzione del segnale Variano in dimensioni, forma e carica

9 I principali lipidi della membrana sono i fosfogliceridi Sono molecole anfipatiche e insature (legami cis) Testa polare e due code idrocarburiche idrofobiche (14-24 atomi di C) Possono avere uno o piu legami cis (sature o insature). Questo e la lunghezza degli acidi grassi influenza la compatezza e quindi la fluidità L'acido grasso insaturo (presenta uno o più doppi legami C=C) FOSFATIDILCOLINA

10 IL COLESTEROLO Componente essenziale del doppio strato. Puo costituire fino al 50 % dei lipidi di membrana. Serve a stabilizzare la membrana in condizioni di temperatura corporea normale Il colesterolo rende i doppi strati lipidici meno fluidi in quanto rende il doppio strato meno deformabile in quelle regioni in cui esso interagisce con altri fosfolipidi. Fa così diminuire la permeabilità del doppio strato a piccole molecole solubili in acqua

11 I GLICOLIPIDI Rappresentano il 5% dei lipidi del monostrato esterno Si trovano nella metà non citoplasmatica del doppi strato lipidico (distribuzione asimmetrica) Funzioni Nella membrana apicale degli epiteli possono avere funzione protettiva (es. enzimi e ph). I glicolipidi nelle cell animali derivano da serina Glicolipidi carichi possono essere importanti per i loro effetti elettrici. Importanti nei processi di riconoscimento (Ganglioside G M 1, recettore di superficie per la tossina colerica presente nelle cellule epiteliali dell intestino). I glicolipidi piu complessi, i GANGLIOSIDI (circa una quarantina), contengono oligosaccaridi con uno o piu residui di acido sialico che conferisce carica netta negativa. Nelle cell nervose rappresentano circa il 5-10 % dei lipidi. (NANA= acido N-Acetil NeuroAminico) Glicolipide Neutro

12 I lipid raft o zattere lipidiche Piccole Aree Specializzate della Membrana (di circa 70 nm di diametri) in cui sono concentrati Sfingolipidi, Colesterolo e Proteine Gli sfingolipidi avendo catene idrocarburiche lunghe creano delle forze attrattive maggiori favorendo la formazione di microdomini. I lipid raft aiutano a concentrare proteine (es per facilitare il trasporto in piccole vescicole, o facilitando la trasmissione del segnale) Nei lipid raft i due monostrati sono comunicanti tra loro

13 Asimmetria del doppio strato lipidico (Membrana Plasmatica di globulo rosso) EXT: Fosfatidilcolina e Sfingomielina Il colesterolo si pensa sia distribuito in modo uguale nei monostrati INT: Fosfatidiletanolamina e Fosfatidilserina L asimmetria dei lipidi è funzionalmente importante: ex PKC richiede PS per la sua attività

14 Alcune funzioni dei fosfolipidi di membrana PI = fosfatidilinositolo : fosfolipide minore coinvolto nella trasmissione del segnale Legami fosfoesteri Legami esteri Fosfolipasi: Enzimi che tagliano i fosfolipidi

15 Comportamento dei fosfolipidi in soluzioni acquose Le MICELLE sono importanti nei meccanismi di digestione e assorbimento dei grassi nel TGI I LIPOSOMI possono contenere molecole idrosolubili al loro interno. Oggi sono usati per il trasporto di farmaci attraverso la cute.

16 La forma e la natura delle molecole lipidiche determinano il loro comportamento in soluzione acquosa

17 Proprietà di autoriparazione Fornita dalle stesse forze che spingono i fosfolipidi a formare doppi strati Caratteristica fondamentale per per la creazione di una cellula vivente

18 Diffusione dei lipidi nel doppio strato (1970) Preparazioni utili a questi studi I liposomi Le membrane nere Si sono utilizzati lipidi marcati

19 Diffusione dei lipidi nel doppio strato I lipidi non migrano da uno strato all altro. Questo processo (flip-flop) avviene solo durante il processo di sintesi dei lipidi nel reticolo endoplasmatico. I movimenti dei fosfolipidi all interno della membrana sono: - diffusione laterale - rotazione attorno al loro asse maggiore - flessione

20 La fluidità del doppio strato lipidico La fluidità di un doppio strato lipidico dipende: 1) dalla temperatura 2) dalla sua composizione 1) La membrana resta fluida a temperature più alte. 2) Più le catene lipidiche sono corte o hanno doppi legami e più le membrane sono fluide.

21 LE PROTEINE DELLA MEMBRANA PLASMATICA

22 Le proteine di membrana Composizione chimica di alcune membrane (in % ) Membrana Proteine Mielina 18 Eritrocita 49 Epatocita 44 Mitocondrialeinterna 76 Lipidi Carboidrati La quantità e i tipi di proteine in una membrana sono altamente variabili Da un punto di vista anatomico si dividono in PROTEINE INTEGRALI PROTEINE PERIFERICHE PROTEINE ANCORATE AI LIPIDI

23 Le proteine di membrana Proteine Integrali di Membrana (Transmembrana) Proteine Periferiche di Membrana Natura Anfipatica Possono avere da 1 a 12 segmenti Oligosaccaride legato al fosfatidilinositolo Ancora di GPI (glicosilfosfatidilinositolo) Rilasciate dalla fosfolipasi C Alfa-elica anfipatica Il legame covalente con un lipide ne aumenta l anfipaticità Lipide con legame covalente. Prodotte come proteine solubili nel citosol Interazioni non covalenti L organizzazione strutturale riflette la funzione

24 Proteine Integrali di Membrana - Struttura α-elica

25 Struttura α-elica delle proteine di membrana Le proteine transmembrana nella maggior parte attraversano la membrana in conformazione α-elica). Poiché i legami peptidici sono polari e poiché l acqua è assente nel doppio strato, essi formano tra loro legami idrogeno favoriti da tale conformazione. I legami idrogeno tra i legami peptidici stabilizza la catena. L α-elica rappresenta il ripiegamento piu naturale che una catena polipeptidica possa assumere. Prozione Polipeptidica del Centro di reazione fotosintetico

26 Grafici di Idropatia Difficili da cristallizzare e pertanto difficili da studiare per cristallografia ai raggi X Grafici di idropatia misura della polarità di un residuo aminoacidico. Per localizzare potenziali segmenti ad α-elica di una catena polipeptidica Indice di idropatia: l energia necessaria per trasferire segmenti successivi di una catena polipeptidica da un solvente NON polare all acqua. Il calcolo viene fatto per segmenti di aa. Valori positivi: è richiesta energia per il trasferimento all acqua segmento idrofobico.

27 La Glicoforina A - tipica proteina transmembrana ad attraversamento singolo Piccola glicoproteina (30kDa) dei globuli rossi. Presente in forma dimerica. Abbondante (10 6 copie per cellula). La parte N-terminale è glicosilata. Funzione sconosciuta.

28 La Batteriorodopsina - proteina transmembrana ad attraversamento multiplo Pompa protonica attivata dalla luce sette α-eliche. Trasduttore di energia solare in energia utile alla cellula Archeo Halobacterium Salinarum. Batteri fotosintetici Chiazze di membrana purpurea contenenti molecole di batteriorodopsina Il cromoforo in grado di assorbire fotoni luminosi. In seguito al legame con un singolo fotone si eccita, determina un cambiamento conformazionale della proteina che trasporta H + al di fuori della cellula. Ciò crea un gradiente di protoni a cavallo della membrana plasmatica che fornisce energia alla cellula. E identico al cromoforo nella rodopsina delle cellule fotorecettrici dell occhio dei vertebrati.

29 Proteine Integrali di Membrana - Struttura a barili-β

30 Struttura a barili-β Modo alternativo per i legami peptidici nel doppio strato lipidico di soddisfare le loro richieste di formare legami idrogeno. Formano strutture molto rigide e meno flessibili delle α-eliche e per questo sono abbondanti nella membrana esterna dei mitocondri, dei batteri e e dei cloroplasti ma poco nelle cellule eucariotiche. Perché sono difficili i cambiamenti conformazionali. Alcuni barili-β formano dei grossi canali transmembrana (le Porine) Sito di legame per il Ferro Recettore per un virus batterico Lipasi Porina batterica Proteina trasp ioni Ferro

31 Le Porine Sono proteine transmembrana che formano pori e attraversano il doppio strato lipidico come un barile β Si trovano sulla membrana esterna dei batteri e permettono ai soluti idrofilici fino a 600 Da di diffondere attraverso il doppio strato esterno - Il canale all interno è rivestito da catene aa polari. Anse che sporgono nel lume hanno la funzione di restringerlo in modo da renderlo selettivo solo per alcuni soluti Ciascun monomero consiste di un barile β composto da 16 filamenti antiparalleli. Tutte le porine sono proteine transmembrana trimeriche. I grafici di idropatia non possono identificare i segmenti che attraversano la membrana come β-barili perché di solito meno di 10 aa sono sufficienti ad attraversare il doppio strato lipidico. Tuttavia si fanno cristallizzare facilmente (struttura raggi X)

32 Proteine Periferiche - Ancoraggio mediante gruppi idrocarburici legati covalentemente L attacco covalente tramite diversi tipi di lipidi serve alla localizzazione di una proteina nella membrana dopo la sua sintesi nel citosol Molte proteine sono ancorate agli sfingolipidi dei lipid raft

33 Attacco delle proteine alla membrana tramite lipidi Carboidrati (numero variabile) ANCORE GPI (Glicosil Fosfatidil Inositolo) Molti proteoglicani ANCORE ACILICHE Es: v-src (forma mutante di TK ) ANCORE PRENILICHE Es: prot Ras e Rab (famiglia di GTPasi) Gruppo acilico: miristato (C14) o palmitato (C16) Gruppo prenilico: farnesile (C15) o geranilgeranile (C20)

34 Glicosilazione delle Proteine di Membrana

35 Molte proteine di membrana sono glicosilate La glicosilazione è presente sempre sul lato non citoplasmatico della membrana. L ambiente citoplasmatico riducente non consente la formazione di legami disolfuro. I legami disolfuro dal lato extracellulare hanno un ruolo importante nello stabilizzare la struttura ripiegata della catena o la sua associazione con altre catene polipeptidiche

36 Il Glicocalice La superficie della cellula è ricoperta di zuccheri che si trovano - come catene oligosaccaridiche legate covalentemente alle proteine e ai lipidi di membrana - come proteoglicani (lunghe catene polisaccaridiche unite covalentemente ad un nucleo proteico). Ruolo del glicocalice : Rivestimento Cellulare di un Linfocita colorato con Rosso Rutenio 1 - protezione contro il danneggiamento meccanico e chimico 2 - mediare processi temporanei di adesione cellula-cellula Il glicocalice si visualizza con vari coloranti come il ROSSO RUTENIO o con LECTINE marcate. Le lectine sono proteine affini ai carboidrati Schema semplificato del glicocalice

37 Le selectine Sono proteine che legano i carboidrati della superficie cellulare e mediano temporanee adesioni tra neutrofili e cellule endoteliali nel sangue