CORSO DI POTENZIAMENTO LEZIONI DI BIOLOGIA MEMBRANA PLASMATICA E CITOSCHELETRO PROF. GIOVANNI SPAMPINATO A.A. 2017-18 1
LA MEMBRANA PLASMATICA Tutte le cellule, eucariote e procariote, sono provviste di una membrana plasmatica, che rappresenta il sottile confine tra la cellula stessa (la più piccola entità vivente) e l ambiente esterno. membrana plasmatica 2 2
LA MEMBRANA PLASMATICA Nella cellule eucariotiche oltre alla cellula anche vari organuli cellulari sono delimitati da membrane che hanno sempre la stessa struttura. Si distinguono: Membrana cellulare o plasmatica Membrana nucleare Membrana mitocondriale Membrana plastidiale Membrana del reticolo endoplasmatico Membrana del vacuolo ( o tonoplasto) La membrana plasmatica e tutte le altre membrane delle cellule sono costituite principalmente da lipidi proteine 3
LA MEMBRANA PLASMATICA I lipidi che compongono le membrane sono chiamati fosfolipidi I fosfolipidi hanno una struttura simile a quella dei trigliceridi, ma possiedono soltanto due code di acidi grassi, invece di tre, legate a una molecola di glicerolo 4
LA MEMBRANA PLASMATICA In un ambiente acquoso i fosfolipidi tendono a disporsi spontaneamente in modo da formare un doppio strato fosfolipidico testa idrofila esterno della cellula coda idrofoba fosfolipide citoplasma (interno della cellula) 5
LA MEMBRANA PLASMATICA Nel doppio strato fosfolipidico sono immerse di solito varie proteine Queste proteine contribuiscono a regolare il traffico di molecole attraverso la membrana e svolgono molte altre funzioni La struttura delle membrane non è rigida ma è organizzata secondo un modello a mosaico fluido: mosaico, perché le tessere sono le molecole che compongono le membrane (le proteine e i fosfolipidi) fluido, perché queste molecole in gran parte sono libere di muoversi come se fossero immerse in un fluido 6
esterno della cellula proteine parte idrofila della proteina testa idrofila doppio strato fosfolipidico coda idrofoba parte idrofoba della proteina citoplasma (interno della cellula) Proteine di membrana Le proteine incorporate nelle membrane, così come i fosfolipidi, presentano parti idrofile e parti idrofobe 7
Struttura della membrana Modello a mosaico fluido: Doppio stato lipidico di fosfolipidi e steroli. Proteine globulari affondate nello strato lipidico (proteine transmembrana). Proteine attaccate allo strato lipidico (proteine periferiche). 8
Principali funzioni delle proteine di membrana Attività enzimatica. Questa proteina e quella a lato sono enzimi, dotati di siti attivi per uno specifico substrato. Gli enzimi possono essere parte di una squadra e svolgere in serie i passaggi di una data via metabolica. Comunicazione cellulare. Queste proteine hanno siti di legame di forma corrispondente a quella di determinati messaggeri chimici. Il messaggero può indurre un cambiamento nella proteina che, a sua volta, trasmette il segnale all interno della cellula. fibre della matrice extracellulare citoplasma Adesione al citoscheletro e alla matrice extracellulare. Queste proteine aiutano a stabilizzare le cellule e a mantenerne la forma. citoscheletro citoplasma Trasporto. Una proteina può formare un canale per il passaggio di un particolare soluto. Giunzione cellulare. Alcune proteine mettono in collegamento cellule adiacenti. Riconoscimento tra cellule. Alcune proteine, dotate di catene di zuccheri, servono da etichetta di identificazione e permettono il riconoscimento tra cellule. 9
LE FUNZIONI DELLA MEMBRANA PLASMATICA Le cellule regolano il flusso di sostanze da e verso l ambiente circostante Alcune proteine di membrana sono proteine di trasporto che hanno un ruolo fondamentale nella regolazione del flusso di sostanze in entrata e in uscita dalla cellula 10
Trasporto attraverso la membrana Modalità di trasporto: Passivo (senza dispendio di energia) Diffusione semplice Diffusione facilitata Attivo (con dispendio di energia) 11
Il trasporto passivo: la diffusione attraverso le membrane Le molecole non si fermano mai perchè l energia termica in esse contenuta le fa vibrare e vagare in modo caotico La conseguenza di questo moto è la diffusione la tendenza delle molecole di qualsiasi sostanza a distribuirsi in tutto lo spazio disponibile La diffusione attraverso una membrana è un esempio di trasporto passivo, così detto perché la cellula non consuma energia per attivare il processo In questo tipo di trasporto, una sostanza diffonde seguendo il proprio gradiente di concentrazione, vale a dire si sposta da una zona in cui è più concentrata a una in cui lo è meno 12
molecole di colorante membrana diffusione netta diffusione netta equilibrio A Trasporto passivo di un tipo di molecola. La membrana è permeabile alle molecole di colorante, che diffondono seguendo il loro gradiente di concentrazione. Raggiunto l equilibrio, le molecole continuano a muoversi, ma in uguale misura nelle due direzioni. 13
diffusione netta diffusione netta equilibrio diffusione netta diffusione netta equilibrio B Trasporto passivo di due tipi di molecole. Se in soluzione ci sono due o più soluti, ognuno diffonderà secondo il proprio gradiente di concentrazione. 14
La diffusione facilitata Le sostanze che non attraversano spontaneamente la membrana possono essere trasportate per diffusione facilitata da specifiche proteine di trasporto, che fungono da corridoi selettivi Anche la diffusione facilitata è una forma di trasporto passivo perché non richiede un consumo di energia ma dipende esclusivamente dal gradiente di concentrazione 15
Osmosi ed equilibrio idrico La diffusione dell acqua attraverso una membrana selettivamente permeabile (permeabile al solvente ma non ai soluti) è detta osmosi La soluzione in cui il soluto è più concentrato è detta ipertonica La soluzione con concentrazione minore di soluto è detta ipotonica Due soluzioni che presentano un uguale concentrazione di soluto sono dette isotoniche 16
Osmosi ed equilibrio idrico E un particolare caso di diffusione attraverso una membrana semipermeabile (permeabile al solvente ma non al soluto). L acqua (solvente) si muove dal compartimento più diluito (minore concentrazione di soluto) a quello più concentrato (maggiore concentrazione di soluto). 17
Osmosi ed equilibrio idrico soluzione ipotonica (minore concentrazione di soluto) soluzione ipertonica (maggiore concentrazione di soluto) soluzione isotonica (uguale concentrazione di soluto) molecola di zucchero (soluto) membrana semipermeabile (permeabile in modo selettivo) osmosi (movimento netto d acqua) L osmosi riduce la differenza nella concentrazione di zucchero e modifica il volume delle due soluzioni 18
Osmosi ed equilibrio idrico Il controllo dell equilibrio idrico della cellula è detto osmoregolazione Per sopravvivere in un ambiente ipotonico o ipertonico, un organismo deve disporre di mezzi per bilanciare l eccessiva assunzione o perdita d acqua 19
Osmosi ed equilibrio idrico Le cellule vegetali possiedono pareti cellulari rigide Una cellula vegetale immersa in una soluzione isotonica diventa flaccida e la pianta, in questo caso, appassisce Le cellule vegetali sono turgide in un ambiente ipotonico, con un affusso netto di acqua In un ambiente ipertonico le cellule vegetali, così come quelle animali, raggrinziscono: la cellula perde acqua la membrana plasmatica si stacca dalla parete cellulare e questo processo, chiamato plasmolisi, causa di norma la morte della cellula 20
Osmosi ed equilibrio idrico Comportamento delle cellule animali e vegetali in soluzioni con diverse concentrazioni di solu4. cellula animale H 2 O H 2 O condizione normale H 2 O La cellula si gonfia e scoppia (lisi) La cellula raggrinzisce H 2 O cellula vegetale H 2 O H 2 O perdita di turgore H 2 O La cellula è turgida membrana plasmatica H 2 O La cellula raggrinzisce (plasmolisi) 21 A soluzione isotonica B soluzione ipotonica C soluzione ipertonica
Plasmolisi A ) In condizioni normali una cellula è immersa in una soluzione ipotonica, il protoplasto si espande in conseguenza dell assorbimento di acqua per osmosi, aumenta il turgore cellulare, la membrana si tende e la cellula non scoppia in quanto è avvolta dalla parete cellulare rigida. B-C) Immersa in una soluzione ipertonica l acqua fuoriesce dalla cellula, il protoplasto e il vacuolo si raggrinziscono e si ha un distacco della membrana dalla parete (Plasmolisi) 22
Plasmolisi A) Plasmolisi di una cellula in conseguenza dell aggiunta di una soluzione ipertonica di Saccarosio al 20% al mezzo ambiente. A B B) Recupero della cellula plasmolizzata in conseguenza di aggiunta di acqua distillata. 23
Il trasporto attivo: il trasporto di molecole con consumo di energia Contrariamente a quanto avviene nel trasporto passivo, nel trasporto attivo la cellula consuma energia per spostare le molecole attraverso la membrana L energia serve per alimentare il lavoro di una proteina di trasporto che pompa attivamente un soluto attraverso la membrana in senso opposto al suo gradiente di concentrazione La fonte di energia usata dalle proteine di membrana per il trasporto attivo è in genere l ATP Una proteina di trasporto collocata nella membrana plasmatica, chiamata pompa sodio-potassio aiuta a mantenere le differenze tra i soluti con diverse concentrazioni 24
Trasporto a5vo A8raverso l energia dell ATP, la proteina di trasporto pompa il soluto in direzione opposta al suo gradiente di concentrazione. minore concentrazione di soluto soluto Esterno della cellula con minoreconcentrazione di soluto ATP Citoplasma della cellula con maggiore concentrazione di soluto Citoplasma della cellula con maggiore concentrazione di soluto 25
Esocitosi ed endocitosi: il trasporto delle grandi molecole Il passaggio delle molecole grandi attraverso la membrana plasmatica avviene grazie alle vescicole di trasporto: questo processo è chiamato esocitosi Il processo inverso, chiamato endocitosi, permette di importare macromolecole nella cellula grazie a vescicole che si staccano dalla membrana plasmatica sul lato a contatto con il citoplasma esocitosi endocitosi citoplasma membrana plasmatica 26
Esocitosi ed endocitosi: il trasporto delle grandi molecole Tipi di endocitosi: nella fagocitosi, le cellule inglobano una particella e la racchiudono in un vacuolo alimentare nella pinocitosi, la cellula inghiotte goccioline di fluido racchiudendole in piccole vescicole l endocitosi mediata da recettori è un processo altamente specifico, indotto dal legame che si forma tra particolari molecole presenti nell ambiente esterno e specifiche proteine della membrana plasmatica 27
Il ruolo della membrana plasmatica nella trasmissione dei segnali La membrana plasmatica svolge un ruolo fondamentale nel trasmettere alla cellula i segnali provenienti dall esterno Il processo ha inizio quando un recettore proteico collocato nella membrana plasmatica riceve uno stimolo dall ambiente esterno o da un messaggero specifico, come un ormone. Spesso lo stimolo genera una reazione a catena che coinvolge più proteine impegnate a trasferire il messaggio Le proteine e le altre molecole di questa via di trasduzione del segnale si passano il segnale lo convertono in forme chimiche funzionali per la cellula 28
Il ruolo della membrana plasmatica nella trasmissione dei segnali fluido extracellulare citoplasma recettore proteico ricezione trasduzione proteine della via di trasduzione del segnale risposta L idrolisi del glicogeno libera glucosio per ottenere energia adrenalina (epinefrina) membrana plasmatica proveniente dalle ghiandole surrenali 29
Le cellule animali non sono dotate di pareti Secernono una sostanza collosa di rivestimento detta matrice extracellulare, che ü mantiene in posizione le cellule nei tessuti ü può svolgere funzioni di protezione e sostegno La superficie di moltissime cellule animali presenta, inoltre, strutture di collegamento tra cellule adiacenti chiamate giunzioni cellulari 30
Parete cellulare Le cellule vegetali sono dotate di una parete cellulare rigida che circonda la membrana plasmatica Le pareti cellulari sono costituite da fibre di cellulosa incluse in una matrice di altre molecole proteggono le cellule e ne mantengono la forma non impediscono del tutto la comunicazione tra cellule adiacenti, perché sono attraversate da canali, i plasmodesmi, che collegano tra loro le cellule vegetali 31
Citoscheletro Le cellule sono dotate di un impalcatura chiamata citoscheletro, una rete di fibre che attraversa tutto il citoplasma Il citoscheletro funge sia da scheletro sia da muscolatura della cellula, garantendole il sostegno e la motilità 32
Citoscheletro Complesso di filamenti proteici che si estendono nel citoplasma della cellula eucariotica. Rappresentano l impalcatura interna della cellula, forniscono sostegno meccanico alla cellula e ne mantengono la forma È coinvolto in numerosi processi cellulari (divisione, crescita, differenziamento, movimento di organuli all interno della cellula) E formato da proteine globulari che organizzano in: Microtubuli: tubi cavi composti da due differenti proteine globulari: α tubulina e β tubulina, che si uniscono a formare dimeri e successivamente si assemblano a formare tubuli cavi formati da 13 protofilamenti Filamenti di actina: costituiti da catene lineari di proteine globulari identiche avvolte a spirale 33
Citoscheletro LM700X I microtubili del citoscheletro In questa microfotografia di cellule animali, i microtubuli del citoscheletro sono evidenziati da un colorante giallo fluorescente. É ben evidente anche I nucleo colorato in verde. 34
Citoscheletro LM100X I microtubuli e il movimento. Il movimento strisciante del protista Amoeba, è il prodotto del rapido processo di smantellamento e ricostruzione dei microtubuli del citoscheletro. 35
Citoscheletro Il citoscheletro cellulare è una struttura dinamica può smantellarsi in una zona della cellula rimuovendo subunità proteiche e riformarsi in un altra zona riaggregando quelle stesse subunità questi assestamenti interni possono conferire maggiore rigidità alle diverse zone della cellula, modificarne la forma o perfino indurre il movimento di tutta la cellula o di una sua parte 36
Ciglia e i flagelli Dalle cellule di alcuni eucarioti si protendono strutture utili per la locomozione indicate come flagelli e ciglia I flagelli spingono la cellula con un movimento ondulatorio Le ciglia sono solitamente più corte e numerose dei flagelli e generano il movimento con un moto coordinato avanti e indietro 37
Ciglia e i flagelli Hanno diametro di circa 0,2 µ m e lunghezza da 2 a 150 µ m. Conferiscono motilità agli organismi unicellulari e ai gameti. Microfotografia e schema strutturale di Euglena, alga unicellulare. 38
Ciglia e i flagelli Il flagello di uno spermatozoo. I flagelli degli eucarioti compiono un movimento ondulatorio grazie al quale fanno avanzare le cellule (come questo spermatozoo) negli ambienti liquidi. Le ciglia di un protista. Le ciglia sono più corte e più numerose dei flagelli e compiono un movimento avanti e indietro. Paramecium, un protista d acqua dolce, è ricoperto da una densa peluria di ciglia mobili, grazie alle quali si sposta rapidamente nel suo ambiente acquoso. 39
Ciglia e i flagelli Ciglia e flagelli presentano la stessa architettura di base Entrambi sono costituiti da microtubuli avvolti da un estensione della membrana plasmatica La struttura interna è composta da 9 coppie di microtubuli disposte ad anello intorno a una coppia centrale Nel citoplasma il complesso di microtubuli si prolunga in una struttura di ancoraggio, chiamata corpo basale, composta da 9 triplette di microtubuli disposte ad anello 40
Ciglia e i flagelli sezioni trasversali viste al microscopio elettronico a trasmissione coppia di microtubuli esterni microtubuli centrali flagello membrana plasmatica tripletta corpo basale corpo basale (simile per struttura al centriolo) 41