Membrane e trasporto cellulare Le membrane sono strutture organizzate di lipidi e proteine Le membrane organizzano i processi biologici compartimentalizzandoli 1. Mantengono la permeabilità selettiva di molecole (piccole e grandi) 2. Controllano il flusso delle informazioni (ormoni e metaboliti ) 3. Guidano processi di conversione di energia (gradienti ionici e voltaici)
Lipidi non sono strutture polimeriche Lipidi di riserva e lipidi di membrana 1. Sostanze non solubili in acqua (grassi, oli, alcune vitamine e ormoni) 2. testa idrofilica, coda idrofobica (sostanze anfipatiche) Tendenza a formare aggregati in acqua (micelle, doppi strati)
Acidi grassi Acidi carbossilici con lunghe catene idrofobiche (4-36) Acidi grassi saturi Acidi grassi insaturi γ 4 β 3 α 2 O C 1 O fatty acid with a cis- 9 double bond
Nome comune Nome sistematico Abbrev. Formula A.G.saturi Ac.grassi Saturi Caprico n-decanoico 10:0 CH 3 (CH 2 ) 8COOH Laurico n-dodecanoico 12:0 CH 3 (CH 2 ) 10COOH Miristico n-tetradecanoico 14:0 CH 3 (CH 2 ) 12COOH La maggior parte degli acidi grassi naturali hanno un numero PARI di atomi di Carbonio Palmitico n-esadecanoico 16:0 CH 3 (CH 2 ) 14COOH Stearico n-octadecanoico 18:0 CH 3 (CH 2 ) 16COOH Arachidico n-elicosanoico 20:0 CH 3 (CH 2 ) 18COOH A.G.insaturi Ac.grassi Insaturi Palmitoleico cis-9-esadecenoico 16:1c 9 CH 3 (CH 2 ) 5CH=CH(CH 2 ) 7COOH Oleico cis-9-octadecenoico 18:1c 9 CH 3 (CH 2 ) 7CH=CH(CH 2 ) 7COOH Linoleico cis,cis-9-12 octadecadienoico 18:2c 9,12 CH 3 (CH 2 ) 4CH=CHCH 2 CH=CH(CH 2 ) 7COOH Acidi deboli: pk A =4.5 Doppi legami in genere in posizione: 9,12,15
Acido palmitico Acido oleico Gli acidi grassi saturi sono molecole molto flessibili libertà conformazionale configurazione preferita: cis punti di fusione bassi fluidità Acido linoleico configurazione estesa stabile Linoleico cis,cis-9-12 octadecadienoico 18:2c 9,12
Triacilgliceroli o grassi funzione biologica: immagazzinamento di energia (adipociti), isolanti termici struttura chimica: triesteri degli acidi grassi e del glicerolo il glicerolo diminuisce il carattere idrofilico della testa polare: insolubili in acqua 3 Code idrocarburiche dei vari acidi grassi (saturi e insaturi) Ex. trioleina, tristearina, tripalmitina
miristico palmitoleico stearico tristearina Triacilglicerolo misto
glicerofosfolipidi I lipidi di membrana sfingolipidi glicosfingolipidi teste polari, doppia coda idrofobica (amfipatici) tendenza a formare doppi strati
Glicerofosfolipidi (fosfogliceridi) I lipidi polari più abbondanti nelle membrane L R 1,R 2 catene aciliche di acidi grassi R 1 catene di acidi grassi saturi R 2 catene di acidi grassi insaturi X gruppo idrofilico di varia natura
O Nome legato alla testa polare
O O H 2 C O C R 2 Fosfatidiletanolammina R 1 C O CH O H 2 C O P O X glycerophospholipid O X=
Fosfatidilcoline o lecitine O X O H 2 C O C R 2 R 1 C O CH O H 2 C O P O X glycerophospholipid O O R 1 O H 2 C O C C O CH O H 2 C O P O phosphatidylcholine O R 2 CH 3 CH 2 CH 2 + N CH 3 CH 3 Carica a ph=7 1-steraoil-2-oleoil-3-fosfatidilcolina
Sfingolipidi: derivati del lipide sfingosina che ha una coda idrofobica lunga e un dominio polare con gruppo amminico OH H 2 C H C OH CH H 3 N+ CH HC ( CH 2 ) 12 OH H 2 C O H C NH C OH CH CH HC sphingosine CH 3 Il gruppo amminico può essere legato ad un acido grasso per dare una ceramide R ( CH 2 ) 12 ceramide CH 3
Sfingomielina, ceramide con fosfocolina nella testa è un costituente comune delle membrane plasmatiche H 3 C CH 3 N + CH 3 H 2 C H 2 C phosphocholine O O P O H 2 C sphingosine O O H C NH C OH CH CH HC Sphingomyelin fatty acid R ( CH 2 ) 12 CH 3
Un cerebroside è un ceramide con un monosaccaride nella testa polare OH H CH 2 OH H OH O H H O H 2 C H C OH CH Un ganglioside è un ceramide con un oligosaccaride nella testa polare H OH cerebroside with β-galactose head group O NH C R CH HC ( CH 2 ) 12 CH 3 entrambi si trovano comunemente nel foglio esterno delle membrane plasmatiche con le catene di zucchero che si estendono fuori della superficie cellulare
Distribuzione asimmetrica dei fosfolipidi nelle membrane plasmatiche
Modello a mosaico fluido: gli elementi lipidici e proteici sono in costante movimento (diffusione laterale veloce )
Misura della diffusione lipidica: recupero della fluorescenza dopo foto-sbiancamento
Colesterolo: uno steroide PDB 1N83 cholesterol componente di membrana nelle cellule EUCARIOTE coda corta idrofobica testa polare (OH) rigidità molecolare (anello) Importante fattore di irregolarità spesso esterificato precursore metabolico degli ormoni steroidei
Interazioni con la molecola rigida di colesterolo fa diminuire la mobilità delle code dei fosfolipidi Cholesterol in membrane La presenza di colesterolo interferisce con il packing delle code degli acidi grassi nello stato cristallino e così inibisce la transizione allo stato cristallino Membrane con alta concentrazione di glicerolo hanno una fluidità intemedia tra il cristallo liquido e lo stato cristallino
La fluidità varia con la temperatura: transizione ordine-disordine cristallo liquido la temperatura di transizione (10-40 C) aumenta con il grado di saturazione dei residui di acidi grassi
Due strategie vengono adottate per evitare le transizioni di fase in membrana: Colesterolo: è abbondante in membrane come le plasma-membrane che includono molti lipidi con acidi grassi saturi a catena lunga. In assenza di colesterolo tali membrane cristallizzerebbero a temperature fisiologiche La membrana mitocondriale interna non presenta colesterolo ma è composta da molti fosfolipidi con acidi grassi aventi uno o più doppi legami che abbassano il punto di fusione (melting point) a temperature inferiori a quelle fisiologiche
Effetto del colesterolo nelle transizioni 28 Il colesterolo diminuisce la fluidità e amplia l intervallo della transizione, fino ad abolirla alle più alte concentrazioni, inibendo la cristallizzazione Fattori che influenzano la fluidità della membrana fisici: temperatura pressione potenziale di membrana indiretti: ormoni, cicli cellulari adattamento allo stress chimici: teste polari dei fosfolipidi lunghezza degli acidi grassi grado di insaturazione degli acidi grassi colesterolo
Le membrane: un mosaico fluido costituite da doppi strati lipidici a cui sono associate proteine
Membrane Proteine Lipidi Carboidrati Plasmatica: Fegato di topo Plasmatica: Eritrocita umano Plasmatica: Ameba 46 54 2-4 49 43 8 52 42 4 Nucleare Fegato di ratto Mitocondriale esterna Mitocondriale interna 59 35 2 52 58 2-4 76 24 1-2 Mielina 18 79 3
Proteine di membrana Lato extracellulare periferiche integrali citosol ancorate
Proteine periferiche Si dissociano dalle membrane con metodi blandi che lasciano le membrane intatte (forza ionica, ph, agenti chelanti dei metalli etc..) Si associano alle membrane in superficie, più spesso via interazioni con le proteine integrali
Proteine ancorate citocromo b 5 enzima di trasporto elettronico coinvolto nel metabolismo dei lipidi nella superficie della membrana del reticolo endoplasmatico dominio idrofilico enzimaticamente attivo contente l eme segmento idrofobico che ancora la proteina alla membrana
Proteine integrali saldamente legate alla membrana separazione mediante detergenti alta percentuale di AA idrofobici spesso α-eliche transmembrana
porine proteine della membrana mitocondriale esterna e della membrana esterna dei batteri Gram-negativi 300 AA, 16 β-sheets organizzati a barilotto diametro del poro 2 nm canale con cut-off 10 kda
Batteriorodopsina (Halobacter halobium) Pompa protonica guidata dalla luce
R 13 CHO Photocycle of BR begins with absorption of a photon with wavelength of 550 nm. All-trans retinal 13-cis retinal
13 R Photocycle of BR begins with absorption of a photon with wavelength of 550 nm. All-trans retinal 13-cis retinal
Photocycle (K) Cytosol K cis H H H+ V PRS H Extracellular matrix