MEMBRANA PLASMATICA La cellula è un entità altamente complessa ed organizzata in diverse unità ed organelli funzionali. Molte di queste unità sono separate le une dalle altre per mezzo di membrane specializzate. In passato si pensava che fosse solo un mezzo di separazione tra interno ed esterno (funzione contenitiva). In realtà svolge diverse funzioni: protegge la cellula e gli organelli regola selettivamente i trasporti in entrata ed in uscita permette di riconoscere determinate sostanze chimiche tramite i recettori di membrana fornisce un punto di ancoraggio per i filamenti del citoscheletro o i componenti della matrice intracellulare che permettono alla cellula di mantenere una data forma permette il riconoscimento cellulare permette la compartimentazione dei domini subcellulari nei quali avvengono determinate reazioni enzimatiche regola la fusione con altre membrane permette il passaggio di determinate molecole attraverso canali o giunzioni permette la mobilità di alcune cellule e organelli
COMPOSIZIONE CHIMICA Membrane plasmatiche e intracellulari sono molto simili, sia per struttura che per composizione: LIPIDI (fosfolipidi e colesterolo) PROTEINE (estrinseche ed intrinseche) GLUCIDI (glicolipidi e glicoproteine) (in minore quantità, in membrane plasmatiche di alcune cellule)
fosfolipidi e colesterolo sono molecole anfipatiche costituite da una testa polare e da una catena idrofobica Organizzazione dei fosfolipidi in acqua film monomolecolare di lipidi micelle
I lipidi sono molecole anfipatiche ambiente acquoso proteine ambiente acquoso fosfolipidi
Organizzazione dei lipidi in soluzioni acquosa
Membrana citoplasmatica
isoprene
isoprene
Le proprietà del doppio strato dipendono dalla temperatura
Nei batteri che crescono a temperature ridotte le membrane contengono acidi grassi con punti di fusione più bassi per mantenere la Fluidità del doppio strato.
CONFRONTO MEMBRANE Archaea/Bacteria Le strutture chimiche dei tipici lipidi di membrana di Bacteria e Archaea. Sono rappresentate le strutture bistratificate delle membrane batteriche(a destra) con acidi grassi saturi (4) o insaturi (5-6) e le strutture bistratificate e monostratificate delle membrane degli Archaea (1,2,3). La freccia indica la tendenza ad un aumento della permeabilità dei diversi tipi di membrana nei confronti degli ioni come i protoni o gli ioni sodio. Il crenarcheolo (2), tipico delle membrane monostratificate di Archaea marini contiene 5 anelli ciclopentano formatisi attraverso la ciclizzazione interna delle catene bifitanile ed è considerato un marcatore dei Crenarchaeota (uno dei phyla degli Archaea) definiti freddi perché abbondanti in ambiente marino a basse temperature. 1 2 3 4 bassa 5 6 alta permeabilità
La membrana cellulare è un sistema altamente specializzato,asimmetrico, dinamico e flessibile. Nei monostrati lipidi differenti possono rimescolarsi Esistono microdomini come il lipid raft (ricco di colesterolo, ac.grassi saturi e sfingolipidi)
Proteins 20-30% of membrane associated protein is soluble in water and loosely associated. The other 70-80% is tightly bound to the membrane, often spanning both sides. These proteins are also often amphipathic molecules (contain both hydrophobic and hydrophilic portions) with stretches of hydrophilic amino acids and stretches of hydrophobic amino acids..
PROTEINE DI MEMBRANA 1) CANALI: proteine integrali (generalmente glicoproteine), che funzionano come pori per consentire l entrata e l uscita di determinate sostanze in cellula. 2) TRASPORTATORI (o carriers): proteine che, mediante cambiamenti conformazionali, consentono il passaggio selettivo di determinate molecole o ioni. 3) RECETTORI: proteine integrali che riconoscono specificatamente determinate molecole (ormoni, neurotrasmettitori, nutrienti ecc.). 4) ENZIMI: proteine integrali o periferiche che catalizzano reazioni enzimatiche sulla superficie della membrana. 5) ANCORAGGI DEL CITOSCHELETRO: proteine periferiche, affacciate dal lato citoplasmatico della membrana, che servono per ancorare i filamenti del citoscheletro. 6) MARCATORI DI IDENTITA CELLULARE: glicoproteine o glicolipidi caratteristici, che permettono l identificazione delle cellule provenienti da altri organismi (tipizzazione di ceppi batterici).
a. Diffusione semplice E il passaggio di piccole molecole e ioni da una zona ad alta concentrazione ad una a bassa concentrazione. Se ai due lati della menbrana esiste un gradiente di concentrazione esiste un energia potenziale che tenderà a riportare all equilibrio le concentrazioni. Questo passaggio di molecole avviene senza dispendio di energia. Maggiore e il gradiente di concentrazione maggiore sarà la velocità di trasferimento
b. Osmosis Osmosis is the diffusion of water across a membrane from an area of higher water concentration (lower solute concentration) to lower water concentration (higher solute concentration). Osmosis is powered by the potential energy of a concentration gradient and does not require the expenditure of metabolic energy.
A cell can find itself in one of three environments: isotonic hypertonic, or hypotonic In an isotonic environment, both the water and solute concentration are the same inside and outside the cell and water goes into and out of the cell at an equal rate. If the environment is hypertonic, the water concentration is greater inside the cell while the solute concentration is higher outside (the interior of the cell is hypotonic to the surrounding hypertonic environment). Water goes out of the cell. *In an environment that is hypotonic, the water concentration is greater outside the cell and the solute concentration is higher inside (the interior of the cell is hypertonic to the hypotonic surroundings). Water goes into the cell.
c. Trasporto mediato da carriers La concentrazione di molte sostanze all esterno della cellula batterica e comunemente bassa. Il trasporto e quindi mediato da trasportatori Trasporto Semplice Traslocazione di gruppo Sistema ABC
I trasportatori dei procarioti sono in genere costituiti da 12 alfa eliche allineate in cerchio a formare un canale che attraversa la membrana
Affinità Specificità Diffusione passiva e trasporto: Nel trasporto la velocità di assunzione raggiunge la saturazione a bassi livelli di concentrazione esterna.
Uniporter: Trasportatori che traslocano una sola sostanza a favore di gradiente quindi senza consumo di energia Diffusione facilitata Trasporto passivo glicerolo
Antiporter: Proteine trasportatrici che traslocano una sostanza attraverso la membrana in una direzione mentre simultaneamente ne trasferiscono un altra in direzione opposta Questo tipo di trasporto necessita di energia quindi parliamo di trasporto attivo (ATP o forza proton motrice)
Symporter: proteine di trasporto che trasferiscono simultaneamente due sostanze attraverso la membrana Questo tipo di trasporto necessita di energia quindi parliamo di trasporto attivo (ATP o forza proton motrice)
Funzione della Lac permeasi un symporter, e di altri trasportatori semplici di E. coli
Traslocazione di Gruppo Trasporto attivo La sostanza traslocata durante il trasferimento è modificata chimicamente così che una volta penetrata all interno della cellula non possa più uscirne.
Traslocazione di gruppo Meccanismo del sistema della fosfotrasferasi di E. coli. Il sistema per la cattura del glucosio è costituito da 5 proteine. Il trasferimento del fosfato avviene a partire dal PEP. L enzima IIc trasporta e fosforila lo zucchero.
Group Translocation, Step 1
Group Translocation, Step 2
Group Translocation, Step 3
Group Translocation, Step 4
Meccanismo di un Trasportatore tipo ATP binding cassette (ABC) La proteina periplasmatica di legame lega il substrato, lo convoglia alla proteina transmembranaria che crea il canale di trasporto. La proteina citoplasmatica capace di idrolizzare l ATP fornisce l energia.
ABC transporter
Colonie di microrganismi su terreno colturale solido
L'aspetto, lo spessore ed i margini delle colonie sono descritti ricorrendo agli attributi riferiti nella figura
Poly-b-hydroxybutyrate (PHB). Corpi di inclusione Glicogeno Poliidrossialcanoati Polifosfati Triacilgliceroli cere Vescicole gassose FIG 3. Riserve di carbonio polimerico. A) Struttura chimica del poli-βidrossibutirrato (PHB), un poli-β-idrossialcanoato. La regione evidenziata in giallo è l unità monomerica del polimero, (acido butirrico). B) Micrografia di sezioni sottili del batterio Rhodospirillum sodomensis in cui sono evidenti granuli di PHB.
Dal Perry Fig 1. Granuli di riserva. Sezione sottile del cianobatterio filamentoso Symploca muscorum. Tra le diverse componenti citoplasmatiche sono evidenziati i granuli di glicogeno e di cianoficina.(polipeptidi arg.+ac.aspar.)
Fig. 2 Funzione dei granuli di riserva. Micrografie a contrasto di fase dei cellule di Bacillus megaterium. Le aree chiare all interno sono granuli di PHB A) Cellule in fase di crescita su concentrazioni elevate di glucosio e acetato. B) cellule della stessa coltura dopo 24 h di incubazione in assenza di fonte di carbonio. Non sono più visibili i granuli perché le riserve sono state utilizzate.
Dal Perry Fig. 4 Granuli di polifosfato. Sezione ultrasottile di cellula di Pseudomonas aeruginosa in cui sono visibili i granuli di polifosfato che appaiono come aree scure
Dal Perry pag 76 Vol 1 Fig. 5 Globuli di zolfo. A) Micrografia in campo chiaro del batterio purpureo sulfureo Isochromatium buderi i granuli di zolfo sono ottenuti dall ossidazione del solfuro di idrogeno H2S. B) micrografia in contrasto di fase del solfobatterio Thiotrix nivea. I granuli di zolfo (S) appaiono giallo-arancione
Modificato da : APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY, Dec. 2001, p. 5351 5361 Vol. 67, No. 12Microcompartments in Prokaryotes: Carboxysomes and GORDON C. CANNON,1* CHRISTOPHER E. BRADBURNE,2 HENRY C. ALDRICH,3 STEFANIE H. BAKER,4 SABINE HEINHORST,1 AND JESSUP M. SHIVELY1,5 Related Polyhedra C D E FIG. 6. Carbossisomi ed enterosomi (A) Sezione sottile di of Synechococcus PCC7942 la freccia mostra un tipico carbossisoma (B) Carbossisomi isolati dasynechococcus nidulans colorati. Le molecole di RuBisCO sono visibili all interno (c) Sezione sottile di S. enterica serovar Typhimurium LT2 cresciuta su propandiolo in condizioni aerobie. Gli enterosomi sono visibili come corpi poliedrici (freccia) nell intero citoplasma. Sono più piccoli e irregolari dei carbossisomi. (D, E) enterosomi isolati da S. enterica serovar Typhimurium LT2. Barra, 100 nm.
Vacuoli e Vescicole gassose