Le membrane cellulari: struttura, funzione e trasporto di membrana

Le membrane

Struttura e funzioneLe membrane fungono da barriere selettive membrana plasmatica che racchiude la cellula molecole fuori dalla cellula membrana interna che delimita

• un comparto intracellulare molecole dentro la cellula molecole dentro il comparto intracellulare (A) (B)

Funzioni della membrana plasmatica

La membrana plasmatica è importante per molte funzioni

1. capacità di ricevere informazione
2. capacità di movimento ed espansione
3. capacità di importare ed esportare molecolenucleo perossisoma reticolo endoplasmatico lisosoma doppio lipidico (5nm) molecola lipidica - molecola proteica vescicola apparato di Golgi membrana plasmatica mitocondrio

Il doppio strato lipidico

Molecole anfipatiche

+ NH3 H-C-COO O CH2 O O=P-OO CH2-CH-CH2 C=O C=O coda idrofobica CODA IDROCARBURICA CODA IDROCARBURICA -CH3 ,CH3 CH CH2 CH2 CH2 1 CH CH3 CH3 fosfatidilserina (fosfolipide) FOSFOLIPIDI Fosfatidilcolina Fosfatidiletanolammina Fosfatidilserina Sfingomielina Fosfatidilinositolo colesterolo (sterolo) STEROLI Colesterolo Gal OH O CH-CH-CH2 CH ŃH II CH C=0 CODA IDROCARBURICA CODA IDROCARBURICA galattocerebroside (glicolipide) GLICOLIPIDI testa idrofilica OH CH3In acqua le molecole anfipatiche tendono a formare doppi strati, conformazione favorita energeticamente acqua doppio strato lipidico - acqua (A) (B) 1 nmDoppi strati che, rispondendo ad un imperativo energetico, tendono ad annullare bordi liberi formando involucri intorno a spazi chiusi SFAVORITO ENERGETICAMENTE doppio strato fosfolipidico planare con margini esposti all'acqua comparto chiuso delimitato dal doppio strato lipidico FAVORITO ENERGETICAMENTE

Fluidità del doppio strato

Il doppio strato è un fluido bidimensionale: le molecole che lo costituiscono possono spostarsi e scambiarsi di posto acqua acqua 25 nm LIPOSOMI Strato protettivo di polietilene glicolo Anticorpo Farmaco cristallizzate in soluzione acquosa - Farmaco liposolubile nel doppio strato capovol- ¡ gimento I (flip-flop, / avviene + di rado) Doppio strato lipidico flessione rotazione acqua acqua doppio strato lipidico diffusione lateraleLa fluidità del doppio strato dipende dalla composizione in fosfolipidi, in particolare dalle code e dalle loro caratteristiche Lunghezza: più corte sono, meno interagiscono fra loro, maggiore sarà la fluidità Insaturazione: più sono insature, meno potranno disporsi a stretto contatto, maggiore sarà la fluidità CH2-N+(CH3)3 CH2 C O=P-O- 0 CH2-CH-CH2 1 O C=0 C=0 CH2 CH2 1 CH2 1 CH2 1 CH2 - CH2 CH2 1 CH2 I CH2 1 CH2 CH2 1 CH2 1 CH2 1 CH2 1 CH 11- CH doppio legame ] gruppo (testa) polare colesterolo 3 CH2 testa polare CH2 struttura steroidea ad anelli, planare e rigida 2 CH2 CH2 nm regione resa più rigida dal colesterolo CH2 CH3 coda idrocarburica apolare regione più fluida 0 (B) La fluidità del doppio strato è importante per vari motivi, ad esempio perché le proteine raggiungano le regioni cui sono destinate, perché si abbia una distribuzione equa di membrana nella divisione cellulare (A) Nei batteri e nei lieviti, che devono adattarsi al variare della temperatura, lunghezza e saturazione delle code vengono costantemente regolate per mantenere costante la fluidità Nelle cellule animali la fluidità viene modulata dalla presenza del colesterolo, che interponendosi ai fosfolipidi rende il doppio strato più rigido e meno permeabile fosfolipide - CH2 CH2 CH2 CH3 CH2 1 CH2 I CH2 1 CH2 CH2 CH2 CH2 1 1

Asimmetria del doppio strato lipidico

Il doppio strato lipidico è asimmetrico Esterno della cellula Sfingomielina Glicolipide Fosfatidilcolina Colesterolo Fosfatidilserina Fosfatidilinositolo Fosfatidiletanolammina Citosol I due monostrati comprendono serie di fosfolipidi e glicolipidi diverse; le proteine sono immerse nel doppio strato con orientazione specifica.L'asimmetria nasce nella fase di sintesi CITOSOL doppio strato lipidico del reticolo endoplasmatico (RE) CAVITÀ INTERNA (LUME) DELL'RE I FOSFOLIPIDI VENGONO AGGIUNTI PER SINTESI AL LATO CITOSOLICO DEL DOPPIO STRATO LA FLIPPASI CATALIZZA IL TRASFERIMENTO DELLE MOLECOLE FOSFOLIPIDICHE DESTINATE ALL'ALTRO STRATO crescita simmetrica di entrambe le facce del doppio stratoIl doppio strato delle membrane ha una faccia citosolica ed una faccia non citosolica, extracellulare o rivolta verso lo spazio interno di un organello organello delimitato da membrana membrana plasmatica vescicola CITOSOL fluido extracellulare I glicolipidi acquisiscono gruppi saccaridici nel Golgi, nella faccia non citosolica (gli enzimi che aggiungono i saccaridi sono all'interno del lume). Dopo gemmazione e fusione con la membrana plasmatica verranno quindi a trovarsi nel monostrato che guarda verso l'esterno della cellula Gli inositol fosfolipidi trasmettono segnali dalla superficie della cellula ai componenti intracellulari, sono pertanto concentrati nel monostrato citosolico

Le proteine di membrana

Costituiscono circa il 50% della massa delle membrane VETTORI CONNETTORI RECETTORI ENZIMI 1 SPAZIO EXTRACELLULARE CITOSOL X y Come si associano al doppio strato? (A) TRANSMEMBRANA (B) ASSOCIATE ALLA MEMBRANA (C) (D) LEGATE A LIPIDI LEGATE A PROTEINE NH2 S M doppio strato lipidico CITOSOL COOH Proteine integrali di membrana / Proteine periferiche di membranaLe catene polipeptidiche che attraversano la membrana plasmatica in genere lo fanno mediante eliche a N Carboidrato Esterno della cellula C C Citosol Z Glicoforina Banda 3 poro acquoso elica x transmembrana doppio strato lipidico Oppure come piano ß avvolto a cilindro cavo, in modo da formare il cosiddetto manicotto Porina- Membrana esterna Parete cellulare Spazio periplasmatico C Membrana plasmatica N Citosol 2 nmPer purificare le proteine di membrana e poterle studiare si usano detergenti, piccole molecole anfipatiche CH3 1 CH3-C-CH3 I CH2 1 CH3-C-CH3 =C HC CH - CH HC C 1 O CH2 proteina di membrana dentro il doppio strato lipidico CH2 CH2 - CH2 CH2 CH2 - CH2 I CH2 ~8 CH2 CH2 - O CH2 o=S=0 -O Na H sodio dodecilsolfato (SDS) Triton X-100 complessi idrosolubili di proteine transmembrana più molecole di detergente coda idrofobica testa idrofilica > monomeri di detergente micelle di detergente + miscela idrosolubile di complessi lipidi-detergente CH3 CH2 1 CH2 CH2 1 CH2 CH2 1 + CH2

Esempi di proteine di membrana

Esempi di proteine di membrana: Batteriorodopsina, pompa di protoni H* SPAZIO NH2 EXTRACELLULARE nucleo idrofobico del doppio strato lipidico (3 nm) retinale COOH CITOSOL HIl Centro di reazione della fotosintesi batterico citocromo subunità M SPAZIO EXTRA- CELLULARE subunità L nucleo idrofobico del doppio strato lipidico CITOSOL subunità H

Il cortex cellulare

La membrana plasmatica è rinforzata dallo strato corticale, o cortex cellulare, aderente alla faccia citosolica Si tratta di un'impalcatura proteica, una trama di proteine fibrose fissata per mezzo di proteine transmembrana Il cortex cellulare determina la forma cellulare e le caratteristiche meccaniche della membrana plasmatica L'esempio dei globuli rossi complesso di giunzione spettrina actina (A) proteine di attacco 100 nm 5 um proteine transmembrana

Il Glicocalice

glicoproteina transmembrana glicoproteina adsorbita proteoglicano transmembrana = unità glucidica glicocalice istrato a carboidrati) SPAZIO EXTRA- CELLULARE glicolipide doppio strato lipidico CITOSOL

Funzioni del glicocalice

Funzioni del glicocalice Protezione, da danneggiamento per cause chimiche o meccaniche Scivolamento, conferito dal fatto che i carboidrati assorbono acqua Riconoscimento ed adesione cellulare 00000000 neutrofilo O O oligosaccaride specifico O vaso sanguigno O lectina O O C cellula endoteliale AL SITO DI INFEZIONE

Domini di membrana

Anche se le proteine sono libere di muoversi nella membrana, essendo questa un fluido bidimensionale ... Cellula umana Cellula di topo Fusione ... la cellula è in grado di confinare determinate proteine in determinate zone della membrana (domini di membrana) cortex matrice extracellulare Cellula ibrida Proteina umana Proteina di topo (A) (B) 40 minuti di incubazione (C) Proteine sulla superficie di un'altra cellula (D) Barriere alla diffusione

Cellule dell'epitelio intestinale

Cellule dell'epitelio intestinale LUME INTESTINALE proteina A giunzione occludente membrana plasmatica apicale proteina B membrana plasmatica laterale membrana plasmatica basale 1 lamina basale

Il trasporto di membrana

La membrana plasmatica deve consentire alla cellula di scambiare materiali con l'ambiente esterno, in particolare sostanze nutritive, ioni, materiali di rifiuto ed altre sostanze Perché le sostanze diffondano attraverso il doppio strato lipidico, è necessario che questo sia permeabile ad esse MOLECOLE PICCOLE IDROFOBICHE O2 CO2 N2 benzene MOLECOLE PICCOLE POLARI SENZA CARICA NETTA H2O glicerolo etanolo Il trasporto di molecole che non possono passare per diffusione semplice avviene tramite proteine di trasporto della membrana MOLECOLE PIÙ GRANDI POLARI SENZA CARICA NETTA amminoacidi glucosio nucleotidi IONI H+, Na+ HCO3, K+ Ca2+, CIT Mg2+ VETTORI CANALI sito di legame dimensioni e carica doppio strato lipidico sinteticosoluto ione O doppio strato lipidico sito di legame per il soluto (A) PROTEINA VETTORE (B) PROTEINA CANALE Trasporto di zuccheri, amminoacidi, nucleosidi (A) (B) (C) Esterno della cellula Interno della cellula

• Trasporto rapido Chiuso Cancello Glucosio
• Selettivi Poro .Non sempre aperti (a controllo del ligando / a controllo di potenziale) Aperto poro acquoso

Trasporto attivo o passivo

I soluti possono attraversare la membrana plasmatica per trasporto attivo o passivo molecola da trasportare O proteina canale proteina vettore doppio strato lipidico gradiente di concentrazione ENERGIA O diffusione semplice mediato da canale mediato da vettore TRASPORTO PASSIVO TRASPORTO ATTIVO Diffusione facilitata da alta a bassa concentrazione Accoppiato a un processo che generi energia da bassa ad alta concentrazione

Le proteine vettore

LE PROTEINE VETTORE Ogni vettore proteico è altamente selettivo nucleotide zucchero amminoacido Na+ + H piruvato ATP lisosoma mitocondrio membrana plasmatica

Potenziale di membrana

Quasi tutte le membrane cellulari presentano una differenza di potenziale, potenziale di membrana, che esercita una forza su tutte le molecole dotate di carica elettrica soluto stato A stato B doppio strato lipidico ESTERNO gradiente di concentrazione INTERNO proteina vettore che media il trasporto passivo sito di legame per il soluto + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + I ESTERNO Molecole elettricamente cariche INTERNO - I + + + + + Gradiente elettrochimico + + + gradiente elettrochimico in assenza di potenziale di membrana gradiente elettrochimico con potenziale di membrana negativo all'interno gradiente elettrochimico con potenziale di membrana positivo all'interno (C) (A) (B) + + ++ + + ++ + + + + + + Molecole prive di carica Gradiente di concentrazione