Il Plasmalemma e le Giunzioni Cellulari in Biologia

Il Plasmalemma (Membrana Plasmatica)

Cellula eucariote Struttura e organizzazione La cellula è un sistema complesso ed organizzato, delimitato da una membrana. Nel citoplasma sono presenti organuli intracellulari anch'essi circondati da membrana:

• Nucleo (N)
• Reticolo Liscio (REL)
• Reticolo Rugoso (RER)
• Complesso di Golgi (G)
• Lisosomi (L)
• Mitocondri (M)
• etc ...

Extracelluar space 01 8 L G RER N REL MLa Membrana Plasmatica o Plasmalemma delimita la cellula definendo l'ambiente intracellulare (citoplasma) da quello extracellulare (matrice) Membrana Membrana Citoplasma NucleoLa Membrana Plasmatica (Plasmalemma) Ambiente extracellulare Citoplasma Regione Idrofilica Water loving € Regione Idrofobica Water fearing

Funzioni del Plasmalemma

• Circoscrive e definisce i confini della cellula
• Mantiene uno stato differenziato tra citoplasma e ambiente extracellulare
• Modula e controlla le interazioni con l'ambiente extracellulare (matrice)

Controllo del Passaggio di Molecole

La membrana cellulare controlla e regola il passaggio di molecole tra citoplasma e ambiente extracellulare plasmalemma

• piccole molecole idrofobiche: passano
• piccole molecole polari: passano
• molecole polari più grandi: non passano
• ioni non passano SMALL HYDROPHOBIC MOLECULES O2 CO2 N2 benzene SMALL UNCHARGED POLAR MOLECULES H2O glycerol ethanol LARGER UNCHARGED POLAR MOLECULES amino acids glucose nucleotides IONS H+, Na+ HCO3", K+ Ca2+, CI" Mg2+

Differenze di Concentrazioni Ionche

Differenze tra le concentrazioni ioniche tra interno ed esterno delle cellule di mammifero La membrana cellulare mantiene differenze importanti tra gli ioni, all'esterno (matrice extracellulare) e all'interno (citoplasma) della cellula. La cellula crea quindi dei gradienti elettrochimici che possono regolare processi di trasporto, portare segnali elettrici tra cellule, e come vedremo produrre molecole ad alta energia (ATP) lone Concentrazione intracellulare (mM) Concentrazione extracellulare (mM) Na+ 5-15 145 K+ 140 5 Mg2+ 0,5 1-2 Ca2+ 0,0001 1-2 H+ pH 7,2 pH 7,4 CI- 5-15 110 Out Na+ K+ Mg++ Ca++ Cl- pH 7,4 Na+ In K + Mg++ Ca++ CI- pH 7,2

Diffusione di H2O

Molecole di H2O possono diffondere passivamente per osmosi oppure, se necessario attraversare le membrana in grandi quantità, in questo caso i flussi sono regolati da specifiche proteine chiamate acquaporine 2 Flussi massivi attraverso le acquaporine 1 Diffusione passiva extracellulare Phospholipid bilayer citoplasma Osmosi e Acquaporine mediano il trasporto di acqua 104.474 0.095718 nm Covalent radii: H 0.032 nm O 0.073 nm H2O molecule, even though polar, is small enough to be considered as a little particle and can diffuse across the membrane

Regolazione di Influssi ed Efflussi

Il Plasmalemma: regola influssi ed efflussi ma permette il passaggio di H2O Se sospendiamo cellule eucariote animali in una soluzione: soluzione Ipertonica concentrazione di soluti superiore a quella citoplasmatica soluzione Isotonica concentrazione uguale a quella intracellulare soluzione Ipotonica concentrazione minore di quella intracellulare Interno cellula esterno cellula Interno esterno Interno esterno H2O O Cellula Animale (eritrocita) H2O Le cellule perdono acqua e coartano Le cellule stanno bene Le cellule assumono acqua si dilatano ed esplodono H2O

Modelli di Membrana Plasmatica

Poro polare Doppio strato lipidico + - + + 1 + - + + - Doppio strato lipidico C (1935) Modello di Danielli-Davson: modello a doppio strato lipidico con monostrato proteico che si estende sui due lati della membrana interrotta da pori polari (1959) Modello di Robertson: variazione sul modello di Danielli che prevede: uno strato di glicoproteine sul lato extracellulare della membrana (asimmetria di membrana) Ma esiste un terzo modello di membrana ...nel 1972 Singer e Nicholson proposero l'attuale struttura del plasmalemma Definito come modello a Mosaico Fluido: Proteine e Glicoproteine immerse in un doppio strato lipidico Carboidrati coniugati Glicoproteine Proteine periferiche Lipidi Proteine integraliLa Membrana Plasmatica al TEM extracellular space cytoplasm OGDO

Struttura Trilaminare

La struttura trilaminare del plasmalemma membrana Spazio intercellulare I I I I I I I I membrana -- membrane di due cellule adiacenti al (TEM) Teste polari + elettrondense Code apolari - elettrondense Teste polari + elettrondense

Organizzazione dei Lipidi di Membrana

Ambiente acquoso Teste polari Code idrofobiche Teste polari Ambiente acquosoI Fosfolipidi in soluzione tendono spontaneamente a formare strutture tipiche, organizzate in modo da escludere le regioni idrofobiche dall'ambiente acquoso Liposomi H2O H2O H2O Micelle H2O Doppio strato H2O H2O

Interazioni con l'Ambiente Acquoso

La componente Lipidica: interazioni con l'ambiente acquoso Ambiente acquoso $ Le code non polari idrofobe degli acidi grassi interagiscono reciprocamente Le teste polari idrofile interagiscono con le molecole di H2O anch'esse polari Ambiente acquoso

La Componente Lipidica

1 La componente Lipidica H H-C-O O=0 I-O-I I-O-I I-O-I I-O-I I-O-I I-O-I I-O-I I-O-I I-O-I I-O-I I-O-I I-O-I I-O-I I-O-I I-O-I I-O-I I-O-I C-H 0=0 I-O-I I-O-I I-O-I I-O-I I-O-I I-O-I I-O-I CH& H + O=L-O Nonpolar tails HJC-N-C-C-O-P-O-C-H CH3 H H H Phosphate group Polar Nonpolar Polar tails heads heads Polar head Nonpolar tails Cell membrane

• le molecole lipidiche in molti tipi cellulari costituiscono circa il 50% della massa delle membrane
• sono molecole anfipatiche (hanno una coda idrofobica ed una testa idrofilica)
• le più rappresentate nelle membrane sono i fosfolipidi
• formano spontaneamente doppi strati in ambiente acquoso
• la composizione lipidica del doppio strato rende le membrane asimmetriche Testa polare Polar head H-C-O -C- 1 H H H H HHHН Н c=C-C-c-C-C-C-C-C-C-H HHHHHHHH Code idrofobiche Un tipico lipide di membrana 1 1 1 İ

Percentuale di Proteine, Lipidi e Carboidrati

1% di Proteine - Lipidi - Carboidrati in diverse Membrane biologiche Rapporto Proteine/Lipidi/Saccaridi nelle varie membrane Percentuale approssimativa del peso secco Membrane Proteine Lipidi Carboidrati Membrane plasmatiche eritrociti 49 43 8 mielina 18 79 3 cellule epatiche 54 36 10 Membrana nucleare 66 32 2 Reticolo endoplasmatico 62 27 10 Complesso di Golgi 64 26 10 Mitocondrio membrana esterna 55 45 Tracce membrana interna 78 22 - Cloroplasto 70 30 - -

Fosfolipidi e Asimmetria

Fosfolipidi tipici delle membrane e loro distribuzione CH3 CH3 - CH3 I CH3 1 1 CH2 H-C-COOO CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 Ò Ò O=P-OO O=P-OO O=P-OO O=P-O O -O- O OH Ò CH2-CH-CH2 CH2-CH-CH2 CH2-CH-CH2 CH-CH-CH2 CH C=0¢=0 C=OC=0 C=OC=0 CH C=0 FATTY ACID TAIL FATTY ACID TAIL FATTY ACID TAIL 0 FATTY ACID TAIL FATTY ACID TAIL FATTY ACID TAIL FATTY CHAIN FATTY ACID TAIL fosfaditil etanolamina fosfaditil serina fosfaditil colina sfingomielina EXTRACELLULAR SPACE - CYTOSOL Asimmetria dei lipidi di membrana O NH3 + NH3 CH3 CH3- ~N + N 1 Q-0- NH -0-Distribuzione asimmetrica dei lipidi di membrana Total Phospholipids extracellulare 50 40 Sphingomyelin %of total Phospholipid 30 Phosphatidylcholine 20 Phosphatidylethanolamine 10 Phosphadytilserine 0 10 20 30 40 50 citoplasmatico matrice extracellulare citoplasma cellulare

Movimento dei Lipidi

I lipidi di membrana possono:

• Diffondere lateralmente
• Ruotare sul loro asse verticale
• Flettere
• ma il passaggio sul lato opposto della membrana è estremamente sfavorito (movimento flip-flop). Ma esistono enzimi preposti a questo compito (Flippasi) LATO CELLULARE ESTERNO Spostamento da un foglietto all'altro (flip-flop) .5 (~10 sec) Flessione (~10-9 sec) Spostamento laterale (~10-6 sec) CITOSOLMovimento dei Lipidi nel plasmalemma Diffusione laterale Rotazione Flessione Diffusione trasversale Flip-Flop

Componente Proteica e Glicoproteica

2) La componente Proteica e glicoproteica delle membrane Molte funzioni specifiche sono svolte dalle proteine di membrana Proteine integrali Proteine periferiche

• Esistono proteine integrali che attraversano il doppio strato lipidico (passaggi transmembrana) e sono molecole anfipatiche.
• Altre, superficiali, proteine periferiche, possono essere legate alla membrana in vari modi con legami piu' o meno forti(a) Proteine integrali di membrana Proteina periferica di membrana (b) Proteine periferiche di membrana Proteine integrali Proteine Periferiche

Proteine Transmembrana (Integrali)

Membrana: Proteine transmembrana (o integrali) I gruppi idrofili R appartenenti alle regioni esposte di questa proteina interagiscono con l'ambiente acquoso. Ambiente extracellulare (acquoso) Porzione interna idrofoba del bilayer I gruppi idrofobi R interagiscono con la parte interna idrofoba della membrana, mantenendosi fuori dal contatto con l'acqua. Ambiente intracellulare (acquoso)La regione transmembrana di una proteina ponti disolfuro 'S COOH S S - S 1 -S S ponti disolfuro oligosaccharides transmembrane a helix lipid bilayer CYTOSOL -SH sulfhydryl group ambiente riducente NH2 SH HIS (200) GLY SER PHE ILE GLY PHE ALA TYR GLY CYS GLY hydrophobic core of lipid bilayer LEU LEU PHE ALA ALA GLY HIS CYTOSOL ALA (220) THR EXTRACELLULAR SPACE

Isolamento e Purificazione delle Proteine

Se volessimo, per ragioni sperimentali, isolare e purificare una proteina di membrana dovremo considerare se è periferica o integrale. I due casi richiedono trattamenti chimico/fisici diversi. Proteine di Membrana Caratteristica Integrale Periferica Localizzazione nella membrana Nascosta nella parte interna idrofobica della membrana Legata in superficie Requisiti per l'estrazione Estratta solo mediante agenti che disperdono il doppio strato, es. detergenti Estratta mediante trattamenti che lasciano intatto il doppio strato, es. aumento della forza ionica Associata con lipidi dopo estrazione Di solito associata a lipidi Non associata a lipidi Solubilità Di solito insolubile in solventi acquosi Solitamente solubile in solventi acquosi

Aminoacidi Cisteina e Ponti Disolfuro

Gli aminoacidi Cisteina possiedono gruppi SH (tiolici) che se ossidati creano legami con altre cisteine, formando i ponti Disolfuro O I-Z C. O H C. H2C S H H H2C Cisteina Ossidazione + 2 H+ + 2 e- Riduzione S H S CH2 H CH2 C H Z-I N C C. N C O H Cisteina Cistina Ponti disolfuro stabilizzano la cheratina nel capello Legami forti: PONTI DISOLFURO Legami deboli: Ponti idrogeno I-Z S

Arrangiamenti della Regione Transmembrana

Arrangiamenti della regione transmembrana delle proteine a-elica fascio elicoidale barile ß Extra cellular C D Patel 2009 Cytoplasm Recognition proteins, Receptors Enzymes, Transporters, Receptors Transporters