Transcript 5. membrane biologiche - E

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5. Le Membrane biologiche contiene materiale protetto da copyright, ad esclusivo uso personale; non è
consentita diffusione ed utilizzo di tipo commerciale
funzioni: -­‐ definiscono i confini esterni delle cellule e regolano il traffico di molecole a3raverso ques6 confini -­‐ Nelle cellule eucario*che dividono lo spazio interno in compar6men6 discre6 segregando nel loro interno specifici componen6 e processi. 1
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funzioni: CONTENITIVA racchiude la cellula, ne definisce i confini, mantiene le differenze tra l’ambiente intracellulare e quello extracellulare BIOCHIMICA offre sulla sua superficie interna ed esterna siti di supporto per enzimi che così possono lavorare in modo ordinato e sequenziale FISIOLOGICA DI BARRIERA SELETTIVA seleziona in vario modo i diversi materiali in transito tra esterno ed interno e viceversa FISIOLOGICA DI COMUNICAZIONE presenta sulla sua superficie esterna recettori per gli ormoni e per qualsiasi altro segnale chimico, oltre che marcatori per farsi riconoscere dalle cellule vicine STRUTTURALE alcune proteine della membrana cellulare sono ancorate a proteine del citoscheletro che mantiene la forma della cellula ambiente esterno ambiente interno ambiente esterno membrana plasma+ca membrane intracellulari ambiente interno CELLULA PROCARIOTE: membrana plasma+ca CELLULA EUCARIOTE: membrana plasma+ca e membrane intracellulari 2
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Compartimenti circoscritti da membrana Nucleo Perossisoma Reticolo Endoplasmatico Lisosoma Apparato Del Golgi Vescicola Mitocondrio Membrana plasmatica La membrana plasmatica è una barriera selettiva Molecole nutritizie desiderabili Componenti intracellulari Molecole nutritizie Prodotti metabolici inutili Molecole indesiderabili, microorganismi ecc. 3
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Resistenti flessibili Autosigillanti Selettivamente permeabili Supporto per processi cellulari Membrana plasmatica Membrana mitocondriale STRUTTURA GENERALE COMUNE Doppio strato lipidico e proteine Membrane plasma6che e intracellulari sono molto simili, sia per stru3ura che per composizione: •  LIPIDI •  PROTEINE •  GLUCIDI (glicolipidi e glicoproteine) (in < quan)tà, in membrane plasma)che di alcune cellule) Il rapporto tra lipidi e proteine varia largamente e dipende dall’origine della membrana. + la membrana cellulare è metabolicamente aCva è > è il suo contenuto di proteine. Ex. membrana mitocondriale interna: con)ene enzimi per la fosforilazione ossida)va, è cos)tuita per ¾ da proteine. 4
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I primi indizi sulla natura chimica della membrana furono o3enu6 da OVERTON (1890) Cellule sono circondate da una sorta di strato seleSvamente permeabile che perme3e ad alcune sostanze di entrare ed uscire con velocità significa6vamente differen6: le sostanze solubili nei lipidi penetravano più facilmente di quelle solubili in acqua OVERTON concluse che i lipidi erano presen* sulla superficie cellulare, come se si tra6asse di un rives*mento. 5
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Dieci anni dopo Irving LANGMIUR studiò il comportamento dei fosfolipidi purifica6 e disciol6 in un solvente organico (benzene). Ponendo la miscela di fosfolipidi in benzene sull’acqua, quando il benzene evaporava si formava un monostrato di fosfolipidi in maniera che la testa polare restasse immersa nell acqua, mentre la porzione apolare si esponeva all’aria. Due fisiologi tedeschi, Gorter e Grendel, nel 1925 cercarono di scoprire quan6 stra6 lipidici sono presen6 nella membrana plasma6ca. U6lizzando eritroci6 o globuli rossi del sangue, estrassero da un numero noto di essi i fosfolipidi e u6lizzando il metodo di Langmuir, stra6ficarono ques6 su una superficie acquosa. Calcolarono l’area coperta dal film di fosfolipidi e dedussero che ogni globulo rosso doveva possedere due stra* di fosfolipidi. Ovviamente le teste polari erano orientate proteggendo la porzione apolare. In questo modo si formava una membrana trilaminare. 6
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Modello di Davson e Danielli (1935) Il solo modello del doppio strato lipidico non spiegava molte delle cara3eris6che delle membrane biologiche. Ex. il passaggio di ioni potassio a3raverso un doppio strato lipidico impiega giorni, mentre in una membrana plasma6ca naturale solo ore. Davson e Danielli ipo*zzarono la presenza di proteine. Nel 1935 proposero che le membrane biologiche erano formate da due stra6 di fosfolipidi rives66 esternamente da uno strato di proteine. Il loro modello a sandwich era quindi cos6tuito da proteine-­‐lipide-­‐proteine. membrana unitaria di Robertson (1950) osservazioni al microscopio ele3ronico verificarono presenza della membrana plasma6ca a3orno ad ogni cellula ed anche intorno alla maggior parte degli organuli delle cellule. USO dell’OSMIO, quale colorante per microscopia ele3ronica: al livello della membrana apparivano due linee scure (l osmio reagisce con le teste polari) separate da una zona centrale chiara. modello definito di colorazione trilaminare: sempre presente in tu3e le membrane osservate. Robertson propose che tu6e le mebrane cellulari hanno in comune una stru6ura fondamentale che denominò membrana unitaria. 7
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•  la membrana plasmatica è uniforme e sottile, non più di 10 nm •  Struttura trilaminare: due scuri ed uno chiaro Interno Membrana Esterno Morfologia trilaminare Gruppi fosforici Gruppi fosforici lipidi 8
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Modello del Mosaico Fluido Anni 60: paradosso delle proteine –  La loro purificazione dimostra come non fossero così omogenee come si pensava –  Composizione e dimensioni molto variabili –  Alcune molto più grandi di quanto ipotizzato Come potevano costituire uno strato di soli 10 nanometri? Tutte piatte ed estese? struttura a foglietto ripiegato? In realtà molte hanno struttura globulare Modello a mosaico fluido (1972 da Singer e Nicolson) rappresenta la migliore interpretazione oggi disponibile dell organizzazione delle membrane a livello molecolare membrana cellulare composta da un doppio strato lipidico nel quale sono immerse le proteine che svolgono la gran parte delle funzioni tipiche della membrana interposizione di lipidi e proteine stabilizzate interamente o in grandissima parte da interazioni non covalenti. Non sono immobili, si possono muovere, come iceberg che galleggiano in un fluido di lipidi 9
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Modello a mosaico fluido • 
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interazioni idrofobiche tra code apolari dei lipidi tra loro e con le porzioni apolari delle proteine integrali interazioni polari fra le teste polari dei lipidi, le porzioni polari delle proteine e l acqua presente su entrambe le superfici della membrana Al doppio strato lipidico si associano le proteine intrinseche o integrali e quelle estrinseche o superficiali proteine intrinseche possono attraversare interamente il foglietto ed esporre parti della loro molecola su una o entrambe le superfici proteine estrinseche sono legate alle superfici esclusivamente mediante legami polari sia con le teste dei lipidi, sia con le porzioni superficiali delle proteine integrali Modello del Mosaico Fluido Le proteine condividono con i lipidi alcune caratteristiche quali la mobilità e l asimmetria di distribuzione nei confronti delle superfici della membrana. La composizione dei due foglietti, esterno e interno, della membrana cellulare presenta notevoli differenze, non solo nella componente proteica, ma anche nella stessa componente lipidica, per cui la membrana plasmatica è caratterizzata da una marcata asimmetria, che riflette le differenti funzioni dei due monostrati. Tale asimmetria presenta importanti funzioni ed è finemente controllata dalla cellula. 10
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Le membrane biologiche sono composte di… 1. Lipidi – il doppio strato lipidico crea una barriera idrofobica Per la maggior parte fosfolipidi ma anche glicolipidi e colesterolo 2. Proteine – conferiscono specificità alle funzioni svolte dalla membrana a. Proteine di membrana periferiche legate alla superficie della membrana b. Proteine di membrana integrali – contengono domini idrofobici e idrofilici è anfipatiche c. Glicoproteine (integrali) – contengono molecole glucidiche è recettori di superficie Quali funzioni sono associate ai vari componenti? Lipidi: -­‐ Barriera idrofobica Proteine: -­‐ Trasporto Specifico -­‐ Riconoscimento e comunicazione -­‐ Conversione di energia Carboidrati: -­‐ Riconoscimento e comunicazione 11
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lipidi della membrana plasma+ca Fosfolipidi glicerofosfolipidi sfingofosfolipidi X gruppo variabile che conferisce polarità alla molecola determinandone il comportamento 12
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Fosfolipidi 04/03/14
Sono tra i principali lipidi di membrana. Hanno una testa polare e due code idrofobiche. doppio legame cis •  La testa polare ha un gruppo ammonio e un gruppo fosfato che, mediante una molecola di glicerolo, si lega a due code di acidi grassi. •  Una delle due catene è formata da acidi grassi saturi, mentre l altra contiene un doppio legame cis (acido grasso insaturo) che determina un gomito nella struttura. •  Tale gomito influenza l impacchettamento dei fosfolipidi e il movimento sul piano laterale della membrana. 13
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cis se i due atomi di idrogeno legati ai carboni impegnati nel doppio legame sono disposti sullo stesso piano trans se la disposizione spaziale è opposta. La forma cis abbassa il punto di fusione dell’acido grasso e ne fa aumentare la fluidità. I grassi saturi sono in genere solidi, sono presenti nel tuorlo dell'uovo, nel latte e nei suoi derivati e nei grassi animali, specie nelle frattaglie. Nel mondo vegetale sono presenti nell'olio di palma e nella margarina. I grassi insaturi si dividono a loro volta in monoinsaturi (un solo doppio legame, l'olio d'oliva) e polinsaturi (due o più, l'olio di girasole). Normalmente sono liquidi. 14
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Fosfolipidi
Distribuzione dei fosfolipidi nei due
foglietti della membrana eritrocitaria
FosfatidilFosfatidiletanolammina serina
Fosfatidilcolina
Sfingomielina
Gli animali u6lizzano l’asimmetria dei fosfolipidi delle membrane plasma*che per dis6nguere fra cellule vive e cellule morte. quando una cellula animale subisce la morte cellulare programmata, o apoptosi, la fosfa+dilserina, che normalmente è confinata nel monostrato citosolico della membrana plasma6ca, viene rapidamente traslocata al monostrato extracellulare. La fosfa6dilserina esposta sulla superficie cellulare serve come segnale per indurre le cellule vicine, (ad esempio i macrofagi) a fagocitare la cellula morta e digerirla 15
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Glicolipidi Nei glicolipidi la molecola portante è la Ceramide la testa polare è data -­‐ da un singolo monosaccaride nei cerebrosidi -­‐ da una catena ramificata di zuccheri nei gangliosidi Glicolipidi Sono le molecole lipidiche che mostrano la > asimmetria di distribuzione: si trovano nel foglietto esoplasmatico si associano tra loro in microaggregati tramite legami idrogeno. 5 % del monostrato lipidico esterno Gangliosidi: abbondanti nelle membrane delle cellule nervose (10% massa lipidica tot). Ruolo fisiologico -­‐ protezione della membrana contro condizioni estreme: basso pH, enzimi degradativi -­‐ glicolipidi carichi possono alterare il campo elettrico e di conseguenza la [Ca2+] esterna -­‐ ruolo nell isolamento elettrico data la loro abbondanza nella membrana mielinica -­‐ ruolo nei processi di riconoscimento cellulare -­‐ funzione di recettori per normali molecole extracellulari 16
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colesterolo altro lipide della membrana assomiglia molto poco ai lipidi descritti sopra (ma è anfipatica). importante costituente della membrana poiché ne modula le proprietà del doppio strato formato da lipidi a doppia coda descritti prima E il ciclopentano peridrofenantrene con 27 atomi di C e 1 OH in pos 3 Colesterolo Il nucleo steroideo del colesterolo è disposto parallelamente alle catene aciliche dei fosfolipidi di membrana. 17
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Il COLESTEROLO serve a mantenere fluide le membrane (anche a basse T): -­‐  impedisce il congelamento delle membrane; -­‐  aumenta la flessibilità e la stabilità meccanica La struttura e la funzione di tutte le membrane cellulari dipende fondamentalmente dai fosfolipidi e da derivati degli steroidi. Le specifiche funzioni di ciascuna membrana dipendono soprattutto dal tipo di proteine presenti su quella specifica membrana Come si organizzano i lipidi in membrana? 18
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I fosfolipidi in acqua possono formare spontaneamente tre struWure le teste polari verso la superficie a conta3o con l acqua circostante; code idrofobiche disposte verso l interno a cos6tuire un ambiente idrofobo dal quale le molecole d acqua sono escluse. doppio strato di lipidi a disposizione ordinata in cui le teste polari, idrofile, delimitano una superficie esterna ed una interna, mentre le code apolari cos6tuiscono una barriera idrofoba interposta fra le superfici Fluidità della membrana determinata dalla sua composizione lipidica Stretto impacchettamento code ⇒ < fluidità La lunghezza e il no di doppi legami (insaturi) determinano il grado di impacchettamento •  La lunghezza varia da 14-­‐24 atomi di C: catena + corta ⇒ < interazione
⇒ > fluidità
doppio legame -­‐nodo •  Una coda ha un doppio legame: insatura •  L’altra coda non ha doppi legami: satura + Doppi legami ⇒ maggiore rigidità
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Fluidità della membrana determinata dalla sua composizione lipidica La fluidità è tanto maggiore quanto più
numerose sono le catene lipidiche corte
ed insature, in quanto hanno minori
possibilità di contrarre tra loro
interazioni idrofobiche
Membrane di cellule vegetali ricche in acidi grassi saturi Membrane di cellule animali ricche di acidi grassi insaturi Fluidità della membrana dipende anche dalla temperatura flessione
rotazione
diffusione
laterale
flip-flop
Termodinamicamente
sfavorevole
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Il doppio strato lipidico è asimmetrico si ri6ene che il colesterolo sia distribuito in modo quasi uguale nei due monostra6 L’asimmetria della membrana si stabilisce durante la biogenesi nel re6colo endoplasma6co e viene mantenuta grazie alla presenza di traslocatori di membrana. Il movimento spontaneo di un lipide da uno strato all’altro (flip -­‐
flop) è raro. Le proprietà del doppio strato dipendono dalla temperatura 21
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FaWori che determinano la fluidità del doppio strato Zone specializzate Il doppio strato lipidico non ha carattere omogeneo, ma piuttosto all'interno del mosaico fluido sono presenti microdomini lipidici meno fluidi (RAFTS) (Simon e Ikonen, 1997), formati principalmente da sfingolipidi e colesterolo allo stato liquido-­‐ordinato: 1.  zattere di trasporto di componenti di membrana 2. piattaforme per la genesi di segnali intracellulari (vi sono concentrate proteine specifiche) Lipid rac organisa6on, region (1) is standard lipid bilayer, while region (2) is a lipid rac. 22
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CAVEOLE
invaginazioni delle membrane plasma6che cara3erizzate dalla presenza di proteine denominate caveoline le caveoline interagiscono con molecole segnale e cos6tuiscono l’impalcatura per organizzare i preassembla6 complessi della segnalazione (Ras, src, proteine G, PKC e RhoA). Proteine di membrana 23
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Proteine di membrana p. Integrali (o intrinseche) (o transmembrana) Saldamente legate alla membrana mediante interazioni idrofobiche p. periferiche (o estrinseche) Si associano alla membrana mediante interazioni elettrostatiche e legami idrogeno con le teste polari dei lipidi di membrana p. periferiche (o estrinseche) 1.  sulla superficie della membrana citoplasmatica grazie a legami ionici che si instaurano tra i gruppi + e -­‐ degli aa che costituiscono le proteine stesse e gruppi di carica opposta presenti sulla superficie dello strato bimolecolare. 2.  non hanno alcun legame con l interno idrofobo del doppio strato 3.  In genere legate in modo non covalente a proteine integrali 4.  possono essere rimosse lavando la cellula con soluzioni di differente forza ionica o differente pH. 24
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p. Integrali (o intrinseche) costituiscono la frazione maggiore delle proteine di membrana legate, mediante alcune parti della loro struttura, al doppio strato idrofobo della membrana possono attraversarlo da parte a parte oppure possono essere inserite parzialmente in esso. 25
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• Faccia E •  Emi-­‐membrana Esterna, più liscia, proteine transmembrana, lipidi • Faccia P •  Emi-­‐membrana Proto-­‐plasmatica, contiene la maggior parte delle proteine Movimentazione delle proteine •  Proteine della faccia P –  Vengono sintetizzate dai ribosomi liberi e si muovono nel citoplasma verso la membrana •  Proteine della faccia E –  Vengono prodotte come proteine destinate ad essere esportate –  dai Ribosomi associati al RER e poi nel lume del RE dove vengono modificate post-­‐traduzionalmente (glicosilazione) –  Passano al complesso del Golgi, ulteriori modificazioni e poi vescicole di trasporto per entrare a far parte della membrana 26
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Movimentazione delle proteine Movimentazione delle proteine La sequenza dei passaggi è: Lume del Reticolo Endoplasmatico Vescicola di trasporto Vescicole del Golgi Vescicole secretorie Membrana plasmatica 27
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Come può un legame peptidico polare essere inserito nel core idrofobico di un bilayer fosfolipidico? estremità carbossi (C-­‐) terminale estremità amino (N-­‐) terminale Le α- eliche transmembrana tipicamente sono costituite da 20-­‐25 aminoacidi per lo più idrofobici
triptofano
fenilalanina
prolina
isoleucina
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In una α-elica i legami peptidici polari si trovano all’interno e i gruppi R delle catene laterali protrudono all’esterno 3.6 residui/giro Membrane differenti esprimono proteine differenti ⇒ funzioni differenti Trasportatori
Collegamento
Recettori
Enzimi
SPAZIO
EXTRACELLULARE
CITOSOL
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Funzioni delle Proteine di membrana
Ancoraggio: le proteine periferiche situate sul lato interno (o citoplasmatico) della membrana sono spesso agganciate ad elementi del citoscheletro: stabilizzare e dare forma alla cellula
Le proteine della membrana interagiscono con il citoscheletro 30
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Trasporto: proteine integrali funzionano come canali per il passaggio di determinate sostanze attraverso la membrana. Riconoscimento: siti di legame presenti su determinate proteine fanno sì che la cellula possa essere identificata da altre, come per esempio quelle del sistema immunitario.
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Comunicazione: cellula può inviare segnale ad una cellula adiacente o distante mediante messaggeri chimici. Segnali inviati nelle cellule attraverso recettori (proteine integrali) che sporgono all esterno della membrana plasmatica e che hanno un sito di legame specifico per un determinato tipo di molecola membrane epiteliali Le membrane epiteliali sono cos6tuite da più cellule addossate le une alle altre in uno o più stra6 che svolgono per l’intero organismo le stesse funzioni conteni6ve, biochimiche e fisiologiche che la membrana plasma6ca svolge per la singola cellula. 32
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Le cellule epiteliali poggiano su una membrana basale, formata da due stra+. 04/03/14
lo strato più aderente all’epitelio è La lamina basale cos6tuita dal glicocalice stesso delle membrane plasma6che basali. Si tra3a di un intreccio di mucopolisaccaridi e di collagene non organizzato in fibrille. Lo strato so3ostante è una maglia di fibrille collagene ancorate allo strato precedente. Questo strato ha solo la funzione di supporto delle cellule e contribuisce a tenere insieme l’epitelio L’epitelio viene tenuto insieme anche dalle giunzioni che legano le cellule lungo le pare+ laterali. Si hanno tre +pi di giunzioni: •Giunzioni occluden+ (+ght junc+ons) •Giunzioni aderen+ •Giunzioni facilitan+ 33
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•Giunzioni occluden+ (+ght junc+ons) Situate presso la regione apicale, in prossimità dell’ambiente esterno, ed è formata da un anello di saldatura, tu3o a3orno alla cellula Salda le cellule e cos6tuisce una barriera seleSva che separa l’ambiente esterno all’organismo da quello interno. •Giunzioni aderen+ localizzata subito so3o la giunzione occludente e forma una fascia anulare tu3’a3orno alla cellula, spessa circa 200-­‐500 nm In essa le due membrane plasma6che delle cellule adiacen6 distano circa 20 nm. Nello spazio intercellulare decorrono filamen6 che passano da una cellula all’altra. Svolgono la funzione di legare le cellule tra loro o alla membrana basale conneSvale, ma senza formare barriere seleSve. Parallelo al lato citoplasma6co della giunzione decorre un fascio di filamen6 di ac6na f associata a miosina 34
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Esempio di giunzione aderente è il desmosoma, dove le due membrane plasma6che distano circa 30 nm e sono rigidamente parallele. Lo spazio intermedio è percorso da filamen6 che vanno da una cellula all’altra e che a mezza strada si intrecciano e formano uno strato mediano. Un altro esempio di giunzione aderente è l’emidesmosoma, bo3oni adesivi localizza6 sulle membrane plasma6che basali che vengono saldate a pun6 con la membrana basale conneSvale. 35