Le Membrane Cellulari PDF

LE MEMBRANE CELLULARI La struttura generale delle membrane biologiche è nota come modello a mosaico fluido Mosaico: è formata da componenti distinte (proteine, fosfolipidi, glicolipidi) Fluido: consistenza di un olio semiviscoso e le molecole proteiche e lipidiche possono muoversi latera...

LE MEMBRANE CELLULARI La struttura generale delle membrane biologiche è nota come modello a mosaico fluido Mosaico: è formata da componenti distinte (proteine, fosfolipidi, glicolipidi) Fluido: consistenza di un olio semiviscoso e le molecole proteiche e lipidiche possono muoversi lateralmente all'interno della membrana.  I lipidi della membrana I fosfolipidi hanno una “testa” polare, idrofilica ed una “coda” idrofobica di acidi grassi. In un ambiente acquoso, i fosfolipidi formano un doppio strato. La struttura delle membrane biologiche è simile ma la composizione lipidica e i tipi di proteine possono cambiare. I fosfolipidi variano per: la lunghezza della catena degli acidi grassi il grado di saturazione (numero doppi legami) tipi di gruppi polari Le cellule animali possono contenere fino al 25% di colesterolo, importante per l’integrità della membrana. Tende ad associarsi ad acidi grassi saturi. Le code degli acidi grassi rendono l’interno fluido, con una conistenza simile ad un olio semiviscoso, permettendo movimenti di rotazione e laterali delle molecole lipidiche. La fluidità dipende: dalla composizione dei lipidi dalla temperature  Colesterolo ed acidi grassi a catena lunga e saturi si compattano stretamente rendendo la membrana meno fluida. Al decrescere della temperatura, i movimenti delle molecole ed i processi cellulari rallentano. Alcuni organismi cambiano il contenuto lipidico delle membrane cellulari quando si raffreddano.  Le proteine di membrana Tutte le membrane biologiche hanno proteine di membrana. Il numero varia a seconda della funzione della membrana. Proteine integrali di membrana Esistono due categorie di proteine di membrana: Proteine periferiche di membrana  PROTEINE INTEGRALI DI MEMBRANA Le proteine transmembrana attraversano parte o tutto il doppio strato lipidico. Hanno regioni idrofobiche ed idrofiliche. I domini del lato esterno o interno della membrana che possono avere funzioni specifiche.  PROTEINE INTEGRALI DI MEMBRANA Le proteine ”ancorate” a lipidi di membrana con legame covalente (tra un amminoacido della catena polipeptidica e un lipide). Ancorate all’interno o all’esterno della cellula.  PROTEINE PERIFERICHE DI MEMBRANA Le proteine di membrana periferiche sono prive di gruppi idrofobici esposti e non penetrano nel doppio strato. Hanno regioni polari o cariche che interagiscono con parti esposte delle proteine integrali o con teste dei fosfolipidi. Sono localizzate in uno dei lati della membrana Alcune proteine di membrana possono muoversi liberamente entro il doppio strato, mentre altre sono ancorate ad una specifica regione. Quando delle cellule vengono fuse sperimentalmente, alcune proteine da ciascuna cellula si distribuiscono uniformemente attorno alla membrana Le membrane sono dinamiche e costantemente si formano, si trasformano, fondono e si frammentano. La composizione chimica varia a seconda della destinazione.  I carboidrati della membrana Le membrane hanno anche carboidrati sulla superficie esterna che servono da siti per il riconoscimento per altre cellule e molecule, adesione cellulare e conferiscono resistenza e stabilità alla cellula (legami a H tra gruppi glucidici).  I carboidrati della membrana Glicolipidi: carboidrato + lipide Glicoproteine: carboidrato + proteina (proteoglicano: proteina con + molecole carboidrati e + lunghe) Le cellule si organizzano in tessuti tramite riconoscimento cellulare e adesione cellulare. Questi processi possono essere studiati nelle cellule delle spugne. Le cellule sono facilmente separabili e tendono a tornare insieme nuovamente nella stessa posizione. Il riconoscimento ha una specificità di specie. L’adesione tra cellule può avvenire tramite l’interazione tra i carboidrati (dei glicolipidi e glicoproteine) o tra proteine ( a seconda dei gruppi chimici esposti in superficie). Il legame delle cellule è solitamente omotipico: lo stesso tipo di molecola emerge da entrambe le cellule e forma un legame. Alcuni legami sono eterotipici: le cellule hanno molecole diverse (es. spermatozoo e cellula uovo hanno proteine diverse ma siti di legame complementari).  Le giunzioni cellulari Le giunzioni cellulari sono strutture specializzate che tengono insieme le cellule: Giunzioni strette (tight junctions) Desmosomi Giunzioni intervallate (gap junctions)  GIUNZIONI STRETTE Impediscono alle sostanze di penetrare negli spazi tra una cellula e l’altra (es. Cellule che rivestono la vescica)  DESMOSOMI Tengono unite le cellule ma a differenza delle giunzioni strette, permettono il passaggio di materiali nello spazio extracellulare. (ancorano filamenti intermedi)  GIUNZIONI COMUNICANTI Sono canali che consentono alle sostanze di passare tra le cellule (es. Rapida diffusione di correnti elettriche nel cuore). Le membrane cellulari possono anche aderire alla matrice extracellulare (composta da proteine fibrose quali il collagene, proteoglicani gelatinosi, ed altre proteine). Integrità al tessuto. La proteina transmembrana integrina collega la matrice (all’esterno delle cellule) con i filamenti di actina all’interno delle cellule. IL PASSAGGIO DI SOSTANZE ATTRAVERSO LA MEMBRANA Le membrane hanno una permeabilità selettiva: alcune sostanze possono attraversarle, ma altre no (ioni e molecole polari). Due processi attraverso cui le sostanze attraversano le membrane biologiche: Trasporto passivo: no richiesta energia esterna (secondo gradiente di concentrazione). Trasporto attivo: è richiesta energia. (contro gradiente di concentrazione).  TRASPORTO PASSIVO: LA DIFFUSIONE Diffusione: processo di movimento netto e direzionale di molecole che si verifica quando tra due regioni di una soluzione esiste una differenza di concentrazione. In tal caso, il movimento avviene da regioni a maggior concentrazione verso regioni a minor concentrazione fino al raggiungimento dell’equilibrio La diffusione funziona molto bene sulle brevi distanze (es.: entro una cellula). Le particelle in una soluzione si muovono in modo casuale fino ad essere uniformemente distribuite. La diffusione è un processo causato dall’agitazione termica della materia.  Le particelle si muovono secondo il loro gradiente di concentrazione (differenza di concentrazione di una stessa specie chimica tra due volumi adiacenti). si disperdono da regioni a concentrazione più elevata a regioni a concentrazione più bassa. All’equilibrio, quando le particelle sono distibuite uniformemente, le particelle continuano a muoversi, ma non c’è cambiamento netto nella distribuzione/concentrazione. Se poniamo una soluzione di saccarosio nella metà di un recipiente, separata con un setto dall’altra metà piena di acqua, e successivamente togliamo il setto, il processo diffusivo immediatamente ha inizio. Un certo numero di molecole passa casualmente per effetto dell’agitazione termica dal compartimento 1 al compartimento 2. Con il passare del tempo la probabilità del passaggio da 1 a 2 diminuisce e aumenta la probabilità di un passaggio di molecole da 2 a 1 fino a quando le molecole risulteranno distribuite uniformemente in tutto il recipiente  La velocità di diffusione dipende da: Diametro delle molecole o ioni (+ piccolo è, + diffondono rapidamente) Temperatura della soluzione (temperatura maggiore, maggiore movimento e rapida diffusione) Gradiente di concentrazione (maggiore è il gradiente, più rapidamente una sostanza diffonde)  LA DIFFUSIONE ATTRAVERSO LA MEMBRANA Le proprietà della membrana influenzano la diffusione dei soluti. Se una membrana è permeabile ai soluti, questi si muovono facilmente attraverso di essa fino a raggiungere l’equilibrio. Se è impermeabile a certi soluti, non passano e le concentrazioni possono essere diverse in comparti separati.  Il trasporto passivo comporta la diffusione secondo due modalità: Diffusione semplice: Diffusione facilitata: Piccole molecole apolari Molecole elettricamente cariche solubili nei lipidi passano o polari (H20, amminoacidi, attraverso il doppio strato strato zuccheri, ioni) non possono fosfolipidico (CO2, O2, passare facilmente il doppio glicerolo) strato fosfolipidico. Passano tramite proteine canale o proteine di trasporto.  Interessa molecole elettricamente cariche o Diffusione polari (H20, amminoacidi, zuccheri, ioni). facilitata (passiva) No richiesta di energia Trasporto secondo gradiente e facilitato da: proteine canale: proteine integrali di membrana che formano un canale. Mettono direttamente in comunicazione i due ambienti separati dalla membrana Selettività per la sostanza proteine di trasporto (carrier): proteine di che trasportano membrana che legano alcune sostanze e, dopo una transizione conformazionale, accelerano la loro diffusione attraverso il doppio strato  PROTEINE CANALE Le proteine-canale formano nella membrana dei «pori» attraverso i quali transitano a grande velocità gli ioni inorganici e le molecole d’acqua. Pertanto, il trasporto mediato da proteine canale avviene molto più velocemente rispetto a quello operato dalle proteine di trasporto (carrier), le quali, invece, stabiliscono un vero e proprio legame con le particelle da trasportare ed operano il trasporto attraverso cambiamenti conformazionali più o meno complessi.  Osmosi La diffusione di un solvente attraverso una membrana semipermeabile L’acqua può attraversare una membrana muovendosi attraverso speciali canali chiamati acquaporine (PROTEINE CANALE). Dipende dalle concentrazioni relative delle molecole d’acqua in ciascun lato della membrana. Dipende dalle concentrazioni relative delle molecole d’acqua in ciascun lato della membrana. La concentrazione di molecole di acqua libera è minore dove aggiungo il sale Dipende dalle concentrazioni relative delle molecole d’acqua in ciascun lato della membrana. Le molecole di acqua libera si muovono da dove sono più concentrate (dove non c’è il sale) a dove lo sono meno fino a raggiungere l’equilibrio osmotico (o isotonicità) La concentrazione di molecole di acqua libera è minore dove aggiungo il sale Due soluzioni sono dette isotoniche: quando hanno uguale concentrazione del soluto Una soluzione si dice ipotonica: quando ha una minore concentrazione di soluto rispetto a un’altra Una soluzione si dice ipertonica: quando ha una maggiore concentrazione di soluto rispetto a soluto un’altra RIASSUMENDO… Se due soluzioni sono separate da una membrana che permetta all’acqua, ma non ai soluti, di attraversarla: L’acqua diffonderà dalla regione a maggior concentrazione d’acqua (minor concentrazione del soluto) alla regione a bassa concentrazione d’acqua (maggior concentrazione del soluto). L’acqua diffonderà (movimento netto) attraverso la membrana da una soluzione ipotonica ad una soluzione ipertonica. La tonicità della cellula si riferisce alla soluzione esterna alla cellula confrontata con quella interna alla cellula  PREMIO NOBEL PER LA CHIMICA 2003 MacKinnon per le basi fisiche della selettività ionica Peter Agre per la scoperta del canale dell'acqua (le acquaporine)  Canali ionici Complesso proteico con un «poro idrofilico» che lascia passare gli ioni Trasporto passivo di IONI mediante diffusione facilitata (secondo gradiente) Una proteina o più proteine o subunità (3-6) disposte in cerchio a formare le pareti di un poro idrofilico  Canali ionici Il poro idrofilico si aspre sui due lati della membrana Selettività agli ioni: diametro poro, struttura e gruppi R (amminocidi con carica elettrica positive o negative)  Esempio di canale ionico Ogni subnuità è costituita da una catena polipeptidica o Canali ionici è una sola proteina gigante che si ripiega più volte nello spessore della membrana formando le diverse subunità. In generale per molti canali ionici (come ad esempio nel II caso di quelli voltaggio-dipendenti) ogni subunità comprende diversi segmenti transmembrana collegati da anse intracellulari ed extracellulari.  Ai fini della costituzione del filtro di selettività, riveste particolare interesse l’ansa tra il segmento 5 e il segmento 6. Canali ionici Quest’ansa, detta anche ansa P (poro), è rivolta verso l’interno della molecola, affondata nello spessore della membrana II  L’organizzazione a cerchio di 4 anse P contribuisce a formare la parete interna del poro come una sorta di imbuto molecolare, la cui porzione più stretta Canali ionici rappresenta il filtro di selettività. II  CANALI IONICI SENZA PORTA (NON-GATED CHANNELS) Tutte le cellule sono dotate di canali ionici che sono sprovvisti di porta «non gated channels». Tali canali si trovano sempre nello stato aperto. Essi conferiscono alla membrana una conduttività di base che è una componente fondamentale per la genesi del potenziale di membrana in tutte le cellule.  CANALI IONICI SENZA PORTA (NON-GATED CHANNELS) Il flusso ionico che passa attraverso i canali non-gated è denominato leakage (perdita), perché tende a dissipare i gradienti ionici presenti a cavallo della membrana. Sono conosciuti vari tipi di canali di leakage: canali del Na+ canali del K+ canali del Cl- canali del Ca2+  CANALI IONICI CON PORTA (GATED CHANNELS) La maggior parte sono controllati (“gated”): possono essere chiusi o aperti al passaggio degli ioni. Permettono di variare la concentrazione intracellulare di ioni liberi e modificare il potenziale elettrico di membrana (differenza di carica elettrica fuori/dentro la cellula)  Alcuni canali hanno una condizione di refrattarietà: transitoria incapacità di riaprirsi nuovamente anche al perdurare dello stimolo (es., per occlusione temporanea del lume del poro). Canale voltaggio-dipendente del Na+  Alcuni canali hanno una condizione di refrattarietà: transitoria incapacità di riaprirsi nuovamente anche al perdurare dello stimolo (es., per occlusione temporanea del lume del poro). Canale voltaggio-dipendente del Na+  Alcuni canali hanno una condizione di refrattarietà: transitoria incapacità di riaprirsi nuovamente anche al perdurare dello stimolo (es., per occlusione temporanea del lume del poro). Canale voltaggio-dipendente del Na+  Il canale si apre quando la proteina è stimolata a cambiare forma tramite: Un segnale chimico (ligando) Una differenza di carica elettrica (controllo dal potenziale di membrana) Altre modalità (es., sollecitazione meccanica: porta connessa ad una struttura citoscheletrica  CANALI REGOLATI DAL POTENZIALE DI MEMBRANA Nel citoplasma della cellula, così come nel liquido extracellulare sono disciolti diversi tipi di ioni. La loro concentrazione non è però uguale dai due lati della membrana citoplasmatica. Il potenziale di membrana ( Vm ) corrisponde alla differenza di potenziale elettrico tra interno ed esterno della cellula, cioè alla differenza tra interno ed esterno nel numero di cariche positive e negative portate dagli ioni: - 70 mV (millivolt) nei neuroni  CANALI REGOLATI DAL POTENZIALE DI MEMBRANA Depolarizzazione: ingresso nella cellula di cationi (o uscita di anioni) causa un aumento del potenziale di membrana (avvicinamento verso lo «zero») Iperpolarizzazione: ingresso nella cellula di anioni (o uscita di cationi) causa una diminuzione del potenziale di membrana (allontamamento dallo «zero»)  CANALI REGOLATI DAL POTENZIALE DI MEMBRANA Canali voltaggio-dipendenti: canali regolati dal potenziale di membrana. Tipicamente hanno 4 subunità. Si aprono quando il potenziale di membrana di depolarizza fino a raggiungere un valore soglia: cambiano conformazione e si apre il poro idrofilico.  CANALI REGOLATI DAL POTENZIALE DI MEMBRANA Canale voltaggio-dipendente del Na+: Una sola proteina che si ripiega più volte formando 4 subunità Una ragione (S4) contiene amminoacidi elettricamente carichi che agiscono da sensori del voltaggio. Percepiscono l’intensità del campo elettrico.  CANALI REGOLATI DAL LIGANDO Canali regolati dal ligando o recettori-canale (intracellulare o extracellulare). Hanno il poro idrofilico e un sito di legame che lega una molecola (ligando) Formazione di un complesso recettore-ligando (deboli legami: legami idrogeno, ionici, interazioni Van der Waals…)  Alcune caratteristiche: La formazione del complesso recettore-ligando dipende da un impatto casuale del ligando con il sito (maggiore è la concentrazione del ligando e maggiore è la probabilità di formazione del del complesso) Il complesso recettore-ligando è reversibile (ligando si stacca, viene degradato o liberato nell’ambiente)  Il sito legame può (in molti casi) legare molecole simili al ligando Agonisti: mimano l’effetto del ligando, inducendo l’apertura del poro Antagonista: impedisce il legame del ligando, impedisce l'attivazione del recettore bloccando l’apertura del poro. Competitivo: legame reversibile (dipende da concentrazione ligando e antagoinista). Non competitivo: legame irreversibile  Si possono legare molecole diverse dal ligando (modulatori allosterici) che potenziano o inibiscono l’apertura del canale  Trasportatori di membrana Trasporto di MOLECOLE POLARI idrofile (zuccheri e amminoacidi) Presentato un sito di legame delle molecola (interno o esterno alla cellula) Con la formazione del legame segue un cambiamento della conformazione e il passaggio del soluto.  Svolgono trasporto: Passivo (diffusione facilitata) Attivo primario: uso di ATP Attivo secondario: sfrutta gradiente di concentrazione ionica Le proteine trasportatrici trasportano molecole polari come il glucosio attraverso le membrane, in entrambe le direzioni. Il glucosio si lega alla proteina, induce un cambiamento di forma e il rilascio del glucosio nell’altro lato.  Saturabilità Differenza tra diffusione semplice e facilitata Diffusione semplice: La velocità del trasporto delle molecole è PROPORZIONALE all’ aumento di concentrazione della molecola (ed è senza potenziali limiti)  Diffusione facilitata: La velocità di diffusione è limitata dal numero di proteine trasportatrici nella membrana cellulare. Quando tutti i trasportatori sono caricati col soluto, il sistema di diffusione è saturato.  Diffusione facilitata Diffusione semplice Es. Le cellule che richiedono molta energi (es: cellule muscolari) hanno molti trasportatori del glucosio.  TRASPORTO ATTIVO Trasporto di una molecola dal compartimento dove la concentrazione è minore a dove la concentrazione è maggiore (contro un gradiente di concentrazione e/o elettrico). Richiede energia (La fonte di energia è spesso l’adenosina tri-fosfato: ATP). TRASPORTO ATTIVO + energia  Il trasporto attivo è direzionato. Esistono tre tipi di proteine: Uniporto: sposta una sola sostanza in una direzione  Il trasporto attivo è direzionato. Esistono tre tipi di proteine: Uniporto: sposta una sola sostanza in una direzione Simporto: sposta due sostanze diverse nella stessa direzione Trasportatori accoppiati (portano più di Antiporto: sposta due sostanze diverse in direzioni opposte una molecola Trasporto attivo PRIMARIO: richiede idrolisi diretta di ATP. Trasporto attivo SECONDARIO: l’energia deriva da un gradiente di concentrazione elettrochimico di uno ione stabilito da un trasporto attivo primario. I trasporti attivi secondari dipendono strettamente dai trasporti attivi primari che utilizzano ATP per mantenere i gradienti di concentrazioni necessari per il trasporto attivo secondario.  TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO Pompa sodio–potassio (Na+–K+). Si trova in tutte le cellule animali. La pompa è una proteina integrale di membrana (un antiporto).  TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO Pompa sodio–potassio (Na+–K+). Si trova in tutte le cellule animali. La pompa è una proteina integrale di membrana (un antiporto).  TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO Pompa sodio–potassio (Na+–K+). Si trova in tutte le cellule animali. La pompa è una proteina integrale di membrana (un antiporto).  TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO Pompa sodio–potassio (Na+–K+). Si trova in tutte le cellule animali. La pompa è una proteina integrale di membrana (un antiporto). Mantiene gradiente transmebrana di ioni Na+ e K+ Bilancio elettrico: mantiene la negatività nel citoplasma  TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO Nel trasporto attivo secondario, l’energia può essere “ri-guadagnata” lasciando che gli ioni fluiscano attraverso la membrana secondo il gradiente di concentrazione. E’ sfruttato nell’importazione di amminoacidi e zuccheri. Usa simporti ed antiporti.  TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO Il trasporto attivo (usa anergia) del soluto sfrutta il trasporto passivo dello ione accoppiato (diffusione) TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO Trasporto a5vo Lume secondario intes*no Diffusione facilitata CLASSIFICAZIONE DEI TRASPORTI IN BASE ALLA RICHIESTA ENERGETICA CLASSIFICAZIONE DEI TRASPORTI IN BASE ALLA RICHIESTA ENERGETICA CLASSIFICAZIONE DEI TRASPORTI IN BASE ALLA RICHIESTA ENERGETICA CLASSIFICAZIONE DEI TRASPORTI IN BASE ALLA RICHIESTA ENERGETICA CLASSIFICAZIONE DEI TRASPORTI IN BASE ALLA RICHIESTA ENERGETICA  IL PASSAGGIO DI SOSTANZE CON VESCICOLE Le macromolecole (proteine, polisaccardi, acidi nucleici) sono troppo grandi per attraversare la membrana. Essi possono essere assunti o secreti tramite vescicole membranose.  ENDOCITOSI Processo che porta molecole o cellule all’interno di una cellula. La membrana plasmatica si ripiega o si invagina attorno al materiale, formando una vescicola  Tre tipi di endocitosi: Fagocitosi: molecole o cellule intere vengono inglobate. Alcuni protisti si alimentano in questo modo. Alcuni globuli bianchi inglobano sostanze estranee in questo modo. Si forma un vacuolo alimentare o fagosoma, che poi si fonde con un lisosoma. Pinocitosi: si forma una vescicola che importa piccole sostanze disciolte o fluidi nella cellula. Le vescicole sono molto più piccole rispetto alla fagocitosi. La pinocitosi è costante nelle cellule endoteliali (capillari).  L’endocitosi mediata da recettore è altamente specifica: Dipende da recettori proteici: proteine integrali di membrana situate sul lato extracellulare che legano specifiche sostanze. Fagocitosi Pinocitosi Endocitosi mediata da rece:ore Il recettore si lega al suo ligando e la fossette sprofonda formando la vescicola che allontana dalla membrana. I siti di endocitosi sono chiamati fossette rivestite: sono rivestiti con altre proteine quali le clatrine che irrobustiscono la vescicola che si forma. La vescicola dentro la cellula si spoglia del guscio di clatrine. Si forma una vescicola in cui si raccolgono i recettori che tornano alla membrana. La vescicola primaria si fonde con un lisosoma che digerisce contenuto. Le cellule di mammifero assumono colesterolo mediante endocitosi mediata da recettore. Nel fegato, il colesterolo è impaccato in lipoproteine a bassa densità (LDL), secrete nel flusso sanguigno. Le cellule che necessitano di colesterolo hanno recettori per le LDL in fossette rivestite di clatrina.  ESOCITOSI Il materiale nelle vescicole è espulso dalla cellula. I materiali non digeriti vengono espulsi. Altri materiali che lasciano le cellule sono gli enzimi digestivi e i neurotrasmettitori