LEZIONE 4 (08-03-2022).docx

**STRUTTURA DELLA MEMBRANA** **Lezione 8/03** **[FUNZIONI DELLA MEMBRANA CELLULARE]** \- Definisce i confini cellulari e dei compartimenti (nelle cellule procariotiche sono presenti membrane che definiscono l'interno e l'esterno della cellula, nelle cellule eucariotiche vi è un ulteriore comparti...

**STRUTTURA DELLA MEMBRANA** **Lezione 8/03** **[FUNZIONI DELLA MEMBRANA CELLULARE]** \- Definisce i confini cellulari e dei compartimenti (nelle cellule procariotiche sono presenti membrane che definiscono l'interno e l'esterno della cellula, nelle cellule eucariotiche vi è un ulteriore compartimentalizzazione in strutture delimitate da membrana intracellulare ad es. l'involucro nucleare, membrana plasmatica, strutture vescicolari costituite da doppi strati fosfolipidici), mantenendo le differenze essenziali tra il citosol e lo spazio extracellulare o tra il citosol e il lume di ciascun organello. \- Definisce i gradienti di concentrazione, e nel caso di soluti dotati di una carica, quindi ioni, o molecole cariche, oltre a definire il gradiente di concentrazione si definisce anche il gradiente elettrico, sempre dovuto a differenze di concentrazione della molecola fra 2 compartimenti separati dalla membrana. **gradiente elettrochimico** = gradiente di concentrazione chimico **gradiente elettrico** = soluti carichi I gradienti elettrochimici sono importanti fonti di energia per la cellula, quest\'ultima può sfruttare questi gradienti ionici per produrre energia e catalizzare reazioni. Questi gradienti elettrochimici hanno anche un\'importante funzione di segnalazione in determinati tipi cellulari delle cellule animali (es.cellule nervose e cellule muscolari) → [cellule elettricamente eccitabili] che sono in grado di rispondere a una corrente elettrica. Questa eccitabilità di alcuni tipi cellulari è una caratteristica definita proprio da questi gradienti elettrochimici (differenze di concentrazioni di ioni fra 2 compartimenti che possono essere ad esempio: lo spazio extracellulare e il citosol). Questi tipi cellulari sfruttano questi gradienti per trasmettere segnali elettrici. Il 50% della massa cellulare della membrana plasmatica è costituita da proteine, e il restante 50% è costituito da lipidi. Questa componente proteica ha diverse funzioni tra cui la funzione di trasmettere segnali extracellulari all\'interno della cellula. Questa segnalazione è una [trasduzione del segnale], cioè è la codifica di un segnale all\'interno della cellula che deriva dall'interazione di un ligando extracellulare con uno specifico recettore (che spesso è collocato sulla membrana plasmatica) e che determina una risposta della cellula caratterizzata dall\'attivazione di una serie di meccanismi molecolari (es. aumento della proliferazione, riduzione della proliferazione, quiescente cellulare, apoptosi, sopravvivenza cellulare, divisione mitotica, differenziamento). Quindi le membrane cellulari hanno numerose funzioni fondamentali nella biologia della cellula. **[STRUTTURA DELLA MEMBRANA]** Nonostante queste diversificazioni di funzioni, tutte le membrane condividono una struttura che è costituita da un doppio strato fosfolipidico. - NB = I lipidi più abbondanti sono i FOSFOLIPIDI, mentre i fosfolipidi più abbondanti sono i FOSFOGLICERIDI. Le proteine di membrana possono avere diverse funzione : 1. 2. 3. 4. **[COMPONENTI LIPIDICHE DELLE MEMBRANA]** Nell\'immagine vi sono 4 diversi modi di raffigurare la stessa molecola fosfogliceride nel caso della fosfatidilcolina. - - NB = oltre alla tipologia di acidi grassi (saturi e insaturi) presenti nei fosfolipidi, un\'importante differenza è relativa alla lunghezza delle catene di acidi grassi (il cui numero di atomi di carbonio varia da 14 a 24). Un\'altra importante componente delle membrane cellulari, oltre ai fosfolipidi, è costituita dal **colesterolo**. Il **colesterolo** è costituito da una porzione rigida formata da struttura ad anello, e una porzione alifatica (lineare). - - Per la loro struttura anfipatica, i fosfolipidi per questioni energetiche tendono a disporsi in modo da porre le teste polari a contatto con l\'acqua e le code idrofobiche lontane dall\'acqua, in strutture che possono essere costituite in ***micelle*** o in ***doppi strati.*** Essi tendono ad assumere queste configurazioni per una questione di minima energia libera, ma allo stesso modo, però, i foglietti costituiti da doppi strati fosfolipidici non sono in una conformazione stabile dal punto di vista energetico, perché la conformazione aperta implica un diretto contatto dell\'acqua (ambiente circostante acquoso) con porzioni idrofobiche che costituiscono la parte interna bianca del doppio strato fosfolipidico. Per questo motivo il doppio strato tenderà ad assumere una conformazione chiusa in modo da ridurre al massimo il contatto fra porzioni idrofobiche e l\'acqua. La chiusura del doppio strato va a definire una compartimentazione, fra quello che può essere l\'interno e l\'esterno della cellula, oppure il lume del reticolo endoplasmatico rispetto al citosol. Con lo stesso razionale con cui i doppi strati fosfolipidici assumono queste conformazioni energicamente stabili, allo stesso modo, essi vengono spontaneamente saldati all\'interno di una cellula. Infatti se all\'interno di una membrana della cellula avviene una rottura del doppio strato fosfolipidico, spontaneamente, attraverso la fusione di vescicole costituite da doppi strati fosfolipidici, queste rotture vengono saldate. NB = Quest\'ultimo concetto vale per tutti gli strati fosfolipidici presenti all\'interno della cellula, ma il compartimento più suscettibile a insulti meccanici esterni che possono danneggiare il doppio strato fosfolipidico è la [membrana plasmatica.] Nella membrana plasmatica coesistono 2 meccanismi: 1. 2. **[MOVIMENTI DEI FOSFOLIPIDI]**  Il doppio strato fosfolipidico è dotato di una forte fluidità , in cui i vari componenti lipidici, in particolare i fosfolipidi, sono in grado di muoversi all\'interno dell membrana stessa e di andare incontro a una serie di movimenti: - - - - **[FOSFOLIPIDI]** 1. 2. Esempi di ruolo funzionale della asimmetria: 1\) [PKC (protein chinasi c)]= una serina/treonina chinasi che è una proteina in grado di fosforilare altre proteine nei residui di serina e treonina; è coinvolta nelle vie di segnalazione intracellulari. La PKC necessita per la sua attivazione delle interazioni con la fosfatidilserina, la quale può essere localizzata solo nel foglietto citosolico della membrana. 2\) [Fosfatidilinositolo] = è un fosfolipide minore che è rappresentato nel foglietto citosolico della membrana plasmatica. E' un importante substrato per la produzione di altri fosfoinositidi che sono importanti nella segnalazione intracellulari e nel trasporto di membrana. 3\) [Fosfolipasi C] = enzima in grado di tagliare i fosfoinositidi, in particolare taglia la molecola fosfatidilinositolo-4-5-bisfosfato per dare 2 molecole di diacil-glicerolo e inositol-trifosfato che fungono da mediatori della segnalazione intracellulare (trasduzione del segnale). 4\) PS (fosfatidilserina) = è l\'unico fosfolipide che ha la testa polare carica (-) ed è presente solo sul foglietto citosolico della membrana plasmatica. In seguito all\'attivazione dell' apoptosi (morte cellulare programmata) la fosfatidilserina viene traslocata dal foglietto citosolico al foglietto extracellulare della membrana, l\'esposizione della PS su quest\'ultimo foglietto è un segnale di morte cellulare (apoptosi) che viene recepito attraverso specifici recettori, presenti sui fagociti professionali (es macrofagi) ovvero cellule che sono deputate alla fagocitosi, per eliminare cellule morte o morenti che devono essere eliminate con un meccanismo fisiologico dell\'organismo. **[GLICOLIPIDI]**  I glicolipidi costituiscono una bassa percentuale delle molecole lipidiche del foglietto extracellulare della membrana plasmatica. Nei batteri e vegetali quasi tutti i glicolipidi derivano dal *glicerolo*, mentre nelle cellule animali sono costituite principalmente a partire dalla *sfingosina* (substrato per la produzione della sfingomielina e dei glicolipidi). Molecole di glicolipidi: a. b. I glicosidi presentano un\'asimmetria di distribuzione che analogamente a quella dei fosfolipidi può avere un significato funzionale. Esempi: - - - **[FOSFOINOSITIDI ]** Le fosfoinositide sono molecole che derivano da fosfatidilinositolo, che è una componente minore che costituisce meno del 10% delle membrane cellulari, però ha un importante ruolo di segnalazione cellulare e del traffico vescicolare. A\) In questa immagine è rappresentato il fosfatidilinositolo che è costituito da una molecola di glicerolo esterificata a due acidi grassi (saturi e insaturi) di diversa lunghezza e sia al gruppo fosfato che è legato a sua volta ad una molecola di zucchero di nome **inositolo.** Inositolo è la porzione del fosfatidilinositolo che è soggetta a modificazioni mediante fosforilazione di diversi residui presenti sull'anello dell'inositolo. Questa fosforilazione avviene da parte di **lipide chinasi,** ovvero enzimi che sono in grado di fosforilare i lipidi. C\) In questa immagine è rappresentata la fosforilazione dei residui 3 e 4 sull\'anello inositolico, in modo da avere una molecola che prende nome di "fosfatidilinositolo 3, 4 bisfosfato". Queste molecole di fosfoinositidi sono importanti sia per la trasduzione del segnale, perché fungono da ligandi per specifici recettori, e sia per il traffico vescicolare; questo perché sia nel traffico vescicolare che nella segnalazione del segnale ci sono proteine che presentano dei domini (figura E e F) che sono in grado di riconoscere specificamente un fosfolipide oppure un altro, e che possono poi essere reclutate nelle membrane che presentano questi fosfoinositidi. Rispetto al fosfatidilinositolo e gli altri fosfoinositidi, abbiamo una serie di enzimi fra i quali i lipidi chinasi che fosforilano ad esempio il fosfatidilinositolo per dare **fosfatidil inositolo-trifosfato**, e altri enzimi fosfatasi che defosforilano uno specifico fosfoinositide per darne un altro. Quindi una serie di enzimi che catalizzano le fosforilazioni e le defosforilazioni di fosfoinositidi per convertire questo fosfoinositide in un'altra molecola che ha un altro significato di segnalazione o di smistamento delle vescicole intracellulari. **ESEMPIO DEL RUOLO DI UN FOSFOINOSITIDE (**fosfatidilinositolo 4,5 bifosfato) - - - - Ad esempio per l'esocitosi è coinvolta un altro fosfoinositide, cioè il fosfatidilinositolo 4 fosfato, che medierà un meccanismo analogo a quello che abbiamo visto prima per l'endocitosi sul foglietto citosolico di altri compartimenti intracellulari, per mediare il processo di esocitosi. **[Fagocitosi]**= un processo di internalizzazione di componente extracellulare (che possono essere cellule morte oppure batteri) da parte di fagociti professionali, cioè cellule che sono deputate a questa funzione (principalmente i macrofagi); e questa internalizzazione di strutture grossolane come ad esempio le cellule batteriche, richiede la formazione di estroflessioni della membrana plasmatica, che avvengono solo dove si va a localizzare il segnale legato ad un altro fosfoinositide. Questo per dire quanto siano importanti i fosfoinositidi e la loro distribuzione sul foglietto citosolico di vari compartimenti intracellulare, nel determinare il destino di vescicole e la formazione di queste vescicole di trasporto. La maggior parte dei doppi strati lipidici è assemblata nel reticolo endoplasmatico, e in particolare nel foglietto citosolico del reticolo endoplasmatico avviene la sintesi dei fosfolipidi. In questa immagine è raffigurata la sintesi fosfogliceride che è **fosfatidilcolina**: il razionale è lo stesso per quanto riguarda la sintesi degli altri fosfogliceridi (quindi la fosfatidilserina, la fosfatidiletanolamina, la fosfatidilinositolo). Quello che fa aumentare il volume del foglietto citosolico della membrana del reticolo endoplasmatico è l'incorporazione da parte della acil-transferasi di due catene lipidiche (due acidi grassi) legati ad una molecola di glicerolo, la quale va a creare un ingombro che fa aumentare il volume del foglietto citosolico della membrana plasmatica. A questa reazione segue la modificazione del fosfato, quindi l'incorporazione di quella che è poi la testa polare del nostro fosfogliceride (nel caso della fosfatidilcolina). Nel reticolo endoplasmatico vengono prodotti anche colesterolo e ceramide. Ceramide= è il risultato del legame di una molecola di sfingosina ad un altro acido grasso, per dare una molecola di ceramide: il ceramide, quindi, è il substrato per la produzione di sfingolipidi e della sfingomielina. Quindi la sintesi dei fosfogliceridi (fosfatidilserina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilcolina, oltre che i fosfatidilinositolo nel foglietto citosolico) determina un aumento del volume, con la formazione di un ingombro di uno solo dei due foglietti; vengono, quindi, sintetizzati nuovi fosfogliceridi che vengono aggiunti al suo foglietto citosolico della membrana reticolo endoplasmatico. Quindi c'è un\'asimmetria di crescita del doppio strato fosfolipidico; è un'asimmetria di crescita che deve essere risolta, compensata. A questo punto intervengono dei traslocatori di fosfolipidi, i traslocatori di fosfolipidi che intervengono in questo stadio sono le frasi **Stramblasi,** che sono traslocatori di fosfolipidi che catalizzano una distribuzione omogenea di fosfolipidi tra un foglietto e l'altro di una membrana, in modo da avere due foglietti che sono equilibrati come composizione e quindi sono uniformi, cioè non presentano quella asimmetria vista nella membrana plasmatica. Quindi la componente fosfolipidica delle membrane viene prodotta sulla membrana del reticolo endoplasmatico e da qui vengono smistate all'interno della cellula; a quel punto una componente fosfolipidica nuova può raggiungere la membrana plasmatica, che come abbiamo visto può essere caratterizzata da una profonda asimmetria di distribuzione dei fosfolipidi. Nell'immagine i fosfolipidi sono figurati con teste polari gialle sul foglietto extra cellulare, e teste polari rosse nel foglietto citosolico: A questa struttura di membrana plasmatica, quindi, vengono aggiunti nuovi fosfolipidi di derivazione dal reticolo endoplasmatico che vengono incorporati, e l'incorporazione di questi fosfolipidi rompe parzialmente questa fase di asimmetria di distribuzione dei fosfolipidi. A questo punto subentrano altri traslocatori di fosfolipidi che sono le **flippasi.** Le **flippasi** catalizzano quel movimento che avevamo definito, ***[flip-flop]*** di fosfolipidi da un foglietto all'altro, per mantenere o ripristinare la asimmetria di distribuzione dei fosfolipidi. Le **flippasi** sono quindi traslocatori di fosfolipidi. Quindi ad esempio, le flippasi interverranno in questa situazione di rottura parziale della simmetria di membrana, facendo spostare con dei movimenti di flip-flop, i fosfolipidi fosfatidilserina e fosfatidilparalamina (che sono che sono localizzate nel foglietto citosolico della membrana plasmatica) dal foglietto extracellulare a quello citosolico, in modo da mantenere l'asimmetria funzionale. Per quanto riguarda la fosfatidilserina, la sua localizzazione è a livello del foglietto citosolico della membrana plasmatica e in caso di attivazione di segnale apoptotico (morte cellulare programmata) viene esposta sul foglietto extra cellulare di una membrana plasmatica, che poi viene riconosciuta da enzimi professionali che eliminano alla cellula morta. Questo spostamento della fosfatidilserina dal foglietto citosolico a quello extracellulare è caratterizzata da una da **scramblasi,** quindi dai traslocatori di fosfolipidi che vengono attivati quando è attivata la morte cellulare programmata. Quindi di traslocatori di fosfolipidi vi sono due categorie: 1. 2. All'interno della membrana del reticolo endoplasmatico sono localizzati degli enzimi deputati alla sintesi di esteri con esterità di colesterolo, a partire da acidi grassi di colesterolo e di enzimi che catalizzano la sintesi di trigliceridi. Questi enzimi si localizzano nella membrana del reticolo plasmatico ed è in questa sede che tendono a formarsi le gocce lipidiche, quest'ultime sono strutture di immagazzinamento di molecole idrofobiche, come esteri del colesterolo o trigliceridi, che sono più o meno rappresentate in funzione del tipo cellulare che prendiamo in esame; ovviamente sono particolarmente rappresentate negli adipociti. Le gocce lipidiche fungono da storaggio (immagazzinamento) di forme neutre di colesterolo e di acidi grassi (sotto forma di trigliceridi). Queste gocce lipidiche sono costituite da un nucleo idrofobico, costituito dagli esteri del colesterolo e dai trigliceridi, delimitato da un singolo strato di fosfolipidi, che può avere una componente proteica, che gemmano dalla membrana del reticolo e fungono da accumulo di queste molecole a livello citosolico.  Il singolo strato fosfolipidico costituisce, rispetto al nucleo idrofobico ,costituisce un'interfaccia idrofilica che stabilizza queste strutture (gocce lipidiche) a livello citosolico. La componente idrofilica, quindi, è rappresentata in queste gocce lipidiche, dal singolo strato fosfolipidico e dalle proteine presenti. **PROTEINE** Le proteine possono costituire circa il 50% della massa della membrana plasmatica, con differenze significative in funzione del tipo cellulare che prendiamo un esame: - - Quindi, in funzione del tipo cellulare o della struttura cellulare abbiamo delle variazioni. Le proteine possono essere classificate in: - - [PROTEINE ASSOCIATE ALLA MEMBRANA:] sono associate, mediante interazioni non covalenti, ad altre componenti della membrana. [PROTEINE DI MEMBRANA: ] 1. 2. 3. 4. ESEMPI DI PROTEINE DI MEMBRANA: Si tratta di proteine di membrana in quanto legate covalentemente a lipidi, che possono essere acidi grassi (come l'***acido miristico e acido palmitico).*** Questi acidi grassi possono essere legati all'ammino terminale di una catena polipeptidica, oppure al gruppo SH dei residui di cisteina. Quindi l\'àncora può essere costituito da un acido grasso o da un gruppo prenilico che può essere un gruppo ***farnesilico o geranilgeranilico.***  - - - ANCORA DI ***[GLICOSILFOSFATIDILINOSITOLO:]*** presente solo in proteine localizzate nel foglietto non citosolico della membrana cellulare; in questo caso siamo a livello del lume del reticolo endoplasmatico quindi sul foglietto non citosolico della membrana cellulare che delimita il reticolo endoplasmatico. Ed è in questa sede che viene a formarsi il legame tra la componente proteica in verde e arancione, e l'ancora di ***glicosilfosfatidilinositolo***: esso è costituito da due acidi grassi legati ad una molecola di glicerolo, un gruppo fosfato, una porzione glucidica costituita da 5 residui di zuccheri, e un gruppo di fosfoetanolamina (nell'immagine è erroneamente indicato come zucchero, ma in realtà la fosfoetanolamina è costituita da un gruppo fosfato e dalla etanolamina, indicata in rosso, che fornisce che fornisce il suo gruppo amminico per formare un legame con il gruppo COOH, che viene esposto in seguito a clivaggio di questa proteina. RIASSUMENDO: sostanzialmente quello che accade dopo la sintesi di questa proteina, è che durante la sintesi viene traslocata attraverso la membrana, nel lume del reticolo endoplasmatico, mantenendo una porzione transmembrana; in seguito avviene il clivaggio di questa proteina, cioè la proteina viene tagliata e questa proteina perderà il tratto transmembrana **arancione** generando una nuova estremità carbossi terminale. Questa estremità carbossi terminale si lega al gruppo amminico della fosfatidiletanolamina, dando una proteina di membrana, che è tale in quanto legata covalentemente ad un'ancora di glicosilfosfatidilinositolo. Questo è il meccanismo attraverso il quale, dopo la sintesi proteica, vengono modificate in modo da legare covalentemente questa àncora di glicosilfosfatidilinositolo. Questo tratto transmembrana verrà poi eliminato, e quindi non sarà presente la proteina matura esposta nel lume del reticolo endoplasmatico oppure ad esempio a livello extracellulare. Abbiamo visto che i tratti transmembrana, spesso, sono costituiti da alfa eliche: ci sono proteine che presentano dei domini proteici che non sono a diretto contatto con il doppio strato fosfolipidico, e che possono prevedere delle conformazioni diverse, ad esempio delle Alfa eliche che attraversano in modo parziale lo spessore del doppio strato fosfolipidico. Queste strutture ad Alfa elica che attraversano parzialmente il doppio strato fosfolipidico, non sono a contatto con la componente idrofobica del doppio strato fosfolipidico; e queste porzioni possono essere importanti, ad esempio, per definire una selettività di un poro che è presente all'interno di un canale, e fa sì che in questa selettività definisce la permeabilità di quel canale a determinati soluti ma non ad altri. Ad esempio la permeabilità di quel canale a molecole di acqua ma non a molecole diverse, oppure è permeabile a ioni di calcio ma non ad altri ioni---\> quindi queste strutture possono definire una selettività di substrato in proteine che hanno funzioni di canali o di pori per il passaggio di molecole. Se subito dopo la sintesi della proteina, a livello della membrana del reticolo endoplasmatico, questi tratti transmembrana sono distribuiti nel doppio strato fosfolipidico, successivamente durante il ripiegamento di quella proteina potrà assumere una conformazione in cui i tratti transmembrana si associano. Ad esempio per formare un canale che presenta un foro interno. Ci sono proteine transmembrana che non utilizzano alfa eliche come proteine transmembrana, ma che sviluppano la porzione transmembrana attraverso strutture a **barile beta**, queste strutture sono particolarmente diffuse delle membrane dei procarioti e nelle membrane dei batteri. Gli esempi che vedete in questa immagine si riferiscono tutti a **barile beta**, presenti nella membrana esterna di cellule batteriche. Le strutture di barile beta possono essere riscontrate anche a livello di membrane dei mitocondri e cloroplasti. Gli esempi sopra rappresentati sono proteine che contengono domini a barile beta, e questi domini possono avere la funzione di trasporto per il malto (maltoporina) oppure per il ferro.  FepA, invece, ha una funzione, nelle cellule batteriche, di trasporto di informazioni di un poro permeabile al ferro. Altri esempi che presentano un numero minore di tratti di foglietti beta, sono costituiti da una struttura sempre a barile beta e possono avere altre funzioni. In generale, i barili beta possono presentare strutture a foglietto beta a numero variabile, da 8 a 22, quindi un range di complessità e di dimensione molto diversificato. \