Struttura Membrane PDF

29.10.24 STRUTTURA MEMBRANE Membrane delle cellule animali de niscono compartimenti all’interno della cellula, si stima che la super cie di membrana che sta dentro la cellula è una decina di volte maggiore della super cie di...

29.10.24 STRUTTURA MEMBRANE Membrane delle cellule animali de niscono compartimenti all’interno della cellula, si stima che la super cie di membrana che sta dentro la cellula è una decina di volte maggiore della super cie di membrana che avvolge la cellula, detta membrana plasmatica Membrana cellulare fatta da un doppio strato di lipidi, la loro componente idrofobica sta verso l’interno e quella idro lia verso l’esterno, presenti due catene carboniose altamente idrofobiche La membrana è estremamente sottile, ha lo spessore di due molecole di grasso, misura circa 5 nanometri La membrana, a causa della sua parte idrofobica, è particolarmente impermeabile ad una serie di sostanze La membrana plasmatica è dotata di una cospicua frazione di proteine, le così dette proteine di membrana, che si trova sulla membrana e fanno parte di essa e svolgono gran parte delle funzioni attribuire alla membrana Lipidi di membrana si dividono in: - Fosfolipidi = lipidi con fosfato, si dividono in glicerofosfolipidi, basati su glicerolo, e s ngofosfolipidi basati sulla s ngosina - Glicolipidi -> s ngolipidi basati sulla s ngosina mono o oligosaccaridi 3 tipi di lipidi : GLICEROFOSFOLIPIDI : basati su una molecola di glicerolo, formata da 3 atomi di carbonio e 3 gruppi-OH, su 2 di questi gruppi -OH sono esteri cati 2 acidi grassi, sul terzo carbonio del glicerolo è attaccato un gruppo fosfato altamente polare, idro lico e a pH siologico è carico. Nella membrana ci sono diversi tipi di glicerofosfolipidi che di erenziano tra loro sia in base alle catene carbonio sia in base al gruppo polare legato covalentemente al fosfato SFINGOLIPIDI: non hanno il glicerolo ma si basano sulla molecola s ngosina, una molecola carbonio lineare che porta due gruppi ossidrile e un gruppo amminico. La s ngosina è la base sulla quale si attacca un acido grasso sul gruppo -NH2. Molecola è polare con testa idro lica e due code idrofobiche. Non hanno il fosfato tutti tranne uno ovvero la S ngomielina che ha fosfato usl primo gruppo ossidrilico. Questa si trova nelle membrane delle cellule nervose dove costituisce le guaine mieliniche Etanolasmmina e polimina a pH siologico hanno carica + che neutralizza la carica - del fosfato, quindi per quanto siano molto polari non sono carichi Nella fosfadilserina è l’unico fosfolipide di membrana che ha una carica negativa netta GLICOLIPIDI: lipidi modi cati con degli zuccheri, molecola sportante è uno S ngolipide, sul gruppo -OH delpirmo carbonio può essere attaccato uno o più zuccheri, se è attaccato solo uno zucchero è un monosaccaride, se invece ce una catena rami cata di zuccheri abbiamo un oligosaccaride. La varietà zuccheri che fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi ff fi fi fi  possono essere legati ai lipidi contribuisce a di erenziare le membrane, per esempio i gruppi sanguigni dipendono principalmente da oligosaccaridi Esiste un solo lipide di membrana che ha uno zucchero basato sul glicerolo cioè il fosfatidil-inositolo (glicerolo, 2 acidi grassi e 1 fosfato sulla quale è attaccato uno zucchero). Questo può essere fosforilato rappresentando un segnale per innescare alcune risposte cellulari TRIGLICERIDI : molecole in cui sul glicerolo sono esteri cati tre acidi grassi, hanno funzione di riserva, tessuto di isolamento termico o fonte energetica FLUIDITA’ MEMBRANA Fluidità di un sottile strato di lipidi è in uenzata da un certo numero di parametri. Membrana cellulare risente della temperatura, tende ad essere più solida in condizioni di bassa temperatura, è più uida in condizione di alta temperatura. Queste caratteristiche dipendono anche dalla composizione di fosfolipidi: - se c’è una prevalenza di catene sature, quindi di acidi grassi con struttura lineare, questi si impaccano più facilmente e avranno minore uidità - acidi grassi insaturi che comportano una deviazione nella struttura della catena carbonio porteranno a maggiore uidità COLESTEROLO : terza classe di fosfolipidi, fatto da una sola catena, ha una componente idrofobica che è planare ed è una struttura ad anelli rigida tipica degli steroidi Ha una coda non troppo lunga e una componente polare formato da un singolo -OH Colesterolo è altamente idrofobico fatto salvo per il gruppo ossidrile che guida il suo orientamento Nella membrana plasmatica il colesterolo si mette tra le code idrofobiche dei fosfolipidi, orientato in modo da avere gruppo -OH verso l’esterno Colesterolo in uenza le caratteristiche meccaniche della membrana in più modi: cambiando rigidità In uenzando la uidità Presenza del colesterolo cambia anche la permeabilità della membrana Colesterolo prodotto dal fegato e mandato poi in circolo. È un importante precursore per ormoni steroidei e sali biliari Esistono molecole simili al colesterolo anche in altri organismi: - piante : stigmasterol - Funghi : ergosterol ASSIMETRIA MEMBRANA Molecole stanno vicino le une le altre per interazioni, si possono muovere liberamente non hanno legami chimici, ognuno dei lipidi può ruotare su se stesso e puo di ondere in due dimensioni. Non può però passare da un lato all’altro della membrana fl fl fl fl fl fl ff fl fi ff Il passaggio di un lipide da una faccia della membrana all’altra richiede l’intervento di un enzima, infatti per la grossa componente polare, poter attraversare lo strato altamente idrofobico è molto di cile I due lato della membrana non sono uguali: - Nel foglietto rivolto verso spazio extracellulare tendiamo a trovare i glicolipi, cioè lipidi coniugati con gli zuccheri - Nella faccia interna della membrana si trova la fosfatidilserina (che sta solo qua) che ha carica elettrica negativa che contribuisce a formare di erenzia di potenziale fra le due facce Il fatto che il foglietto esterno abbia opposizione diversa da quella del foglietto interno ci da un asimmetria della membrana La faccia citoplasmatica della membrana è anche rivolta verso il citoplasma nelle vescicole che identi cano gli organelli, mentre la faccia della membrana rivolta verso il lume degli organelli corrisponde al foglietto della membrana rivolto verso l’esterno Il lume degli organelli rivestiti da membrana corrisponde all’esterno ella cellula C’è infatti uno scambio di membrana da quella plasmatica a quella degli organelli che si esercita attraverso la formazione di vescicole che si staccano da un compartimento e vanno a fondersi con l’altro preservando la composizione dei due foglietti 7.11.24 Membrana è sottile strato di lipidi e rappresenta il con ne della cellule. Ha una serie di funzione più complicate oltre a de nire i con ni: attraverso al membrana la cellula interagisce con il mondo che la circonda, ad esempio vuol dire agganciarsi al substrato, agganciarsi ad altre cellule, riceve informazioni sul mondo esterno. Tra queste informazioni si intendono anche segnali provenienti da altre cellule come ormoni Cellula deve scambiare materiale con l’esterno, attraverso la membrana passano determinate molecole in modo regolato. Questo è importante per regolare concentrazione sostanze all’interno della cellula e per eliminare sostanza tossiche. Funzione quindi di ltro selettivo attivo Membrana deve essere in grado di cambiare forma e dimensioni per adattarsi ai cambiamenti a cui va incontro la cellula Tutte queste funzioni sono svolte da proteine che si trovano sulla membrana e che conferiscono e mediano tutte le funzioni della membrana PROTEINE DI MEMBRANA Si possono dividere in 4 categorie: 1. Proteine del trasporto di sostanze divide in due classi: TRASPORTATORI e CANALI PROTEINE DI ANCORAGGIO: proteine che agganciano la cellula ad altre cellule o al substrato. Fatte in modo di attraversare la membrana e avere una componente che si aggancia a qualcosa che sta fuori la cellula e una componente che si aggancia a fi fi ffi fi fi fi ff  qualcosa che sta dentro la cellula. Queste proteine si agganciano alla matrice extracellulare o altre cellule da una parte, e dall’altro parte al citoscheletro 2. RECETTORI : si occupano di recepire i segnali, legano molecole che si trovano all’esterno della cellula, le riconoscono in modo speci co e innescano una risposta biologica dentro la cellula. Sono proteine che attraversano al membrana, hanno una parte esterna che riconosce il segnale e una parte interna che trasmette il segnale ad altre componenti cellulari 3. ENZIMI : per esempio enzimi che maturano e sintetizzano nuovi fosfolipidi, enzimi che si occupano di modi care fosfolipidi….. Enzimi che devono svolgere la funzione sulla membrana e non nel citoplasma - PROTEINE INTEGRALI DI MEMBRANA —> Tutte queste proteine hanno almeno una parte di catena polipeptidica che sta da entrambe le parti della membrana, attraversano quindi la membrana con una sequenza di amminoacidi idrofobici che hanno la catena laterale R non polare. Proteine di membrana possono attraversare la membrana con un solo dominio o possono attraversarla molte volte - Esistono proteine che non attraversano il doppio strato fosfolipidico ma sono agganciate alla membrana mediante un legame covalente a un lipide Proteine di membrana di ondono liberamente nel doppio strato lipidico. MOSAICO FLUIDO 1. Prendendo una cellula di topo e mettiamo in un piatto. 2. In un altro piatto prendiamo cellula umana e la marchiamo di verde. 3. Causiamo al fusione delle due cellule 4. Subito dopo la fusione la cellule è meta topo, meta umana 5. Dopo un po non è più chiara la distinzione a metà ma c’è stata una di usione Se proteine di ondo della membrana come si de niscono i compartimenti? Ci sono due modi: uno è agganciare ??????, l’altro è creare delle giunzioni che separano delle regione della membrana da altre regioni ff fi ff fi fi ff  PASSAGGIO SOSTANZE Immaginando di avere solo il doppio strato fosfolipidico sulla membrana senza le proteine: molecole piccole non polari (come gas O2, CO2, N2, ormoni-steroidei) passano tranquillamente attraverso la membrana, passano per di usione Molecole piccole polari passano per di usione (H2O, etanolo, glicerolo) queste sostanze sono polari, non sono cariche, riescono a di ondere ma non in modo e ciente Molecole polari prive di cariche ma più grandi non di ondono, non c’è un passaggio spontaneo attraverso la membrana Ioni anche se sono molto piccoli non di ondono attraverso la membrana Membrana è permeabile a piccole molecole non polari, mediamente permeabile a piccole molecole polari purché non siano cariche ed è impermeabile a tutto il resto, soprattuto a ioni Molecola che passa liberamente attraverso la membrana di onde, per DIFFUSIONE si intende che c’è qualcosa più concentrato da un lato della membrana e meno concentrato dall’altro. Avverrà un passaggio attraverso la membrana no a raggiungere una condizione di equilibrio, di usione avviene da dove c’è maggiore concentrazione verso dove c’è minore concentrazione Perche avvenga la di usione non c’è bisogno di energia esterna, energia necessaria per raggiungere l’equilibrio è intrinseca nella di erenza di concentrazione che rappresenta un gradiente Questo principio si applica anche all’acqua, al solvente: attraverso al membrana passa un po di acqua inoltre alcune membrane sono dotate di acquaporine che servono proprio al passaggio i acqua. Quindi attraverso la membrana anche l’acqua si può muovere e lo fa mediante il principio dell’OSMOSI Interno della cellula comporta una forte pressione osmotica, se destabilizziamo la membrana in un ambiente acquoso la cellula subito si gon a e si rompe La soluzione siologica è proprio una soluzione che preserva l’equilibrio osmotico dei uidi Cellule animali pompano ioni fuori e dentro la membrana per gestire l’equilibrio osmotico alcune cellule eucariotiche che vivono in acqua dolce pompano l’acqua nel vacuolo per gestire la pressione osmotica Molecole che non passano attraverso di usione semplice devono essere trasportate TRASPORTO DI MEMBRANA ha 2 funzioni: 1. Regolare e controllare il passaggio di tutte quelle molecole che non possono di ondere 2. Generare e preservare delle di erenze di concentrazione in particolare di ioni In particolare Na+ è molto più concentrato all’esterno che non all’interno, mentre K- è più concentrato all’interno rispetto che all’esterno, Ca2+ è più concentrato..… fl ffi ff fi ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff fi fi ff Il mantenimento di questi gradienti sono molto importanti e costosi dal punto di vista energetico Esistono proteine che stanno sulla membrana, proteine integrali di membrana, che si possono distinguere in base a come sono fatte in 2 classi: classe dei TRASPORTATORI (VETTORI): proteine che si possono aprire da un lato o dall’altro della membrana e legare una certa sostanza spostandola eventualmente da un compartimento all’altra. Oscillano tra uno stato in cui sono aperte verso un lato e uno stato in cui sono aperte verso l’altro lato CANALI: Proteine di membrana che generano un poro acquoso al loro interno attraverso cui possono passare un certo tipo di molecole La maggioranza dei trasportatori si occupa di un unico tipo di soluto (UNIPORTO) ma esistono trasportatori che sono in grado di trasportare due molecole contemporaneamente e si dividono in 2 categorie: SINPORTO: portano 2 molecole nella stessa direzione ANTIPORTO: portano una molecola in una direzione e una nella direzione opposta TRASPORTO PASSIVO trasporto che avviene secondo il gradiente di concentrazione. La molecola che viene trasportata si sposta dal compartimento dove è a maggiore concentrazione verso il compartimento a minore concentrazione Questo trasporto non richiede energia dall’esterni, energia per il passaggio del soluto è intrinseca nel gradiente di concentrazione Puo essere mediato da due categorie di proteine: vettori (trasportatori) e canali TRASPORTO ATTIVO Soluto è trasportato contro il suo gradiente di concentrazione, avviene solo se viene fornita extra energia La DIFFUSIONE NON è trasporto !!!!!! Tuttavia in molti testi il trasporto passivo è chiamato di usione facilitata GRADIENTE puo essere un gradiente non solo di concentrazione ma anche di carica La membrana cellulare ha una polarità elettrica, in particolare la membrana delle cellule animali ha carica negativa verso interno e positiva verso esterno, c’è di erenza di potenziale fra i due lati di membrana che contribuisce a generare un gradiente anche rispetto le cariche In alcuni casi si parla non solo di gradiente di concentrazione ma anche di gradiente elettrochimico ff ff  TRASPORTO PASSIVO (mediato da vettore) Per passare attraverso la membrana il soluto deve legarsi ad un vettore che poi deve rilasciarlo, il legame fra il trasportatore e il soluto è altamente speci co (come enzima- substrato). Questo fa si che la cinetica della velocità con cui passa il soluto è diversa All’aumentare del gradiente la velocità di passaggio aumenta ma poi raggiungere un limite oltre in quale non può andare perché è limitato dal vettore, raggiungere sempre una velocità limite Per questo il trasporto non è di usione ma visto che segue i principi della di usione, ovvero va da più a meno concentrazione per raggiungere equilibrio, viene chiamato di usione facilitata Di usione facilitata pero di erenzia dalla di usione perchè ha bisogno di un trasportatore TRASPORTO PASSIVO (canali ionici) Selezionano i soluti principalmente per le dimensioni e la carica elettrica Esistono diverse modalità per aprire e chiudere canali: alcuni sono regolati dalla di erenza di potenziale che tiene chiusi i canali ma se viene alterata il canale si apre facendo entrare o uscire gli ioni Esistono canali regolati da un ligando, quindi in presenza o assenza di alcune molecole il canale si apre o chiude. Canale può avvenire da fuori o anche da dentro, esistono canali che si aprono grazie ad una molecole che viene dal citoplasma Canali si aprono e chiudono deformando la membrana, quindi con uno stress meccanico 12.11.24 TRASPORTO ATTIVO Richiede energia ATP è ribonucleotide utilizzato come fonte di energia - Ci sono una classe di trasportatori che usano l’energia ricavata dall’idrolisi dell’ATP per spingere sostanze contro gradiente - Esistono poi trasportatori, detti accoppiabili, in cui una sostanza passa secondo il proprio gradiente e l’energia libera associata a questo passaggio viene sfruttata dalla pompa per far passare un’altra sostanza contro gradiente - esistono poi rari casi di trasportatori attivi foto-alimentati, ovvero utilizzano la luce TRASPORTO ACCOPPIATO È presente più glucosio all’interno del citoplasma rispetto all’esterno della cellula, al contrario è presente un forte gradiente elettrochimico del sodio per cui abbiamo molto più sodio fuori della cellula. Il trasportatore è in grado di legare sia sodio che glucosio ma l’a nità per il glucosio dipende dal fatto che il trasportatore leghi o no il sodio In presenza di sodio il vettore ha un alta a nità per il glucosio ff ff ffi ff ff ff ffi ff fi ff  Viene utilizzata l’energia del trasporto del sodio per trasportare il glucosio contro gradiente In questo caso sodio e glucosio banno nella stessa direzione, quindi sono sinporto, ma esistono casi in cui vanno in direzioni opposte POMPA SODIO-POTASSIO Sodio ha forte gradiente per cui è più concentrato all’esterno rispetto interno, ione potassio è più concentrato all’interno e meno concentrato all’esterno Il vettore idrolizza l’ATP e va incontro ad un ciclo per cui ad ogni ciclo spinge contro gradiente 3 ioni sodio verso l’esterno e contemporaneamente spinge 2 ioni potassio all’interno della cellula contro gradiente Il vettore utilizza l’energia dell’idrolisi di ATP La pompa non genere solo un gradiente chimico ma anche un gradiente elettrico perché ad ogni ciclo escono 3 cariche positive ma ne entrano solo 2. Contribuisce quindi a creare una di erenza di potenziale Il continui usso di ioni contribuisce anche a mantenere l’osmolarità TRASPORTATORI DI CALCIO Nel citoplasma il calcio ha concentrazione molto bassa ma dentro la cellula ci sono compartimenti dove calcio viene accumulato. Il movimento di Ca2+ nelle membrane cellulari è fondamentale in quanto è in grado di legare una serie di proteine nella cellula alterandone l’attività Troviamo trasportatori attivi sulla membrana di alcuni organelli e sulla membrana plasmatica Il funzionamento di questi trasportatori dipende dall’idrolisi di ATP TRASPORTATORI ABC (ATP Binding Cassette) Trasportatori caratterizzati dall’avere 2 domini proteici che attraversano la membrana (alfa eliche) e due domini che stanno nel citoplasma. I domini citosolici legano e idrolizzano l’ATP in modo da ricavare energia utile a modi care la conformazione del complesso. L’idrolisi dell’ATP da parte di questi vettori consente di trasportare una varietà di molecole contro il loro gradiente Al contrario della pompa del calcio o pompa sodio-potassio, questa classe di trasportatori non sono speci ci per una determinata molecola ma tendono a trasportare molecole organiche in generale Hanno funzione detossi cante che in contesto farmacologico può essere problematica perché ci sono trasportatori che sono coinvolti nell’escrezione di farmaci e sostanze idrofobiche (MDR), cellule diventano cosi resistenti ad un determinato farmaco (Es: cellule tumorali che acquisiscono resistenza per un certo farmaco) fl ff fi fi fi  CFTR Legato a brosi cistica che è malattia genetica causata da mutazioni di trasportatori ABC chiamato CFTR Trasportatore attivo del tipo ABC ma è un trasportatore del cloruro, le mutazioni a livello della sequenza della proteina fanno si che la proteine non è ripiegata bene e venga degradata dal sistema di controllo, quindi cellule dell’epitelio polmonare producono poco di questa proteina o producono una proteina che non funziona. Questa proteine pompa fuori cloruro, l’acqua segue per osmosi e quindi contribuisce a mantenere un certo livello di idratazione nella parte esterna dell’epitelio polmonare Se proteina CFTR non c’è il usso di ioni cloruro non avviene e il muco diventa meno uido, questo genere un ambiente ottimale per la crescita di batteri e infezioni fl fi fl