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LE MEMBRANE BIOLOGICHE Le cellule sono delimitate da membrane biologiche, le barriere che separano l’interno e l’esterno delle cellule. Le membrane biologiche sono strutture dinamiche in quanto la loro conformazione può cambiare nel tempo e da tessuto a tessuto; possono essere considerate barri...

LE MEMBRANE BIOLOGICHE Le cellule sono delimitate da membrane biologiche, le barriere che separano l’interno e l’esterno delle cellule. Le membrane biologiche sono strutture dinamiche in quanto la loro conformazione può cambiare nel tempo e da tessuto a tessuto; possono essere considerate barriere alla permeabilità in quanto impediscono alle molecole utili di passare all’esterno e a molecole indesiderate di passare all’interno. Le membrane biologiche contengono sistemi di trasporto, che conferiscono una permeabilità selettiva (cioè a determinate molecole utili). Oltre alla membrana cellulare esterna, detta membrana plasmatica, le cellule eucariotiche possiedono anche membrane endocellulari, che delimitano i confini di organelli come mitocondri, cloroplasti, perossisomi e lisosomi.  La composizione e l'architettura delle membrane Per comprendere la funzione delle membrane è necessario conoscere la loro composizione, per esempio determinare quali componenti sono comuni a tutte le membrane e quali invece sono tipici di membrane con funzioni specifiche. Ogni tipo di membrana ha una composizione in lipidi e proteine caratteristica Per esempio, alcuni neuroni hanno un rivestimento di mielina, un'estensione della membrana plasmatica che si avvolge molte volte attorno alla cellula e agisce da isolante elettrico passivo. I rivestimenti di mielina sono costituiti principalmente da lipidi. CERCHI CONCENTRICI DI MEMBRANA PLASMATICA Mentre le membrane plasmatiche dei batteri, dei mitocondri e dei cloroplasti, su cui avvengono molti processi metabolici catalizzati da enzimi, contengono più proteine che lipidi (in termini di massa rispetto alla massa totale). Composizione lipidica È evidente che le cellule devono avere dei meccanismi atti a controllare la natura e la quantità dei lipidi sintetizzati. per poi indirizzare lipidi specifici verso particolari organelli. Ogni specie, ogni tessuto e ogni tipo di cellula hanno un corredo caratteristico di lipidi di membrana. Per esempio, le membrane plasmatiche sono ricche di colesterolo e le membrane mitocondriali sono molto povere di colesterolo e di sfingolipidi,  Composizione proteica Il tipo di proteine varia ancor di più della composizione lipidica, e riflette una specializzazione funzionale. Inoltre, alcune proteine di membrana sono legate covalentemente agli oligosaccaridi per esempio, nella glicoforina, una glicoproteina della membrana plasmatica eritrocitaria, il 60% della massa è costituito da complessi oligosaccaridici legati covalentemente a specifici residui amminoacidici. Le glicoforine sono delle proteine transmenbrana che giocano un ruolo fondamentale nel permettere l’attacco del citoscheletro alla membrana cellulare. Tra queste la glicoforina A, prima proteina di membrana di cui sia stata determinata la sequenza amminoacidica, mediante la sua elevata concentrazione di cariche negative portate dall’acido sialico, consente agli eritrociti di respingersi l’un l’altro. Questa caratteristica impedisce agli eritrociti di ammassarsi quando circolano nei vasi più sottili del circolo sanguigno. Tuttavia, l’importanza di questa proteina è legata anche ad un altro aspetto. Gli individui i cui eritrociti mostrano scarsa “glicoforina A” sono protetti dal contrarre la Malaria. La proteina infatti è anche il recettore del plasmodio della malaria, il quale utilizza il legame con questa proteina per essere veicolato all’interno dell’eritrocita. Tutte le membrane biologiche hanno alcune proprietà fondamentali in comune Le catene di acidi grassi all'interno della membrana formano una regione fluida e idrofobica. Le proteine integrali galleggiano In questo mare di lipidi, mantenute nella posizione corretta da Interazioni delle catene laterali non polari del loro amminoacidi con Il nucleo Idrofobico della membrana. Sia le proteine che i lipidi sono liberi d i muoversi lateralmente nel plano del doppio strato lipidico, mentre il ribaltamento da un lato all'altro della membrana rlsulta assai dlfficoltoso. I residui dei carboidrati legati ad alcune proteine e ad alcuni lipidi della membrana plasmatica sono esposti sulla superficie extracellulare della membrana. distribuzione del lipidi di membrana di una cellula. Ciascuna membrana è caratterizzata da una propria composizione caratteristica, ma anche i due monostrati che costituiscano una data membrana possono differenziarsi tra loro per la composizione in lipidi Le differenze nella distribuzione dei lipidi tra i foglietti della membrana plasmatica hanno conseguenze biologiche. Per esempio, Per molti tipi cellulari l'esposizione sulla superficie esterna della fosfatidilserina rappresenta un segnale che porta la cellula alla distruzione mediante morte programmata Il movimento delle molecole di fosofolipidi tra un foglietto e l’altro del doppio strato della membrana è catalizzato e regolato da proteine specifiche  Proteine di membrana SI possono distinguere tre tipi di proteine, che differiscono tra loro per i l modo in cui sono associate alla membrana Le proteine integrali di membrana interagiscono mediante interazioni non polari con l’intero doppio strato della membrana, cioè attraversano tutta la membrana. Le proteine periferiche di membrana si legano alle membrane principalmente per mezzo di interazioni elettrostatiche e di legami idrogeno con le teste polari dei lipidi. Le proteine anfitropiche si trovano sia nel citosol che in associazione con le membrane. In alcuni casi la loro affinità per le membrane è dovuta all'interazione non covalente con una proteina o un lipide di membrana  Le proteine Integrali L’associazione molto forte delle proteine integrali con le membrane dipende da interazioni idrofobiche tra i lipidi di membrana e i domini idrofobici delle proteine. In alcune proteine vi è una 1. sola sequenza idrofobica al centro della proteina (come nella glicoforina}, 2. oppure nella regione amminoterminale o carbossiterminale; 3. diverse sequenze idrofobiche, ognuna abbastanza lunga da attraversare il doppio strato lipidico Possono servire come recettori, canali, trasportatori di ioni o soluti, possono trasferire elettroni. Instaurano relazioni con il doppio strato grazie a forze di Wan der Waals Le proteine Integrali Una delle proteine più studiate fra quelle che attraversano la membrana è la batteriorodopsina, con sette sequenze a elica interne molto idrofobiche che attraversano sette volte il doppio strato lipidica La batteriorodopsina è una pompa protonica innescata dalla luce ed è disposta in schiere molto ravvicinate Nella sequenza della batteriorodopsina vi sono sette 'a elica che nella membrana purpurea del batterio attraversa la membrana. Le sette eliche sono raggruppate insieme e sono disposte quasi perpendicolarmente al piano del Halobacterium salinarum. doppio strato, generando un percorso transmembrana per il passaggio dei protoni. Questa struttura a sette eliche idrofobiche che attraversano la membrana è un motivo comune a molte proteine di membrana coinvolte nella trasduzione del segnale Studi cristallografici condotti su proteine di membrana hanno rivelato che spesso le proteine cristallizzate contengono molecole di fosfolipidi, Molti di questi fosfolipidi giacciono sulla superficie delle proteine, con le teste polari che interagiscono con i residui amminoacidici polari sulle interfacce La struttura cristallina dell'acquaporina di pecora membrana-acqua e con le catene un canale transmembrana per l'acqua, presenta un idrocarburiche che si associano ai residui guscio di molecole fosfolipidiche poste con le loro teste non polari. Questi lipidi anulari formano polari (In blu) nella loro posizione normale nel fogllettl un avvolgimento intorno alla superficie Interno ed esterno della membrama e con le loro catene della proteina (anello), orientato aciliche idrofobiche (in giallo chiaro) strettamente associate alla superficie della proteina esposta verso il all’incirca come nel doppio strato lipidico doppio strato. I lipidi formano un "'involucro lipidico di membrana "intorno alla proteina, indicata in blu scuro  la Porina Alcune proteine attraversano la membrana sotto forma di fogli arrotolati pieghettati b. Queste formazioni proteiche sono a forma di botte e formano i pori attraverso i quali possono passare acqua e altre sostanze La porina è una proteina di membrana che si trova principalmente sulla membrana plasmatica dei batteri fa parte di una classe di proteine di membrana formate essenzialmente da b-foglietti, senza a-eliche. La disposizione dei foglietti b è molto semplice: ciascuna catena b è legata a quella adiacente tramite legami idrogeno in modo antiparallelo, formando in tal modo un foglietto b. Il foglietto b si avvolge su sé stesso formando un cilindro cavo, cioè un poro o canale, che attraversa la membrana. l’interno del canale è prevalentemente idrofilico e può riempirsi di acqua. Questa disposizione di superfici polari e non polari è resa possibile dall’alternanza di residui idrofobici e idrofilici lungo ciascuna catena b.  PROTEINE DI MEMBRANA LEGATE AI LIPIDI Ancorano le proteine alla membrana Alcune proteine di membrana sono ancorate covalentemente a uno o più lipidi di tipo diverso: acidi grassi a catena lunga, isoprenoidi o derivati glicosilati del fosfatidilinositolo, GPI. Questi lipidi si comportano da ancore idrofobiche che si inseriscono nel doppio strato lipidico e mantengono l a proteina esposta sulla superficie della membrana. molte proteine hanno più di un lipide legato. l’associazione con la membrana di queste proteine ancorate per mezzo dei lipidi è certamente più debole di quella delle proteine integrali di membrana PROTEINE DI MEMBRANA LEGATE AI LIPIDI: Oltre al semplice ruolo strutturale, i lipidi che ancorano le proteine svolgono una funzione di "bersaglio" (targeting), poiché dirige la proteina verso la sua corretta posizione sulla membrana. zattere (raft) lipidiche Nella struttura a mosaico gli strati lipidici formano una matrice fluida viscosa nella quale sono immerse la proteine Questa fluidità consente ad alcune proteine di subire spostamenti laterali sul piano della membrana, tranne per quelle ancorate al citoscheletro o quelle che fanno parte delle zattere (raft) lipidiche, microdomini meno fluidi formati da sfingolipidi e colesterolo microdomini lipidici meno fluidi, formati principalmente da sfingolipidi,colesterolo e proteine specifiche, formano zattere di trasporto di componenti di membrana, e piattaforme per la genesi di segnali intracellulari per mezzo di proteine specifiche.  I raft sono microdomini planari, privi di caveolina, composti da sfingolipidi e colesterolo strettamente 'impaccati', così da assumere lo stato liquido-ordinato che costituiscono una piattaforma, nella quale si concentrano specifiche proteine Le caveolae invece rappresentano una sottoclasse di microdomini lipidici da cui si differenziano per la presenza della proteina Caveolina come marcatore molecolare LE CAVEOLE: sono piccole invaginazioni della membrana plasmatica presenti in molti tipi cellulari ma particolarmente abbondanti nelle cellule endoteliali, negli adipociti, nei fibroblasti e nelle cellule muscolari liscie. sono rivestite da caveolina una proteina dimerica che lega il colesterolo Le caveole sono coinvolte nella interiorizzazione di componenti della membrana plasmatica, di ligandi extracellulari, di tossine batteriche. Una crescente lista di patogeni, inclusi virus, batteri e loro tossine, funghi e anche prioni puo’ interagire con i domini di membrana delle caveolae; il traffico intracellulare di questi agenti tramite le caveolae differisce notevolmente dalla classica internalizzazione dei ligandi tramite endocitosi mediata da clatrina in quanto tale via permette loro di evitare la degradazione lisosomiale ruolo della caveolina nella curvatura verso intemo della membrana. Le curvature e la fusione della membrana sono fondamentali per molti processi biologici La caveolina non è l'unica proteina che induce la formazione di curvature nelle membrane. Le variazioni nella curvatura sono essenziali per quello che è forse il processo più interessante che coinvolge le membrane: la loro capacità di fondersi con membrane diverse, senza perdita di continuità.  STRUTTURA DEI DOMINI BAR: curvatura delle membrane una superfamiglia di proteine contenenti i domini BAR (cosi chiamati dal nome dei primi tre membri della famiglia che sono stati identificati: BIN1, anfifisina e RVS167) può formare un'impalcatura a forma di mezza luna che si lega alla superficie della membrana forzandone o favorendone la curvatura. - Le proteine SNARE: catalizzano le reazioni di fusione della membrana nel trasporto vescicolare: v-SNARE (presenti sulle membrane delle vescicole), t-SNARE (presenti sulle membrane bersaglio) Il riconoscimento della membrana bersaglio e la fusione con essa dipendono di proteine di membrana nelle vescicole e nel bersaglio. La fusione libera il contenuto della vescicola e aggiunge la sua membrana a quella del bersaglio (meccanismo di addizione di membrana). Un esempio ben caratterizzato di fusione di membrana è la fusione che avviene a livello delle sinapsi, quando le vescicole intracellulari piene di neurotrasmettito ri si fondono con la membrana plasmatica.  Adesione e giunzioni cellulari Alcune famiglie di proteine integrali della membrana plasma:ca fungono da elemen: di giunzione fra le cellule, o fra le cellule e le proteine della matrice extracellulare. i diversi :pi cellulari che compongono un un organismo pluricellulare per funzionare in maniera integrata hanno speciali giunzioni di superficie che mediano l'adesione cellula-cellula e cellula-matrice extracellulare. Le cellule aderiscono tra loro e alla matrice extracellulare tramite proteine di superficie cellulare chiamate MOLECOLE DI ADESIONE CELLULARE (CAM), che possono o meno essere dipenden: dal calcio.. Le principali classi di molecole coinvolte nell’adesione e nella formazione delle giunzioni: Caderine :legami omofilici Calcio dipendenti Selettine :legami eterofilici Calcio dipendenti Integrine: legami eterofilici Calcio dipendenti Molecole di Adesione con domini immunoglobulinici: legami omofilici Calcio Indipendenti GIUNZIONI CELLULARI Queste molecole partecipano alla realizzazione di giunzioni cellulari. Le giunzioni sono strutture che possono permettere la formazione di connessioni forti di sostegno, impedire il passaggio intercellulare di materiali, stabilire una rapida comunicazione. Si tratta di una segnalazione di tipo diretto attraverso giunzioni.  Giunzioni strette Le giunzioni strette sigillano le cavità del corpo. Esse sono costituite da bande sottili che circondano completamente la cellula e sono in contatto con un'altra cellula. La giunzione stretta è formata da una rete di creste costituite da particelle sottostanti i microvilli. E' stato dimostrato che la giunzione stretta si comporta come una barriera per la diffusione di lipidi e proteine, dalla porzione apicale a quella basolaterale delle cellule epiteliali. Proteine principali: CLAUDINE (di diverso tipo, presenti diversamente nelle giunzioni strette) e OCCLUDINE (funzione incerta, si associano con proteine periferiche intracellulari di membrana chiamate PROTEINE ZO -zona occludens- che ancorano i filamenti al citoscheletro di actina) Le giunzioni aderenti (o giunzioni ancoranti) sono giunzioni meccaniche che funzionano come una sorta di cerniera lampo che provvede a mantenere le cellule in posizioni fisse all'interno dei tessuti. Sono, quindi, largamente distribuite in tessu= sogge> a for= stress meccanici come il tessuto cardiaco, muscolare ed epidermide. Inoltre, una cara'eris+ca peculiare è quella di conne'ere il citoscheletro di una cellula o al citoscheletro di cellule adiacen+ o alla matrice extracellulare Le adesioni focali e Le giunzioni aderen; e gli emidesmosomi che perme6ono alle i desmosomi che tengono cellule di a6accarsi alla matrice insieme le cellule e sono formate extracellulare e sono formate dalle da proteine transmembrana della proteine transmembrana della famiglia famiglia delle caderine; delle integrine  Giunzioni Aderenti Esistono in varie forme e sono presenti anche in molti tessuti non epiteliali -Proteine transmembrana della famiglia delle caderine - formano una “cintura di adesione” sotto le giunzioni strette -punti di attacco tondeggianti o a striscia che connettono indirettamente i filamenti di actina corticali di 2 cellule interagenti. Il fascio contrattile di filamenti di actina si trova adiacente alla cintura orientato in senso parallelo alla membrana - importanti nella morfogenesi Giunzioni mediate da caderine: 1. ZONULAE ADHERENS Banda continua di molecole di caderina che unisce le membrane laterali delle cellule epiteliali. Questa regione contiene le α- e β- catenine, che associano le molecole di E-caderina presenti sulla membrana plasmatica ad un fascio anulare intercellulare di actina e miosina. Nelle giunzioni aderenti sono presenti molte delle proteine che mediano le adesioni focali, comprese la vinculina, la tropomiosina e l’ α-actina. In associazione con la zonula adherens, il fascio anulare intercellulare funziona come una fune portante che sostiene dall’interno la cellula e che, di conseguenza ne controlla la forma DESMOSOMI Un desmosoma e’ formato da placche proteiche di adesione attaccate alla superficie citosolica delle membrane plasmatiche di cellule adiacenti e collegate da proteine transmembrana di connessione. Le placche sono costituite soprattutto da placcoglobina, una proteina molto simile alla β- catenina. Le proteine transmembrana di connessione, chiamate desmogleina e desmocollina, appartengono alla famiglia delle caderine. Si legano alla placcoglobina ed ad altre proteine delle placche e si estendono nello spazio intercellulare, dove interagiscono tra loro formando una rete che unisce due cellule assieme.  GAP Junctions le giunzioni GAP permettono il passaggio di piccole molecole tra le cellule adiacenti. Quasi tutte le cellule animali che vengono in contatto tra di loro hanno regioni di giunzioni caratterizzate da uno spazio ben definito riempito di un complesso di particelle. Le particelle cilindriche all'interno di questo spazio rendono questo tipo di giunzione un canale di comunicazione cellula-cellula, in maniera che il citoplasma di una cellula si continui con quello dell'altra. Le giunzione GAP presenti nel cuore sono fondamentali per il suo funzionamento. Le cellule muscolari cardiache (che formano un tessuto muscolare particolare) sono interconnesse da giunzione serrate. Come avviene in altri muscoli, la contrazione delle cellule muscolari cardiache è innescata da un aumento del Ca2+ citosolico. La diffusione del calcio attraverso le giunzioni serrate, coordina il battito di tutte le cellule muscolari di un settore del cuore. Il battito sincrono dei vari settori determina il battito cardiaco. Anomalie della conduzione attraverso le giunzioni serrate possono disincronizzare la contrazione delle cellule provocando la fibrillazione piuttosto che la contrazione. Superfamiglia delle Immunoglobuline (IgSF) E’ una delle più estese e diversa famiglia proteiche del genoma, con più di 750 membri. Le proteine della IgSF possiedono uno o più domini tipo Ig che sono omologhi all’unità strutturale di base delle molecole di immunoglobuline (anticorpi). La maggior parte dei membri della IgSF sono proteine della membrana plasmatica e molte sono «Cell Adhesion Molecules» (CAMs). Alcune delle molecole più rappresentative di questa famiglia sono: NCAMs - molecole di adesione cellulare neurale; ICAM-1 - molecola di adesione cellulare intercellulare; VCAM-1 - molecola di adesione cellulare vascolare; PECAM-1 - molecola di adesione cellulare piastrinico- endoteliale; Il trasporto di membrana La membrana plasma:ca deve consen:re alla cellula di scambiare materiali con l’ambiente esterno, in par:colare sostanze nutri:ve, ioni, materiali di rifiuto ed altre sostanze Perché le sostanze diffondano aGraverso il doppio strato lipidico, è necessario che questo sia permeabile ad esse Il doppio strato fosfolipidico permette il libero passaggio, dell'acqua, di gas (O2, CO2) e di piccole molecole liposolubili (prive di carica), come ammoniaca, urea, etanolo e glicerolo Il trasporto di molecole che non possono passare per diffusione semplice avviene tramite proteine di trasporto della membrana PASSAGGIO MEDIATO DA TRASPORTATORI Speci=iche proteine di trasporto assicurano il passaggio di ioni e molecole idrosolubili (elettricamente cariche) Il trasporto transmembrana può essere: - Trasporto passivo secondo gradiente, senza dispendio di energia - Trasporto attivo, contro gradiente, con dispendio di energia DIFFUSIONE SEMPLICE dalla regione a maggior concentrazione verso quella a minor concentrazione, fino a che i due compartimenti non raggiungono una concentrazione di soluto uguale DIFFUSIONE FACILITATA Le proteine di membrana che accelerano il passaggio di un soluto attraverso una membrana per diffusione facilitata vengono chiamate trasportatori oppure permeasi I trasportatori e I canali ionici sono molto diversi I trasportatori legano i loro substrati con alta stereospecificità, catalizzano i l trasporto a velocità inferiori. rispetto a quella della diffusione e sono saturabili come gli enzimi: I canali permettono il movimento transmembrana a velocità più elevate rispetto a quelle dei trasportatori e si avvicinano al limite della diffusione libera. I canali presentano una qualche Non è richiesta energia perché ciò che spinge le molecole è la specificità per uno ione, ma non differenza di concentrazione dai due la+ della membrana sono saturabili con un substrato,. I canali permettono semplicemente allo Ione di fluire lungo Il suo gradiente elettrochlmlco, mentre le pompe possono far muovere un substrato contro un gradiente di concentrazione. TRASPORTATORE DEL GLUCOSIO NEI GLOBULI ROSSI : GLUT 1 Esempio di proteina trasportatrice (carrier)  TRASPORTO ATTIVO D: Trasporto primario (contro gradiente) C & E: Trasporto secondario: - C Uniporto - E Simporto Nelle cellule animali, la Na+K+ ATPasi mantiene le dif- ferenze tra le concentrazioni extracellulari e citosoliche di Na+ e K+; il gradiente risultante di Na+ è utilizzato come fonte di energia in molti processi di trasporto atti- vo secondario.