Lezione 09
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27 APRILE Prova in itinere La cellula introduzione Macromolecole: DNA e cromatina Proteine DNA replicazione Trascrizione Traduzione Controllo dell’epressione genica Citoscheletro Organelli Membrana plasmatica e trasporto 15 domande in 45 min (3 min/domanda) TUTTI QUESTI PROCESSI NECESSITANO DI ENERGIA NEI MECCANISMI 1 E 3 LA PROTEINA MANTIENE LA SUA CONFORMAZIONE Traslocatori proteici situati nella membrana NEL MECCANISMO 2 LA PROTEINA DEVE DISTENDERSI Viaggiano a bordo di vescicole di trasporto per andare dal RE all’Apparato di Golgi, endosomi, lisosomi e superficie cellulare Esocitosi costitutiva ed esocitosi regolata (ormoni, muco , enzimi digestivi) Per arrivare ai lisosomi i materiali destinati alla degradazione fanno percorsi diversi Fagocitosi Pinocitosi Autofagia (degradazione di parti consumate della cellula) 1. La cellula deve saper rispondere a sollecitazioni dell’ambiente (sensori) 2. Le sostanze alimentari devono entrare i prodotti di rifiuto uscire (canali) 3. La membrana cresce se la cellule cresce (si estende aggiungendo nuova membrana), la membrana si può deformare senza strapparsi Struttura della Membrana • Le membrane cellulari consistono in un doppio strato continuo di molecole lipidiche in cui sono immerse le proteine. • Le molecole lipidiche della membrana presentano sia regioni idrofiliche sia regioni idrofobiche. Molecole anfipatiche (idrofobiche, idrofiliche) in azzurro testa idrofilica Galattosio fosfatidil Fosfatidilcolina La molecola della fosfatidilcolina è il fosfolipide più comune nella membrana cellulare, è costituita da cinque parti: i. colina, ii. fosfato (H3PO4, Pi, ione), iii. glicerolo, iv. coda idrocarburica (acido grasso insaturo/saturo), v. coda idrocarburica (i-iii, testa idrofilica, iv-v, coda idrofobica) Molecola idrofilica stabiliscono legami IDROGENO con le molecole di acqua Molecola idrofobica non stabiliscono legami con le molecole di acqua Le molecole d’acqua formano legami idrogeno tra loro e racchiudono la molecola idrofoba apolare in una sorta di gabbia Le molecole dei grassi sono idrofobiche Le molecole fosfolipidiche sono anfipatiche (idrofobiche, idrofiliche) in azzurro testa idrofilica • Poste in soluzioni acquose, si associano spontaneamente in doppi strati e formano comparti chiusi capaci di autosigillarsi se lacerati. La forma sferica è stabile perché evita alle code idrocarburiche idrofobiche di rimanere esposte all’acqua Essenziale per la sopravvivenza della cellula Meccanismo tale per cui la membrana si ripara (buchi) quando si rompe La membrana cellulare è flessibile si piega: 25 nm dimensione minima delle vescicole che può racchiudere Meno di una volta al mese per molecola lipidica La membrana cellulare è fluida i fosfolipidi si spostano e si scambiano di posto con gli altri PIU’ FLUIDA SE: 1- catene acidi grassi sono più corte, <14-24 atomi di Carbonio 2- se le catene di acidi grassi sono INSATURI (più doppi legami, maggiore capacità di legare H e di formare anse laterali) 3- meno colesterolo La membrana cellulare è asimmetrica Colina e sfingomielina Serina e etanolammina e fosfatidilinositolo • Il doppio strato lipidico è asimmetrico, i fosfolipidi ed i glicolipidi si distribuiscono in modo asimmetrico • Fasfatidilcolina (rosso), sfingomielina (marrone), fasfatidilserina (verde chiaro), fasfatidilinositolo (verde scuro), fasfatidiletanolamina (giallo) • Tutte le molecole glicolipidiche (azzurri) si trovano nel monostrato esterno della membrana, il colesterolo (grigio) si distribuisce equamente su entrambi i lati Faccia citosolica della membrana Faccia non citosolica della membrana Le vescicole membranose hanno origine per gemmazione e fusione dagli organelli citoplasmatici (es. Golgi) e mantengono una polarità (i glicolipidi sono nella metà della membrana non rivolta al citosol) Classe funzionale Esempio di proteina Funzione specifica Vettori Pompa Na+ Pompa attivamente Na+ fuori dalla cellula e K+ dentro la cellula Connettori molecole di adesione Integrine Collegano i filamenti intracellulari di actina a proteine della matrice extracellulare Recettori Recettore del fattore di crescita piastrinico (PDGF) Lega il PDGF extracellulare e d conseguenza genera segnali intracellulari che inducono la cellula a crescere e dividersi Enzimi Adenilato ciclasi Catalizza la produzione di AMP ciclico intracellulare in risposta a segnali extracellulari • Le proteine transmembrana si estendono attraverso il doppio strato lipidico, generalmente assumendo una conformazione ad elica α singola o multipla, ma talvolta anche come piano β avvolto a manicotto. A. B. C. Proteine integrali di membrana Regioni idrofiliche e regioni idrofobiche Elica α anfipatica Legame covalente con molecola lipidica (zig zag rosso) D. Proteine periferiche di membrana Legame non covalente con altre proteine (A) Proteine Transmembrana (A) Proteine Transmembrana (A) Proteine Transmembrana Le catene laterali degli aminoacidi idrofobici (verde) da un lato di ogni elica entrano in contatto con le code idrocarburiche che pure sono idrofobiche, mentre le catene laterali idrofiliche (rosso) al lato opposto formano un pro pieno di acqua La membrana plasmatica è di per se stessa fragile e sottile (10000 membrane una sopra l’altra per formare lo spessore di una pagina di libro) CITOSOL Tutte le membrana plasmatica cellulari sono rinforzate e sostenute da un impalcatura proteica fissata per mezzo di proteine transmembrana. Tali proteine si organizzano in un trama di proteine fibrose (lo strato corticale o cortex cellulare) aderente alla faccia citosolica che determina la forma cellulare e e le proprietà meccaniche della membrana plasmatica Nel globulo rosso lo strato corticale è formato soprattutto da spettrina quando è geneticamente anomala gli eritrociti sono fragili e si ha l’anemia • Dato che la membrana si comporta come un fluido bidimensionale, i suoi lipidi e anche molte delle sue proteine possono muoversi liberamente nel piano del doppio strato lipidico. • La cellula sa però confinare certe proteine di membrana in zone circoscritte in distretti funzionali denominati domini di membrana; la mobilità laterale delle proteine nella membrana plasmatica subisce quindi limitazioni di vario genere • Le proteine possono venire ancorate allo strato corticale interno (A), a molecole della matrice extracellulare fuori dalla cellula (B), a proteine situate sulla superficie di un’altra cellula. • Possono esistere delle barriere alla diffusione (barrette nere) che confinano certe proteine in un particolare dominio di membrana. • Nelle cellule intestinali le proteine sono confinate in un particolare dominio di membrana plasmatica. • La proteina A (proteine di trasporto attive nell’assumere sostanze nutritive) e la proteina B (trasporto di soluti fuori dalle cellule epiteliali verso il sangue ed i tessuti) possono diffondere lateralmente nel dominio di membrana cui appartengono ma non nell’altro a causa di un particolare tipo di connessione con le cellule adiacenti. • Le giunzioni occludenti sigillano i vari comparti di membrana (proteine apposite formano una cintura ininterrotta attorno alla cellula a stabiliscono della saldature). La struttura delle membrane • • • • Molte delle proteine e alcuni dei lipidi esposti sulla superficie esterna della cellula portano attaccate catene di zuccheri, che contribuiscono a proteggere e lubrificare la superficie cellulare e sono attivi nel riconoscimento tra cellule. Quasi tutte le membrane cellulari sono attaccate a proteine che fanno da impalcatura di sostegno. Ne è un esempio la rete intessuta da proteine fibrose che forma il cortex, strato corticale posto proprio sotto la membrana cellulare. Anche se molte proteine diffondono rapidamente nel piano della membrana, le cellule hanno modi per confinarle in domini circoscritti e per immobilizzarne certe, attaccandole alle macromolecole intracellulari o extracellulari. • Le cellule eucariotiche sono rivestite da glucidi che formano il glicocalice • Il glicocalice (strato a carboidrati) è costituito da catene laterali oligosaccaridiche attaccate a glicolipidi e alle glicoproteine di membrana • Al glicocalice possono contribuire anche le glicoproteine e i proteoglicani secreti dalla cellula e quindi riassorbiti subito dalla cellula • Tutti i carboidrati si trovano dal lato extracellulare • Aiutano a proteggere e lubrificare la superficie dal danneggiamento meccanico (assorbendo acqua gli oligo ed i polisaccardi rendono scivolosa la superficie) • Il glicocalice non solo aiuta a proteggere e lubrificare la superficie dal danneggiamento meccanico ma funge anche da segnale di riconoscimento e nell’adesione cellulare • Le lectine sono specializzate nel riconoscere particolari catene oligosaccaridiche e legarle con gli stessi meccanismi e legami di riconoscimento che regolano l’interazione tra le proteine • Le catene laterali oligosaccaridiche delle glicoproteine • Mentre le proteine si uniscono tutte linearmente con legami identici gli zuccheri possono farlo in vario modo in varie sequenze e anche in catene ramificate • La diversificazione dei legami fa si che il glicocalice funga da divisa di riconoscimento per la cellula (uovo spermatozoo) Trasporto di Membrana I doppi strati lipidici sono impermeabili le membrane plasmatiche no La membrana plasmatica • Lo strato lipidico delle membrane cellulari è permeabile alle molecole piccole e apolari, come l’ossigeno e il diossido di carbonio, ma anche a molecole polari purché piccolissime, come l’acqua (diffusione semplice vs. diffusione facilitata, e.g. acquaporine). • E’ invece impermeabilissimo a quasi tutte le molecole idrosolubili e a tutti gli ioni. • Il trasferimento di sostanze nutritive, metaboliti e ioni attraverso la membrana plasmatici e le membrane intracellulari è demandato alle proteine di trasporto che esse contengono, • Le membrane cellulari contengono tutta una serie di proteine di trasporto, ciascuna incaricata del trasferimento di un particolare tipo di soluto attraverso la membrana. • Le proteine di trasporto si possono distinguere in due categorie: le proteine vettore e le proteine canale. • Una molecola diffonderà tanto più rapidamente attraverso il doppio strato lipidico quanto più è piccola e soprattutto quanto meno interagisce favorevolmente con l’acqua (cioè quanto minore è la sua polarità) • Molte delle molecole che servono alla cellula come nutrimento sono troppo grandi e polari per superare un doppio strato lipidico puro La cellula deve contenere quantità uguali di cariche positive e negative (cioè deve essere elettricamente neutra) Componente Concentrazione intracellulare (mM) Concentrazione extracellulare (mM) Na+ 5-15 145 K+ 140 5 Mg2+ (ioni liberi) 0,5 (20 mM se incluso quello complessato a proteine) 1-2 Ca2+ (ioni liberi) contenuto in organelli 10-4 (1-2 mM se incluso quello complessato a proteine) 1-2 H+ 7x10-5 (10-7,2 M o pH 7,2) 4x10-5 (10-7,4 M o pH 7,4) 5-15 110 Cationi Anioni ClProteine, acidi nucleici, metaboliti con gruppi fosfato e carbossilici, HCO-3, PO43- • Anche se le cariche elettriche all’esterno e all’interno sono bilanciate e in equilibrio, intorno alla membrana plasmatica si rilevano eccessi contenuti di carica netta positiva o negativa • Questi squilibri generano una differenza di voltaggio detta POTENZIALE di MEMBRANA compreso tra -20 e -200 mV • Il potenziale è negativo perchè l’interno della cellula ha una carica netta negativa rispetto all’esterno • Questo potenziale è alla base di alcuni meccanismi di trasporto e della generazione dell’impulso nervoso Le molecole di piccole dimensioni entrano nella cellule attraverso un vettore o un canale • Una proteina vettore va incontro ad una serie di modificazioni conformazionali per trasferire piccole molecole idrosolubili attraverso il doppio strato lipidico • La proteina canale forma un poro idrofilico che trapassa il doppio strato attraverso cui specifici ioni inorganici possono diffondere • Le proteine canale sono più rapide nel trasporto delle proteine vettore • I canali ionici esistono in conformazione chiusa e aperta, e trasportano solo in quella aperta, la loro chiusura o apertura è di solito controllata da uno stimolo esterno o da condizioni interne della cellula TRASPORTO PASSIVO • Proteine canali • Proteine vettori=trasportatori Gradiente chimico o di concentrazione Gradiente elettrochimico TRASPORTO ATTIVO • Proteine vettori=trasportatori Accoppiato ATP-dipendente FOTO dipendente Un soluto che abbia una concentrazione più alta fuori dalla cellula entrerà spontaneamente dentro la cellula per trasporto passivo (diffusione facilitata) purché abbia nella membrana un canale od un vettore apposito Contro gradiente ci vogliono proteine vettore in grado di attingere energia per alimentare il passaggio (trasporto attivo) Ogni membrana cellulare ha la sua serie caratteristica di proteine vettore TRASPORTO PASSIVO: gradiente di concentrazione Un cambiamento di conformazione di una proteina vettore potrebbe mediare il trasporto passivo di un soluto come il glucosio La transizione tra i due stati avviene a caso, è indipendente dal soluto e reversibile TRASPORTO PASSIVO: gradiente elettrochimico La forza motrice netta (gradiente elettrochimico) che tende a spostare un soluto carico (ione) attraverso la membrana è la somma del gradiente di concentrazione e della differenza di potenziale tra i due lati della membrana (potenziale di membrana) attira i soluti carichi positivamente attira i soluti carichi negativamente L’ampiezza della freccia indica l’entità del gradiente Situazione usuale lato citoplasmatico carico negativamente il Na+ che è concentrato fuori dalla cellula quando può cercherà di entrare nella cellula Il K+ che è più concentrato all’interno tenderebbe ad uscire secondo gradiente di concentrazione ma essendo il gradiente elettrochimico modesto il K tende a non uscire dalla cellula Il trasporto attivo Trasportatore accoppiato: accoppiano il trasporto di un soluto contro gradiente al trasporto di un soluto secondo gradiente Le pompe ad ATP: accoppiano il trasporto contro gradiente all’idrolisi di ATP Le pompe fotoalimentate: accoppiano il trasporto contro gradiente all’assorbimento di energia luminosa Trasporto accoppiato Le cellule animali utilizzano il gradiente di Na+ per assumere attivamente sostanze nutritive La pompa sodio potassio svolge un ruolo essenziale nelle cellule animali Assorbe il 30% del consumo totale di ATP Agisce come pompa di sentina per espellere Na+ dalla cellula che rientra attraverso proteine vettrici e canali ionici e così facendo mantiene concentrazioni citosoliche diverse rispetto ai fluidi extracellulari (10-30 volte inferiore Na+ e 10-30 volte superiore K+) La pompa Na+-K+ contribuisce a mantenere l’equilibrio osmotico nella cellula animale La membrana è permeabile all’acqua per mantenere costante la concentrazione di soluti va da zone con soluti poco concentrati (e acqua molto concentrata) a zone con soluti molto concentrati (e poca acqua) OSMOSI fosforilazione della pompa cambio conformazionale Grazie al trasporto attivo fatto dalle pompe le concentrazioni ioniche ai due lati della membrane sono lontane dall’equilibrio Alcuni esempi di proteine vettore Proteina vettore Collocazione Fonte di energia Funzione Vettore del glucosio Membrana plasmatica di quasi tutte le cellule animali Nessuna Importazione passiva di glucosio Pompa del glucosio Na+dipendente Membrana plasmatica apicale delle cellule intestinali e renali Gradiente di Na+ importazione attiva di glucosio Scambiatore Na+-H+ Membrana plasmatica delle cellule animali Gradiente di Na+ Esportazione attiva ioni H+ regolazione del Ph Pompa Na+-K+ (Na+-K+-ATPasi) Membrana plasmatica di quasi tutte le cellule animali Idrolisi di ATP Esportazione attiva di Na+ e importazione attiva di K+ Pompa del Ca2+ (Ca2+-ATPasi) Membrana plasmatica delle cellule eucariotiche Idrolisi di ATP Esportazione attiva di Ca2+ Pompa protonica (H+-ATPasi) Membrana plasmatica delle cellule vegetali, fungine e di alcuni batteri Idrolisi di ATP Esportazione attiva di H+ dalla cellula Pompa protonica (H+-ATPasi) Membrane lisosomiali delle cellule animali e membrane vacuolari delle cellule vegetali e fungine Idrolisi di ATP Esportazione attiva di H+ dal citosol nel vacuolo Batteriorodopsina Membrana plasmatica di alcuni batteri Luce Esportazione attiva di H+ fuori dalla cellula
