funzioni delle membrane

SISTEMA DI
MEMBRANE
La compartimentalizzazione cellulare
LE MEMBRANE CELLULARI: UN SISTEMA IN
EQUILIBRIO
FUNZIONI DELLE MEMBRANE
-  delimitano i contorni cellulari o degli orgnelli intracellulari
-  consentono di localizzare specifiche funzioni
(ad es. allineamento di enzimi coinvolti in una sequenza di
reazioni)
-  regolano il trasporto di soluti ed il pH cellulare
-  mantengono gradienti ionici ed elettrici
-  ricevono e trasmettono segnali
-  mediano le comunicazioni tra cellule e con l’ambiente
Come sono costituite le membrane?
Lipidi e proteine
LE MEMBRANE BIOLOGICHE FORMANO DEI
DOPPI STRATI
5nm
Lipide
Lipidi
Proteine
Proteina
Diverse evidenze sperimentali hanno portato alla
comprensione della struttura e proprietà delle membrane
Gortel & Grendel
Le membrane hanno
una struttura uguale
in cellule diverse e di
organismi diversi
Le membrane sono
doppi strati
Studi di biochimica Le membrane sono
composte anche da
proteine
Le membrane sono
FLUIDE
Il modello del mosaico fluido: le membrane cellulari
sono costituite da un doppio strato lipidico fluido nel
quale le proteine sono incastrate come le tessere di
un mosaico.
Jonathan Singer
The fluid mosasic model of structure of Cell Membranes
Science, vol 175, 1972, pag 720-731
Garth Nicolson
FOSFOLIPIDI
TESTA
idrofilica
CODA
idrofobica
LIPIDI DI MEMBRANA
La struttura dei fosfolipidi dipende dal grado di saturazione
degli acidi grassi che li compongono
COLESTEROLO
COLESTEROLO
teste
polari
colesterolo
(rigido)
regione
fluida
Le membrane sono costituite da un MOSAICO di
proteine
Le proteine conferiscono le funzioni a
ciascun tipo di membrana e ne
definiscono la specifica identità!
Le proteine di membrana: due principali tipi
✓ Proteine integrali di membrana
✓ Proteine periferiche
Proteine
con ancora GPI
multipasso
monopasso
Barili beta
Proteine ancorate
mediante un lipide
Le proteine integrali sono rilasciate dalla membrana
solo in seguito all’azione di detergenti
Le proteine possono essere inserite
in membrana secondo modalità differenti
✓ Proteine transmembrana
✓ Proteine legate alla
collegamento
membrana tramite un lipide di
Proteine
con ancora GPI
multipasso
monopasso
Barili beta
Proteine ancorate
mediante un lipide
PROTEINE
TRANSMEMBRANA
spazio extracellulare
Il dominio
transmembrana
contiene aminoacidi
con catene laterali
non polari
citosol
Il dominio
transmembrana
assume
generalmente una
struttura ad α-elica
LE PROTEINE DI MEMBRANA HANNO VARIE FUNZIONI
✓ ADESIONE > cellula-cellula,
cellula matrice
(CADERINE, INTEGRINE)
✓  TRASPORTO > canali,
trasportatori (K+, Na/K-ATPasi)
LE PROTEINE DI MEMBRANA HANNO VARIE FUNZIONI
✓ ENZIMI: molti tipi catalizano reazioni
che avvengono all’interno o sulla
superficie della membrana
✓  RECETTORI: legano molecole segnale
(ad es. ormoni, fattori di crescita) e
trasmettono l’informazione all’interno
della cellula
LE PROTEINE DI MEMBRANA SONO SPESSO
ASSOCIATE IN GROSSI COMPLESSI
Il citoscheletro basato su spettrina è
cruciale per il funzionamento del globulo
rosso
NEL MUSCOLO C’È UNA CONNESSIONE TRA
CITOSCHELETRO E PROTEINE DELLA MATRICE
EXTRACELLULARE
PROPRIETA’ DELLE MEMBRANE
✓ Sono strutture asimmetriche: la composizione in lipidi e proteine della
faccia esterna e di quella interna è diversa fra loro riflettendo le
diverse funzioni da loro svolte
✓ Sono strutture dinamiche e fluide: la maggior parte delle loro
molecole sono capaci di muoversi nel piano della membrana. La fluidità
dipende da composizione e temperatura.
✓ Costituiscono una barriera semipermeabile: consentono il passaggio
selettivo di molecole
ASIMMETRIA DEL BILAYER LIPIDICO
spazio extracellulare o luminale
citosol
La fosfatidilserina che ha una carica negativa si trova nel monostrato interno creando
così una differenza di carica tra le due metà del doppio strato.
I Glicolipidi si trovano nel monostrato esterno e possono avere funzione di protezione,
di riconoscimento cellulare di isolamento elettrico (mielina delle cellule nervose).
IL LUME DEGLI ORGANELLI CORRISPONDE
TOPOLOGICAMENTE ALLO SPAZIO EXTRACELLULARE
Il sistema ABO dei globuli rossi si basa su
gangliosidi di membrana
gal
fuc
galattosamina
galattosio
Ac.glul
gal
glu
ceramide
Gruppo 0
Gruppo A
Gruppo B
BASI MOLECOLARI DEI GRUPPI SANGUIGNI
A
Anticorpi contro la
molecola B
Sangue
Gruppo A
Sangue Gruppo B
Sangue Gruppo AB
Sangue
Gruppo 0
B
A
Anticorpi contro la
molecola A
B
Può ricevere sangue di gruppo A
oppure 0
Può ricevere sangue di gruppo B
oppure 0
Può ricevere sangue di gruppo A,
di gruppo B, gruppo AB e gruppo 0
Anticorpi contro le
molecole A e B
Può ricevere solo sangue di gruppo 0
E’ donatore universale
ponti disolfuro
Le proteine
transmembrana
hanno uno specifico
e unico
orientamento nella
membrana
Asimmetria
oligosaccaride
alfa elica
bilayer
Le membrane biologiche sono fluide e dinamiche
Laser tweezers
I lipidi si muovono nelle membrane diffusione laterale
flip-flop
flessione
rotazione
FRAP (Fluorescence Recovery After
Photobleaching) Le proteine si muovono nelle membrane Da cosa dipende la fluidità delle membrane
biologiche?
✓  Temperatura
✓ Composizione
teste
polari
colesterolo
(rigido)
Lunghezza catene idrocarburiche
Grado di saturazione (doppi legami)
regione
fluida
Le membrane costituiscono una barriera
selettivamente permeabile
E’ permeabile a gas e a piccole molecole non cariche, mentre è debolmente
permeabile all’acqua (che, comunque, passa attraverso interruzioni che si vengono
a formare tra le catene di acidi grassi). E’ impermeabile a ioni e a grandi molecole
cariche e non cariche
MECCANISMI DI TRASPORTO
✓ Diffusione Semplice: spontaneo movimento di una sostanza da una
regione a più alta concentrazione ad una regione a bassa concentrazione
D= KT
6πρε
MECCANISMI DI TRASPORTO
✓ OSMOSI: è il passaggio di H2O da una regione a più alta
concentrazione di acqua attraverso una membrana semipermeabile ad una
regione a bassa concentrazione di acqua
Soluzione
isotonica
Soluzione
ipertonica
Soluzione
ipotonica
Nessun
movimento
netto di acqua
Movimento netto
di acqua verso
l’esterno della
cellula
(raggrinzimento)
Movimento netto
di acqua verso
l’interno della
cellula
(Rigonfiamento)
Il plasma umano e tutti i
nostri fluidi corporei sono
isotonici rispetto alle
cellule che compongono il
corpo
Sol. isotonica
ipertonica
ipotonica
COMPOSIZIONE DEI LIQUIDI
EXTRACELLULARI E INTRACELLULARI
Trasporto di membrana
Trasporto attivo
contro gradiente
consumo di energia
Trasporto passivo
secondo gradiente
non necessita energia
Diffusione semplice
Diffusione facilitata
Dipendente dalla
liposolubilità della
molecola
Mediata da
trasportatori
Specifica e saturabile
MODALITA’ DI TRASPORTO ATTRAVERSO LE MEMBRANE
Uniporto
Simporto
Antiporto
TRASPORTO PASSIVO
Canali ionici e trasportatori permettono il
passaggio di ioni e molecole polari attraverso le
membrane
Trasportatori o proteine vettrici o proteine carrier
Le proteine
vettrici
cambiano
conformazione
dopo legame
con il soluto
I canali ionici sono proteine che formano pori colmi di
acqua che permettono il passaggio di specifici ioni
ESISTONO DUE CLASSI DI MOLECOLE CHE MEDIANO
I TRASFERIMENTI MOLECOLARI ATTRAVERSO LE
MEMBRANE
PROTEINE TRASPORTATRICI
PROTEINE CANALE
. Hanno parti mobili in grado di spostare
molecole
. Formano un poro idrofilico stretto che
permette il passaggio soprattutto di
piccoli ioni inorganici.
. Si legano al soluto specifico da
trasportare e subiscono una serie di
cambiamenti conformazionali per
trasferire il soluto attraverso la
membrana
. Interagiscono in modo debole con ciò
che passa per il poro acquoso
Il trasporto è quindi molto veloce.
. Mediano un tipo di trasporto che può
essere sia passivo che attivo
. Il trasporto attraverso le proteine
canale è sempre un flusso passivo
Le varie modalità di trasporto passivo hanno
caratteristiche differenti
TRASPORTO ATTIVO
Il trasporto attivo avviene mediante proteine definite pompe.
L’energia necessaria deriva nella maggior parte dei casi da ATP. Le
pompe sono complessi multi-proteici.
Pompa Na,K-ATPase
E’ costituita da due subunità: subunità α direttamente coinvolta nel trasporto
e subunità β con funzioni accessorie.
Pompa Na,K-ATPase
NA+/K+ ATPasi (Pompa del sodio e potassio)
Ha un ruolo diretto nella regolazione del volume cellulare
regolando le forze osmotiche
Fondamentale per generare e mantenere il potenziale di
membrana a riposo
Il gradiente del sodio può essere sfruttato per attivare
altri tipi di trasporto
Il gradiente del sodio è cruciale per il mantenimento del
pH cellulare
CO-TRASPORTO NA/GLUCOSIO NELLE CELLULE
INTESTINALI
2 sodio entrano
1 glucosio entra
IL LEGAME DEL SODIO CREA UN SITO PER IL LEGAME
CON IL GLUCOSIO
ANCHE I VALORI DEL pH CELLULARE SONO REGOLATI
DALL’ATTIVITA’ DELLA POMPA Na/K-ATPasi
Scambiatore Na+/H+
Scambiatore Cl-/HCO3Scambiatore Cl-/HCO3
dipendente da sodio
dipendente da sodio
indipendente da sodio
Pompa Ca-ATPase
Il Ca2+ è trasportato all’esterno
della cellula mediante un pompa
Ca-ATPasi o mediante un antiporto
che
è
spinto
dal
gradiente
elettrochimico del Na
FIBROSI CISTICA o MUCOVISCIDOSI: CFTR (Cystic
Fibrosis Transmembrane Conductance regulator) - E’ un canale del
cloro presente sulla superficie apicale di cellule epiteliali delle vie
aeree, intestino, ghiandole sudoripare
Secrezioni mucose sono viscide con conseguente ostruzione dei dotti
Diabete Nefrogenico o Insipido: Acquoporina 2 - E’ un
canale dell’acqua situato sulla superificie apicale dell’epitelio renale.
Poliuria (urine abbondanti), incapacità del rene di concentrare soluti
EREDITA’ DEI GRUPPI SANGUIGNI
NELL’UOMO I GRUPPI PRINCIPALI SONO: A,B,AB,0
SISTEMA A PIU’ ALLELI (A,B,0)
GRUPPO A
GRUPPO B
GRUPPO AB
GRUPPO 0
(omozigote AA oppure eterozigote A0)
(omozigote BB oppure eterozigote B0)
(eterozigote AB)
(omozigote 00)