Membrane Biologiche
Membrane Biologiche
• Costituite da lipidi e proteine (e glucidi)
• Barriere per
confinare sostanze o
attività in ambienti
specifici.
• Mediano il trasporto
di metaboliti
– Confini Cellulari: Membrana Plasmatica
– Organelli intracellulari: Endomembrane
Sistema di Endomembrane
• Delimitano i
compartimenti cellulari
Nucleo
Reticolo
Endoplasmatico
Perossisoma
Lisosoma
– Organelli
• Confinano le
differenti attività
della cellula
Apparato di
Golgi
Vacuoli
Mitocondrio
Membrana
Plasmatica
Organelli Cellulari
• Nucleo, Mitocondri
(e Autofagosomi )
hanno Doppia
Membrana
• Golgi, RE, Lisosomi
hanno
Membrana Singola
DOPPIO STRATO LIPIDICO
• Condizione energeticamente favorevole
in ambiente acquoso
– Teste Idrofiliche
• All’esterno
– Code Idrofobiche
• All’interno, non in contatto con l’acqua
DOPPIO STRATO LIPIDICO
Gorter and Grendel 1925 misurarono l’area coperta dai
lipidi estratti dalla membrana cellulare di eritrociti e
scoprirono che era il doppio della superficie della cellula
Componenti della membrana
• Fosfolipidi
• Sfingolipidi
• Colesterolo
Fosfolipidi
Sfingolipidi
Componenti della membrana
Diversa composizione lipidica delle
membrane tra tipi cellulari
quindi sono membrane con diverse proprietà fisico-chimiche
Lipidi
Eritrocita
umano
Mielina
Mitocondrio
Batteri
Fosfatidil
colina
19
10
45
0
Fosfatidil
etanolamina
18
20
24
65
Fosfatidil
inositolo
1
1
6
0
Fosfatidil
serina
8
8
1
0
17,5
8,5
3
0
Glicolipidi
10
26
0
0
Colesterolo
25
26
3
0
Sfingomielina
Diversità all’interno della stessa membrana:
Disposizione Asimmetrica
Come ottenere questa asimmetria?
Come è stata definita la struttura
delle membrane biologiche?
Proteine nelle membrane: Modello del Sandwich
• 1935, Davson e Danielli, definiscono la
composizione biochimica della membrana dei
globuli rossi (lipidi e proteine)
• Propongono un modello dove il doppio strato
lipidico è compreso tra due strati proteici
• Questo modello è
rimasto valido
fino agli anni ‘50
• Anni ‘50, microscopia elettronica rivela che
la membrana plasmatica è di uno spessore
di non più di 1 0 nanometri
• Struttura trilaminare, due scuri ed uno
chiaro
Risultato
compatibile con
il modello a
sandwich solo in
caso di proteine
di forma piatta
Interno
Membrana
Esterno
• Anni ‘60, paradosso delle proteine
– La loro purificazione dimostra che non sono così
omogenee come si pensava
– Composizione e dimensioni sono molto variabili
– Alcune molto più grandi di quanto ipotizzato
• Come potevano costituire uno strato di soli
1 0 nanometri?
• Ci si attendeva tutte proteine piatte ed
estese (Struttura a foglietto ripiegato)
• In realtà molte hanno struttura globulare
Modello del Mosaico Fluido
• Il Doppio Strato Lipidico contiene
una serie di proteine, che possono
posizionarsi in maniera variabile
• 1972, Singer e Nicholson
– Le proteine sono incastonate nel doppio
strato lipidico, come tessere di un
mosaico
– Non sono immobili, si possono muovere,
come “iceberg che galleggiano in un
fluido di lipidi” (Nocciole nel torrone)
Modello del Mosaico Fluido
Dimostrazione della fluidità della membrana
• Frey ed Edidin, 1970
– Proteine di membrana di cellula umana e cellula
murina marcate con fluorocromi differenti
– Fusione con virus Sendai
– Le proteine risultano ridistribuite in maniera casuale
Fluido non vuol dire omogeneo:
Raft lipidici (zattere lipidiche)
Zone specializzate della membrana
ricche in colesterolo e sfingolipidi
Proteine di Membrana
• Le proteine costituiscono circa il 50%
della massa della membrana
• Sono le esecutrici di praticamente
tutte le attività della membrana
– Proteine strutturali
– Proteine funzionali
• Pompe
• Canali
• Recettori
• Trasduttori del segnale
• Enzimi
Proteine di Membrana
• Proteine Intrinseche
– Strettamente
associate alla
membrana
– Sono Anfipatiche
– Alcune attraversano
completamente la
membrana, altre
solo in parte
Proteine di Membrana
• Proteine Estrinseche
– Non sono incluse nel
doppio strato lipidico,
ma sulla superficie
interna o esterna
– Interagiscono con le
proteine intrinseche
attraverso interazioni
non-covalenti
Proteine di Membrana
• Proteine “Intrinseche”
particolari
– Legate a lipidi di uno
dei due foglietti da
legami covalenti diretti
o mediati da zuccheri
Proteine intrinsiche di Membrana
Diversa componente proteica nelle membrane
tra organelli diversi della stessa cellula
Membrane
Proteine %
Lipidi %
Carboidrati
%
Mielina
18
79
3
Membrana
eritrocita
umano
49
43
8
Membrana
esterna
mitocondrio
52
48
0
Membrana
interna
mitocondrio
74
23
3
Membrana
cellula
muscolare
62
33
5
Microscopia Elettronica:
Freeze Fracture
Asimmetria della membrana plasmatica
Freeze Fracture
• Faccia E
• Emi-membrana esterna, più liscia, proteine
transmembrana, lipidi
• Faccia P
• Emi-membrana proto-plasmatica, contiene la maggior
parte delle proteine
Funzione delle proteine di
membrana
Ancoraggio
Integrine, ancorano la
cellula alla matrice extracellulare (ECM)
Giunzione inter- cellulare
Proteine di adesione,
legano le membrane di
cellule adiacenti
Funzione delle proteine di
membrana
• Trasporto Passivo
– Canali e trasportatori che
permettono il passaggio
selettivo di ioni e molecole
• Trasporto Attivo
– Pompano soluti attraverso la
membrana;
– Richiede ATP
Funzione delle proteine di
membrana
• Attività Enzimatica
– Catalizzano reazioni che
avvengono all’interno o
sulla superficie della
membrana
• Trasduzione del segnale
– Recettori che legano
molecole segnale (ormoni)
e trasmettono
l’informazione all’interno
della cellula
Funzione delle proteine di
membrana
• Riconoscimento cellulare
(risposta immune)
Antigeni, permettono il
riconoscimento di cellule
estranee all’organismo
Carboidrati e membrane
• I Carboidrati vengono attaccati alla porzione della
proteina che non è esposta sul lato del citoplasma
Glicoproteine
– Proteine di membrana a cui vengono attaccati degli
oligosaccaridi
Proteoglicani
– Proteine di membrana con una o più catene
polisaccaridiche
• Glicolipidi
– Lipidi con attaccati degli oligosaccaridi
Glicocalice
• Strato protettivo formato dalle catene
di zuccheri
Glicoproteina
transmembrana
Glicoproteina
Estrinseca
Proteoglicano
transmembrana
Glicocalice
Glicolipide
ECM
Membrana
Cytosol
Funzioni:
Glicocalice
• Protezione
• Adesione cellulare (ruolo sia positivo che negativo)
• Movimento (sviluppo embrionale)
• Risposta immune ed infiammazione
• Fertilizzazione
Glicocalice
Citosol
Nucleo
Membrana Plasmatica
La Membrana Plasmatica
Giunzioni
Cellulari
Giunzioni
Cellulari
Giunzioni
Cellulari
Giunzioni Cellulari
Giunzione occludente
(serrata o stretta)
Giunzioni occludenti
• Le superfici extra-cellulari di due
membrane plasmatiche adiacenti sono
in intimo contatto
• NON lasciano alcuno spazio tra le
membrane
• Posizionate come una banda intorno
all'intera cellula (Zonula Occludens)
• Sigillano le cavità corporee
Giunzioni occludenti
• Impediscono la
diffusione delle
molecole organiche
– Possono lasciare
passare piccoli ioni ed
acqua
Giunzioni
occludenti
Giunzioni occludenti
Giunzioni occludenti
Formate da proteine transmembrana come Occludina e Claudina,
che prendono contatto con il citoscheletro (filamenti di actina)
tramite proteine intermedie definite proteine della zonula
occludens (ZO1, ZO2, ZO3)
Giunzioni Aderenti
Giunzioni Aderenti
– Permette distribuzione dello stress
meccanico
– Spazio tra le membrane permette
passaggio delle molecole
– Possono trasmettere segnali dall’esterno
della cellula al citoscheletro
– Se formano una cintura di adesione
intorno a tutta la cellula: giunzioni
aderenti a fascia (zonula adherens)
Giunzioni Aderenti
Composte da: Caderine (proteine integrali di membrana) e
Catenine (proteine ponte che legano i filamenti di actina)
Desmosoma
• Giunzione aderenti,
caratterizzati dalla presenza
di “addensamenti” (macula
adherens) di proteine di
membrana
• Funzione: Connessione tra
cellule adiacente,
distribuzione dello stress
meccanico
• Spazio tra le membrane
permette passaggio delle
molecole
Desmosoma
Composte da: Caderine (desmogleine, desmocoline) e proteine
ponte (desmoplachine) che legano i filamenti intermedi
Emidesmosomi
• Strutture asimmetriche
• Una piastra ancora la cellula
alla lamina basale
• Contribuiscono alla stabilità
dell'epitelio
• Collegano: Filamenti Intermedi
(Cheratine, Vimentina, Desmina)
ai Filamenti di Laminina e
Fibronectina presenti nella
lamina basale
Emidesmosomi
Composti da: Integrine (proteine di membrana), proteine
ponte (plectina, BP230) che legano i filamenti intermedi
Emidesmosomi
Contatti Focali
• Strutture asimmetriche
• Ancorano la cellula alla
lamina basale
• Contribuiscono alla
stabilità dell'epitelio
• Sono più ubiquitari e
dinamici rispetto agli
emidesmosomi
Contatti Focali
Composti da:
Integrine e
proteine interne
(Talina, Vinculina,
Filamina, Tensina,
Actinina) che
legano i filamenti
di actina
Matrice Extra Cellulare
Matrice Extra Cellulare (ECM)
• Secreta dalle cellule
• Composta da gel di
carboidrati e proteine
fibrose
• Collagene
– Principale costituente
strutturale dell’ECM
– Forma fibre molto fitte
• Fibronectine
Glicoproteine che organizzano
la matrice, servono come
attacco per le cellule
attraverso le
Integrine
Giunzioni Comunicanti
(Gap Junctions)
Giunzioni Comunicanti
(Gap Junctions)
• Canali proteici che collegano i citosol di
due cellule
– Passaggio di piccole molecole e ioni (Na+, K+)
– Esclusione di grandi molecole
– Trasmissione di impulsi elettrici tra cellule del
muscolo liscio e cellule cardiache
– Permettono il passaggio da una cellula ad
un'altra di messaggeri chimici
– Sincronizzano le attività tra le cellule
Giunzioni
Comunicanti
(Gap Junctions)
Formati da proteine chiamate connessine che si
organizzano a formare strutture chiamate connessoni
Giunzioni
Cellulari
