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I lipidi di membrana presentano una struttura di base comune a tutti che conferisce loro proprietà complessive analoghe:

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Presentazione sul tema: "I lipidi di membrana presentano una struttura di base comune a tutti che conferisce loro proprietà complessive analoghe:"— Transcript della presentazione:

1 I lipidi di membrana presentano una struttura di base comune a tutti che conferisce loro proprietà complessive analoghe:

2 TESTA: è costituita dal gruppo fosfato e dai residui glicidici ed è la sede di cariche elettriche unitarie o parziali; essa costituisce, quindi, nella molecola una regione polare ed idrofila; CODA: è costituita dalle catene idrocarboniose e pertanto è sempre apolare ed idrofoba. ANALOGIA Tutti i lipidi sono molecole ANFIPATICHE a causa della coesistenza di parti dotate di proprietà diverse Tutto ciò consente ai lipidi di membrana di organizzarsi insieme in una struttura sopramolecolare coerente.

3 La coesistenza di regioni idrofile ed idrofobe ha conseguenze importanti: A. PELLICOLA MONOMOLECOLARE Quando versiamo una preparazione di molecole lipidiche sulla superficie dellacqua, solvente polare, esse tendono ad assumere una posizione ordinata ponendo le teste idrofile a contatto con lacqua e rigirando le code idrofobe rivolte verso lalto fuori dal contatto con lacqua.

4 A. PELLICOLA MONOMOLECOLARE Questo tipo di disposizione permette al sistema difasico acqua-lipidi di formare al suo interno il maggior numero possibile di interazioni elettrostatiche tra raggruppamenti polari Acqua-Acqua - Acqua-Teste - Teste-Teste e contemporaneamente il maggior numero di interazioni idrofobiche tra le regioni non polari dei lipidi Code-Code. Tale disposizione è termodinamicamente favorita perché contribuisce a diminuire il contenuto di energia libera del sistema e viene perciò assunta spontaneamente.

5 La coesistenza di regioni idrofile ed idrofobe ha conseguenze importanti: Formazione di strutture a geometria tridimensionale: B. MICELLE e C. LIPOSOMI. Tali associazioni sopramolecolari si formano nel momento in cui forziamo le molecole lipidiche a penetrare dalla superficie entro la massa dacqua agitando, per esempio, energicamente il miscuglio acqua-lipidi.

6 Sono aggregati sferoidali di molecole lipidiche orientate con le teste polari verso la superficie e, quindi, a contatto con lacqua circostante e con le code idrofobiche disposte tutte verso linterno dello sferoide a costituire un ambiente interamente idrofobo dal quale le molecole dacqua sono escluse. B. MICELLE

7 C. LIPOSOMI Sono strutture più grandi e più complesse rispetto alle micelle. Sono costituite da un doppio strato di lipidi a disposizione ordinata in cui le teste polari, idrofile, delimitano una superficie esterna ed una interna, mentre le code apolari costituiscono una barriera idrofoba interposta fra le superfici. I liposomi possono così rimanere nellacqua ed ospitare un contenuto acquoso che rimane escluso dal contatto con lambiente esterno.

8 I liposomi costituiscono un modello semplificato, ma plausibile dal punto di vista chimico-fisico, della membrana cellulare eucariotica nonché di quelle intracellulari. NUCLEO LISOSOMI

9 La dimostrazione fu offerta negli anni 20 da Gorter e Grendel. Dopo aver estratto i lipidi dalle membrane eritrocitarie, osservarono che versandoli sulla superficie dellacqua, se ne potevano ottenere foglietti a singolo strato aventi una superficie approssimativamente doppia rispetto a quella degli eritrociti dai quali erano estratti. Ciò indicò, quindi, che nelle membrane eritrocitarie di origine le molecole lipidiche non potevano costituire uno strato semplice, bensì un DOPPIO STRATO.

10 Il foglietto lipidico a doppio strato è una struttura stabile, ma dinamica, dotata di consistenza fluida ed una spiccata asimmetria di composizione che rende le superfici funzionalmente differenti: 1.STABILITA 2.FLUIDITA 3.ASIMMETRIA

11 1.STABILITA Essa è dovuta alle forze non covalenti che associano tra loro i componenti lipidici: Interazioni idrofobiche tra le code non polari; Legami elettrostatici deboli fra le teste polari; La presenza dellacqua, su entrambe le superfici del foglietto, che forma con le proprie molecole polari il caratteristico reticolo elettrostaticamente aderente alle teste polari dei lipidi, contribuisce a rendere la disposizione ordinata dei lipidi termodinamicamente vantaggiosa e quindi più stabile.

12 2. FLUIDITA Essa dipende: Dallassenza di legami covalenti tra le molecole lipidiche Dalle caratteristiche degli acidi grassi che entrano nella composizione dei lipidi

13 PROPRIETA DISTINTIVE DEGLI ACIDI GRASSI Essi differiscono per: la lunghezza della catena carboniosa: da 14 a 20 atomi di carbonio; la presenza (es. acidi grassi insaturi) o lassenza (es. acidi grassi saturi) nella catena carboniosa di doppi legami.

14 1)Conformazione di catene lipidiche sature a disposizione rettilinea 2)Conformazione di catene lipidiche insature con angolatura rigida

15 Conseguenze della lunghezza della catena e della presenza di doppi legami sulla fluidità della membrana: Il numero di interazioni idrofobiche possibile tra le catene brevi sature è minore di quello che può stabilirsi tra le catene lunghe sature e di conseguenza le molecole che si associano mediante interazioni tra catene brevi sature sono meno saldamente unite I gomiti presenti nelle catene insature contribuiscono ad aumentare lo spazio di separazione tra le molecole contigue Così nei due casi costituiti da catene brevi sature e catene insature, le molecole adiacenti non possono legarsi strettamente le une alle altre

16 La fluidità della membrana aumenta progressivamente con le catene brevi sature e le catene insature ( Fluidità) ! DENSO-- DENSO---DENSO

17 Metodi Fisici per la Valutazione della Fluidità della Membrana, un esempio In un foglietto artificiale, lo spostamento di singole molecole lipidiche viene rilevato mediante la coniugazione di raggruppamento chimico contenente un elettrone spaiato. Risonanaza di Spin Elettronico

18 I risultati dimostrano che i lipidi di membrana eseguono: Rapidi e continui movimenti di rotazione su se stessi Rapidi e continui movimenti di traslazione sul piano della membrana

19 I risultati dimostrano che: I lipidi di membrana non eseguono movimenti di capovolgimento che potrebbero portare le molecole ad uscire dallo strato in cui sono contenute per penetrare nello strato opposto del foglietto Limpulso energetico richiesto perché la testa polare della molecola superi lostacolo, costituito dalle code idrocarboniose, è talmente grande che tali movimenti sono praticamente inesistenti!

20 3. ASIMMETRIA Lasimmetria del foglietto lipidico è dovuta alla ineguale distribuzione dei diversi tipi di molecole lipidiche tra i due strati del foglietto, ciascuno dei quali ha una sua composizione specifica Una volta precostituita allatto della biogenesi, lasimmetria viene mantenuta definitivamente grazie allimpossibilità dei lipidi di capovolgersi Spazio Extracellulare: fosfatidilcolina, sfingomielina, colesterolo e glicolipidi Versante Citosolico: fosfatidilserina, fosfatidilinositolo, fosfatidiletanolamina e colesterolo

21 COMPONENTE PROTEICA La presenza delle proteine nelle membrane cellulari è chiaramente indicata dai risultati dellanalisi della loro composizione, ma è anche indirettamente suggerita dalla localizzazione, nelle membrane, di attività tipiche delle molecole proteiche quali ad esempio la funzione enzimatica.

22 1.Quali sono i meccanismi utilizzati per associare le proteine alla membrana? 2. Quali sono le interazioni che le proteine contraggono con il foglietto lipidico? A tale scopo si utilizzano: Tecniche di tipo estrattivo Tecniche di visualizzazione

23 Tecniche di Tipo Estrattivo Mediante lutilizzo delle tecniche di tipo estrattivo ci si propone di separare le proteine dalla membrana e di dedurre il meccanismo della loro associazione al foglietto lipidico dalla natura dei mezzi necessari per separarle

24 Tecniche di Visualizzazione Esse si attuano mediante limpiego del microscopio elettronico consentendo così di precisare i rapporti spaziali tra proteine e foglietto lipidico.

25 Classificazione delle Proteine di Membrana Proteine Superficiali o Estrinseche Proteine Integrali o Intrinseche

26 Proteine Superficiali o Estrinseche Questo tipo di proteina ( 1 ) lega la sua superficie a quella formata dalle teste polari giustapposte dei lipidi, oppure alla regione polare di altre molecole inserite tra i lipidi ed affacciate sulle superfici della stessa membrana cellulare.

27 Proteine Superficiali o Estrinseche Esse possono essere separate ed estratte da preparazioni di membrana mediante trattamento con soluzioni saline ad elevata forza ionica al fine di rompere i legami polari non covalenti ovvero le interazioni deboli di natura elettrostatica

28 Proteine Integrali o Intrinseche Le proteine intrinseche (2) sono, come i lipidi di membrana, molecole anfipatiche in grado di legare la loro regione non polare alle code non polari dei lipidi mediante interazioni idrofobiche, mentre le porzioni polari si affacciano verso luna o laltra o verso le entrambi le superfici della membrana; esse possono essere, quindi, esposte sia sul versante extra che intracellulare.

29 Proteine Integrali o Intrinseche Esse possono essere separate ed estratte da preparazioni di membrana mediante trattamento con detergenti anfipatici capaci di disgregare completamente il foglietto lipidico della membrana solubilizzandone i componenti. Lazione del detergente è quella, quindi, di annullare le interazioni idrofobiche che contribuiscono alla stabilità della membrana

30 Esempio di Detergenti: SDS e Triton X-100 La regione idrofobica dei detergenti è in verde; La regione idrofilica è segnata, invece, in blu.

31 Modello Strutturale della Membrana Biologica Il Modello del Mosaico Fluido

32 Rappresenta la migliore interpretazione oggi disponibile dellorganizzazione delle membrane a livello molecolare. Il termine mosaico rappresenta linterposizione di lipidi e proteine stabilizzate interamente o in grandissima parte da interazioni non covalenti.

33 Il Modello del Mosaico Fluido Le interazioni idrofobiche garantiscono la solidarietà delle code apolari dei lipidi tra loro e con le porzioni apolari delle proteine integrali Le interazioni polari si stabiliscono fra le teste polari dei lipidi, le porzioni polari delle proteine e lacqua presente su entrambe le superfici della membrana Al doppio strato lipidico si associano le proteine intrinseche o integrali e quelle estrinseche o superficiali Le proteine intrinseche possono attraversare interamente il foglietto ed esporre parti della loro molecola su una o entrambe le superfici Le proteine estrinseche sono legate alle superfici esclusivamente mediante legami polari sia con le teste dei lipidi, sia con le porzioni superficiali delle proteine integrali

34 Il Modello del Mosaico Fluido Le proteine condividono con i lipidi alcune caratteristiche quali la mobilità e lasimmetria di distribuzione nei confronti delle superfici della membrana.

35 Mobilità delle Proteine Esperimento di Frye-Edidin, 1970 Le membrane di cellule di specie diversa sono caratterizzate da proteine diverse Si possono produrre reagenti immunologici, ossia anticorpi, capaci di riconoscere con grande specificità e precisione le proteine delle due specie diverse E possibile costituire cellule ibride fondendo cellule umane con cellule di topo ed individuare la distribuzione delle proteine umane e murine del prodotto di fusione

36 Mobilità delle Proteine

37 Meccanismi che limitano la Mobilità delle Proteine: I DOMINI DI MEMBRANA Autoassemblaggio; Ancoraggio alle molecole della matrice extracellulare; Ancoraggio alle proteine situate allinterno cellula; Ancoraggio alle proteine situate su unaltra cellula.

38 Presenza delle Barriere di Diffusione: LE GIUNZIONI OCCLUDENTI E da notare che La proteina A deve necessariamente trovarsi sul lato apicale; La proteina B deve necessariamente trovarsi, invece, sulla superficie laterale e basale della stessa cellula.

39 Asimmetria delle Proteine Essa contribuisce in maniera determinante a diversificare le due superfici di membrana dal punto di vista della composizione e quindi anche da quello funzionale

40 Asimmetria delle Proteine elica singola, eliche multiple oppure manicotto di tipo Presenza di un legame covalente con una molecola lipidica; Interazioni non covalenti con altre proteine di membrana

41 Asimmetria delle Proteine Proteine con funzione recettoriale espongono il sito di legame sulla faccia della membrana da cui proviene il ligando, ne sono un esempio i recettori ormonali Le proteine che devono ricavare lenergia necessaria alla loro funzione dallidrolisi di ATP espongono il sito di legame per lATP sul versante intracitoplasmatico della membrana stessa

42 Funzioni delle Proteine nella Membrana Plasmatica Esse possono essere: Vettori: Pompa di Na+ (Na+/K+) Connettori: Integrine (actina e matrice cellulare) Recettori: PDGF (lega il PDGF) Enzimi: Adenilato Ciclasi (AMP ciclico)

43 Strato Corticale della Cellula Eritrociti Umani La spectrina instaura connessioni con la membrana tramite le proteine di attacco che la fissano a specifiche proteine transmembrana Essa deve garantire la robustezza meccanica necessaria ai globuli rossi per poter scorrere nei vasi sanguigni

44 Ciascun eterodimero di spettrina consiste di 2 catene polipeptidiche antiparallele chiamate e Le estremità dei tetrameri di spettrina sono unite tramite il legame con filamenti di actina e con la proteina della banda 4.1 formando un complesso giunzionale; La proteina responsabile dellattacco della spettrina al citoscheletro è lanchirina che si lega da una parte alla spettrina e dallaltra al dominio citoplasmatico della proteina transmembrana della banda 3.

45 Strato Corticale della Cellula Eritrociti Umani Rete di spectrina al microscopio elettronico

46 Il Glicocalice I lipidi presenti nella membrana plasmatica possono legare catene di zuccheri generando così i glicopilidi; Le proteine della membrana plasmatica possono legare brevi catene di zuccheri, ovvero oligosaccaridi, generando così glicoproteine; Le proteine di membrana possono legare anche una o più catene lunghe di zuccheri generando i cosiddetti proteoglicani. Tutti i carboidrati appartenenti ai glicolipidi, alle glicoproteine ed ai proteoglicani contribuiscono a formare il GLICOCALICE che si affaccia sempre sul versante non citosolico della cellula.

47 Il Glicocalice E da notare che alla composizione del glicocalice possono contribuire anche le glicoproteine ed i proteoglicani secreti dalla stessa cellula e subito adsorbiti alla sua superficie.

48 Funzioni del Glicocalice Esso aiuta a proteggere la superficie cellulare dal danneggiamento per cause chimiche e meccaniche; Le catene di zuccheri assorbono acqua rendendo così scivolosa la membrana cellulare: questa caratteristica aiuta per esempio le cellule mobili come i leucociti nella migrazione trans-endoteliale ed evita agli eritrociti di aderire tra di loro o alle pareti dei vasi; Il glicocalice svolge un ruolo fondamentale nel riconoscimento e nelladesione cellulare. Il Glicocalice è quindi un involucro che distingue cellule specializzate in una particolare funzione e le rende riconoscibili ad altre cellule con cui devono interagire.

49 La risposta infiammatoria rappresenta il processo attraverso cui i neutrofili vengono reclutati dal sangue in un sito infiammatorio per combattere ad esempio un infezione: Mediatori chimici locali inducono l espressione sulle cellule endotelali di una glicoproteina transmembrana chiamata selectina P; Le selectine contengono una lectina che lega specifici carboidrati presenti al livello dei glicolipidi e glicoproteine dei neutrofili; Questo tipo di legame è responsabile del rolling cui segue Un altro meccanismo di rafforzamento dell adesione mediato da altre proteine transmembrana chiamate integrine; Migrazione trans-endoteliale dei granulociti neutrofili. Risposta Infiammatoria

50 Funzioni del Glicocalice Il riconoscimento dei carboidrati di superficie sui granulociti neutrofili è la fase preliminare della loro migrazione fuori dal torrente circolatorio nella sede dellinfezione. E da notare che le cellule endoteliali se da una parte esprimono specifici recettori che sono in grado di legare le selettine ed integrine linfocitarie, dallaltra secernono chemochine che rafforzano i processi di interazione dei linfociti con le cellule endoteliali stesse.

51 Il Trasporto di Membrana La membrana cellulare è una vera e propria barriera. Tuttavia la cellula deve vivere scambiando molecole con lambiente. Infatti, una cellula deve importare sostanze nutritizie, come zuccheri ed amminoacidi, eliminare prodotti di rifiuto, come anidride carbonica, e regolare anche la concentrazione intracellulare di ioni come Idrogeno, Sodio, Potassio e Calcio.

52 Il Trasporto di Membrana Le molecole proteiche svolgono un ruolo fondamentale in questo tipo di processo. Si possono distinguere due classi principali di proteine di trasporto: Proteine di TrasportoProteine Canale

53 Il Trasporto di Membrana Le proteine di trasporto o vettrici vanno incontro ad una serie di cambi conformazionali per trasportare molecole idrosolubili al di là del doppio strato lipidico. In particolare, la proteina trasportatrice si alterna fra 2 conformazioni così che il sito di attacco del soluto sia accessibile sequenzialmente su di un lato e sullaltro del doppio strato Le proteine canale o canali ionici formano piccoli pori idrofilici pieni dacqua attraverso i quali possono diffondere ioni specifici.

54 Il Trasporto di Membrana: Passivo o Attivo Se i soluti sono privi di carica o liposolubili, lattraversamento del doppio strato lipidico avviene per DIFFUSIONE SEMPLICE; La maggior parte dei soluti richiede proteine vettrici oppure canali ionici e lattraversamento in questi casi può essere PASSIVO, assecondando il gradiente di concentrazione, oppure ATTIVO (esclusivo delle proteine vettrici), contro gradiente di concentrazione con apporto energetico.

55 GRADIENTE ELETTROCHIMICO (Forza Motrice Netta)= Gradiente di Concentrazione + Differenza di Potenziale (tra i due lati della membrana) I Componenti del Gradiente Elettrochimico Le membrane plasmatiche hanno una differenza di potenziale elettrico (gradiente di voltaggio) che le attraversa con la parte interna di solito negativa rispetto a a quella esterna

56 Entità del Gradiente Elettrochimico per lo stesso Soluto A= si ha soltanto un gradiente di concentrazione B= al gradiente di concentrazione del soluto si aggiunge un potenziale di membrana che accresce la Forza Motrice C= il potenziale di membrana riduce la forza motrice creata dal gradiente di concentrazione favorevole

57 Tre tipi di Trasporto Passivo o Attivo Uniporto: il trasportatore traghetta un solo tipo di soluto; Simporto: il trasportatore traghetta due soluti nella stessa direzione; Antiporto: il trasportatore traghetta due soluti in direzioni opposte.

58 Il Trasporto di Membrana: Le proteine Vettrici Le proteine vettrici sono altamente selettive Il sito di legame delle proteine vettrici per il soluto che devono trasportare è assolutamente specifico Le proteine vettrici si diversificano a seconda delle membrane cellulari cui sono associate

59 Le proteine Vettrici nel Trasporto Passivo La proteina trasportatrice può esistere in 2 stati conformazionali: Nello stato A i siti di legame sono esposti allesterno del doppio strato e viceversa nello stato B. Sufficienti prove sperimentali indicano che la transizione fra i due stati avvenga a caso e che sia completamente reversibile

60 Le proteine Vettrici: un esempio di Trasporto Passivo Uniporto Trasporto Passivo del Glucosio al livello dellEpatocita > Conc. Glucosio allesterno (dopo un pasto)=Transiz. da A a B Conc. Glucosio allinterno (a digiuno)=Transiz. da B ad A Il Trasporto Netto del Soluto è secondo Gradiente di Concentrazione

61 Le proteine Vettrici: il Trasporto Attivo Il Trasporto Attivo permette lo spostamento dei soluti contro il loro gradiente elettrochimico ed avviene in tre modi. A:Le Pompe ad ATP accoppiano il trasporto contro gradiente allidrolisi di ATP B:I Trasportatori Accoppiati accoppiano il trasporto di un soluto contro gradiente al trasporto di un soluto secondo gradiente C: Le Pompe Fotoalimentate, presenti nei batteri, accoppiano il trasporto contro gradiente allassorbimento di energia luminosa Il trasporto attivo contro gradiente elettrochimico riveste un ruolo fondamentale nel mantenimento della composizione ionica intracellulare e per importare soluti maggiormente concentrati allinterno della cellula rispetto allesterno.

62 Trasporto Attivo Antiporto: Le pompe Sodio-Potassio ad ATP Questa proteina vettrice usa lenergia di idrolisi dellATP per espellere Sodio fuori dalla cellula ed importare Potassio dentro la cellula, entrambi contro gradiente di concentrazione.

63 Trasporto Attivo: Le pompe Sodio-Potassio ad ATP Il legame di Sodio e la successiva fosforilazione inducono il cambio conformazionale e lespulsione di Sodio stesso; Il legame del Potassio e la successiva defosforilazione riportano da un lato la proteina al suo stato conformazionale originario e dallaltro introducono Potassio allinterno della cellula; Il risultato netto di un ciclo operativo è il trasporto di tre di Sodio e due di Potassio.

64 Trasporto Attivo: Il Trasportatore Accoppiato Laccoppiamento può avvenire tra movimenti di due ioni organici, tra il movimento di uno ione inorganico e quello di una molecola organica o tra movimenti di due molecole organiche; I tipi di trasporto possono essere antiporto e simporto.

65 Trasporto Attivo: Il Trasportatore Accoppiato Il principio base prevede che se manca uno dei soluti cotrasportati, il trasporto dellaltro non può avvenire; Se le cellule dellepitelio intestinale disponessero solo dei vettori passivi per il glucosio, lo assumerebbero dopo un pasto ricco di zuccheri e lo libererebbero dopo un pasto privo di zuccheri.

66 Trasporto Attivo: Il Trasportatore Accoppiato nelle Cellule dellEpitelio Intestinale In realtà lenterocita può assumere attivamente glucosio anche quando la sua concentrazione intracellulare supera quella dellintestino grazie alla presenza di un vettore simporto, glucosio-Na+, presente sulla superficie apicale dellenterocita stesso

67 Il processo porta al trasporto di glucosio dal lume intestinale al fluido extracellulare ed infine al sangue: Il glucosio è importato al livello apicale da un simporto di glucosio spint dal Na+ Il glucosio passa fuori dalla cellula per diffusione facilitata mediata da una proteina diversa al livello dei domini laterali e basali della cellula; Il gradiente di Na+ che sospinge il simporto di glucosio è mantenuto dalle ATPasi dei domini basali che a loro volta abbassano la concentrazione interna di Na+ stesso

68 Il Trasportatore Accoppiato Glucosio-Na+ Se però lepitelio intestinale avesse solo il simporto, non potrebbe mai rendere disponibile il glucosio alle altre cellule del corpo.

69 Il Trasportatore Accoppiato Glucosio-Na+ Infatti, le cellule dellepitelio intestinale posseggono nei domini laterali e basali il sistema uniporto passivo che liberano glucosio secondo gradiente. E da notare la presenza di una barriera antidiffusione assicurata dalle giunzioni occludenti intorno alle regioni apicali.

70 OSMOSI Se la concentrazione dei soluti dentro la cellula è più alta rispetto a quella dellambiente extracellulare, lacqua entra per osmosi. Se il dislivello di concentrazione dei soluti è abbastanza forte, la cellula scoppia.


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