EUCARIOTI E PROCARIOTI

ARGOMENTI CONTENUTI NEL FILE: EUCARIOTI E PROCARIOTI LA MEMBRANA CELLULARE LA STRUTTURA DELLA MEMBRANA CELLULARE IL TRASPORTO DI MEMBRANA L’OSMOSI IL TRASPORTO DI MASSA LA SEGNALAZIONE CELLULARE

batterio Membrana plasmatica

LA MEMBRANA CELLULARE

Funzioni della membrana cellulare 1) determina una compartimentazione Le membrane formano dei foglietti continui, ininterrotti perciò delimitano dei compartimenti. La membrana plasmatica racchiude i contenuti dell’intera cellula mentre le membrane dell’involucro nucleare e quelle citoplasmatiche delimitano differenti spazi cellulari fornisce una barriera con permeabilità selettiva le membrane impediscono il libero scambio di materiali da un versante a un altro ma allo stesso tempo forniscono un mezzo di comunicazione fra gli spazi 1 nella cellula la compartimentalizzazione assume una particolare importanza perché i diversi spazi sono pieni di materiale fluido e se i loro contenuti si mescolassero l’effetto sarebbe disastroso 2 la membrana plasmatica deve consentire che dallo spazio esterno arrivino al citoplasma le sostanze opportune e quelle inadatte vengano tenute fuori.in questo senso la membrana plasmatica agisce come una barriera a permeabilità selettiva

4) Risponde a segnali esterni 3) Trasporta soluti contiene i congegni necessari per il trasporto fisico di sostanze da un suo versante ad un altro 4) Risponde a segnali esterni le membrane plasmatiche svolgono una funzione fondamentale nella risposta di una cellula a stimoli esterni, un processo noto come TRASDUZIONE DEL SEGNALE Presiede a interazioni intercellulari funge da mediatore per le interazioni fra le cellule di un organismo pluricellulare 4 le membrane contengono dei recettori che si combinano con particolari molecole dette ligandi che hanno struttura complementare. Tipi differenti di cellule hanno membrane con tipi differenti di recettori e perciò sono capaci di riconoscere e di rispondere a ligandi diversi nell’ambiente in cui si trovano 5 la membrana plasmatica permette alle cellule di riconoscersi fra loro di aderire e di scambiarsi informazioni 6 fintanto che i reattivi sono presenti in soluzione le loro interazioni dipendono da collisioni casuali

LA STRUTTURA DELLA MEMBRANA CELLULARE

Il sistema che si è evoluto in natura per separare compartimenti acquosi con barriere che limitano il passaggio di materiali è l’uso di membrane contenenti una classe speciale di lipidi: I FOSFOLIPIDI

I fosfolipidi costituiscono lo “scheletro” della membrana Un’unità di glicerolo a cui sono legati: 2 acidi grassi Una molecola contenente fosfato

Le membrane contengono diversi tipi di lipidi e tutti sono ANFIPATICI Siccome la maggior parte dei lipidi di membrana ha legato a sé un gruppo fosforico vengono chiamati FOSFOLIPIDI I FOSFOLIPIDI a loro volta spesso presentano uno scheletro di glicerolo, di conseguenza prendono il nome di FOSFOGLICERIDI Gli acidi grassi della membrana possono essere SATURI, MONOINSATURI, e POLIINSATURI Un’altra classe di lipidi è rappresentata dagli SFINGOLIPIDI derivati della sfingosina 1 hanno nella loro molecola sia regioni idrofile che regioni idrofobiche La maggior parte dei lipidi di membrana ha un gruppo fosforico; fanno eccezione il colesterolo e i glicolipidi Diversamente dai trigligeridi i fosfogliceridi presentano solo due acidi grassi(esterificazione), il terzo gruppo è esterificato da un gruppo fosforico

LE MEMBRANE CELLULARI Membrana plasmatica Reticolo endoplasmatico Apparato del Golgi Mitocondri Lisosomi Perossisomi

A causa della loro struttura le membrane sono quindi strutture continue e deformabili Continue nel senso che non hanno mai un margine libero, la loro forma può variare quando è necessario, durante la divisione cellulare o la locomozione

Acidi grassi insaturi Acidi grassi saturi

Movimenti dei fosfolipidi

Il colesterolo Il colesterolo è un costituente delle membrane cellulari ed è il prodotto di partenza per la sintesi degli ormoni steroidei

LA FLUIDITÀ DI MEMBRANA: GRADO DI SATURAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI DEI FOSFOLIPIDI COLESTEROLO OH H2C H3C CH3

L’organizzazione fisica e il funzionamento di una membrana biologica dipendono da tre classi di composti chimici: Lipidi (circa 40%) Fosfolipidi Colesterolo Proteine (circa 50%) Carboidrati (circa 10%) (Glicoproteine – glicolipidi)

IL MODELLO A MOSAICO FLUIDO Le proteine sono disposte in “un mosaico” discontinuo di particelle che penetrano profondamente nel foglietto lipidico o addirittura lo attraversano completamente ( FLIP-FLOP)

PROTEINE Le proteine di membrana sono collocate e orientate in una posizione particolare nei confronti del doppio strato lipidico PROTEINE INTEGRALI (penetrano nel doppio strato lipidico) Il risultato è che le proteine che interagiscono con ligandi extracellulari(ormoni)saranno orientate verso l’esterno mentre proteine che interagiscono con le molecole citoplasmatiche saranno orientate verso l’interno(proteine G) Hanno regioni che sporgono sia dal versante extracellulare che da quello citoplasmatico. Queste proteine riescono ad inserirsi nel doppio strato perché all’interno sono idrofobe.

PROTEINE PERIFERICHE (sono situate completamente all’esterno del doppio strato lipidico o sulla superficie extracellulare o citoplasmatica e si legano alla membrana mediante legami non covalenti) Possono essere facilmente rimosse senza distruggere la struttura del doppio strato

Il concetto più importante è che il modello a mosaico fluido considera le membrane cellulari come strutture dinamiche i cui componenti sono mobili e possono riunirsi per partecipare a vari tipi di interazioni transitorie.

CARBOIDRATI Nella membrana plasmatica di cellule eucariotiche vi sono CARBOIDRATI legati con legami covalenti sia ai lipidi che alle proteine. Tutti i carboidrati della membrana sono rivolti verso l’ambiente extracellulare Queste catene oligosaccaridiche possono possono dare specificità alle loro interazioni e a quelle con altri tipi di molecole Probabilmente questi carboidrati che sporgono svolgono funzioni di mediatori Possono funzionare come porte per l’ingresso di sostanze patogene ( virus dell’influenza e la tossina colerica)

I due versanti della membrana plasmatica sono asimmetrici GLICIDI ESTERNO INTERNO Cariche negative

IL TRASPORTO DI MEMBRANA

Le ridotte dimensioni cellulari sono garanzia di un elevata efficienza di scambio a livello di membrana

Il movimento di sostanze attraverso la membrana cellulare le membrane sono “selettivamente permeabili” La permeabilità di una sostanza dipende da: dimensioni carica - sebbene il doppio strato sia relativamente impermeabile agli ioni, le cellule devono essere in grado di far passare attraverso la membrana ioni e molecole polari come gli zuccheri e gli amminoacidi intervengono quindi PROTEINE DI MEMBRANA specializzate È permeabile se permette a una sostanza di attraversarla, impermeabile nel caso contrario Quindi una membrana selettivamente permeabile permette il passaggio soltanto di alcune sostanze, le molecole di acqua sebbene siano polari quindi non liposolubili possono attraversare il doppio strato, insieme a gas piccole molecole polari e molecole più grandi apolari

Bilayer lipidico sintetico Molecole idrofobiche SI Molecole polari di piccole dimensioni Molecole polari di dimensioni maggiori NO IONI

Alta permeabilità Coefficienti di permeabilità: cm/sec Velocità di attraversamento della membrana Bassa permeabilità

in modo “passivo” per DIFFUSIONE Il movimento attraverso la membrana può avvenire principalmente in due modi: in modo “passivo” per DIFFUSIONE - in modo “attivo” per mezzo di qualche tipo di processo di trasporto accoppiato ad energia Entrambi i movimenti possono portare a un FLUSSO NETTO Il flusso netto indica che il movimento della sostanza verso l’interno e quello verso l’esterno non sono in equilibrio

una sostanza si sposta da una regione ad elevata concentrazione DIFFUSIONE “Processo spontaneo” una sostanza si sposta da una regione ad elevata concentrazione ad una a bassa concentrazione eliminando alla fine la differenza di concentrazione fra le due regioni Devono però essere soddisfatte due condizioni perché si possa realizzare Quel soluto può passare direttamente o passare attraverso un poro acquoso I fattori che regolano la velocità del passaggio sono: le sue dimensioni, la sua polarità (molecole piccole non cariche attraversano rapidamente le membrane cellulari, le molecole polari come gli zuccheri manifestano una scarsa permeabilità

DIFFUSIONE ATTRAVERSO UNA MEMBRANA SEMIPERMEABILE FLUSSO NETTO EQUILIBRIO Alta concentrazione Bassa concentrazione uguale concentrazione

DIFFUSIONE FACILITATA Molecole idrofobiche DIFFUSIONE SEMPLICE Molecole polari di piccole dimensioni Attraverso il bilayer lipidico Molecole polari di dimensioni maggiori DIFFUSIONE FACILITATA IONI Mediante l’utilizzo di trasportatori

DIFFUSIONE FACILITATA soluti polari, quali zuccheri e amminoacidi che non possono penetrare nel doppio strato lipidico La sostanza che deve diffondere si lega ad una proteina INTEGRALE di membrana detta PROTEINA DI TRASPORTO La direzione del flusso dipende solo dalla concentrazione relativa della sostanza sui due lati della membrana Il legame produce un cambiamento di conformazione della proteina che espone il soluto a livello dell’altro versante

Trasporto facilitato Mediante una PROTEINA VETTRICE O “CARRIER” Gradiente di concentrazione Proteina di trasporto “CARRIER”

Le proteine vettrici offrono siti si legame che possono essere occupati da molecole di forma corrispondente Riconoscimento specifico proteina vettrice-ligando possono variare la loro conformazione in modo da aprirsi alternativamente sui due versanti della membrana legano le molecole da trasportare preferenzialmente dal lato dove sono presenti in maggior concentrazione

GLUCOSIO

DIFFUSIONE DI IONI ATTRAVERSO LE MEMBRANE Il doppio strato lipidico è fortemente impermeabile ai composti con carica elettrica compresi piccoli ioni come Na+, K+, Ca 2+ e Cl-. Eppure il movimento di essi è essenziale per numerose attività cellulari. La maggior parte dei canali ionici selettivi per un determinato ione può esistere sia nella conformazione chiusa che in quella aperta, canali di questo tipo vengono detti a sbarramento

TRASPORTO FACILITATO Mediante proteine canale o canali ionici Proteine integrali che presentano un canale polare delimitato dalle diverse subunità della proteina Proteina canale

CANALI IONICI permeabili a determinati ioni Permettono il passaggio di ioni specifici secondo gradiente di concentrazione Svolgono un ruolo importante nelle cellule nervose e muscolari Sono dotati di apertura a tempo canali ionici a controllo di potenziale canali ionici a controllo chimico (o a controllo di ligando)

Diffusione facilitata Trasporto passivo Trasporto attivo Diffusione semplice Diffusione facilitata

TRASPORTO ATTIVO I sistemi di trasporto ATTIVO necessitano di una fonte di energia per poter trasportare le sostanze contro il proprio gradiente di concentrazione dipende dalla presenza di proteine vettrici dette “pompe” Alcune di queste legano e idrolizzano una molecola di ATP liberando l’energia per il trasporto Nel caso del trasporto attivo primario l’energia viene utilizzata direttamente per trasportare un soluto contro il proprio gradiente di concentrazione Nel trasporto attivo secondario l’energia accumulata grazie ad un trasporto attivo primario viene utilizzata per il trasporto di un’altra molecola, quindi indirettamente.

Pompa sodio-potassio Trasporto del Na+ e del K+ contro il loro gradiente di concentrazione La Na-K ATPasi pompa attivamente Na fuori e K dentro alla cellula in contrasto con i rispettivi gradienti di concentrazione. La pompa espelle 3Na e assume 2K per ciascuna molecola di ATP che si idrolizza. Si noti come sia il K che l’ouabaina competano per il medesimo sito sul lato esterno dell’ATPasi.

L’associazione con il sodio e la fosforilazione che ne consegue sulla faccia citoplasmatica dell’ATPasi inducono un mutamento conformazionale che ha l’effeto di trasferire il Na al dilà della membrana cedendolo all’esterno. Successivamente l’associazione con il potassio sulla superficie esterna e la defosforilazione che segue ripristinano la conformazione originaria della proteina che trasferisce potassio attraverso la membrana cedendolo al citoplasma

In questo tipo di processo l’energia fornita dall’ATP traina il movimento di specifici ioni contro la loro differenza di concentrazione. Il sodio ha una concentrazione bassa nel citoplasma mentre il potassio ha una concentrazione bassa all’esterno. Per mantenere questa differenza di concentrazione fra cationi è presente sulla membrana una proteina trasportatrice detta POMPA del sodio e potassio che pompa attivamente ioni K all’interno e ioni Na all’esterno

I processi di trasporto delle molecole attraverso la membrana: Trasporto passivo Trasporto attivo La permeabilità selettiva dà origine a vari tipi di trasporto: Diffusione facilitata: tramite carrier Trasporto passivo o diffusione: avviene per un gradiente di concentrazione o di potenziale elettrico e tende ad eguagliare le differenze fra citoplasma ed ambiente extracellulare Trasporto attivo:con consumo di energia tramite una proteina che funge da vettore

Esistono dei meccanismi di trasporto specifici: UNIPORTO viene trasportata una sola molecola in una direzione SIMPORTO in cui per esempio l’energia accumulata da un trasporto attivo primario viene sfruttata per il trasporto di un’altra molecola nella stessa direzione ANTIPORTO in cui la seconda molecola viene trasportata nella direzione opposta Si può parlare di simporto e antiporto anche per il trasporto passivo. C’è anche ovviamente l’

UNIPORTO simporto antiporto COTRASPORTO

Cellula intestinale Lume intestinale Trasporto di glucosio guidato dal sodio Liquido extracellulare

Il sodio entra secondo gradiente di concentrazione Diffusione facilitata Il glucosio entra contro gradiente di concentrazione sodio glucosio Simporto

L’OSMOSI

DIFFUSIONE DELL’ACQUA ATTRAVERSO LE MEMBRANE Le molecole di acqua rispetto agli ioni o piccoli soluti polari si muovono molto più velocemente attraverso la membrana Il processo viene definito OSMOSI Quando una cellula viene posta in una soluzione ipotonica la cellula assume acqua per osmosi e si gonfia

OSMOSI Le molecole di acqua passano dalla zona a minor concentrazione (compartimento IPOTONICO) alla zona a maggior concentrazione di soluti (compartimento IPERTONICO)

La pompa Na-K è un meccanismo attivo che svolge questo lavoro Regolare il volume cellulare prevede il controllo delle forze di natura osmotica che farebbero contrarre o rigonfiare la cellula stessa quindi il controllo della concentrazione dei sali La pompa Na-K è un meccanismo attivo che svolge questo lavoro

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - POTENZIALE DI MEMBRANA la membrana plasmatica separa due ambienti nei quali è mantenuta una diversa composizione ionica gradiente elettrochimico differenza di potenziale elettrico tra i due versanti della membrana di -70 mV - trasmissione di impulsi elettrici - mediare alcuni sistemi di trasporto ( pompe ioniche ) esterno + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Le differenze tra composizione del citoplasma e ambiente extracellulare per quanto riguarda la concentrazione di specie ioniche consistono nella prevalenza nel citoplasma di piccoli cationi mentre sono relativamente scarsi i piccoli anioni. Nel citoplasma infatti è presente una grande quantità di molecole non diffusibili che dissociano in anioni.l’eccesso di cariche negative viene quindi bilanciato da un ingresso di cationi che risultano perciò più concentrati nel citoplasma. Fa eccezione il sodio interno

La pompa Na-K contribuisce a generare e sostenere il potenziale di membrana: pompa attivamente ioni 3Na+ fuori ioni 2K+ dentro impoverendo l’interno di cationi Si raggiunge il potenziale di membrana

IL TRASPORTO DI MASSA: ESOCITOSI ENDOCITOSI

ENDOCITOSI ESOCITOSI TRASPORTO DI MASSA PARTICELLE DI ELEVATE DIMENSIONI PICCOLE CELLULE MACROMOLECOLE vengono trasportate per mezzo di vescicole o vacuoli ENDOCITOSI ESOCITOSI

ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORI TIPI DI ENDOCITOSI FAGOCITOSI PINOCITOSI ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORI

FAGOCITOSI Vacuolo alimentare o fagosoma VESCICOLE GRANDI CELLULE CON ATTIVITA’ FAGOCITARIA ALIMENTAZIONE PROTISTI UNICELLULARI GLOBULI BIANCHI DIFESA

PINOCITOSI VESCICOLE “cellular drinking” Vescicole più piccole dei fagosomi Incorporano sostanze disciolte e fluidi

ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORI “CATTURA” SPECIFICHE MACROMOLECOLE IL RICONOSCIMENTO DI QUESTE AVVIENE TRAMITE RECETTORI SPECIFICI I RECETTORI SONO LOCALIZZATI IN REGIONI DELLA MEMBRANA DETTE “COATED PITS”

PARTICELLA DA TRASPORTARE PROTEINE DEL RIVESTIMENTO PARTICOLARI SOSTANZE SI LEGANO AI RECETTORI CHE SI TROVANO IN CORRISPONDENZA DI UN “COATED PIT” UNA FOSSETTA RIVESTITA SUL VERSANTE CITOPLASMATICO DI MOLECOLE DI “CLATRINA” UNA VOLTA COMPLETATA L’INVAGINAZIONE DELLA MEMBRANA E LA FORMAZIONE DELLA VESCICOLA, LE SOSTANZE LEGATE AI RECETTORI SI TROVERANNO ALL’INTERNO DELLA VESCICOLA RIVESTITA

Proteina che si lega al recettore INGRESSO DEL COLESTEROLO NELLE CELLULE “LOW DENSITY LIPOPROTEIN” PARTICELLA LDL fosfolipidi Vescicola rivestita colesterolo Vescicola non rivestita Proteina che si lega al recettore Rivestimento di clatrina in corrispondenza di un “coated pit” UNA VOLTA SINTETIZZATO NEL FEGATO, NEL CIRCOLO SANGUIGNO IL COLESTEROLO SI TROVA ASSOCIATO CON PROTEINE E FOSFOLIPIDI Il colesterolo libero può essere utilizato dalla cellula Lisosoma primario contenente enzimi idrolitici Dopo la fusione con il lisosoma primario, l’LDL viene digerita e il colesterolo si libera nel citoplasma

ELEVATI MOLTO ALTI DI COLESTEROLO NEL SANGUE IPERCOLESTEROLEMIA ELEVATI MOLTO ALTI DI COLESTEROLO NEL SANGUE RIDOTTA CAPACITA’ DI ASSUNZIONE DI LDL A CAUSA DELLA PRESENZA DI RECETTORI DIFETTOSI

ESOCITOSI Il materiale incorporato nelle vescicole viene secreto dalla cellula in seguito alla fusione della membrana che lo contiene con la membrana plasmatica

ESOCITOSI COSTITUTIVA ESOCITOSI REGOLATA Attività di secrezione spontanea, non controllata ESOCITOSI COSTITUTIVA formazione e secrezione continua delle vescicole Attività di secrezione in risposta a stimoli specifici ESOCITOSI REGOLATA Accumulo delle vescicole in prossimità della membrana in attesa del segnale per l’esocitosi

Le membrane sono strutture dinamiche Vescicola secretoria ESOCITOSI Reticolo endoplasmatico rugoso RER lisosoma ENDOCITOSI Apparato del Golgi

LA SEGNALAZIONE CELLULARE

Le cellule dell’organismo si scambiano messaggi attraverso segnali chimici (molecole segnale) Componenti di un sistema di segnalazione

Tipi di segnalazione cellulare paracrina sinaptica endocrina Es. mediatore locale Es. neurotrasmettitori Es. ormoni

RICEZIONE TRASDUZIONE RISPOSTA STADI DELLA SEGNALAZIONE CELLULARE Interazione del segnale extracellulare con il recettore RICEZIONE Modificazioni a catena delle molecole della via di trasduzione TRASDUZIONE Comparsa di un secondo messaggero Attivazione di funzione metaboliche RISPOSTA

“RISPOSTA DI FUGA” UTILIZZO DI ENERGIE PER LOTTA E FUGA IN CASO DI PERICOLO UTILIZZO DI ENERGIE DURANTE UNA COMPETIZIONE

Cellule delle ghiandole del surrene adrenalina Cellule del fegato Cellule muscolari UN ESEMPIO DI SEGNALAZIONE CELLULARE DEMOLIZIONE DELLE RISERVE GLICOGENO E LIBERAZIONE DI GLUCOSIO RISPOSTA DELLA CELLULA TARGET

TRASDUZIONE Comparsa di un secondo messaggero AMPLIFICAZIONE DELLA RISPOSTA

Attivazione di protein chinasi Secondo messaggero Attivazione di protein chinasi Fosforilazioni a cascata glicogeno Glucosio-6-fosfato glicolisi Secondo messaggero Enzima #1 attivo E #2 inattivo E #2 attivo E #3 inattivo E #3 attivo E #1 inattivo Enzima #1 inattivo RISPOSTA

ALCUNE FUNZIONI DELLE PROTEINE DI MEMBRANA