MEMBRANE BIOLOGICHE

Membrane biologiche Cellula eucariotica animale

Membrane biologiche La cellula è altamente organizzata con molte unità funzionali o organelli al suo interno. La maggior parte di queste unità è limitata da una o più membrane. La membrana è specializzata nella funzione dell’ organello a cui appartiene, in quanto contiene proteine specifiche e componenti lipidici che le permettono di svolgere il suo ruolo specializzato. Le membrane sono vitali per la cellula in quanto la separano dall’esterno e sono essenziali per l’integrità e la funzionalità stessa della cellula.

Membrane biologiche effetto “binario”

Membrane biologiche Funzioni della membrana: 1)Proteggere 2)Regolare il trasporto all’esterno e all’interno della cellula o dell’ organello 3)Permettere la trasduzione del segnale mediante l’allocazione dei recettori di transmembrana 4)Permettere il riconoscimento cellulare 5)Fornire punti di attacco per i componenti del citoscheletro e permettere quindi alla cellula di mantenere la sua forma e, forse, di potersi muovere verso siti distanti 6)Fornire un sito fisso per il binding e la catalisi enzimatica 7)Regolare la fusione della membrana con altre membrane nella cellula mediante giunzioni “specializzate” (gap junctions) 8)Fornire un “corridoio” attraverso la membrana per alcune molecole 9)Permettere la motilità della cellula o degli organelli

Membrane biologiche 1966: Lenard e Singer mettono a punto il modello attualmente accettato per la struttura delle membrane; Modello a Mosaico Fluido – I lipidi sono organizzati in un “doppio strato”, con proteine incorporate o associate ai lipidi. La struttura è in uno stato intermedio tra gli stati solido e liquido, con i lipidi e le proteine con limitati movimenti rotazionali e laterali.

Membrane biologiche Il definitivo chiarimento sul modello della membrana cellulare si è avuto con l’avvento della tecnica della “freeze fracture” che ha permesso di studiare l’interno delle membrane con tutti i costituenti. Tecnica della “freeze fracture” Interno di una membrana cellulare Spessore medio: 5 nm Differenza di potenziale (a riposo): da –20 a 200 mV.

Membrane biologiche Struttura base della membrana Tutte le membrane contengono proteine e lipidi, ma in proporzioni variabili. Ad es. la mielina, che isola le fibre nervose, è formata dal 18% di proteine e dal 76% di lipidi; La membrana mitocondriale interna è formata per il 76% da proteine e solo per il 24% da lipidi. Le membrane plasmatiche di globuli rossi umani e murini contengono uguali percen- tuali di lipidi e proteine (43,52% e 44,49%) rispettivamente.

Membrane biologiche Struttura base della membrana  Le proteine sono incorporate nel bilayer. Possono passare attraverso il bilayer (proteine di transmembrana) o possono essere ancorate nella zona citoplasmatica o in quella esterna.

Membrane biologiche Fosfolipidi di membrana: Sono tra i principali lipidi di membrana. Hanno una testa polare e due code idrofobiche. glicerolo Acidi grassi (idrofobico) fosfato (idrofilo) MODELLO

Membrane biologiche La testa polare ha un gruppo ammonio e un gruppo fosfato che, mediante una molecola di glicerolo, si lega a due code di acidi grassi. Una delle due catene è formata da acidi grassi saturi, mentre l’altra contiene un doppio legame cis (acido grasso insaturo) che determina un “gomito” nella struttura. Tale gomito influenza l’impacchettamento dei fosfolipidi e il movimento sul piano laterale della membrana.

Membrane biologiche Impacchettamento dei fosfolipidi in due “foglietti” nella membrana La presenza del doppio legame cis impedisce un impacchettamento troppo stretto e rende il bilayer difficile da congelare

Membrane biologiche Il bilayer lipidico conferisce alla membrana le sue caratteristiche di fluidità. A basse T, il bilayer è in stato di gel e strettamente impacchettato. A T più alta (corporea), il bilayer è “fuso” e l’interno è fluido, permettendo così alle molecole lipidiche di muoversi, ruotare, scambiarsi di posto.

Membrane biologiche Colesterolo di membrana: La quantità di colesterolo nelle membrane è variabile. La membrana plasmatica contiene quasi una molecola di colesterolo per molecola di fosfolipide. Altre membrane (ad es. batteriche) non contengono colesterolo Molecola di colesterolo

Membrane biologiche Colesterolo di membrana: La molecola di colesterolo si inserisce nella membrana con la stessa orientazione dei fosfolipidi, allineando le teste polari. Funzioni: Bloccare i gruppi idrocarburici dei fosfolipidi, in modo da rendere meno deformabile il bilayer e da diminuire la permeabilità alle molecole idrofiliche. Prevenire la cristallizzazione degli idrocarburi e gli spostamenti all’interno della membrana

Membrane biologiche Glicolipidi di membrana: La parte formata da una molecola di zucchero punta verso lo spazio extracellulare. Si aggregano nella membrana. Svolgono funzioni di protezione e isolamento e sono siti di binding recettoriali. Le tossine (colera, tetano) vengono legate dai glicosfingolipidi Sfingolipidi e colesterolo cooperano per raccogliere le proteine in una regione della membrana chiamata “microdomain”. Agiscono come ancore per l’attacco di proteine quando le membrane si muovono intorno alla cellula e durante la trasduzione del segnale.

Membrane biologiche Proteine di membrana: Proteine integrali Le “proteine di transmembrana” sono amfipatiche (possiedono sia regioni idrofobiche che idrofiliche) e fortemente associate alla membrana. Sono dette anche “proteine integrali”. Esse possono essere staccate dalla membrana solo mediante enzimi, solventi o detergenti.

Membrane biologiche Proteine di membrana: Proteine integrali Funzioni: Trasporto di varie specie attraverso la membrana Siti recettoriali (ad es. nella glicoforina i residui oligosaccaridici agiscono come recettori del virus dell’influenza). Attraversano la membrana varie volte e le sezioni che attraversano la membrana si chiamano “domini di transmembrana”. A volte le proteine si raggruppano insieme a formare un “poro” attraverso la membrana. I pori sono punti importanti di passaggio di farmaci e di ioni (canali ionici). Sono stati individuati molti canali ionici; essi sono selettivi (Na +, K +, Cl - ). Le proteine che formano questi canali sottostanno a cambiamenti conformazionali che aprono e chiudono il canale.

Membrane biologiche Proteine di membrana: Proteine periferiche Le “proteine di membrana periferiche” si ancorano sulla superficie citoplasmatica (mediante attacco a una catena di acidi grassi), o sulla superficie esterna della cellula (attacco a un oligosaccaride), o ad altre proteine.

Passaggio delle specie attraverso le membrane biologiche Permeabilità delle membrane Le membrane biologiche sono barriere fisiche, ma che permettono a piccole molecole non cariche di attraversarle. Il passaggio è permesso anche a molecole solubili nei lipidi. Le molecole grandi e quelle cariche NON passano attraverso le membrane

Passaggio delle specie attraverso le membrane biologiche Come attraversano le membrane le altre molecole ?? Due sono i modi principali attraverso i quali le molecole tipicamente attraversano le membrane: Trasporto passivo e Trasporto attivo Il trasporto attivo richiede che la cellula usi energia che proviene dal cibo per spostare le molecole (o particelle più grandi) attraverso la membrana cellulare. Il trasporto passivo non richiede questo consumo di energia, e avviene spontaneamente.

Passaggio delle specie attraverso le membrane biologiche Meccanismi di trasporto Diffusione passiva – semplice movimento da zone a alta concentrazione a zone a bassa concentrazione. La membrana non partecipa attivamente al processo. E’ il metodo di trasporto di soluti non carichi e non- polari, solubili nei lipidi di membrana.

Passaggio delle specie attraverso le membrane biologiche I legge di Fick della diffusione A T costante la velocità di diffusione di una specie non carica attraverso una membrana è dipendente da: 1)Coefficiente di ripartizione per l’entrata (K 1 ) e l’uscita (K 2 ) del farmaco; 2)Coefficiente di diffusione (D); 3)Spessore della membrana (x); 4)Gradiente di concentrazione (c 1 –c 2 ) attraverso la membrana; 5)Superficie (S) della membrana coinvolta nella diffusione. J è la velocità di comparsa del farmaco nel fluido 2

Passaggio delle specie attraverso le membrane biologiche Osmosi – Diffusione di acqua attraverso una membrana semi-permeabile. Può essere anche definita come il processo mediante il quale l’acqua diffonde attraverso la cellula da una zona ad alta a una zona a più bassa concentrazione L’osmosi avviene in risposta a una variazione di concentrazione di soluti in acqua. L’acqua attraversa la membrana fino a quando i gradienti di concentrazione di acqua e soluti non si livellano.

Passaggio delle specie attraverso le membrane biologiche Osmosi in soluzione Ipertonica La concentrazione di molecole di soluto fuori dalla cellula è più alta della conc. intracellulare; L’acqua diffonde fuori dalla cellula fino a ristabilire l’equilibrio; Se la cellula perde troppa acqua, si contrae e avvizzisce Osmosi in soluzione Ipotonica La concentrazione di molecole di soluto fuori dalla cellula è più bassa della conc. intracellulare; L’acqua diffonde verso l’interno della cellula fino a ristabilire l’equilibrio; L’ingresso di acqua nella cellula ne provoca il rigonfiamento

Passaggio delle specie attraverso le membrane biologiche Osmosi in Soluzione Ipotonica Le cellule animali messe in acqua distillata (sol. ipotonica) si rigonfiano e scoppiano (CITOLISI); Le cellule vegetali, invece, non scoppiano a causa della rigidità della parete cellulare Osmosi in Soluzione Isotonica La concentrazione di soluto fuori e dentro la cellula è uguale; l’acqua diffonde verso l’esterno e verso l’interno alla stessa velocità, per cui il movimento “netto” è nullo.

Passaggio delle specie attraverso le membrane biologiche Diffusione facilitata – coinvolge alcune proteine “carrier” che trasportano le sostanze attraverso la membrana. Avviene in direzione da alta a bassa concentrazione e dunque non richiede dispendio di energia da parte della cellula. E’ il metodo attraverso il quale il glucosio viene trasportato attraverso le membrane.

Passaggio delle specie attraverso le membrane biologiche Diffusione facilitata

Passaggio delle specie attraverso le membrane biologiche Filtrazione – I canali formati da alcune proteine integrali di membrana agiscono come pori e permettono l’entrata e l’uscita dalla cellula di piccole molecole. La filtrazione avviene quando particelle di soluto vengono forzate dentro questi pori dalla pressione esterna.

Passaggio delle specie attraverso le membrane biologiche Trasporto Attivo – E’ il trasporto di un soluto attraverso una membrana da parte delle cosiddette “carrier proteins”. Il soluto si combina con la proteina e ne provoca il cambiamento conformazionale; tale cambiamento dà luogo al trsporto del soluto da una parte all’altra della membrana, e quindi al suo rilascio. Questo processo avviene contro un gradiente di concentrazione, da bassa verso alta concentrazione. La cellula spende energia (ATP).

Passaggio delle specie attraverso le membrane biologiche Trasporto attivo Le “carrier proteins” sono altamente selettive e trasportano soluti con strutture chimiche specifiche. Trasportano molte sostanze naturali, ma anche molti farmaci strutturalmente correlati a sostanze naturali. Es. la levodopa, usata nel trattamento del Parkinson, è un aa e come tale sfrutta lo stesso sistema di trasporto degli aa naturali Tyr e Phe ai quali è strutturalmente correlato.

Passaggio delle specie attraverso le membrane biologiche Il trasporto attivo è importante nel mantenere la concentrazione ionica nelle cellule e tra le cellule. Le pompe sodio-potassio (Na + /K + ) sono importanti per le contrazioni muscolari, la trasmissione degli impulsi nervosi e l’assorbimento dei nutrienti. Le pompe Na + - K + nelle cellule animali pompano gli ioni Na + fuori, e gli ioni K + dentro, contro il gradiente di concentrazione.

Passaggio delle specie attraverso le membrane biologiche Endocitosi – meccanismo attraverso il quale grandi molecole, frammenti di tessuto, batteri e altre particelle visibili al miscroscopio possono passare attraverso la membrana cellulare. 1.La sostanza entra in contatto con la membrana e viene invaginata. 2.La membrana si chiude attorno alla sostanza formando un “sacchetto” che si separa e passa nella zona intracellulare 3. dove si disperde e rilascia il contenuto

Passaggio delle specie attraverso le membrane biologiche Endocitosi Pinocitosi Fagocitosi Trasporto di particelle visibili al microscopio attraverso la membrana Analogo alla fagocitosi ma con le particelle in soluzione Due possibili meccanismi: endocitosi costitutiva e mediata da recettore. Quest’ultimo tipo è specifico, avviene grazie a recettori collocati sulla membrana ed è responsabile del trasporto di proteine a bassa densità, vitamine, insulina, ferro, tossine virus e fattori di crescita

Passaggio delle specie attraverso le membrane biologiche Esocitosi – è essenzialmente il meccanismo inverso all’endocitosi. E’ il metodo con il quale sostanze di scarto, muco e prodotti cellulari (ormoni e neurotrasmettitori) passano nello spazio extracellulare. 1.I prodotti della cellula vengono racchiusi nelle vescicole del Golgi 2.Le vescicole si fondono con la membrana cellulare e 3. secernono il materiale fuori dalla cellula.