LE MEMBRANE BIOLOGICHE Struttura delle membrane: il doppio strato lipidico, caratteristiche dei lipidi di membrana, fluidità, movimenti dei lipidi nel doppio strato, asimmetria. Le proteine di membrana: rapporti col doppio strato lipidico, proteine periferiche e proteine integrali di membrana.

Funzioni della membrana plasmatica Regola il trasporto di nutrienti nella cellula Regola il trasporto di cataboliti fuori della cellula Mantiene le condizioni chimiche appropriate nella cellula Capta segnali dall’ambiente extracellulare Permette l’interazione con altre cellule Contiene siti specifici di riconoscimento Contiene sistemi enzimatici necessari al metabolismo energetico

Le membrane biologiche La struttura e la funzione di base di tutte le membrane biologiche dipendono dai LIPIDI (fosfolipidi, derivati degli steroidi) La funzione specifica di ciascuna membrana dipende invece dalle PROTEINE che sono espresse su quella specifica membrana Sia i LIPIDI che le PROTEINE di membrana possono essere glicosilati (GLICOLIPIDI E GLICOPROTEINE); generalmente sul lato esterno, funzione di riconoscimento di molecole o altre cellule

Quali funzioni sono associate ai vari componenti? Lipidi: - Barriera idrofobica Proteine: - Trasporto specifico - Riconoscimento e comunicazione - Conversione di energia Carboidrati: 5

I LIPIDI DI MEMBRANA

LIPIDI DI MEMBRANA FOSFOGLICERIDI FOSFOLIPIDI SFINGOMIELINA CEREBROSIDI GLICOLIPIDI GANGLIOSIDI COLESTEROLO

Struttura di una molecola fosfolipidica

Struttura dei fosfolipidi

Doppio plasmide

formare spontaneamente tre strutture I fosfolipidi in acqua possono formare spontaneamente tre strutture Micella Liposoma Doppio strato

A causa della loro natura anfipatica, i fosfolipidi in ambiente acquoso tendono a disporsi spontaneamente a formare doppi strati (bilayers)

La microscopia conferma l’idea del doppio strato lipidico 5-10 nm

FLUIDITA’ DEI DOPPI STRATI LIPIDICI L’assenza di legami covalenti tra le molecole lipidiche permette alle singole molecole di muoversi all’interno di ogni singolo strato, ed è questo che rende le membrane “fluide”

Le interazioni non covalenti tra le code degli acidi grassi influenzano la mobilità delle singole molecole e quindi la fluidità: tali interazioni sono tanto maggiori quanto più numerosi sono gli acidi grassi a catena lunga e senza doppi legami (insaturi); la membrana risulta pertanto più fluida quando ci sono acidi grassi insaturi, a catena corta

La temperatura condiziona la fluidità

Il colesterolo il colesterolo aiuta a rendere la membrana impermeabile alle piccole molecole solubili in acqua e mantiene la membrana flessibile in un ampio intervallo di temperature

Meno colesterolo  membrana più fluida Il colesterolo regola la fluidità delle membrane inserendosi tra le molecole dei fosfolipidi (di solito in prossimità di un acido grasso insaturo) Meno colesterolo  membrana più fluida

I Glicolipidi () La sfingomielina è anche un fosfolipide !

Ruolo dei glicolipidi protezione della membrana da condizioni estreme: (basso pH; enzimi degradativi) funzione di legame con la matrice extracellulare Galattocerebroside Acido sialico (NANA) Ganglioside GM1 processi di riconoscimento cellulare isolamento elettrico nella membrana mielinica 20

STABILITA’ DEI DOPPI STRATI LIPIDICI E’ determinata da una serie di forze non covalenti ma cooperative, e precisamente: INTERAZIONI IDROFOBICHE TRA LE CODE NON POLARI; LEGAMI ELETTROSTATICI TRA LE TESTE POLARI; PRESENZA DELL’ACQUA SU ENTRAMBE LE FACCE

ASIMMETRIA DEI DOPPI STRATI LIPIDICI I due strati lipidici (o foglietti) hanno composizione differente, il che rende il doppio strato “asimmetrico”. Tale asimmetria è determinata già a livello della biogenesi delle diverse membrane ed è mantenuta in tutti i passaggi di porzioni di membrana da un organello all’altro, e da o verso la membrana plasmatica.

Asimmetria del doppio strato lipidico I due strati hanno composizione differente - differenti fosfolipidi/glicolipidi tra interno ed esterno fosfatidilcolina sfingomielina colesterolo glicolipide fosfatidilserina fosfatidilinositolo fosfatidiletanolamina Spazio extracellulare citosol

Diversa composizione dei due foglietti fosfolipidici (asimmetria delle membrane)

Ogni compartimento chiuso (e quindi ogni organello) ha due facce Le due facce di una membrana sono asimmetriche nella composizione in lipidi e in proteine.

Le membrane degli organelli hanno diversa composizione

Il movimento di “flip-flop” dei lipidi attraverso il doppio strato è termodinamicamente sfavorito

Le membrane hanno differente composizione Composizione chimica di alcune membrane (in % ) 24 76 Mitocondriale interna 4 52 44 Epatocita 8 43 49 Eritrocita 3 79 18 Mielina Carboidrati Lipidi Proteine Membrana Composizione lipidica di alcune membrane (in %) Membrana Colesterolo PC SM PE PI PS PG DPG Glicolipidi Mielina 22 11 6 14 7 12 Eritrocita 24 31 8,5 15 2,2 7 3 Epatocita 30 18 14 11 4 9 Mitocondriale interna 3 45 2,5 24 6 1 2 18 E. coli 80 15 5 PC = fosfatidilcolina; SM = sfingomielina; PE = fosfatidiletanolammina; PI= fosfatidilinositolo; PS = fosfatidilserina; PG = fosfatidilglicerolo; DPG = difosfatidilglicerolo (cardiolipina) 29

LE PROTEINE DI MEMBRANA E IL MODELLO A MOSAICO FLUIDO

Studio della struttura delle membrane biologiche: i modelli 1935 1972

Anche le proteine di membrana si distribuiscono asimmetricamente

Ruolo del RER nella sintesi delle proteine di membrana

proteine:lipidi ~ 1:25 1:70 (neuroni) 1:15 (membrana mitocondriale interna) proteine:lipidi ~ 1:25

In una a-elica i legami peptidici polari si trovano all’interno e i gruppi R delle catene laterali protrudono all’esterno

I lipidi e le proteine integrali di membrana dimostrano mobilità laterale nelle membrane biologiche

Glicocalice

Glicocalice (1) I glicolipidi sono presenti nello strato esterno della membrana plasmatica La maggior parte delle proteine della membrana plasmatica sono glicoproteine Le glicoproteine hanno piccole catene di molecole di zuccheri (oligosaccaridi) legate ad esse Proteoglicani sono proteine di membrana che hanno una o più lunghe catene polisaccaridiche legate Tutti i carboidrati delle glicoproteine, proteoglicani e glicolipidi localizzati sul lato non citosolico della membrane formano un rivestimento di zuccheri chiamato il glicocalice 42

Glicocalice (2) Il glicocalice protegge la surperficie cellulare dal danneggiamento meccanico e chimico lubrificando inoltre la superficie assorbendo acqua Gli oligosaccaridi della superficie cellulare forniscono a ciascun tipo cellulare un distinto marker di identificazione Il glicocalice è usato nel riconoscimento cellula-cellula 43