Molecular Biology of the Cell Sixth Edition Chapter 10 Membrane Structure Chapter 10 Membrane Structure Copyright © Garland Science 2015 da con integrazioni e modifiche

Una “tipica” cellula animale ha un numero limitato di compartimenti Membr. nucleare nucleo lisosoma perossisoma mitocondrio Apparato del Golgi reticolo endoplasmico vescicola citosol Membrana plasmatica

Reticolo Endoplasmatico Nucleo Perossisoma Lisosoma Apparato Del Golgi Mitocondrio Membrana plasmatica Vescicola I compartimenti circoscritti da membrana sono ≈ 8

Molecole indesiderabili, microorganismi ecc. Molecole nutritizie Componenti intracellulari Molecole nutritizie desiderabili Prodotti metabolici inutili Dogana La membrana plasmatica è una barriera selettiva

La membrana plasmatica svolge 3 funzioni principali Riceve e trasmette informazione Regola l’import-export di molecole Ha capacità di movimento ed espansione

Proprietà della membrana sono: 1. Essere una Barriera Selettiva - Circondare la cellula per mantenere organelli, enzimi, metaboliti e certi ioni all ’ interno 2. Contenere sistemi enzimatici – metabolismo energetico ecc. (mitocondrio) 3. Contenere sistemi di trasporto – portare molecole nutritizie all ’ interno e mantenere le concentrazioni degli ioni 4. Contenere siti specifici di riconoscimento – scambio di informazione

Le membrane biologiche sono composte di: 1. Lipidi – il doppio strato lipidico crea una barriera idrofobica Per la maggior parte fosfolipidi ma anche glicolipidi e colesterolo 2. Proteine – conferiscono specificità alle funzioni svolte dalla membrana a. Proteine di membrana periferiche legate alla superficie della membrana b. Proteine di membrana integrali – contengono domini idrofobici e idrofilici  anfipatiche c. Glicoproteine (integrali) – contengono molecole glucidiche  recettori di superficie

Specifiche funzioni sono associate ai vari componenti Lipidi: - Barriera idrofobica Proteine: - Trasporto Specifico - Riconoscimento e comunicazione - Conversione di energia Carboidrati: - Riconoscimento e comunicazione

Membranes consist of lipids organized in bilayers and proteins

At the electron microscope membranes appear as two dark lines separated by a translucent space

Composizione in lipidi della membrana plasmatica

Phospholipids consist of a head and a tail

Phospholipids are major components of the lipid bilayer

Mammalian plasma membranes contain 4 major phospholipids

Glycolipids are a further component of the lipid bilayer

Cholesterol is a third component of plasma membranes

A cholesterol molecule interacts with two phospholipids

Hydrophilic and hydrophobic molecules interact differently with water

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

Packing of lipid molecules in water depends on their shape

UN DOPPIO STRATO DI LIPIDI SI ORGANIZZA SPONTANEAMENTE bilayer acqua

Closed phospholipid bilayers are more stable

Liposomes are used as model membranes

+ H 2 O Ricostruzione di un bilayer lipidico

Lipid movements in a bilayer can be theoretically calculated 300 picoseconds

Le membrane sono bilayer la cui fluidità dipende dalla composizione La fluidità della membrana è importante per la sua funzione; è determinata dalla sua composizione lipidica Stretto impacchettamento delle code idrofobiche  minore fluidità La lunghezza e il n o di doppi legami (insaturi) determinano il grado di impacchettamento La lunghezza varia da atomi di C; catena più corta  minore interazione  aumento della fluidità Una coda ha un doppio legame - insatura; l’altra coda non ha doppi legami- satura Doppi legami  maggiore rigidità doppio legame -nodo

Lipids in the bilayer can undergo different motions

Flessione e cambiamento di orientamento delle teste polari Diffusione laterale Diffusione trasversale Diffusione rotazionaleale Flessione delle catene aciliche

Fluidità della membrana (cont.) Perchè la membrana ha bisogno di essere fluida? Permette una rapida diffusione laterale delle proteine di membrana nel bilayer e favorisce le interazioni (importante per la comunicazione cellulare) Facilita la distribuzione dei lipidi e delle proteine di membrana dal sito di inserzione ad altre regioni della cellula Permette alle membrane di fondere e mixare molecole

Nelle cellule animali, il colesterolo è usato per modulare la fluidità della membrana – riempie i buchi tra i nodi delle catene insature Particolarmente usato nella membrane plasmatica  stretto impacchettamento  minor fluidità/permeabilità fosfolipide colesterolo Fluidità della membrana (cont.)

Double bonds influence chain packing

Lipid bilayers can form domains of different composition

Membrane domains are due to molecular interactions

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

Composizione in proteine della membrana plasmatica

Tutte le membrane biologiche sono bilayers lipidici Le proteine conferiscono proprietà uniche a ciascun tipo di membrana

Classi di Proteine di Membrana periferiche integrali superfice extracell. Superfice citosolica ancorate

Proteins associate with the lipid bilayer in various way

Associazione di proteine di membrana con un bilayer lipidico Legame covalente a molecola lipidica Legame debole, non-covalente, ad un’altra proteina di membrana SPAZIO EXTRACELLULARE CITOSOL Bilayer lipidico Integrali foglietto-  Transmembrana legate a lipidi Periferche attaccate a proteine  -elica

Proteins may be linked to the membranes by lipid moieties

Proteine di membrana Nelle cellule animali, il 50% della massa del plasmalemma sono proteine Le proteine di membrane hanno molte funzioni: Trasportatori CollegamentoRecettoriEnzimi Membrane differenti esprimono proteine differenti  funzioni differenti SPAZIO EXTRACELLULARE CITOSOL

Come può un legame peptidico polare essere inserito nel core idrofobico di un bilayer fosfolipidico? estremità amino (N-) terminale estremità carbossi (C-) terminale

Le  - eliche transmembrana tipicamente sono costituite da aminoacidi la maggior parte dei quali idrofobici. triptofanofenilalaninaprolinaisoleucina

In una  -elica i legami peptidici polari si trovano all’interno e i gruppi R delle catene laterali protrudono all’esterno 3.6 residui/giro

Proteins may cross the membranes as an alfa-helix

Hydropathy profiles can predict the membrane-spanning domains

Folding of multipass transmembrane proteins occurs after synthesis

Beta-barrels can form large channels

Glicoforina: tipica proteina che attraversa la membrana plasmatica una volta

Many membrane proteins are glycosylated

Carbohydrates form a layer on the plasma membrane Lymphocyte

Glicocalice 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 Il glicocalice protegge la surperfice cellulare dal danneggiamento meccanico e chimico lubrificando inoltre la superficie assorbendo acqua

Carbohydrates form a layer on the plasma membrane

Membrane proteins can be extracted with detergents

Proteins and lipids are solubilized by detergents

Functional membrane protein systems can be reconstituted

LA MOBILITA’ DELLE PROTEINE DI MMBRANA E’ STATA DIMOSTRATA: esperimento di: Frye ed Edidin

Many proteins diffuse in the plane of the membrane

LA MOBILITA’ DELLE PROTEINE DI MEMBRANA SI PUO’ OSSERVARE NEI LINFOCITI: CAPPING proteina Y proteina X + anticorpo anti-X patch di X cap di X

Diffusion coefficients of membrane molecules can be measured by Fluorescence Recovery After Photobleaching

LA MOBILITA’ DELLE PROTEINE DI MEMBRANA SI PUO’ OSSERVARE MEDIANTE FOTOBLEACHING marcatura bleaching con laser recupero

Proteins can be confined to specific membrane domains

Four ways of restricting proteins on the plasmamembrane

A well organized cytoskeleton is present on the inner side of the red blood cell plasma membrane

Membrane bending proteins deform bilayers

Permeabilità del bilayer lipidico bilayer lipidico I gas diffondono rapidamente gas O 2 CO 2 N 2 piccole molecole polari non cariche glicerolo etanolo Col tempo, piccole molecole polari non cariche diffondono attraverso un bilayer lipidico grosse molecole polari cariche amino acidi glucosio nucleotidi ioni H +,Na +, HCO 3 -,K + Ca 2+,Cl, Mg 2+ Grosse molecole polari non cariche, molecole polari cariche e ioni non permeano ioni Molecole solubili nei lipidi tendono a diffondere molecole lipofile ormoni steroidei

Transporto attraverso la membrana Il bilayer lipidico è practicamente impermeabile alle molecole idrofile Le cellule richiedono di importare nutrimenti solubili in acqua (zuccheri, aminoacidi, etc), eliminare prodotti di degradazione e controllare la concentrazione ionica (H +, Na +, K +, Ca 2+, etc) Ciò rechiede proteine di trasporto per facilitare l’ingresso/uscita attraverso la membrana di molecole specifiche Ciascun tipo di membrana ha un set caratteristico di proteine di trasporto che determinano il tipo di soluti che possono entrare/uscire dalla cellula/organello bilayer lipidico artificiale senza proteine membrane cellulare

Proteine di trasporto 2 principali classi di proteine di trasporto: Proteine Carrier Legano il soluto da un lato della membrane e lo trasportano dall’altro lato con un cambiamento di conformazione della proteina Proteine Canale Formano pori idrofilici nella membrana attraverso cui certi ioni possono diffondere solutoione bilayer lipidico sito di legame del soluto poro idrofilo

Proteine che utilizzano singole  -eliche transmembrana sono tipicamente recettori: la parte extracellulare lega molecole segnale, la parte citoplasmatica segnala all’interno della cellula Altre proteine transmembrana formano pori idrofili che permettono a molecole idrofiliche di attraversare la membrana – ciò non è possibile con singole  -eliche  sono necessarie  -eliche multiple Proteine transmembrana p.es. 5  -eliche formano canali idrofili attraverso il bilayer Catene laterali idrofobiche (verdi) entrano in contatto con le code di idrocarburi Catene laterali idrofiliche (rosse) formano un poro ripieno d’acqua poro acquoso  -elica bilayer lipidico

Tutte le membrane biologiche sono bilayers di fosfolipidi Le proteine in ciascun tipo di membrana le conferiscono proprietà uniche

Topologia di alcune proteine di membrana nella membrana plasmatica Type IType IIMulti- spanning

FREEZE FRACTURE

LE PROTEINE DI MEMBRANA SI POSSONO VEDERE MEDIANTE: FREEZE FRACTURE