Corso di Fisiologia Generale Scienze Biologiche Ordinamento triennale Docente: Prof. Mauro Toselli mtoselli@unipv.it Potrete scaricare alcuni degli argomenti trattati a lezione al seguente indirizzo web: www.unipv.it/tslmra22

Componenti di una “tipica” cellula animale mitocondrio lisosoma perossisoma citosol Apparato del Golgi Membr. nucleare nucleo reticolo endoplasmico vescicola Membrana plasmatica

Compartimenti circoscritti da membrana Nucleo Perossisoma Reticolo Endoplasmatico Lisosoma Apparato Del Golgi Vescicola Membrana plasmatica Mitocondrio

Doppio strato (bilayer) lipidico (5 nm) Molecole proteiche Molecole lipidiche

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

Funzioni della membrana plasmatica Ricevere informazione Capacità di movimento ed espansione Import-export di molecole

Proprietà della membrana 1. 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

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

Composizione in lipidi della membrana plasmatica

Struttura dei Fosfolipidi polare (idrofilico) gruppo di testa testa code (idrofobiche) code non polari doppio legame cis

Fosfolipide in 3D

Struttura dei Glicolipidi

Struttura del Colesterolo guppo di testa polare rigido e planare steroideo dell’anello struttura non polare idrocarburica coda

Colesterolo in 3D

Come si organizzano i lipidi in membrana?

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

Ricostruzione di un bilayer lipidico + H2O

Bilayer Lipidico in 3D

Fluidità della membrana 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 no di doppi legami (insaturi) determinano il grado di impacchettamento La lunghezza varia da 14-24 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

Movimento di lipidi in un bilayer 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

Fluidità della membrana (cont.) 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

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

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 ancorate periferiche superfice extracell. integrali Superfice citosolica

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

Le a- eliche transmembrana tipicamente sono costituite da 20-25 aminoacidi la maggior parte dei quali idrofobici. triptofano fenilalanina prolina isoleucina

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

a-elica in 3D Foglietto b in 3D

Glicoforina: tipica proteina che attraversa la membrana plasmatica una volta

tipica proteina che attraversa la membrana plasmatica sette volte Batteriorodopsina, tipica proteina che attraversa la membrana plasmatica sette volte

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

Funzioni svolte dalle proteine di membrana

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

Rafforzamento della membrana plasmatica La membrana cellulare è molto sottile e fragile Essa è rafforzata e supportata da una trama proteica attaccata alla membrana attraverso proteine di membrana La forma della cellula e le proprietà meccaniche della membrana sono determinate dalla cortex cellulare - una trama di proteine fibrose attaccate al lato citosolico della membrana

Cortex cellulare dell’eritrocita umano spectrina Lato citosolico della membrana actina Proteine di ancoraggio proteine transmembrana

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

Glicocalice Proteoglicano transmembrana Glicoproteina Glicoproteina assorbita Rivestimento cellulare (glicocalice) spazio extra-cellulare glicolipide Bilayer lipidico citosol

Riconoscimento cellula-cellula Gli oligosaccaridi della superfice cellulare forniscono ciascun tipo cellulare con un distinto marker di identificazione Il glicocalice è usato nel riconoscimento cellula-cellula Particolarmente importante nel mediare le risposte infiammatorie oligosaccaride specifico lectina cellula endoteliale sito d’infezione neutrofilo

molecole polari non cariche molecole polari cariche Permeabilità del bilayer lipidico bilayer lipidico I gas diffondono rapidamente gas O2 CO2 N2 piccole molecole polari non cariche glicerolo etanolo Col tempo, piccole molecole polari non cariche diffondono attraverso un bilayer lipidico Molecole solubili nei lipidi tendono a diffondere molecole lipofile ormoni steroidei grosse molecole polari cariche amino acidi glucosio nucleotidi ioni H+,Na+, HCO3-,K+ Ca2+,Cl, Mg2+ Grosse molecole polari non cariche, molecole polari cariche e ioni non permeano

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+, Ca2+, 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 soluto ione bilayer lipidico sito di legame del soluto poro idrofilo

Proteine transmembrana 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 poro acquoso -elica bilayer lipidico 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

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 I Type II Multi- spanning