LA MEMBRANA CELLULARE Trasporti_1

La struttura della cellula Trasporti_1

Componenti delle membrane biologiche Fosfolipidi Colesterolo Proteine: integrali periferiche alcune proprietà generali…… doppio strato spessore totale 70-100 Ao asimmetria e dinamicità barriera selettiva alla permeabilità Nei fosfolipidi sono compresi anche gli sfingolipidi Trasporti_1

Evidenze sperimentali del doppio strato lipidico Membrana plasmatica vista al microscopio elettronico Si osservano due righe scure separate da una chiara esterno 70-100 Ao interno Nella figure in basso, le righe scure sono il risultato della fusione dei due lati interni della membrana della guaina mielinica che vengono a contatto durante l’avvolgimento. I lati esterni della m. plasmatica danno origine alla linea chiara che si presenta singola e in alcuni casi doppia. The axon, Waxman, Kocsis, Stys The myelin lamella is formed by fusion of the opposed inner leaflets of the plasma unit membrane, known as the major dense line. The juxtaposed outer leaflets form the minor dense line or “intraperiod line” which occasionally is observed as two lines (Hirano A et al, J Cell Biol, 1966, 31:397). Fotografia al microscopio elettronico della guaina mielinica che circonda una fibra nervosa (sezione trasversa). Si osservano tre righe (due chiare e una scura) Trasporti_1

(1,2 dipalmitoilglicerolo 3-P) I fosfolipidi Acido fosfatidico: (1,2 dipalmitoilglicerolo 3-P) Glicerolo-3-P: 1 2 3 Il glicerolo-3-fosfato deriva dal catabolismo del glucosio nella via glicolitica. L’aggiunta di due catene di acidi grassi formano l’1,2 diacilglicerolo (acido fosfatidico) Triacilglicerolo = trigliceride = “grasso neutro” fosfatidilcolina: (lecitina) Catena idrofobica Testa polare legame fosfodiestere colina Trasporti_1

Altri fosfolipidi L’acido fosfatidico può essere anche esterificato con: etanolamina fosfatidil etanolamina (cefalina) serina fosfatidil serina inositolo fosfatidil inositolo Gli acidi a catena satura (grassi animali) hanno punti di fusione a temperature elevate e sono pertanto allo stato solido a temperatura corporea. Gli acidi a catena insatura (olii vegetali) hanno punti di fusione a basse temperature e sono pertanto allo stato liquido a temperatura corporea. Conferiscono alle membrane cellulare elasticità e tensione superficiale. Esistono anche gli sfingofosfolipidi che contengono, al posto del glicerolo, un amminoalcol a lunga catena: la sfingosina (C18). Negli sfingofosfolipidi, il gruppo amminico della sfingosina è legato con legame ammidico al gruppo carbossilico di un acido grasso (formando un composto chiamato ceramide), mentre il suo gruppo ossidrilico è unito con legame estere all’ortofosfato. Il gruppo ortofosfato è a sua volta esterificato con un amminoalcol, generalmente la colina, dando un composto chiamato sfingomielina o ceramide-1-fosforilcolina. Gli acidi grassi possono essere saturi o poli-insaturi: Catena satura Catena insatura (doppio legame trans) Catena insatura (doppio legame cis) 30o Trasporti_1

Proprietà dei fosfolipidi in soluzione Testa polare fosfolipide micella = molecola anfipatica coda idrofobica doppio strato La natura anfipatica dei fosfolipidi permette l’autoassemblaggio (self-assembling) di membrane naturali o artificiali che permettono di separare chimicamente e fisicamente due compartimenti acquosi. Si formano strutture micellari e liposomi ad alta stabilità (nanosfere) che facilitano il trasporto di sostanze altrimenti impermeabili all’interno di una cellula (“drug-delivery”) liposomi Trasporti_1

“Drug-delivery” attraverso liposomi Strato protettivo di catene di carboidrati anticorpo Esempio di liposoma (nanosfera) utilizzato per il trasporto di grosse molecole idrofobiche o idrofiliche (acidi nucleici, proteine, farmaci di sintesi, …) all’interno di una cellula. La fusione della nanosfera con la membrana cellulare avviene per diffusione termodinamica ed è regolata da vari parametri (pH, osmolarità, temperatura, carica superficiale della nanosfera, …..) farmaco cristallizzato In fase acquosa farmaco liposolubile nel doppio strato doppio strato Trasporti_1

Altri lipidi di membrana colesterolo e fosfolipidi in membrana molecola compatta,rigida e idrofobica, con un gruppo polare a C-3 Il colesterolo è uno steroide contenuto a basse concentrazioni nelle membrane cellulari. La sua natura anfipatica gli fa assumere orientamenti ben precisi all’interno del doppio strato lipidico (gruppo polare verso la fase acquosa e gruppo idrofobico verso l’interno del doppio strato). Stabilizza strutturalmente la componente fosfolipidica. Alte concentrazioni di colesterolo irrigidisco la membrana e ne possono aumentare la fragilità. Il colesterolo diminuisce la fluidità delle membrane alle alte temperature. A basse temperature ha l’effetto opposto. gruppo polare colesterolo e fosfolipidi in membrana Trasporti_1

La membrana citoplasmatica:il modello a “mosaico liquido” Le proteine di membrana possono essere integrali (immerse completamente nella membrana lipidica) oppure periferiche (adiacenti al lato interno o esterno della membrana; non sono immerse nello strato lipidico) Trasporti_1

Evidenze sperimentali a favore del modello a “mosaico liquido” Fotografia al microscopio elettronico ottenute con la tecnica del “freeze etching” (criodecapaggio) La membrana è divisa nella parte centrale e le particelle chiare esposte hanno un diametro di 50-80 Ao La digestione con un enzima proteolitico causa una perdita progressiva delle particelle chiare indicando che sono “proteine integrali” inserite nel doppio strato lipidico Con la tecnica di congelamento e frattura è possibile ottenere immagini a supporto del modello a mosaico della membrana. Nelle fotografie di questa diapositiva la membrana plasmatica è stata aperta lungo il piano centrale del doppio strato lasciando esposte delle strutture (particelle chiare) del diametro di 5-8 nm contenute nella membrana. L’esposizione ad un enzima proteolitico causa nel tempo una perdita continua delle particelle, dimostrando la loro natura proteica. .. Trasporti_1

L’esperimento di Gorter & Grendel (1925) che ha dimostrato l’esistenza del doppio strato lipidico Misurare la superficie occupata dai lipidi che formano la membrana cellulare. Scopo Verificare se lo strato di lipidi è doppio: Slipidica = 2Scellulare Cellule Eritrociti privi di emoglobina (Hb). Metodo 1- Si svuotano gli eritrociti con uno shock ipotonico (ghosts) - Gorter & Grendel usarono l’apparecchiatura di Langmuir-Blodgett per depositare film molecolari su superfici solide. - Irving Langmuir (premio nobel per la chimica nel 1932) 2- Si separano le cellule dal surnatante per centrifugazione H2O e sali cellule precipitate 3- Si estraggono i lipidi con solvente organico Trasporti_1

Stotale cellulare = Scellula x densità x volume 4- Si calcola Stotale cellulare degli eritrociti in soluzione di cui si conosce la densità: Stotale cellulare = Scellula x densità x volume numero di cellule 5- Si disperdono i lipidi su una superficie acquosa: 6- Si spinge la sbarretta in modo da comprimere i lipidi fino a raggiungere il minimo di S occupata. Ciò avviene quando la forza misurata aumenta improvvisamente I lipidi estratti dagli eritrociti si dispongono uniformemernte sulla superficie dell’acqua nella vaschetta respingendosi tra di loro - Inizialmente occupano un’area molto più grande di quella che occupano nella membrana cellulare 7- Si misura la Slipidica Risultato Slipidica = 2Stotale cellulare Trasporti_1

Concentrazioni (mM) dei soluti nei liquidi intra- ed extracellulari La membrana cellulare come “separatore” dei liquidi intra- ed extracellulari Concentrazioni (mM) dei soluti nei liquidi intra- ed extracellulari SOLUTO intracellulare extracellulare K+ 140 4 Na+ 10 140 Mg2+ 0.8 1.5 Ca2+ <.001 1.8 Cl- 4 115 HCO3- 10 25 HPO2- 95 2 Aminoacidi 8 2 Glucosio 1 5.6 ATP 4 0 Proteine 55 0.2 La membrana agisce come barriera tra i liquidi intracellulare ed extracellulare (vedi tabella) La membrana permette lo scambio tra cellula e liquido interstiziale di: gas (O2 e CO2), ioni inorganici, grandi molecole organiche (aminoacidi, glucosio, acidi grassi, vitamine) utilizzando vari tipi di trasporto. Trasporti_1

OSMOSI 1o caso – Membrana permeabile al soluto e all’H2O 2o caso – Membrana permeabile all’H2O ma non al soluto La Posm genera una Pidrostatica ai capi della membrana Posm = k1C C = concentrazione del soluto Posm = k2T T = temperatura Trasporti_1

Osmolarità e tonicità in biologia - Per la Posm vale la stessa legge dei gas n = numero di moli Posm = nRT/V R = costante dei gas (0.082 l atm/K mol) T = temperatura (gradi Kelvin) Legge di Van’t Hoff V = volume (litri) Esempio: La Posm di una soluzione di NaCl 0.1 M a 25o C (coefficiente di attività del NaCl = 0.78) P = (2 x 0.1 x 0.78) x 0.082 x 298 3.8 atmosfere Osmolarità e tonicità in biologia L’osmolarità di una soluzione fisiologica è circa 0.3 osmol (300 mosmol) Variazioni di Pext da 0.3 osmol di soluti impermeanti causano spostamenti di H2O da o verso l’interno della cellula con conseguenti diminuzioni o aumenti del volume cellulare Pext isotonica ipertonica ipotonica Eritrociti: Nelle definizioni di tonicità di questa diapositiva si considerano solo soluzioni fisiologiche contenenti soluti impermeanti attraverso la membrana In tal caso il movimento è solo dell’H2O che entra o esce dalla cellula Trasporti_1

Osmolarità e tonicità coincidono se i soluti dentro e fuori della cellula sono impermeanti Nelle definizioni di tonicità di questa diapositiva si considerano solo soluzioni fisiologiche contenenti soluti impermeanti attraverso la membrana In tal caso il movimento è solo dell’H2O che entra o esce dalla cellula Se il soluto dentro o fuori dalla cellula permea attraverso la membrana, osmolarità e tonicità non coincidono Nel caso illustrato, una soluzione esterna isoosmotica di urea risulta ipotonica