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

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

2 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

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

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

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

6 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

7 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

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

9 Membranes consist of lipids organized in bilayers and proteins

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

11 Composizione in lipidi della membrana plasmatica

12 Phospholipids consist of a head and a tail

13 Phospholipids are major components of the lipid bilayer

14 Mammalian plasma membranes contain 4 major phospholipids

15 Glycolipids are a further component of the lipid bilayer

16 Cholesterol is a third component of plasma membranes

17 A cholesterol molecule interacts with two phospholipids

18 Hydrophilic and hydrophobic molecules interact differently with water

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

20 Packing of lipid molecules in water depends on their shape

21 UN DOPPIO STRATO DI LIPIDI SI ORGANIZZA SPONTANEAMENTE bilayer acqua

22 Closed phospholipid bilayers are more stable

23 Liposomes are used as model membranes

24 + H 2 O Ricostruzione di un bilayer lipidico

25 Lipid movements in a bilayer can be theoretically calculated 300 picoseconds

26 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 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

27 Lipids in the bilayer can undergo different motions

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

29 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

30 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.)

31 Double bonds influence chain packing

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33 Lipid bilayers can form domains of different composition

34 Membrane domains are due to molecular interactions

35 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

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37 Composizione in proteine della membrana plasmatica

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

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

40 Proteins associate with the lipid bilayer in various way

41 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

42 Proteins may be linked to the membranes by lipid moieties

43 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

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

45 Le  - eliche transmembrana tipicamente sono costituite da 20-25 aminoacidi la maggior parte dei quali idrofobici. triptofanofenilalaninaprolinaisoleucina

46 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

47 Proteins may cross the membranes as an alfa-helix

48 Hydropathy profiles can predict the membrane-spanning domains

49 Folding of multipass transmembrane proteins occurs after synthesis

50 Beta-barrels can form large channels

51 Glicoforina: tipica proteina che attraversa la membrana plasmatica una volta

52 Many membrane proteins are glycosylated

53 Carbohydrates form a layer on the plasma membrane Lymphocyte

54 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

55 Carbohydrates form a layer on the plasma membrane

56 Membrane proteins can be extracted with detergents

57 Proteins and lipids are solubilized by detergents

58 Functional membrane protein systems can be reconstituted

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

60 Many proteins diffuse in the plane of the membrane

61 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

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

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

64 Proteins can be confined to specific membrane domains

65 Four ways of restricting proteins on the plasmamembrane

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

67 Membrane bending proteins deform bilayers

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69 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

70 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

71 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

72 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

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

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

76 FREEZE FRACTURE

77 LE PROTEINE DI MEMBRANA SI POSSONO VEDERE MEDIANTE: FREEZE FRACTURE