La membrana cellulare PDF

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struttura, componenti, caratteristiche della membrana cellulare....

Description

! Le membrane cellulari sono strutture dinamiche ed essenziali per l’integrità e la funzionalità delle cellule. ! ! Hanno infatti moltissime funzioni: ! ! 1. Delimitano i contorni della cellula e servono da barriere di permeabilità.! 2. Regolano il trasporto e l’ingresso dei soluti ! 3. Rilevano, mediante specifiche proteine di membrana, sia i segnali elettrici che quelli chimici che l’ambiente circostante fornisce alla cellula! 4. Mediano la comunicazione cellula-cellula! 5. Delimitano gli organelli intracellulari in cui avvengono attività specializzate ! ! ! L’importanza della membrana come intermediario tra cellula e ambiente è tale da aver influenzato l’evoluzione della cellula. ! ! ! Nel corso dell’evoluzione, infatti, sono state selezionate cellule sempre più piccole : ! ! questo perché hanno un rapporto superficie-volume più efficiente, e di conseguenza sono favoriti gli scambi con l’ambiente esterno (di fatto vitali per la cellula). ! ! ! • Tutte le membrane cellulari presentano delle caratteristiche comuni, indipendentemente dalla loro origine cellulare, e pertanto al microscopio presenteranno tutte una struttura molto simile. ! ! • ciò che accomuna le membrane è:! -presenza della componente lipidica (doppio strato fosfolipidico)! ! • ciò che le contraddistingue singolarmente è invece: ! ! -la loro attività , strettamente connessa alla ! - composizione proteica e all’abbondanza dei fosfolipidi ! ! ! ! Il primo modello plausibile di membrana è stato ideato nel 1940 da Davson e Danielli.! ! I due ricercatori avevano ipotizzato correttamente la struttura a doppio strato fosfolipidico, e per giustificare alcune funzioni delle membrane, come il trasporto di ioni e molecole polari, ipotizzarono l’associazione di alcune proteine al doppio strato, queste disposte “a sandwich” (sopra e sotto al doppio strato).! ! La dimensione ipotizzata per questa struttura era di 8 nanometri, di cui 6 occupati dal doppio strato fosfolipidico. ! Era tuttavia poco plausibile che le proteine occupassero solamente 2 nanometri.! ! ! Per verificare la veridicità della struttura proposta dai due scienziati si è ricorsi al “metodo di congelamento e frattura” 1

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2. Una volta effettuato questo passaggio, il doppio strato fosfolipidico viene inciso e aperto nelle due emimetà, queste poi colorate con metalli pesanti per osservarle meglio al microscopio.! ! Su una emimetà si osservavano dei rigonfiamenti, sulla emimetà corrispondente vi erano invece delle depressioni. ! ! Questo ha portato alla conclusione che i rigonfiamenti non fossero altro che proteine integrali di membrana, che attraversavano il doppio strato fosfolipidico da parte a parte. ! ! ! Questa intuizione ha permesso, nel 1972, di arrivare al modello a mosaico fluido di Singer e Nicolson, in cui le proteine sono incastonate nel doppio strato fosfolipidico e possono muoversi liberamente all’interno di esso (“fluido”).! ! I movimenti permessi ai lipidi e alle proteine sono dei movimenti molto veloci di rotazione sul proprio asse e di diffusione laterale. ! ! I movimenti laterali dei lipidi della membrana plasmatica possono essere quantificati mediante la tecnica del recupero della fluorescenza dopo sbiancamento (FRAP: fluorescence recovery after photobleaching).! ! ! ! ! Lo studio delle membrane cellulari è stato portato avanti attraverso l’analisi delle membrane dei globuli rossi, perché questi non presentano né un nucleo e né degli organelli. ! ! Un primo indizio sul fatto che le membrane plasmatiche fossero costituite da fosfolipidi venne dal fatto che i composti idrofobici (apolari) diffondevano all’interno della cellula più velocemente e facilmente rispetto alle sostanze idrofiliche (polari).! ! • In ambiente acquoso i fosfolipidi, per raggiungere la stabilità termodinamica, formano delle strutture chiamate micelle: le micelle sono delle vescicole le cui teste idrofiliche sono disposte verso l’esterno, e le code idrofobiche verso l’interno. ! ! • Queste micelle sono molto stabili e vengono utilizzate in ambito bio-tecnologico e in farmacologia come veicolo per le sostanze verso la cellula. ! ! !

COMPONENTI DELLA MEMBRANA PLASMATICA ! • la membrana plasmatica è composta principalmente da 2 tipi di fosfolipidi: ! 1) i fosfoglicerolipidi : hanno uno scheletro di glicerolipidi a cui sono legati 2 acidi grassi e una testa polare ! ! 2) fosfosfingolipidi ! i fosfosfingolipidi originano da una serina modificata e legano anch’essi una coda di acido grasso e una testa polare ! ! Entrambi presentano quindi una struttura antipatica.

I fosfosfingolipidi sono molto importanti per la sopravvivenza e la crescita cellulare, per i processi di migrazione, e vengono anche utilizzati dalla cellula come molecole segnale ! (I metaboliti degli sfingolipidi sono modulatori della sopravvivenza cellulare, della crescita, della migrazione e dell’angiogenesi).! ! ! 3) Glicolipidi ! Sono molto importanti perché consentono alle cellule! ! • di ancorarsi alla matrice extracellulare,! • Forniscono protezione alle cellula in condizioni avverse ! • Regolano l’interazione cellula-cellula (es. gli eritrociti sono carichi negativamente per la presenza di glicolipidi sulla membrana, e questo garantisce che non si agglutinino tra loro)! ! ! 4) Gli steroli ! ! Rappreentati negli animali dal colesterolo, mentre per le piante e per i funghi ne sono presenti altri. ! ! Il colesterolo è ugualmente presente nelle due emimetà del doppio strato fosfolipidico.! ! ! ! ! MOVIMENTI DELLE PROTEINE E DEI LIPIDI TRANSMEMBRANA! • Rotazione sul proprio asse : liberi ! • Diffusione laterale (quantificabile, nei lipidi, mediante FRAP) : liberi ! • Movimenti da una emimetà all’altra delle membrana: non sono liberi, a differenza dei precedenti, perché implicano che le teste idrofiliche attraversino al regione idrofobica. Questo tipo di movimento è permesso da specifiche proteine, dette Filippasi.! ! ! STRUTTURA DELLA MEMBRANA PLASMATICA • La distribuzione dei fosfolipidi e glicolipidi nel doppio strato lipidico delle cellule di mammifero è asimmetrica. ! ! ! FOGLIETTO ESTERNO: ! -fosfatildilcolina! -sfingomielina ! ! ! FOGLIETTO INTERNO:! -fosfatidiletanoloammina! -fosfatidilserina! -fosfatidilinositolo ! ! ! I fosfolipidi di membrana non si collocano a caso, ma hanno una posizione preferenziale. !

Questa asimmetria ha una rilevanza funzionale per la cellula: ! ! • la fosfatidilserina, ad esempio, presenta una carica negativa ed è presente maggiormente nell’emimetà citosolica, questa maggiore abbondanza fa si che ci sia una differenza di potenziale ai due lati della membrana. ! ! • la distribuzione dei fosfolipidi sui due lati è molto importante, anche per i segnali di morte cellulare, ! • Quando una cellula è morente, uno dei segnali che richiamano i macrofagi sulla cellula apoptosi a è l’esposizione della fosfatidilserina sul lato esterno. ! ! ! FLUIDITà DELLA MEMBRANA ! ! È una caratteristica molto importante per gli organismi, perché! definisce cosa entra e cosa esce dagli organismi! conferisce maggiore o minore resistenza alla cellula per gli stress meccanici. ! ! Gli strati lipidici esistono in 2 stati: ! • Fase solida (gel cristallino)! • Fase liquida (stato fluido)! ! Il passaggio da uno stato all’altro dipende dalla temperatura: al diminuire di questa, la struttura fosfolipidica di compatta e ricorda un cristallo, mentre all’aumentare la struttura regolare viene persa e la membrana assume una struttura più fluida.! ! ! ! Questo è dovuto alla variazione di energia cinetica (e quindi il movimento dei fosfolipidi) derivante dalla diminuzione o dall’aumento della temperatura.! ! Esiste una temperatura di transizione : temperatura alla quale una data membrana passa dallo stato di gel cristallino a quella di fluido. • La fluidità della membrana deve essere tale da consentire un compromesso tra la funzione di supporto meccanico e la mobilità di proteine e lipidi ! ! • molti processi cellulari dipendono dalla fluidità della membrana ! -movimento delle cellule ! -resistenza a stress meccanico ! -fusione delle membrane ! -processi di endocitosi ! -crescita e divisione cellulare ! ! • fattori che influenzano la fluidità della membrana ! ! -temperatura (minore t=minore fluidità)! ! -presenza di proteine (riducono la fluidità)! ! -lunghezza delle catene acicliche (maggiore lunghezza=minore fluidità)! ! -colesterolo : duplice azione :! id il i d i f f li idi l (37 C) i f i il l l li

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dove questi potrebbero muoversi! -A temperature basse impedisce l’impacchiettamento dei fosfolipidi ! ! -instaurazione degli acidi grassi: maggiore è l’insaturazione, maggiore la fluidità (perché i doppi legami presentano dei ripiegamenti)! ! ! • Seppur l’abbondanza relativa di lipidi e proteine nella membrana plasmatica cambi da cellula a cellula, ! ! • La maggior parte delle membrane plasmatiche hanno un contenuto simile di proteine e lipidi in peso, ma dal momento che le proteine sono molecole più grandi, troveremo circa ! 1 proteina ogni 50/100 lipidi, ! ! • La relazione che c’è tra fosfolipidi e proteine di membrana può essere di vario tipo, ! ! Abbiamo infatti proteine integrali di membrana che entrano a contatto con la regione idrofobica dei fosfolipidi. ! Queste proteine sono definite mono passo o multi passo, che attraversano da parte a parte la membrana e sono così definite a seconda del numero di passaggi compiuti alll’interno del doppio strato. ! ! ! ! LE PROTEINE DI MEMBRANA • Le membrane biologiche contengono proteine diverse, disposte in modo asimmetrico ! ! ! 1) Proteine integrali di membrana! ! • Prendono contatto con i fosfolipidi prevalentemente attraverso la loro struttura secondaria ad alfaelica, disponendo a livello dell’ alfa-elica gli amminoacidi idrofobici.! ! • Attraversando interamente la membrana avranno una struttura antipatica, con una regione centrale idrofobica e due regioni esterne idrofiliche. ! ! • Le alfa-eliche, se vanno a definire le proteine canale, avranno una distribuzione anfipatica delle catene laterali, disponendo da una parte le catene laterali idrofobiche e dall’altra quelle idrofiliche.! ! Più alfa eliche si impilano creando così un canale idrofilico all’interno e idrofobico all’esterno. ! ! La regione idrofilica interna permette il passaggio di soluti, mentre quella idrofobica esterna è in relazione con le code dei fosfolipidi. ! ! Queste proteine canale presentano anche regioni a foglietto-beta, che formano una “struttura a barile”, disposte parallelamente le une alle altre interconnesse da regioni proteiche mancanti una struttura secondaria ben definita. ! Le proteine canale così formate vengono definite Porine e sono molto presenti nella membrana esterna sia di batteri che di mitocondri e cloroplasti.! ! !

2) PROTEINE PERIFERICHE DI MEMBRANA Sono associate alla membrana mediante interazioni proteina-proteina ! Spesso legami ionici ! ! 3) PROTEINE DI MEMBRANA Queste sono ancorate alla membrana mediante ancore fosfolipidiche e glicolipidiche.! ! In seguito alla traduzione vengono modificate e legate covalentemente a un glicolipide o un fosfolipide, che poi vengono inseriti nella membrana. ! ! ! PROTEINE DI COLLEGAMENTO: RAFFORZAMENTO DELLA MEMBRANA PLASMATICA La cortex cellulare -La membrana cellulare risulta molto sottile e fragile ! ! -Essa è rafforzata e supportata da una trama proteica, attaccata alla membrana attraverso delle 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,! che si oppone agli stress meccanici.! ! -Le proteine fibrose connettono tra loro le proteine integrali di membrana creando così una rete.! ! -Ne deriva che queste proteine non sono libere di muoversi perché legate alla cortex cellulare! ! ! IL GLICOCALICE ! All’esterno della membrana plasmatica si trovano i carboidrati di membrana, che sono coinvolti nel riconoscimento cellula-cellula.! ! L’insieme di proteine glicosilate e fosfolipidi glicosilati forma il cosiddetto glicocalice. ! ! Questa struttura ha funzione di ! • protezione della cellula da stress chimici e meccanici; • consente di idratare la membrana plasmatica e lubrificarla agevolando i movimenti. ! ! Il glicocalice è tipico delle cellule epiteliali.! ! ! • Alcuni lipidi di membrana, detti cerebrosidi e gangliosidi, sono legati a zuccheri e sono presenti soprattutto nelle cellule nervose e nelle cellule della guaina mielinica.! ! ! A livello di un singolo strato della membrana l’abbondanza di colesterolo e di sfingolipidi varia. ! ! Ci sono infatti delle regioni dove queste due macromolecole sono più abbondanti. !

Gli sfingolipidi sono caratterizzati da code idrocarburiche particolarmente lunghe.! ! L’associazione tra colesterolo e sfingolipidi determina la formazione di regioni più rigide sulla membrana definite “zattere lipidiche”.! ! Queste zattere lipidiche sono utilizzate dalla cellula per raggruppare in un unico punto le proteine che servono a ricevere un determinato segnale. ! ! Ci sono varie teorie sulla formazione di queste zattere:! • Una teoria afferma che vi siano delle lipoproteine di membrana responsabili dell’assemblaggio delle zattere.! • Un’altra teoria dice che il citoscheletro, che avvicina specifiche proteine, determini la base ! • per la formazione di queste zattere lipidiche.! ! ! ! Nelle zattere lipidiche delle cellule intestinali si trova un particolare sfingolipide, il ganglioside GM1, che è un recettore di superficie della tossina colerica, che viene internalizzata all’interno della cellula intestinale.! ! ! La tossina colerica attiva una serie di enzimi il cui effetto finale è l’aumento di AMP ciclico nella cellula, che a sua volta attiva una proteina di membrana adibita al trasporto di ioni cloro, che viene esternalizzato dalla cellula . ! ! Questo determina per osmosi un movimento di acqua.! ! ! ! ! ! ! # ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !...