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

Membr.nucleare

nucleo

lisosomaperossisoma

mitocondrio

Apparatodel Golgi

reticoloendoplasmico

vescicola

citosol

Membranaplasmatica

ReticoloEndoplasmatico

Nucleo Perossisoma

Lisosoma

ApparatoDel Golgi

Mitocondrio

Membranaplasmatica

Vescicola

Compartimenti circoscritti da membrana

Doppio strato (bilayer) lipidico

Molecolelipidiche

Molecoleproteiche

Bilayerlipidico(5 nm)

Molecole indesiderabili, microorganismi ecc.

Molecole nutritizie

Componentiintracellulari

Molecole nutritiziedesiderabili

Prodotti metabolici inutili

Dogana

La membrana plasmatica è

una barriera selettiva

Funzioni della membrana plasmatica

Ricevereinformazione

Import-exportdi molecole

Capacità dimovimento edespansione

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:- Riconoscimento e comunicazione

Composizione in lipidi della membrana plasmatica

Struttura dei Fosfolipidi

polare(idrofilico)

gruppo di testa

doppio

testa

code

legame cis(idrofobiche)

code nonpolari

Fosfolipide in 3D

Struttura dei Glicolipidi

Struttura del Colesterolo

rigido eplanare

steroideodell’anellostruttura

non polareidrocarburicacoda

guppo di testapolare

Colesterolo in 3D

Come si organizzano i lipidi in membrana?

I fosfolipidi in acqua possonoformare spontaneamente tre strutture

MicellaLiposoma

Doppio strato

+ H2O

Ricostruzione di un bilayer lipidico

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

doppiolegame -nodo

Movimento di lipidi in un bilayerFlessione 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/permeabilitàfosfolipide colesterolo

Fluidità della membrana (cont.)

I due strati hanno composizione differente

- differenti fosfolipidi/glicolipidi tra interno ed esterno

Asimmetria del doppio strato lipidico

fosfatidilcolinasfingomielina

colesterolo

glicolipide

fosfatidilserina

fosfatidilinositolofosfatidiletanolamina

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

superficeextracell.

Superficecitosolica ancorate

ancorate

Come può un legame peptidico polare essere inserito nel core idrofobico di un bilayer fosfolipidico?

estremitàamino (N-) terminale

estremitàcarbossi (C-) terminale

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

triptofano fenilalanina prolina isoleucina

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

-elica in 3D

Foglietto in 3D

Glicoforina: tipica proteina che attraversa

la membrana plasmatica una volta

Batteriorodopsina, tipica proteina che attraversa la membrana plasmatica sette volte

Associazione di proteine di membranacon un bilayer lipidico

Legame covalente a molecola lipidica

Legame debole, non-covalente, ad un’altra proteina di membrana

SPAZIOEXTRACELLULARE

CITOSOL

Bilayerlipidico

Integrali

foglietto-

Transmembrana legatea lipidi

Periferche

attaccatea proteine

-elica

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

Membrane differenti esprimono proteine differenti funzioni differenti

SPAZIOEXTRACELLULARE

CITOSOL

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

Lato citosolico dellamembrana

spectrina

proteine transmembranaProteine di ancoraggio

actina

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

Rivestimentocellulare

(glicocalice)

Bilayerlipidico

Glicoproteinatransmembrana

Glicoproteinaassorbita

Proteoglicanotransmembrana

spazioextra-cellulare

glicolipide

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

Permeabilità del bilayer lipidico

bilayer

lipidico

• I gas diffondono rapidamente

gas

O2

CO2

N2

piccolemolecole polari non

cariche

gliceroloetanolo

•Col tempo, piccole molecole polari non cariche diffondono attraverso un bilayer lipidico

grossemolecole

polari cariche

amino acidiglucosionucleotidi

ioni

H+,Na+,HCO3

-,K+

Ca2+,Cl, Mg2+

•Grosse molecole polari non cariche, molecole polari cariche e ioni non permeano ioni

•Molecole solubili nei lipidi tendono a diffondere

molecole lipofile

ormonisteroidei

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 artificialesenza proteine

membranecellulare

Proteine di trasporto2 principali classi di proteine di trasporto:

Proteine CarrierLegano 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 solutoporo 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 I Type II Multi- spanning