corso di fisiologia generale scienze biologiche ordinamento triennale docente: prof. mauro toselli...
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Corso di Fisiologia Generale
Scienze Biologiche
Ordinamento triennale
Docente: Prof. Mauro Toselli
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