TUTTI QUESTI PROCESSI NECESSITANO DI ENERGIA

NEI MECCANISMI 1 E 3 LA PROTEINA MANTIENE LA SUA CONFORMAZIONE

NEL MECCANISMO 2 LA PROTEINA DEVE DISTENDERSI

Traslocatori proteici situati nella membrana

Viaggiano a bordo di vescicole di trasporto per andare dal RE all’Apparato di Golgi, endosomi, lisosomi e superficie cellulare

Esocitosi costitutiva ed esocitosi regolata (ormoni, muco , enzimi digestivi)

Per arrivare ai lisosomi i materiali destinati alla degradazione fanno percorsi diversi

Pinocitosi

Fagocitosi

Autofagia (degradazione di parti consumate della cellula)

2. Le sostanze alimentari devono entrare i prodotti di rifiuto uscire (canali)

1. La cellula deve saper rispondere a sollecitazioni dell’ambiente (sensori)

3. La membrana cresce se la cellule cresce (si estende aggiungendonuova membrana), la membrana si può deformare senza strapparsi

Struttura della Membrana

• Le membrane cellulari consistono in un doppio stratocontinuo di molecole lipidiche in cui sono immerse leproteine.

• Le molecole lipidiche della membrana presentano siaregioni idrofiliche sia regioni idrofobiche.

Molecole anfipatiche (idrofobiche, idrofiliche)in azzurro testa idrofilica

fosfatidil

Galattosio

La molecola della fosfatidilcolina è il fosfolipide più comune nella membrana cellulare, è costituita da cinque parti: i. colina, ii. fosfato (H3PO4, Pi, ione), iii. glicerolo, iv. coda idrocarburica (acido grasso insaturo/saturo),

v. coda idrocarburica (i-iii, testa idrofilica, iv-v, coda idrofobica)

Fosfatidilcolina

Molecola idrofilicastabiliscono legami IDROGENO con le molecole di acqua

Molecola idrofobicanon stabiliscono legami con le molecole di acqua

Le molecole d’acqua formano legami idrogeno tra loro e racchiudono lamolecola idrofoba apolare in una sorta di gabbia

Le molecole dei grassi sono idrofobicheLe molecole fosfolipidiche sono anfipatiche (idrofobiche, idrofiliche)

in azzurro testa idrofilica

• Poste in soluzioni acquose, si associanospontaneamente in doppi strati e formano compartichiusi capaci di autosigillarsi se lacerati.

La forma sferica è stabile perché evita alle code idrocarburiche idrofobiche di rimanere esposte all’acqua

Essenziale per la sopravvivenza della cellulaMeccanismo tale per cui la membrana si ripara (buchi) quando si rompe

La membrana cellulare è flessibilesi piega: 25 nm dimensione minima delle vescicole

che può racchiudere

Meno di una volta al mese per molecola

lipidica

La membrana cellulare è fluidai fosfolipidi si spostano e si scambiano di posto con gli altri

PIU’ FLUIDA SE:1- catene acidi grassi sono più corte, <14-24 atomi di Carbonio2- se le catene di acidi grassi sono INSATURI (più doppi legami, maggiore capacità di legare H e di formare anse laterali)3- meno colesterolo

• Il doppio strato lipidico è asimmetrico, i fosfolipidi ed i glicolipidi si distribuiscono in modo asimmetrico

• Fasfatidilcolina (rosso), sfingomielina (marrone), fasfatidilserina (verde chiaro), fasfatidilinositolo (verde scuro), fasfatidiletanolamina (giallo)

• Tutte le molecole glicolipidiche (azzurri) si trovano nel monostrato esterno della membrana, il colesterolo (grigio) si distribuisce equamente su entrambi i lati

La membrana cellulare è asimmetrica

Colina e sfingomielina

Serina e etanolammina e fosfatidilinositolo

Le vescicole membranose hanno origine per gemmazione e fusione dagli organelli citoplasmatici (es. Golgi) e mantengono una polarità (i glicolipidi sono nella metà della

membrana interna che non si affaccia sul citosol)

Faccia non citosolica della membrana

Faccia citosolica della membrana

Classe funzionale Esempio di proteina Funzione specifica

Vettori Pompa Na+ Pompa attivamente Na+ fuori dalla cellula e K+ dentro la cellula

Connettori molecole di adesione

Integrine Collegano i filamenti intracellulari di actina a proteine della matrice extracellulare

Recettori Recettore del fattore di crescita piastrinico (PDGF)

Lega il PDGF extracellulare e di conseguenza genera segnali intracellulari che inducono la cellula a crescere e dividersi

Enzimi Adenilato ciclasi Catalizza la produzione di AMP ciclico intracellulare in risposta a segnali extracellulari

Elica a anfipatica Legame covalente con

molecola lipidica (zig zag rosso)

Legame non covalente con altre proteine

Regioni idrofiliche e regioni idrofobiche

A. B. C. Proteine integrali di membranaD. Proteine periferiche di membrana

• Le proteine transmembrana si estendono attraverso ildoppio strato lipidico, generalmente assumendo unaconformazione ad elica a singola o multipla, ma talvoltaanche come piano b avvolto a manicotto.

(A) Proteine Transmembrana

Le catene laterali degli aminoacidi idrofobici (verde) da un lato di ogni elica entrano in contatto con le code idrocarburiche che pure sono idrofobiche, mentre le catene laterali

idrofiliche (rosso) al lato opposto formano un pro pieno di acqua

(A) Proteine Transmembrana

La membrana plasmatica è di per se stessa fragile e sottile(10000 membrane una sopra l’altra per formare lo spessore di una pagina di libro)

Tutte le membrana plasmatica cellulari sono rinforzate e sostenute da un impalcatura proteica fissata per mezzo di proteine transmembrana.

Tali proteine si organizzano in un trama di proteine fibrose (lo strato corticale o cortex cellulare) aderente alla faccia citosolica che determina la forma cellulare e e le proprietà

meccaniche della membrana plasmatica

CITOSOL

Nel globulo rosso lo strato corticale è formato soprattutto da spettrinaquando è geneticamente anomala gli eritrociti sono fragili e si ha l’anemia

• Dato che la membrana si comporta come un fluido bidimensionale, i suoi lipidi e anche molte delle sue proteine possono muoversi liberamente nel piano del doppio strato lipidico.

• La cellula sa però confinare certe proteine di membrana in zone circoscritte in distretti funzionali denominati domini di membrana; la mobilità laterale delle proteine nella membrana plasmatica subisce quindi limitazioni di vario genere

• Le proteine possono venire ancorate allo strato corticale interno (A), a molecole della matrice extracellulare fuori dalla cellula (B), a proteine situate sulla superficie di un’altra cellula.

• Possono esistere delle barriere alla diffusione (barrette nere) che confinano certe proteine in un particolare dominio di membrana.

• Nelle cellule intestinali le proteine sono confinate in un particolare dominio di membranaplasmatica.

• La proteina A (proteine di trasporto attive nell’assumere sostanze nutritive) e la proteina B(trasporto di soluti fuori dalle cellule epiteliali verso il sangue ed i tessuti) possono diffonderelateralmente nel dominio di membrana cui appartengono ma non nell’altro a causa di unparticolare tipo di connessione con le cellule adiacenti.

• Le giunzioni occludenti sigillano i vari comparti di membrana (proteine apposite formano unacintura ininterrotta attorno alla cellula a stabiliscono della saldature).

La struttura delle membrane• Molte delle proteine e alcuni dei lipidi esposti sulla superficieesterna della cellula portano attaccate catene di zuccheri, checontribuiscono a proteggere e lubrificare la superficie cellulare esono attivi nel riconoscimento tra cellule.

• Quasi tutte le membrane cellulari sono attaccate a proteine chefanno da impalcatura di sostegno.

• Ne è un esempio la rete intessuta da proteine fibrose che forma ilcortex, strato corticale posto proprio sotto la membrana cellulare.

• Anche se molte proteine diffondono rapidamente nel piano dellamembrana, le cellule hanno modi per confinarle in domini circoscrittie per immobilizzarne certe, attaccandole alle macromolecoleintracellulari o extracellulari.

• Le cellule eucariotiche sono rivestite da glucidi che formano il glicocalice• Il glicocalice (strato a carboidrati) è costituito da catene laterali

oligosaccaridiche attaccate a glicolipidi e alle glicoproteine di membrana• Al glicocalice possono contribuire anche le glicoproteine e i proteoglicani

secreti dalla cellula e quindi riassorbiti subito dalla cellula • Tutti i carboidrati si trovano dal lato extracellulare• Aiutano a proteggere e lubrificare la superficie dal danneggiamento

meccanico (assorbendo acqua gli oligo ed i polisaccardi rendono scivolosa la superficie)

• Il glicocalice non solo aiuta a proteggere e lubrificare la superficie dal danneggiamento meccanico ma funge anche da segnale di riconoscimento e nell’adesione cellulare

• Le lectine sono specializzate nel riconoscere particolari catene oligosaccaridiche e legarle con gli stessi meccanismi e legami di riconoscimento che regolano l’interazione tra le proteine

• Le catene laterali oligosaccaridiche delle glicoproteine• Mentre le proteine si uniscono tutte linearmente con legami identici gli zuccheri possono farlo in

vario modo in varie sequenze e anche in catene ramificate • La diversificazione dei legami fa si che il glicocalice funga da divisa di riconoscimento per la

cellula (uovo spermatozoo)

Trasporto di Membrana

I doppi strati lipidici sono impermeabili le membrane plasmatiche no

La membrana plasmatica• Lo strato lipidico delle membrane cellulari è permeabile alle molecole

piccole e apolari, come l’ossigeno e il diossido di carbonio, ma anche amolecole polari purché piccolissime, come l’acqua (diffusione semplice vs.diffusione facilitata, e.g. acquaporine).

• E’ invece impermeabilissimo a quasi tutte le molecole idrosolubili e a tutti gliioni.

• Il trasferimento di sostanze nutritive, metaboliti e ioni attraverso lamembrana plasmatici e le membrane intracellulari è demandato alleproteine di trasporto che esse contengono,

• Le membrane cellulari contengono tutta una serie di proteine di trasporto,ciascuna incaricata del trasferimento di un particolare tipo di solutoattraverso la membrana.

• Le proteine di trasporto si possono distinguere in due categorie: le proteinevettore e le proteine canale.

• Una molecola diffonderà tanto più rapidamente attraverso il doppio strato lipidico quanto più è piccola e soprattutto quanto meno interagisce favorevolmente con l’acqua (cioè quanto minore è la sua polarità)

• Molte delle molecole che servono alla cellula come nutrimento sono troppo grandi e polari per superare un doppio strato lipidico puro

La cellula deve contenere quantità uguali di cariche positive e negative (cioè deve essere elettricamente neutra)

Componente Concentrazione intracellulare (mM)

Concentrazione extracellulare (mM)

Cationi

Na+ 5-15 145

K+ 140 5

Mg2+ (ioni liberi) 0,5 (20 mM se incluso quello complessato a proteine)

1-2

Ca2+ (ioni liberi)contenuto in organelli

10-4 (1-2 mM se incluso quello complessato a proteine)

1-2

H+ 7x10-5 (10-7,2 M o pH 7,2) 4x10-5 (10-7,4 M o pH 7,4)

Anioni

Cl- 5-15 110

Proteine, acidi nucleici, metaboliti con gruppi fosfato e carbossilici, HCO-3, PO43-

• Anche se le cariche elettriche all’esterno e all’interno sono bilanciate e in equilibrio, intorno alla membrana plasmatica si rilevano eccessi contenuti di carica netta positiva o negativa

• Questi squilibri generano una differenza di voltaggio detta POTENZIALE di MEMBRANA compreso tra -20 e -200 mV

• Il potenziale è negativo perchè l’interno della cellula ha una carica netta negativa rispetto all’esterno

• Questo potenziale è alla base di alcuni meccanismi di trasporto e della generazione dell’impulso nervoso

Le molecole di piccole dimensioni entrano nella cellule attraverso un vettore o un canale

• La proteina canale forma un poro idrofilico che trapassa il doppio strato attraverso cui specifici ioni inorganici possono diffondere

• Le proteine canale sono più rapide nel trasporto delle proteine vettore

• I canali ionici esistono in conformazione chiusa e aperta, e trasportano solo in quella aperta, la loro chiusura o apertura è di solito controllata da uno stimolo esterno o da condizioni interne della cellula

• Una proteina vettore va incontro ad una serie di modificazioni conformazionali per trasferire piccole molecole idrosolubili attraverso il doppio strato lipidico

TRASPORTO PASSIVO• Proteine canali• Proteine vettori=trasportatori

Gradiente chimico o di concentrazioneGradiente elettrochimico

TRASPORTO ATTIVO• Proteine vettori=trasportatori

AccoppiatoATP-dipendenteFOTO dipendente

Un soluto che abbia una concentrazione più alta fuori dalla cellula entrerà spontaneamente dentro la cellula per trasporto passivo (diffusione facilitata)

purché abbia nella membrana un canale od un vettore apposito

Contro gradiente ci vogliono proteine vettore in grado di attingere energia per alimentare il passaggio (trasporto attivo)

Ogni membrana cellulare ha la sua serie caratteristica di proteine vettore

TRASPORTO PASSIVO: gradiente di concentrazioneUn cambiamento di conformazione di una proteina vettore

potrebbe mediare il trasporto passivo di un soluto come il glucosio

La transizione tra i due stati avviene a caso,è indipendente dal soluto e reversibile

TRASPORTO PASSIVO: gradiente elettrochimicoLa forza motrice netta (gradiente elettrochimico) che tende a spostare un soluto carico (ione) attraverso la membrana è la somma del gradiente di concentrazione e della differenza di

potenziale tra i due lati della membrana (potenziale di membrana)

L’ampiezza della freccia indica l’entità del gradienteSituazione usuale lato citoplasmatico carico negativamente

il Na+ che è concentrato fuori dalla cellula quando può cercherà di entrare nella cellulaIl K+ che è più concentrato all’interno tenderebbe ad uscire secondo gradiente di concentrazione ma essendo il gradiente

elettrochimico modesto il K tende a non uscire dalla cellula

attira i soluti carichi negativamente

attira i soluti carichi positivamente

Il trasporto attivoTrasportatore accoppiato: accoppiano il trasporto di un soluto contro gradiente

al trasporto di un soluto secondo gradienteLe pompe ad ATP: accoppiano il trasporto contro gradiente all’idrolisi di ATP

Le pompe fotoalimentate: accoppiano il trasporto contro gradiente all’assorbimento di energia luminosa

Trasporto accoppiato

Le cellule animali utilizzano il gradiente di Na+ per assumere attivamente sostanze nutritive

trasporto ATTIVOsimporto

trasporto PASSIVO Na+/K+trasporto ATTIVO

Na+ trasporto PASSIVO

La pompa sodio potassio svolge un ruolo essenziale nelle cellule animaliAssorbe il 30% del consumo totale di ATP

Agisce come pompa di sentina per espellere Na+ dalla cellula che rientra attraverso proteine vettrici e canali ionici e così facendo mantiene concentrazioni citosoliche diverse rispetto ai fluidi extracellulari

(10-30 volte inferiore Na+ e 10-30 volte superiore K+)

La pompa Na+-K+ contribuisce a mantenere l’equilibrio osmotico nella cellula animaleLa membrana è permeabile all’acqua per mantenere costante la concentrazione di soluti va da zone con soluti poco

concentrati (e acqua molto concentrata) a zone con soluti molto concentrati (e poca acqua) OSMOSI

fosforilazione della pompa

cambio conformazionale

Grazie al trasporto attivo fatto dalle pompe le concentrazioni ioniche ai due lati della membrane sono lontane dall’equilibrio

Alcuni esempi di proteine vettore

Proteina vettore Collocazione Fonte di energia Funzione

Vettore del glucosio Membrana plasmatica di quasi tutte le

cellule animali

Nessuna Importazione passiva di

glucosio

Pompa del glucosio Na+-

dipendente

Membrana plasmatica apicale delle

cellule intestinali e renali

Gradiente di Na+ importazione attiva di

glucosio

Scambiatore Na+-H+ Membrana plasmatica delle cellule

animali

Gradiente di Na+ Esportazione attiva ioni H+

regolazione del Ph

Pompa Na+-K+ (Na+-K+-ATPasi) Membrana plasmatica di quasi tutte le

cellule animali

Idrolisi di ATP Esportazione attiva di Na+ e

importazione attiva di K+

Pompa del Ca2+ (Ca2+-ATPasi) Membrana plasmatica delle cellule

eucariotiche

Idrolisi di ATP Esportazione attiva di Ca2+

Pompa protonica (H+-ATPasi) Membrana plasmatica delle cellule

vegetali, fungine e di alcuni batteri

Idrolisi di ATP Esportazione attiva di H+

dalla cellula

Pompa protonica (H+-ATPasi) Membrane lisosomiali delle cellule

animali e membrane vacuolari delle

cellule vegetali e fungine

Idrolisi di ATP Esportazione attiva di H+ dal

citosol nel vacuolo

Batteriorodopsina Membrana plasmatica di alcuni batteri Luce Esportazione attiva di H+

fuori dalla cellula