Modulo 9: Membrane - Moodle@Units
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Modulo 9: Membrane
Le funzioni delle membrane biologiche üMembrane formano barriere fisiche. Separano il citosol dall’ambiente esterno preservano l’individualità della cellula mantenendola separata dall’ambiente circostante. üDelimitano i compartimenti intracellulari (nucleo, mitocondri, ER, lisosomi ecc.) üHanno funzioni di trasporto di metaboliti, di ioni. üPermettono la comunicazione tra ambiente esterno ed interno attraverso recettori proteici. üAttuano la conversione dell’ energia chimica attraverso la formazione di gradienti elettrochimici
Le membrane biologiche: proprietà
Le membrane biologiche sono strutture laminari simili a fogli con
spessori compresi tra 5 e 8 nm.
Costituite principalmente da glicerofosfolipidi, sfingolipidi, colesterolo.
Strutture senza legami covalenti tra le unità di
base, le unità che le compongono sono
tenute unite da interazioni non covalenti.
Le membrane sono asimmetriche e di norma
elettricamente polarizzate
Permeabilità molto bassa per la maggior parte delle
molecole. Contengono proteine specifiche e
particolari responsabili di funzioni specializzate delle
membrane.
Distribuzione dei lipidi negli strati interno ed esterno
della membrana plasmatica (eritrociti)
I principali componenti lipidici delle
membrane biologiche
Ogni membrana (plamatica o
interna) ha una sua
composizione lipidica ben
precisa.
Il modello a mosaico fluido
Le membrane sono strutture fluide e dinamiche. Fluidità di membrana: data dalle
interazioni non covalenti, lasciano libere le molecole di spostarsi lateralmente nel piano
della membrana.
Membrane paragonate a un
liquido bidimensionale. Le
proteine “galleggiano” nel
liquido bidimensionale.
“Le membrane biologiche sono soluzioni
bidimensionali di lipidi orientati e proteine
globulari” (Singer & Nicholson1972)
I lipidi inseriti nelle membrane sono soggetti ad una
rapida diffusione laterale: 1µm2 S-1 Mentre la diffusione
trasversale è molto limitata.
La fluidità di membrana è controllata dalla
composizione lipidica
Le catene aciliche
sono in uno stato
ordinato
Le catene aciliche sono
in stato disordinato
La temperatura (Tm) di transizione fluido (liquido cristallino)-solido (gel) dipende
dalla lunghezza delle catene degli acidi grassi, dal loro grado di insaturazione e
dalla presenza di colesterolo.
La presenza di doppi legami rende le catene più irregolari diminuendo il numero
di legami possibili tra le catene, rendendo le catene più fluide
Gli animali a sangue freddo modificano la composizione in acidi grassi dei lipidi di
membrana a seconda della T.
Il colesterolo è il principale modulatore della
fluidità delle membrane degli animali
Il colesterolo si inserisce
nel doppio strato lipidico
e si impacca tra i
fosfolipidi/sfingolipidi
Ha un duplice effetto:
1. con la sua struttura rigida spezza la regolarità dei legami tra catene aciliche
sature rendendo la struttura meno ordinata (più fluida)
2. Aumenta il grado di impaccamento delle catene aciliche insature rendendo
meno fluida la membrana.
L’effetto finale è uno smorzamento dei cambiamenti di fluidità della membrana
Le proteine di membrana Ogni tipo di cellula possiede un set specifico di proteine di membrana che consente di compiere funzioni specifiche Le funzioni principali : trasporto, comunicazione, produzione di energia, locomozione
Proteine periferiche e integrali di membrana
Le proteine integrali attraversano la membrana attraverso lo strato lipidico formando
interazioni idrofobiche con i lipidi.
1 monopasso; 2 multipasso; 3. barile
ß; 4 Inserita su un solo lato
Le proteine periferiche sono associate con le
membrane attraverso
interazioni con
proteine integrali
(7,8) oppure
sono ancorate
alla membrana
da legami
covalenti con
lipidi (5,6).
Proteine di membrana ancorate ai lipidi Vari modi con cui le proteine sono ancorate alla membrana GPI: glicosilfosfatidilinositolo (GPI) un fosfolipide complesso legato all’estremità carbossiterminale della proteina.
Proteine multipasso ad a-elica Le proteine che attraversano il doppio strato lipidico (3 nm) comunemente formano a-eliche di circa 20 aa con un elevato numero di residui idrofobici Esempio la batteriorodopsina, un trasportatore batterico di protoni H+, è formato da un fascio di 7 segmenti idrofobici ad alfa elica, che attraversano il doppio strato lipidico. I 7 segmenti transmembrana possono essere individuati analizzando la sequenza aa
I canali proteici possono essere formati da
catene β
Proteine di membrana con poro
centrale posso anche avere una
struttura formata esclusivamente da
foglietti beta di 16-18 catene
antiparallele. Il canale interno è
idrofilico. Le pareti esterne sono
idrofobiche.
La porina è una proteina di membrana esterna dei
Sequenza amino acidica batteri Gram-negativi.
I residui in giallo (idrofobici) sono
rivolti all’esterno quelli bianchi
verso l’interno del canale della
porina
I trattini indicano i legami
idrogeno che stabilizzano la
struttura secondariaLe membrane biologiche sono
selettivamente permeabili
La permeabilità delle piccole molecole è correlata alla loro solubilità in un solvente non
polare relativamente a quello dell’acqua. Coefficienti di permeabilità, P (cm S-1) di alcuni soluti
attraverso le membrane
I gas, l’acqua, e alcune sostanze lipofiliche (ormoni steroidei) hanno sufficiente
permeabilità e si muovono per diffusione semplice, dalle regioni di maggiore
concentrazione a quelle a minor concentrazione. Le molecole polari, idrofiliche e
ioniche (gli ioni hanno P di 109 volte inferiori a quello dell’acqua) hanno bisogno di
proteine di membrana per il loro movimento attraverso le membrane
Video su membrane transport :
https://www.youtube.com/watch?v=mnE_hT3eN6g
https://www.youtube.com/watch?v=I1MZG6508IMMeccanismi di trasporto trans-membrana Trasporto passivo Il passaggio secondo concentrazione di composti polari ed ioni avviene per diffusione facilitata (trasporto facilitato, trasporto passivo) ad opera di trasportatori proteici selettivi. Il trasporto di ioni è mediato da trasportatori (ionofori) o canali ionici. Trasporto attivo Alcune sostanze vengono concentrate: il passaggio avviene con consumo di energia (ATP) ad opera di specifici trasportatori (pompe). In base al numero di soluti i sistemi di trasporto sono classificabili in: uniporto, simporto e antiporto.
Il trasporto passivo è facilitato da proteine di
membrana
Il movimento di una molecola elettricamente neutra avviene in direzione della
minor concentrazione (secondo gradiente di concentrazione = distribuzione
disuguale di concentrazione).
molecola
elettricamente
neutra
Il passaggio transmembrana di molecole polari
richiede energia (energia di attivazione ΔGǂ ) .
Proteine che forniscono una via alternativa
(Trasportatori o permeasi) (in blu) facilitano il
trasporto.
(trasportatori paragonabili a catalizzatori proteici).Il trasporto passivo avviene
per mezzo proteine di trasporto
I trasportatori sono proteine transmembrana multipasso.
Ogni trasportatore è altamente selettivo per uno o pochi tipi di composti, si lega al
ligando tramite uno specifico sito di legame.
Due tipi:
Trasportatori (proteine trasportatrici): legano le molecole da un lato della membrana e
in seguito ad un cambiamento conformazionale della proteina le depositano dall’altro.
Il trasporto è saturabile.
Canali: formano un poro idrofilico all’interno della membrana che permette la
diffusione di ioni specifici attraverso la membrana.Il trasportatore del glucosio
Trasportatore (GLUT-1) proteina 55 kDa con 12 eliche
transmembrana. Il trasporto è 50000 volte superiore *
alla diffusione semplice.
Il processo di trasporto è descritto come una reazione
enzimatica con Sesterno e Sinterno
Ci sono 2 conformazioni alternative, T1 sporge all’esterno, T2
sporge all’interno. Ognuna è in grado di legare il glucosio con
siti di legame esposti sulle due superfici.
Il trasporto avviene in
entrambe le direzioni dal
comparto in cui il glucosio è
più concentrato a quello in
cui lo è meno.
* Il glucosio non è in scala rispetto alla membranaVariazione di energia (libera) durante il
trasporto un soluto non carico
Un soluto elettricamente neutro si muove verso la
regione dove la sua concentrazione è minore fino
all’equilibrio.
Per una specie molecolare non carica il lavoro per molecola
elett.
portare una molecola di concentrazione c1 da un neutra
lato della membrana all’altro lato in cui si trova alla
concentrazione c2 è dato da:
ΔG= RTln(c2/c1) = 2,3 RT log10(c2/c1)
R= costante dei gas (8,3 x10-3 kJ mol-1 K-1)
T= Temperatura in gradi Kelvin
La distribuzione disuguale di concentrazione
(gradiente), determina una condizione ricca di
energia. Per formare un gradiente è necessario
spendere energia (trasporto attivo).Variazione di energia (libera) per il trasporto
di una molecola carica
Lo spostamento di una carica (senza spostare una
di segno opposto) genera un potenziale elettrico. Il
costo energetico del movimento di uno ione
dipende da:
ΔG= 2,3 RTlog10 (c2/c1) + ZF ΔV
Z = carica della specie trasportata
F = costante di Faraday = 96,5 kJ V-1 mol-1
V = potenziale elettrico (potenziale di
membrana) + - molecola carica
potenziale elettrochimico = gradiente di concentrazione (chimico) + potenziale
elettrico
Per potenziale di membrana si intende il potenziale elettrico, misurabile in una cellula. Tutte le
tipologie cellulari presentano un potenziale di membrana che si aggira tra -60 mV e -70 mV. Il
segno meno indica proprio che l'interno della cellula è carico negativamente.Il trasporto attivo trasferisce un soluto contro gradiente di concentrazione o elettrochimico Se per portare una molecola di concentrazione c1 da un lato della membrana all’altro lato in cui si trova alla concentrazione c2 abbiamo che: ΔG= 2,3 RTlog10 (c2/c1) + ZF ΔV >0 Ci troviamo in una condizione di trasporto contro gradiente elettrochimico e per trasportare la molecola è necessario spendere energia (trasporto attivo). Trasportare attivamente significa concentrare. Trasporto primario: Accumulo della molecola S1 è accoppiato ad una reazione esoergonica : Conversione di ATP in ADP Trasporto secondario: Accumulo della molecola S2 è accoppiato ad un secondo trasporto esoergonico (in direzione di gradiente) della molecola S1:
Composizione salina e trasporto di
ioni
I gradienti ionici negli Ione liquido
extracellulare
liquido
intracellulare
Rapporto
out/In
organismi sono mantenuti da Na+ 140 mM 14 mM 10:1
un sistema di trasporto: K+ 4 mM 140 mM 1:35
pompa Na+-K+ (ATPasi) Ca++ 2.5 mM 0.1 µM 25000:1
Cl- 100 mM 4 mM 25:1
ATPasi di tipo P comprendono trasportatori
di cationi. L’energia è fornita dall’idrolisi
dell’ATP che catalizza la formazione di un
composto fosforilato P.
Struttura generale delle ATPasi di tipo P
Esempi:
uniporto ATPasi Ca++ (SERCA)
antiporto ATPasi Na+ K+ delle cellule animali
ATPasi H+ delle cellule delle piante
Dominio A (Fosfatasi)
Dominio T canale per lo ione (6 eliche)Trasporto primario: il meccanismo della
pompa per il calcio (SERCA)
SERCA: pompa ATPasi per il
calcio del reticolo endoplasmatico
e sarcoplasmatico
•Variazione conformazionale E1/E2
•Fosforilazione ciclica in Asp
•Trasformazione di ATP in ADP
•Uscita di 2 Ca++La struttura della pompa del calcio
Le ATPasi di tipo P sono simili tra loro. La Ca2+ ATPasi del reticolo sarcoplasmatico dei
miociti è stata studiata nel dettaglio. Rimuove rapidamente il Ca2+ dal citoplasma e lo
trasferisce al reticolo sarcoplasmatico promuovendo il rilassamento muscolare.
Ca ATPasi formata da un dominio transmembrana (giallo) con sito legame
Ca, e parte citoplasmatica con domini A (adattatore), P (legame P) e N
(legame Nucleotide ATP). Il trasportatore si può trovare nello stato E1
(non fosforilata) o E2Trasportatori guidati da idrolisi dell’ATP Le ATPasi sono caratterizzate a seconda della funzione, struttura e del tipo di ioni che trasportano. ATPasi di tipo V: (vacuolari). Responsabili dell’acidificazione sei lisosomi, endosomi, ATPasi di tipo F: Trasportano protoni . Fattori di accoppiamento energetico: utilizzano gradienti di H per formare ATP (ATP sintasi). Trasportatori ABC. Pompano amminoacidi, peptidi, proteine, ioni, vari lipidi, sostanze idrofobiche.
Trasporto secondario: accumulo del glucosio
nelle cellule intestinali.
Il co-trasporto di nutrienti attraverso le membrane delle cellule intestinali è un
processo attivo che muove il glucosio contro gradiente di concentrazione. La fase
che richiede energia per questo co-trasporto è:
– La Na+K+ATPasi che pompa il Na+
dalle cellule epiteliali al sangue
mantenendo bassi i livelli di Na+ nella
cellula
– Il simporto Na+-glucosio sulla
superficie apicale che introduce
glucosio nelle cellule favorito dal flusso
di ioni Na+ secondo gradiente
–Il trasportatore del glucosio sulla
superficie basale che versa il glucosio
nel sangue secondo concentrazione.Puoi anche leggere
