Modulo 9: Membrane

Membrane formano barriere fisiche. Separano il citosol dall’ambiente esterno preservano

l’individualità della cellula mantenendola separata dall’ambiente circostante.

Le funzioni delle membrane biologiche

Permettono la

comunicazione tra ambiente

esterno ed interno attraverso

recettori proteici.

Attuano la conversione dell’

energia chimica attraverso la

formazione di gradienti

elettrochimici

Delimitano i compartimenti intracellulari (nucleo, mitocondri, ER, lisosomi ecc.)

Hanno funzioni di trasporto di metaboliti, di ioni.

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.

I lipidi inseriti nelle membrane sono soggetti ad una

rapida diffusione laterale: 1m2 S-1 Mentre la diffusione

trasversale è molto limitata.

“Le membrane biologiche sono soluzioni

bidimensionali di lipidi orientati e proteine

globulari” (Singer & Nicholson1972)

Membrane paragonate a un

liquido bidimensionale. Le

proteine “galleggiano” nel

liquido bidimensionale.

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

interazioni con

proteine integrali

(7,8) oppure

sono ancorate

alla membrana

da legami

covalenti con

lipidi (5,6).

Le proteine periferiche sono associate con le

membrane attraverso

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 -elica

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

Le proteine che attraversano il doppio

strato lipidico (3 nm) comunemente

formano -eliche di circa 20 aa con un

elevato numero di residui idrofobici

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.

Sequenza amino acidica

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 secondaria

La porina è una proteina di membrana esterna dei

batteri Gram-negativi.

Le membrane biologiche sono

selettivamente permeabili

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

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

Video su membrane transport :

https://www.youtube.com/watch?v=mnE_hT3eN6g

Meccanismi 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

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 movimento di una molecola elettricamente neutra avviene in direzione della

minor concentrazione (secondo gradiente di concentrazione = distribuzione

disuguale di concentrazione).

Il trasporto passivo avviene

per mezzo proteine di trasporto

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.

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:

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 glucosio non è in scala rispetto alla membrana

*

Il trasporto avviene in

entrambe le direzioni dal

comparto in cui il glucosio è

più concentrato a quello in

cui lo è meno.

Variazione di energia (libera) durante il

trasporto un soluto non carico

La distribuzione disuguale di concentrazione

(gradiente), determina una condizione ricca di

energia. Per formare un gradiente è necessario

spendere energia (trasporto attivo).

Per una specie molecolare non carica il lavoro per

portare una molecola di concentrazione c1 da un

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

Un soluto elettricamente neutro si muove verso la

regione dove la sua concentrazione è minore fino

all’equilibrio.

molecola elett. neutra

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)

Variazione di energia (libera) per il trasporto

di una molecola carica

potenziale elettrochimico = gradiente di concentrazione (chimico) + potenziale

elettrico

+ - molecola carica

Per potenziale di membrana si intende la 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

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:

ΔG= 2,3 RTlog10 (c2/c1) + ZF ΔV >0

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:

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.

Composizione salina e trasporto di

ioni

25:1 4 mM 100 mM Cl-

25000:1 0.1 M 2.5 mM Ca++

1:35 140 mM 4 mM K+

10:1 14 mM 140 mM Na+

Rapporto

out/In

liquido

intracellulare

liquido

extracellulare

Ione I gradienti ionici negli

organismi sono mantenuti da

un sistema di trasporto:

pompa Na+-K+ (ATPasi)

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)

•Variazione conformazionale E1/E2

•Fosforilazione ciclica in Asp

•Trasformazione di ATP in ADP

•Uscita di 2 Ca++

SERCA: pompa ATPasi per il

calcio del reticolo endoplasmatico

e sarcoplasmatico

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 E2

Trasportatori 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.