I processi mediante i quali

le molecole biologiche

vengono scisse e

risintetizzate formano una

rete di reazioni

enzimatiche, complessa e

finemente regolata, detta

metabolismo

dell’organismo.

Questa rete consente

anche di produrre ed

utilizzare energia libera.

Membrane Biologiche

2

Nella cellula le vie metaboliche hanno

localizzazioni specifiche

Vantaggio : compartimentalizzazione di vie

metaboliche opposte e di attività

enzimatiche “antagoniste”

Svantaggio : necessità di trasportatori

attraverso le membrane che delimitano i

compartimenti cellulari.

Membrane biologicheMembrana cellulare

Membrana cellulare

Sistemi membranosi cellulari

Traffico di membrana

Le membrane cellulari hanno la stessa composizione

Chimica ed organizzazione molecolare

Delimita il citoplasma formando una barriera meccanica

Controlla l’accesso dei soluti e dei solventi

permettendo che le caratteristiche del

citoplasma differiscano da quello dei liquidi

esterni

Risponde alla presenza di molecole segnale

presenti all’esterno innescando reazione

interne di risposta

Permette l’entrata e l’uscita di macromolecole

e strutture di dimensioni maggiori

Presenta molecole specifiche che permettono alla

cellula di essere riconosciuta, di aderire ad altre

cellule e di comunicare con loro

La membrana plasmaticaFunzioni della membrana plasmatica

Membrane plasmatiche di cellule adiacenti

al microscopio elettronico

Le membrane delimitano compartimenti a diversa

composizione chimica

La componente lipidica dei sistemi membranosi

I lipidi di membrana sono la componente “fluida” del

modello di membrana a mosaico fluido.

Sono molecole anfipatiche che formano

spontaneamente un doppio strato.

I lipidi si possono spontaneamente organizzare in micelle e doppi

Strati fosfolipidici

Fortemente polare

Affinità per l’H2O

Gruppo

fosforicoFortemente apolare

Affinità per i lipidi

Fosfolipidi

I fosfolipidi hanno una struttura affine a quella dei

trigliceridi dove al una delle catene di acidi grassi

è sostituita da un gruppo fosforico

Tre diversi tipi di

lipidi di

membrana

Ognuno possiede una

componente

idrofobica

ed una idrofilica

(in rosso)

Interazione di una molecola idrofilica ed una idrofobica con l’acqua

Fosfolipidi:

a) fosfogliceridi derivati dal glicerolo (fosfatidilcolina…)

b) sfingolipidi derivati dalla sfingosina (sfingomielina…)

Glicolipidi: possono essere modificati dall’aggiunta di carboidrati. I più comuni sono

i cerebrosidi ed i gangliosidi.

Abbondanti in membrane cellule nervose (40%)

Funzioni:

Effetto protettivo sulla membrana apicale delle cellule epiteliali (da cambiamenti di

pH e/o enzimi degradativi)

Effetti elettrici: alterazione del campo elettrico e della concentrazione di ioni

Isolamento elettrico: nella mielina

Riconoscimento: tossina del colera si lega a GM1

Adesione cellulare

Gli SFINGOLIPIDI lipidi complessi contenenti la sfingosina,

un amminoalcol a lunga catena, al cui amminogruppo è

legato, con legame ammidico, un acido grasso saturo quasi

sempre composto da 22 atomi di carbonio. In tal modo, si

viene a costituire l’unità invariante di tutti gli s., detta

Ceramide, che rappresenta la porzione idrofobica degli s.

stessi.Gli sfingolipidi sono costituenti delle membrane plasmatiche

dei Mammiferi e sono particolarmente abbondanti nella

sostanza bianca del SISTEMA NERVOSO centrale

Possono essere suddivisi in tre gruppi differenti:

sfingomieline

cerebrosidi

gangliosidi.

Glicolipidi: a) e b) possono essere modificati dall’aggiunta di

carboidrati. I più comuni sono i cerebrosidi ed i gangliosidi.

Abbondanti in membrane cellule nervose (40%)

Funzioni:

Effetto protettivo sulla membrana apicale delle cellule epiteliali

(da cambiamenti di pH e/o enzimi degradativi)

Effetti elettrici: alterazione del campo elettrico e della

concentrazione di ioni

Isolamento elettrico: nella mielina

Riconoscimento: tossina del colera si lega a GM1

Adesione cellulare

Sono stati identificati soggetti con patologie per deficit

enzimatici relativi all’enzima normalmente responsabile di

molte delle reazioni del catabolismo degli sfingolipidi. Queste

enzimopatie ereditarie, note come sfingolipidosi, sono

caratterizzate dall’accumulo intracellulare di uno sfingolipidi e

si manifestano clinicamente soprattutto con alterazioni più o

meno gravi del sistema nervoso.

La sfingomielina, l’unico s. contenente fosforo è

particolarmente abbondante nella sostanza bianca e nel

rivestimento di mielina che circonda e isola

elettricamente molti assoni delle cellule nervose; è

presente anche nei lipidi del sangue.

In alcuni stati patologici, quali la sindrome di Nieman-

Pick, quantità eccessive di sfingomielina si accumulano

nel Tessuto nervoso.

Steroli: colesterolo

°Aumenta proprietà di barriera permeabile del doppio strato

lipidico

°Interagisce con –CH2 degli acidi grassi, facendone diminuire

la mobilità

°Il doppio strato diventa meno deformabile e quindi meno

permeabile

°Impedisce anche alle catene di –CH2 di interagire troppo e di

cristallizare, quindi inibisce transizioni di fase.

Steroidi

Si tratta di una famiglia di composti organici

molto importanti che hanno una struttura comune

basata su più anelli fusi tra loro

Il colesterolo è un

importantissimo componente

delle membrane cellulari

Di questa famiglia fanno parte

una serie di molecole che hanno

funzione di messaggeri chimici,

gli ormoni steroidei

Sono O. steroidei per esempio

gli ormoni sessuali come il

testosterone o il progesterone

Schema della membrana del globulo rosso

L’esperimento che chiarì l’organizzazione dei

lipidi in un doppio strato

Membrane diverse hanno rapporti diversi tra lipidi e proteine

Asimmetria delle membrane

Membrane diverse contegno percentuale diverse

dello stesso lipide.

Le diverse percentuali rispecchiano

le peculiarità delle membrane

Nei diversi elementi cellulari

I lipidi e la fluidità della membrana

- Fluidità: misura della facilità di scorrimento

- Viscosità: misura della resistenza allo scorrimento

Fattori da cui dipende la fluidità della membrana:

1) Assenza di legami covalenti tra molecole lipidiche

2) Presenza od assenza di doppi legami nella

catena idrocarboniosa

3) Lunghezza della catena idrocarboniosa

Movimento dei lipidi nel doppio strato fosolipidico

Flip-flop: un evento raro

E’ invece sostenuta la rotazione e la diffusione laterale.

Fluidità del doppio strato lipidico

E’ fondamentale per i processi di trasporto e per le

attività enzimatiche.

Dipende da composizione in lipidi (lunghezza delle

catene di acidi grassi e presenza di doppi legami) e

dalla t°

Temperatura di transizione di fase (Tm): t° a cui il

doppio strato artificiale si gelifica (congela) se

raffreddato o diventa di nuovo fluido (fonde) se

riscaldato.

La membrana deve essere al di sopra di Tm per

funzionare correttamente.

Stearato

• Oleato

• Linoleato

• linolenato

La lunghezza delle catene e la presenza di doppi legami influenzano

il punto di fusione degli acidi grassi

Catene di acidi grassi più corte o

doppi legami riducono la tendenza

delle catene idrocarburiche a fare

legami tra di loro:

la membrana resta fluida a t°più

basse.

Es. acido oleico, insaturo

acido stearico, saturo

Lieviti e batteri regolano la

concentrazione di acidi grassi insaturi

e di catene più corte nella membrana

quando la t° scende (per es. con

catene da 16 piuttosto che 18 C).

Il colesterolo

Impedisce alle catene di –CH2 di interagire troppo e di

cristallizzare, quindi inibisce transizioni di fase troppo

brusche.

Rapporto 1:1 con fosfolipidi

Posizione del Colesterolo nel doppio strato fosfolipidico

Una membrana poco fluida non favorisce il passaggio di molecole

Una membrana fluida favorisce il passaggio di molecole

Le specifiche funzioni di ciascuna membrana

dipendono dal tipo di proteine presenti su quella

specifica membrana.

Lipidi e proteine di membrana possono essere

glicosilati.

Le proteine di membrana

• Ciascuna membrana cellulare ha un set specifico di proteine che permettono alla membrana di svolgere le proprie specifiche attività

• Le proteine di membrana sono integrali o periferiche

• Le proteine integrali transmembrana contengono una o più eliche transmembrana

• Altre proteine integrali sono ancorate alle membrane mediante catene di carboidrati attaccate in maniera covalente

• Le proteine periferiche sono associate alle membrane attraverso interazioni con proteine integrali

Per studiare le proteine di membrana si applica la tecnica della

criofrattura della membrana lungo lo strato idrofobico

Molte proteine di membrana si comportano come se galleggiassero in un

mare di lipidi. I lipidi della membrana sono liberi di diffondere lateralmente

nel piano del doppio strato, dando alle membrane carattere di dinamicità e

flessibilità (modello a mosaico fluido).

Le due facce di una membrana

sono asimmetriche, in quanto

differiscono per composizione

lipidica e proteica

Schema di proteine di membrana in un

doppio strato lipidico

Le proteine di membrana

- Svolgono la maggior parte delle funzioni

specifiche della membrana plasmatica

- Possono essere glicosilate sulla faccia

esterna (glicocalice o rivestimento

cellulare)

• Ancoraggio (integrine)

• Trasporto passivo

• Trasporto attivo

• Attività enzimatica

• Attività recettoriale e

trasduzione del segnale

• Riconoscimento cellulare

(formazione di tessuti,

sistema HLA, antigeni di

superficie)

• Giunzione intercellulare

Funzioni delle proteine di membrana

Funzioni delle proteine di membrana

I detergenti sono in grado di solubilizzare le

Membrane e permettono di isolare le proteine

Integrali di membrana

Solubilizzazione delle proteine di membrana

SDS PAGE

Mediante l’impiego

di detergenti (SDS)

è possibile isolare e

visualizzare le proteine

di membrana

Disposizione del detergente intorno alla componente idrofobica della proteina

Carboidrati e membrane

• Carboidrati

– Vengono attaccati all’estremità che non entra mai in

contatto col citoplasma (lume del RE)

• Glicoproteine

– Proteine di membrana a cui vengono attaccati degli

oligosaccaridi

• Proteoglicani

– Proteine di membrana con una o più catene

polisaccaridiche

• Glicolipidi

– Lipidi con attaccati degli oligosaccaridi

Glicocalice• Strato protettivo formato dalle catene di zuccheri

Glicoproteinatransmembrana

GlicoproteinaEstrinseca

Glico-lipide

Proteoglicanotransmembrana

Glicocalice

Membrana

Cytosol

ECM

Glicocalice• Impedisce alle cellule del sangue di attaccarsi tra loro o

alle pareti dei vasi

• Importante nel riconoscimento cellula-cellula e nei

fenomeni di adesione

– Neutrofili riconosciuti dalle cellule endoteliali, nei siti di infezione,

il riconoscimento permette l’adesione alla parete e

l’extravasazione

Glicocalice Citosol Nucleo Membrana Plasmatica

Carboidrati presenti

nelle glicoproteine

Glicocalice di

una cellula

dell’epitelio

intestinale

Il riconoscimento dei carboidrati di superficie sui neutrofili è la fase

preliminare della loro migrazione fuori dai vasi nella sede

dell’infezione

Permeabilità

relative del

doppio strato

lipidico

sintetico a

diverse

categorie

di molecole