Lezione 3 Fisiologia generale

LIPIDI DI MEMBRANA

Sono rappresentati da fosfolipidi, sfingolipidi e colesterolo.

FOSFOLIPIDI (principale costituente)

Sono detti glicerofosfolipidi, perché sono costituiti da glicerolo (alcol trivalente) esterificato da due molecole

di acidi grassi (saturi o insaturi) e un gruppo fosfato (acido fosforico).

Gli acidi grassi sono molecole che hanno una lunga catena alifatica che può essere lineare, se i legami fra i

carboni sono singoli (= acidi grassi saturi) o non lineare, se ci sono dei doppi legami che deviano la catena

(=acidi grassi insaturi).

La fluidità della membrana dipende dall’importante presenza o meno degli acidi grassi insaturi, infatti più

doppi legami ci sono e più la membrana è fluida.

Questo perché fra catene alifatiche adiacenti si formano delle interazioni idrofobiche deboli, che dipendono

dalla distanza tra le catene carboniose. Infatti se le catene sono dritte, e quindi lineari, la distanza è minore e

quindi si formano più interazioni rispetto a quando sono presenti dei doppi legami, che invece allontano le

catene e quindi aumentando la distanza fra esse aumentano la fluidità (dato che le interazioni diminuiscono).

Al gruppo fosfato legato al glicerolo è legata una sostanza di natura alcolica che può essere:

- un vero e proprio alcol (es inusitolo o gricerolo)

- un amminoacido (es serina)

- una base azotata (colina o etanolamina).

Tutte queste molecole in comune hanno che, essendo di natura alcolica, hanno il gruppo ossidrile.

Il nome dei fosfolipidi viene dato in base al gruppo alcolico che caratterizza quel particolare fosfolipide, in

turri i casi il nome inizia con fostatidil- e poi si mette il nome della sstaza alcolica: es: fosfatidil- etanolamina,

fosfatidil-serina ecc

SFINGOLIPIDI

Hanno una struttura simile ai fosfolipidi, però non è presente il glicerolo che si esterifica con gli acidi grassi,

ma è presente lo sfingolo o sfingosina, che è un amminoalcol insaturo a lunga catena.

Lo sfingolo è legato ad un acido grasso (insaturo o saturo) e ad un gruppo che può essere:

- un gruppo che contiene il fosfato= fosfosfingolipidi.

Questo è ad esempio il caso della sfingomielina, in cui lo sfingolo è esterificato con fosfato e colina

(fosforilcolina) e con l’acido grasso.

- un gruppo di natura glicidica= glicosfingolipidi.

Lo sfingolo è legato all’acido grasso e con il gruppo ossidrile è legato ad una sostanza di natura glicidica.

Anche negli sfingolipidi come nei fosfolipidi ci sono: la testa polare e le due catene alifatiche che sono presenti

nei due foglietti interni della membrana.

COLESTEROLO

È formato da un nucleo steroideo legato da una parte ad una catena alifatica e dall’altra ad un ossidrile.

Il colesterolo si inserisce nella membrana all’interno della porzione lipidica (ovvero nei 2 foglietti interni della

membrana), questo perché l’unica porzione polare del colesterolo è il gruppo ossidrilico, di conseguenza è

l’unica porzione che permette al colesterolo di prendere contatto con le teste polari.

Il colesterolo è quindi inserito tra le catene alifatiche degli acidi grassi, e proprio per questa sua posizione è

molto importante perché conferisce resistenza meccanica alla membrana perché con la sua porzione idrofoba

apolare stabilisce contatti con le catene alifatiche degli acidi grassi.

I lipidi nella membrana (a mosaico fluido) non sono immobili, ma possono muoversi.

Il movimento classico è il moto browniano dato dall’agitazione termica che tutte le molecole hanno, quindi si

parla di vibrazioni dei fosfolipidi.

Abbiamo però altri tipi di movimenti:

- flessioni delle catene

- rotazione del lipide

- diffusione del lipide nella membrana = il lipide non si trova infatti in un punto localizzato della membrana,

ma può diffondere lateralmente nello stesso foglietto in cui si trova. Infatti marcando un lipide posso

ritrovarlo in un punto diverso dopo un certo tempo.

I movimenti possono portare ai cosiddetti corrugamenti della membrana, ovvero la membrana non è liscia.

I movimenti sono visti fin ora sono tutti rapidissimi e molto

frequenti.

Un movimento che avviene con frequenza molto bassa (10-4/s) è

invece quello di flip flop: passaggio del lipide da foglietto interno

a esterno o viceversa.

Perché questo movimento avvenga spontaneamente devono infatti

passare ore (10000 secondi), è un movimento estremamente

improbabile e sfavorito, questo perché per fare questo passaggio

la testa polare deve attraversare la porzione idrofobica apolare del doppio strato.

Esistono quindi degli enzimi (= flippasi) che possono far fare questo movimento.

Il fatto che il flip flop sia così raro fa sì che la membrana abbia una composizione di lipidi diversa nei due

foglietti, i lipidi di membrana hanno cioè una distribuzione asimmetrica.

Normalmente nel foglietto esterno sono presenti: fosfatidilcolina, sfingomielina, mentre in quello interno

prevalgono la fosfatidilserina, la fosfatidiletanolammina e il fosfatidilinositolo.

Questa asimmetria permette di distinguere le cellule vive dalle cellule morte, infatti quando le cellule vanno

incontro a morte cellulare programmata (apoptosi), entrano in azione delle flippasi che portano la

fosfatidilserina dal foglietto interno sul foglietto esterno. In questo modo le cellule deputate all’eliminazione

delle cellule morte (macrofagi) sono in grado di riconoscerle e fagocitarle.

Un’altra caratteristica che i lipidi danno alla membrana è la fluidità, la quale dipende anche dal numero di

catene alifatiche insature. La fluidità dipende dal fatto che le molecole sono dotate di agitazione termica, poiché

questa contrasta la probabilità di formazione di legami idrofobici fra le catene. Infatti maggiore è l’agitazione

termica più difficile è la formazione di legami fra le catene alifatiche e quindi più fluida è la membrana.

Da questo si deduce che la fluidità della membrana dipende dalla temperatura, infatti con l’aumento della

temperatura aumenta l’agitazione e così anche la fluidità.

Al contrario se la temperatura diminuisce l’agitazione termia si riduce e la membrana è meno fluida.

L’agitazione termica è data da kT, in cui k=costante di Boltzmann.

La membrana non deve mai passare dallo stato sol (fluido) allo stato gel (solido), perché se la membrana si

solidifica perde le sue caratteristiche funzionali. La cellula con una membrana solida muore, quindi deve

restare fluida.

Per risolvere questo problema: negli animali che vivono in climi molto freddi le membrane possiedono un

numero di acidi grassi insaturi molto più alto rispetto alle membrane delle cellule degli animali che vivono in

climi caldi. In questo modo si evita il rischio di passaggio allo stato solido della membrana perché con molti

doppi legami le catene sono più distanziate e si evita, nonostante la poca agitazione termica, la formazione di

interazioni idrofobiche.

Anche il colesterolo controlla la fluidità della membrana, il quale ha un’azione duplice:

- diminuisce la fluidità della membrana alle alte temperature creando legami idrofobici con le catene

alifatiche

- aumenta la fluidità alle basse temperature allontanandole catene

PROTEINE DI MEMBRANA

Si dividono in 2 categorie: estrinseche (o periferiche) e intrinseche (o integrali).

Estrinseche o periferiche

Sono proteine che non attraversano la membrana cellulare, ma sono localizzate a contatto con le teste polari

sulla superficie dei foglietti. Possono essere localizzate sia sulla superficie extracellulare che su quella

intracellulare.

In genere sono collegate o ai fosfolipidi di membrana o ad altre proteine di membrana, ma ciò che le

caratterizza è la presenza di legami di natura elettrostatica non covalenti.

In alcuni casi posso essere ancorate ad un fosfolipide tramite una molecola, ad esempio il

glicofosfatidilnositolo, In questo caso sono ancorate tramite legame covalente, però non attraversano l

membrana

(in alcuni casi queste proteine si possono dire intrinseche, perché il termine estrinseche può essere associato a

proteine che per essere isolate dalla membrana non necessitano che il doppio strato fosfolipidico sia disgregato

→se sono legate da legame non covalente si separano facilmente, mentre se i legami sono covalenti devo

disgregare il doppio strato)

Intrinseche o integrali

Sono quelle che passano una o più volte attraverso il doppio strato fosfolipidico. Queste proteine nella porzione

transmembranaria hanno una struttura ad alfa elica che presenta amminoacidi idrofobici che prendono contatto

con le catene alifatiche.

Se queste proteine sono proteine canale, sono formate i genere da più segmenti transmembranali e nella

porzione che prende contatto con le catene alifatiche hanno amminoacidi idrofobici, mentre la porzione che

delimita il poro interno è formata amminoacidi basici o acidi a seconda del canale e degli ioni che devono

passarvi attraverso.

Altre proteine integrali sono i carrier e le pompe ioniche.

Le proteine, come i lipidi, si muovono nella membrana nel proprio strato (interno o esterno) e possono

diffondere lateralmente, ma non hanno la possibilità di fare il flip flop.

Dimostrazione del movimento delle proteine:

Esperimento FRAP= recupero della fluorescenza dopo il photobleaching (=sbiancamento)

In questo caso si utilizzano mioblasti che vengono trattati con una proteina fluorescente che è in grado di

legarsi alle glicoproteine di membrana. Quindi in questo modo tutte le glicoproteine di membrana vengono

marcate colorante fluorescente. Dato che queste proteine sono distribuite uniformemente, perché costituiscono

gli antigeni di superficie della membrana, allora la membrana risulta uniformemente fluorescente.

Dopo un certo tempo la membrana viene colpita in una zona limitata con laser, che elimina la fluorescenza,

cioè sbianca.

(verde =fluorescenza, bianco=zona colpita dal laser)

Ci sono adesso due possibilità:

- le proteine non si muovono nella membrana, quindi in questo caso la zona sbiancata rimane priva di

fluorescenza nel tempo

- le proteine possono diffondere lateralmente, quindi in questo caso quelle con la fluorescenza si possono

sostituire con quelle che sono state sbiancate, di conseguenza si osserva quindi un recupero della

fluorescenza.

Dall’esperimento si verifica che le proteine si muovono.

A questo punto si può quantificare quante proteine si muovono ed a che velocità. Per farlo si monitora

l’andamento della fluorescenza nel tempo, cioè prima dello sbiancamento e dopo guardo come cambia la

fluorescenza nel tempo dopo aver fatto lo sbiancamento.

Grafico.

La traccia blu rappresenta l’andamento della fluorescenza prima