Universit dei Napoli Federico II Facolt di Medicina

Università dei Napoli “Federico II” Facoltà di Medicina Corso di Biologia Cellulare e Molecolare aa 2015 -2016 Le Membrane

Tutte le membrane biologiche sono costituite da un doppio strato lipidico al quale sono associate le proteine

Cell Membrane – Fluid Mosaic Model Outside Cell Glycoprotein Phospholipid Bilayer Carbohydrate Cholesterol Glycolipid Transmembrane proteins Peripheral protein Cytoplasm (inside cell)

La membrana plasmatica racchiude la cellula, ne definisce i confini, mantiene le differenze tra l’ambiente intracellulare e quello extracellulare Gradienti ionici, determinati da trasporti attivi primari, possono essere sfruttati da altre proteine per il movimento transmembrana di soluti selezionati, o per produrre e trasmettere segnali elettrici La membrana plasmatica contiene sensori proteici (recettori) che trasferiscono informazioni provenienti dall’esterno all’interno della cellula

La membrana plasmatica è una barriera selettiva Dogana Molecole nutritizie desiderabili Componenti intracellulari Molecole nutritizie Prodotti metabolici inutili Molecole indesiderabili, microorganismi ecc.

Funzioni della membrana plasmatica Ricevere informazione Import-export di molecole Capacità di movimento ed espansione

Le membrane biologiche: la componente lipidica Il doppio strato di fosfolipidi

POLAR Phosphatidyl: choline serine ethanolamine inositol Phosphate A Glycerol NONPOLAR Stearic acid (C 18 linear) Oleic acid (9 -10 cis) B Examining A and B

A Phosphatidylinositol, with inositol as polar head group, In addition to being a membrane lipid, has key roles in cell signaling.

Unsaturated fatty acids have one or more double bond between carbon atoms. The two carbon atoms in the chain that are bound next to either side of the double bond can occur in a cis or trans configuration. cis A cis configuration means that the two hydrogen atoms adjacent to the double bond stick out on the same side of the chain. The rigidity of the double bond freezes its conformation and, in the case of the cis isomer, causes the chain to bend and restricts the conformational freedom of the fatty acid. The more double bonds the chain has in the cis configuration, the less flexibility it has. When a chain has many cis bonds, it becomes quite curved in its most accessible conformations. For example, oleic acid, with one double bond, has a "kink" in it. KINK = curvatura o gomito

trans A trans configuration, by contrast, means that the adjacent two hydrogen atoms lie on opposite sides of the chain. As a result, they do not cause the chain to bend much, and their shape is similar to straight saturated fatty acids. Most fatty acids in the trans configuration (trans fats) are not found in nature and are the result of human processing (e. g. , hydrogenation).

The effect of this is that, in restricted environments, such as when fatty acids are part of a phospholipid in a lipid bilayer, cis bonds limit the ability of fatty acids to be closely packed, and therefore can affect the melting temperature of the membrane. The long hydrocarbon chains of the fatty acids therefore move freely in the interior of the membrane, so the membrane itself is soft and flexible. = FLUIDITY

Fluidità della membrana Perchè la membrana ha bisogno di essere fluida? • Permette una rapida diffusione laterale delle proteine di membrana nel bilayer e favorisce le interazioni (importante per la comunicazione cellulare) • Facilita la distribuzione dei lipidi e delle proteine di membrana dal sito di inserzione ad altre regioni della cellula • Permette alle membrane di fondere e mixare molecole

Melting Temperature The extent of fluidity can be determined by the membrane's melting temperature. As heat is increased, the membrane makes a sharp transition from a rigid state to a more fluid state. Membranes solidify if the temperature decreases to a critical point. Critical temperature is lower in membranes with a greater concentration of unsaturate dphospholipids.

§Membrane must be fluid to work properly. Solidification may result in permeability changes and enzyme deactivation. % unsaturated fatty acids in phospholipids keep membrane less viscous An example cold-adapted organisms, like winter wheat increase % in autumn Not only phospholipids cholesterol in membrane

I fosfolipidi si dispongono con : la testa polare rivolta verso l’esterno e le code non polari verso l’interno del doppio strato

Il colesterolo

Le membrane biologiche contengono colesterolo Colesterolo nel doppio strato lipidico; il colesterolo aiuta a rendere la membrana impermeabile alle piccole molecole solubili in acqua e mantiene la membrana flessibile in un ampio intervallo di temperature

§ Cholesterol found in plasma membranes of eukaryotes, modulates membrane fluidity by making the membrane: Ø Less fluid at warm temperatures (e. g. 37 C body temperature) by restraining the phospholipid movement. Ø More fluid at lower (cool) temperatures by preventing close packing of phospholipids. § Cells may alter membrane lipid concentration in response to changes in temperature ØMany cold tolerant plants (e. g. winter wheat) increase the unsaturated phospholipid concentration in autumn, which prevents the plasma membranes from solidifying in winter. Fig. 8. 4 c

Membrane cellulari: Fattori che determinano la fluidità del doppio strato Lunghezza delle catene aciliche Temperatura Maggiore lunghezza = minore fluidità Minore T = Minore fluidità Teste polari Interno idrofobico Colesterolo Magg. Colesterolo = Minore Fluidità Testa polare Regione Irrigidita dal colesterolo Regione Più fluida Teste polari Insaturazione degli acidi grassi Magg. insat = Magg. fluidità Oleato

How Cells Regulate Membrane Fluidity -Desaturate fatty acids -Produce more unsaturated fatty acids -Change tail length (the longer the tail, the less fluid the membrane)

…. ultima informazione sui fosfolipidi: si muovono!

Sebbene il flip-flop occorra spontaneamente molto raramente, è coinvolto nella sintesi dei lipidi con l’aiuto delle FLIPPASI

La distribuzione dei componenti della membrana è asimmetrica quindi le due facce della membrana non sono uguali, devono, infatti svolgere compiti diversi

is asymmetric; specific lipids populate each sheath of the lipid bilayer The outer leaflet consists predominantly of phosphatidylcholine sphingomyelin, and glycolipids, whereas the inner leaflet contains phosphatidylethanolamine, phosphatidylserine, and phosphatidylinositol. Cholesterol is distributed in both leaflets. The net negative charge of the head groups of phosphatidylserine and phosphatidylinositol is indicated. ,

Glycolipids are glycoconjugates of lipids that are generally found on the extracellular face of eukaryotic cellular membranes, and function to maintain stability of the membrane and to facilitate cell–cell interactions. Glycolipids can also act as receptors for viruses and other pathogens to enter cells. Gangliosides and cerebrosides that form glycosphingolipids (carbohydrate + sphingolipid) are two classes of glycolipids.

Ruolo dei glicolipidi Glicolipidi funzione di legame con la matrice extracellulare protezione della membrana da condizioni estreme: (basso p. H; enzimi degradativi) alterazione del campo elettrico e della concentrazione di ioni (calcio) Galattocerebroside Ganglioside GM 1 processi di riconoscimento cellulare: (ganglioside GM 1 agisce come recettore per la tossina colerica) Acido sialico (NANA) isolamento elettrico nella membrana mielinica

Le membrane cellulari hanno differente composizione Composizione chimica di alcune membrane (in % ) Membrana Proteine Lipidi Carboidrati Mielina 18 79 3 Eritrocita 49 43 8 Epatocita 44 52 4 Mitocondriale interna 76 24 0 Composizione lipidica di alcune membrane (in %) Membrana Colesterolo PC SM PE PI PS PG DPG Glicolipidi Mielina 22 11 6 14 0 7 0 0 12 Eritrocita 24 31 8, 5 15 2, 2 7 0 0 3 Epatocita 30 18 14 11 4 9 0 0 0 Mitocondriale interna 3 45 2, 5 24 6 1 2 18 0 E. coli 0 0 0 80 0 0 15 5 0 PC = fosfatidilcolina; SM = sfingomielina; PE = fosfatidiletanolammina; PI= fosfatidilinositolo; PS = fosfatidilserina; PG = fosfatidilglicerolo; DPG = difosfatidilglicerolo (cardiolipina)

Poiché le proteine svolgono innumerevoli funzioni hanno forme, strutture, molto diverse fra di loro.

More than lipids… The “sandwich” model. In 1935 Danielli and Davson roposed the first membrane model accepted by the majority of scientists. Proteins covering on both side phosholipids The fluid mosaic model. In 1972, S. J. Singer & G. Nicolson proposed that membrane proteins are inserted into the phospholipid bilayer

Why are proteins the perfect molecule to build structures in the cell membrane? 2007 -2008

Classes of amino acids nonpolar & hydrophobic

Classes of amino acids polar & hydrophilic

Come può un legame peptidico polare essere inserito nel core idrofobico di un bilayer fosfolipidico? estremità amino (N-) terminale estremità carbossi (C-) terminale

Classi di Proteine di Membrana periferiche ancorate superfice extracell. superfice citosolica integrali ancorate

Proteine di Membrana B A C D E

Associazione di proteine di membrana con un bilayer lipidico Periferche Integrali Transmembrana -elica foglietto- attaccate a proteine legate a lipidi SPAZIO EXTRACELLULARE Bilayer lipidico CITOSOL Legame covalente a molecola lipidica Legame debole, non-covalente, ad un’altra proteina di membrana

Le Membrane cellulari: La componente proteica proteine ancorate a lipidi e glicolipidi La coda GPI glicilfosfatidilinositolo esempio: thy-1, fosfatasi alcalina, trealasi.

Le Membrane cellulari: La componente proteica proteine ancorate a lipidi e glicolipidi proteine ancorate alla membrana tramite l’acido miristico, acido grasso saturo a 14 atomi di carbonio (legame ammidico al residuo di glicina presente sull’azoto terminale di queste proteine) proteine ancorate alla membrana tramite un residuo farnesilico legato con legame tioestere ad un residuo di cisteina

The extracellular surface is coated with carbohydrates Note that these are linked to both lipids and proteins. How did they get outside the cell?

Membrane carbohydrates • Play a key role in cell-cell recognition – ability of a cell to distinguish one cell from another • antigens – important in organ & tissue development – basis for rejection of foreign cells by immune system

Zone specializzate: Domini raft e caveole La membrana plasmatica I lipid raft, regioni in cui predominano glycosphingolipids and protein receptors organized in glycolipoprotein microdomains. Regione non specializzata These specialized membrane microdomains compartmentalize cellular processes by serving as organizing centers for the assembly of signaling molecules, influencing membrane fluidity and membrane protein trafficking, and regulating neurotransmission and receptor trafficking. Lipid rafts are more ordered and tightly packed than the surrounding bilayer, but float freely in the membrane bilayer. Although more common in plasma membrane, lipid rafts have also been reported in other parts of the cell, such as Golgi and lysosomes.

Zone specializzate: Domini raft e caveole La membrana plasmatica Caveole invaginazioni delle membrane plasmatiche caratterizzate dalla presenza di proteine denominate caveoline le caveoline interagiscono con molecole segnale e costituiscono l’impalcatura per organizzare i complessi della segnalazione come Ras, src, proteine G, PKC e Rho. A.

LE PROTEINE INCASTRATE NEL BILAYER POSSONO MUOVERSI SUL PIANO DELLA MEMBRANA Esperimento di Frye Edidin

Lipidi e proteine si muovono, ma Proteine e lipidi possono essere confinati in domini specifici… Membrana apicale Proteina apicale …una membrana non vale l’altra nemmeno nella stessa cellula. La polarità. Proteina basolaterale Membrana basolaterale