Membrana celularaMembrana celulara si endomembranelePlasmalema (membrana citoplasmatica) este o structura esentiala pentru celula. Defineste “frontiera celulei” si asigura diferentele de compozitie intre compartimentul citosolic si spatiul extracelular.In mod analog, endomembranele delimiteza unele organite, si asigura diferentele de compozitie intre spatiul inchis de membrana si citosol. Toate citomembranele au o arhitectura comuna, bazata pe existenta unui bistrat lipidic, cu o grosime de circa 5 nm, care este “functionalizat” prin diferite alte tipuri de molecule: proteine, glicani, proteoglicani, etc.

Functiile membraneiO serie de caracteristici si roluri sunt similare pentru toate citomembranele: Asigura o compartimentare adecvata derularii simultane a unor procese biochimice, prin furnizarea unor conditii chimice/biochimice adecvate fiecarui procesGenereaza “suprafata specifica” marita pentru derularea unor procese biochimice (de exemplu, lantul respirator mitocondrial, sinteza lipidelor sau proteinelor de membrana)Asigura integrarea intre celula si mediul extracelular, respectiv intre compartimentele celulare delimitate de endomembrane si citosol

Organizarea membraneiLipide – bistrat lipidic = structura de baza a membranei

Proteine – integrale si periferice

Componenta glucidica – oligozaharide legate de lipide sau proteine, doar pe fata externa a membranei - glicocalix

Modelul mozaicului flui d Principalele clase de lipide de membrana

Fosfolipide (70-75%)Fosfatidil-colineFosfatidil-etanol-amineFosfatidil-serineSfingozineFosfatidilinozitol

Colesterol (20-25%)Glicolipide (1-10%)

Lipidele din compozitita membranei sunt molecule amfipatice (sau amfifile):Ele prezinta o portiune nepolara (hidrofoba) reprezentata de unul sau mai multe resturi “acil”, si o portiune polara (hidrofila), reprezentata de fosfatidil-derivatii cholinei, serinei, etanolaminei, etc.

In cadrul bistratului, grupele nepolare sunt distribuite la interior, iar cele hidrofile, catre exterior.Componentele bistratului lipidicAlcatuirea unui fosfolipid membranar: parte hidrofila, polara – acid fosforic + colina /etanolamina/serina/ inozitol etc;parte hidrofoba, nepolara – di-acil-glicerol

Componentele bistratului lipidicFosfolipidele: alte grupari polarecolinaColesterolul

Constituenta fundamentala a citomembranelor este reprezentata de bistratul lipidic – o zona centrala hidrofoba, intre 2 zone hidrofile. Moleculele de lipide sunt organizate ca un bistrat continuu, cu o grosime de circa 5 nm. Acest bistrat genereaza structura fluida de baza a membranei si formeaza o bariera relativ impermeabila pentru majoritatea moleculelor hidrosolubile. Lipidele de membrana sunt aranjate in bistratul lipidic intr-un “fluid bidimensional”.In cadrul acestui fluid bidimensional, moleculele pot sa efectueza miscari de rotatie si de translatie in planul (monostratul) de origine. Miscarile “flip-flop” – de transfer dintr-un monostrat in altul nu sunt in mod normal intalnite, exceptand membrana reticulului endoplasmic, unde exista translocatori de fosfolipide (implicati in biogeneza membranelor).Colesterolul este prezent intr-o proportie insemnata in membrane. Datorita celor 4 cicluri, are o portiune plana si relativ intinsa, care restrictioneaza deplasarea libera a celorlalte lipide – scade fluiditatea.

Lanturile hidrofobe se distribuie aproximativ paralel in filmul lipidic. Resturile acil pot fi reprezentate de acizi grasi saturati sau acizi grasi nesaturati.Gradul de nesaturare si proportia acizilor grasi nesaturati constituie un factor important in reglarea fluiditatii membranelor, impreuna cu colesterolul.Izomeria cis-trans a acizilor grasiIn organisme se intalnesc numai acizi grasi cu numar par de atomi de carbon – 14-28.Acizii grasi nesaturati prezinta una sau mai multe duble legaturi, care prezinta o rotatie limitata; in consecinta, pozitiile la dubla legatura pot sa fie “cis” (cei doi hidrogeni de aceeasi parte a dublei legaturi) sau “trans” (cei doi H de-o parte si de alta). In organismul uman si animal, se intalnesc numai AG nesaturati “cis”. Aceasta conformatie determina o “curbare” a moleculei si o extindere a volumului ocupat in filmul lipidic de o molecula lipidica.Acest lucru, alaturi de colesterol, contribuie la reglarea fluiditatii membranei.

Filmul de lipide din membrana prezinta o organizare speciala, ce poate alterna intre o stare fluida si una de gel (structura lichid-cristalina).O membrana are o “temperatura de topire” sau “temperatura de tranzitie” la care se face tranzitia de la o stare fluida la cea cristalina. Compozitia lipidica a celor doua monostraturi lipidice este diferita; de exemplu, aproape toate lipidele cu colina in capul polar (fosfatidilcolina, sfingomielina) se gasesc pe monostratul exterior, pe cand cele cu grupari amino primare (serina, etanolamina) sunt localizate pe fata citosolica. Aceasta genereaza si o asimetrie de sarcina intre cele doua fete (preponderent pozitiva pe fata externa, preponderent negativa pe cea citosolica) Asimetria compozitiei lipidice este foarte importanta din punct de vedere functional. Numeroase proteine citosolice se leaga la anumite capete de grupari lipidice de pe fata citosolica a bistratului. De exemplu, Proteinkinaza C necesita prezenta fosfatidil serinei, cu sarcina negativa pentru activitate. Fosfatidilinozitolul, prezent pe fata citosolica, este modificat de Fosfatidil-inozitol-kinaze, ajutand la recrutarea unor proteine de semnalizare.

De asemene, o serie de fosfolipide sunt clivate de fosfolipaze intracelulare, ca urmare a unor semnale extracelulare, eliberand mediatori de semnalizare intracelulari.

GlicolipideSe gasesc pe suprafata membranei plasmatice, exclusiv pe monostratul extern. Au o tendinta pronuntata de autoasociere, prin legaturi de hidrogen (intre lanturile glucidice) si prin legaturi van der Waals (intre protiunile de acizi grasi, mai ales nesaturate). Glicolipidele reprezinta aproximativ 5% din moleculele lipidice ale monostratului extern.Cele mai complexe glicolipidele sunt gangliozidele, continand oligozaharide cu unu sau mai multe resturi de acid sialic, ceea ce confera o sarcina neta negativa.Au fost identificate peste 40 de gangliozide.

Proteinele de membraneMembrana contine, alaturi de lipide, o componenta proteica bogata.

Proteine integrale

transmembranare (complet cufundate in bistrat)partial cufundate in bistrat – ex. caveolina

perifericeectoproteineendoproteine

Modul de orientare in raport cu membrana este unic pentru fiecare proteina (adica, intotdeauna un anumit domeniu se va gasi pe aceeasi fata a membranei. Practic, asimetria functionala si structurala a membranei este amplificata prin componentele proteice.

Proteine transmembranareContin ectodomeniu, domeniu transmembranar, endodomeniu

Domenii transmembranare (1-7 domenii TM); cel mai frecvent, domeniile transmembranare sunt constituite din aminoacizi hidrofobi, ceea ce asigura “insertia” in domeniul hidrofob al membranei, si stabilizarea prin legaturi van der Waals. Exista cazuri (canalele ionice) in care in compozitia TM se gasesc si domenii hidrofile. Ecto-, endodomeniu, prezente de-o parte si de alta a bistratului lipidic, domenii care sunt implicate in realizarea functiilor specifice (recunoastere intercelulara, integrare cu matricea extracelulara, semnalizare intercelulara, transport, etc)

Proteinele transmembranare traverseaza o data (single pass) sau de mai multe ori (multi-pass proteins) bistratul lipidic.

Proteinele perifericeNu sunt incorporate in filmul lipidic, ci se asociaza bistratului, atat pe fata citoplasmatica, cat si pe fata externa:

prin interactii ionice puternice cu proteinele transmebranare, prin acilare – care conduce la “ancorarea” la bistrat prin acizi grasi Prin asociere la alte structuri, cum ar fi polizaharidele (oligozaharidele) pe fata externa

Proteine de membrana- glicoproteineEctoproteinele /ectodomeniile proteinelor transmembranare sunt foarte frecvent modificate in cursul biosintezei, in special prin inserarea unora sau mai multor resturi glicozidice - glicoproteine. Aceste grupari glicozidice servesc la recunoasterea intercelulara, protejarea impotriva actiunii de degradare proteolitica si inactivarii.Glicolipidele si glicoproteinele formeaza glicocalixul, entitate cu functii specifice in recunoasterea si asocierea celulara, metabolism sau ca situsuri receptoare pentru molecule de semnalizare.

Plutele lipidice (Lipid rafts)In structura membranei plasmatice se disting unele microdomenii, bogate in sfingolipide si colesterol. Interactiunile mai puternice intre lanturile componente ale sfingozinelor face ca aceste microdomenii sa prezinte o fluiditate mai mica si sa se comporte ca un bloc mai stabil. De asemenea, asigura gruparea/organizarea anumitor tipuri de proteine de membrana in structuri de transport sau in structuri de semnalizarePlutele lipidice contin o varietate de proteine integrale si periferice implicate in semnalizarea celulara. Ele pot fi privite ca niste “platforme de semnalizare” plutind pe oceanul lipidic.

Lipid rafts (Plutele lipidice)SumarOrganizarea moleculara a membranei este descrisa de “modelul mozaicului fluid” Membranele biologice: sunt formate dintr-un bistrat lipidic, functionalizat cu proteine si componenta glucidica.Bistratul lipidic este format din molecule individuale, capabile de difuzie in planul monostratului.Exista trei clase majore de lipide: fosfolipide, colesterol si glicolipide.

SumarProteinele transmembranare traverseaza o data (single pass) sau de mai multe ori (multi-pass proteins) bistratul lipidic.Alaturi de proteinele integrale, se gasesc numeroase proteine periferice, sitate pe una sau alta din fetele membranei. Modul de “insertie” ori de “plasare” a proteinelor in raport cu bistratul lipidic este unic pentru fiecare caz in parte, astfel incat un anumit domeniu va fi situat de fiecare data pe aceeasi parte a membranei, iar in cazul proteinelor periferice, acestea vor fi situate intotdeuna de aceeasi parte a membranei. Componenta glucidica (glicolipide, glicoproteine si proteoglicani) formeaza glicocalixul Membrana plasmatica