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FISIOLOGIAI TRASPORTI ATTRAVERSO LAMEMBRANA PLASMATICALA MEMBRANA PLASMATICALa Đellula sĐaŵďia ŵateƌia ed eŶeƌgia ĐoŶ l’aŵďieŶte ĐiƌĐostaŶte: può esseƌe ƋuiŶdi ĐoŶsideƌata uŶ sisteŵa teƌŵodiŶaŵiĐo apeƌto deliŵitato da uŶa ďaƌƌieƌa Đostituita dalla ŵeŵďƌaŶa Đellulaƌe, o ŵeŵďƌaŶa plasŵatiĐa.FUN)IONI: ...

Description

FISIOLOGIA I TRASPORTI ATTRAVERSO LA MEMBRANA PLA PLASMATICA SMATICA LA MEMBRANA PLASMATICA La cellula scambia materia ed energia con l’ambiente circostante: può essere quindi considerata un sistema termodinamico aperto delimitato da una barriera costituita dalla membrana cellulare, o membrana plasmatica. FUNZIONI: - Ha un ruolo strutturale nel delimitare fisicamente la cellula. - Regola gli scambi di ioni e molecole organiche tra ambiente cellulare ed extracellulare. - Tramite recettori di membrana riceve segnali dall’ambiente esterno. - Permette l’interazione con altre cellule. La membrana plasmatica è un organello che racchiude la cellula e ne delimita i confini tra la parte extracellulare e la parte intracellulare chiamata CITOSOL. La membrana plasmatica crea, attraverso dei processi di trasporto, diversi ambienti tra la parte extracellulare e quella intracellulare e sono presenti dei trasduttori di segnali intercellulari che sono in grado di raggiungere precisi punti della cellula: queste sono le proteine ricettore. Esistono anche membrana diverse da quella plasmatica, le quali delimitano gli organelli della cellula. La composizione: la membrana plasmatica è formata da LIPIDI e da PROTEINE che svolgono ruoli comuni e diversi e danno un ruolo strutturale a questa membrana. I lipidi formano dei compartimenti funzionali, una barriera impermeabile e fungono da trasduttori dei segnali che arrivano; le proteine hanno invece un ruolo strutturale e catalitico, hanno una funzione di trasduzione dei segnali e di trasporto di molecole e di ioni. L'organizzazione: la membrana plasmatica è formata da un modello a MOSAICO FLUIDO (di Singer e Nicolson) che mostra la membrana con un doppio strato lipidico (con uno spessore di 5 nanometri), dove sono presenti proteine che attraversano la membrana ( → dette intrinseche) oppure proteine che sono state assorbite da altre proteine ( → estrinseche). La membrana plasmatica ha questa struttura fluida, costituita da lipidi, nella quale sono immerse le proteine. Essa non è rigida, ma è molto dinamica e fluida. Sia i lipidi che le proteine sono liberi di diffondersi, sono quindi dotati di movimento. La superficie della cellula non ha una composizione uniforme. Questa struttura è dimostrabile con degli esperimenti: si prendono due cellule (una di topo e una umana) in cui, sulla membrana, sono presenti specifiche proteine per l'una e l'altra cellula e le si fanno fondere tra di loro. Dopo poco tempo la membrana delle cellule non appare più segregata (non si ha più la membrana della cellula di topo e la membrana di quella umana), ma sarà distribuita uniformemente in tutta la nuova cellula. Questo dimostra, appunto, la fluidità e la dinamicità della membrana plasmatica.

Le proteine e i lipidi presenti in una cellula dipendono dalla cellula presa in considerazione; ad esempio: la mielina è composta dall' 80% di lipidi e dal 20% da proteine. La mielina è un organello del sistema nervoso, costituisce le membrane del sistema nervoso (cellule gliali) ed è in grado di avvolgere ripetutamente tratti degli assoni dei neuroni fino a 100 volte. E' presente dove c'è conduzione elettrica dei segnali molto rapida. Ha una componente lipidica così alta perchè deve fare da ISOLANTE, infatti l'assone deve essere elettricamente isolato per favorire la conduzione dell'impulso.

IL DOPPIO STRATO LIPIDICO Il doppio strato lipidico è organizzato in due foglietti costituiti da molecole anfipatiche, cioè con una testa idrofila/polare e una coda idrofoba/apolare; spontaneamente, in soluzione acquosa, si organizzano per formare il doppio strato lipidico in acqua e si possono creare: - MICELLE - LIPOSOMI - DOPPI STRATI Se è presente uno strato di olio e uno di acqua in un contenitore, il doppio strato lipidico si trasformerà in un monostrato dove avrà le code rivolte verso l'olio (idrofobe) e la testa rivolta verso l'acqua (idrofila). Quando si parla di liposoma si intende una vescicola fosfolipidica costituita da uno o più doppi strati di fosfolipidi, al cui interno è contenuto un nucleo di soluzione acquosa. Le strutture che non contengono al loro interno una soluzione acquosa e hanno i fosfolipidi con le loro code rivolte verso l'interno sono dette micelle. LE PROPRIETÀ DEL DOPPIO STRATO LIPIDICO: - AUTOSIGILLAMENTO: se il doppio strato viene danneggiato si risalda spontaneamente e si ha un riparo del danno. (Per studiare questo fenomeno vengono creati dei modelli sperimentali chiamati membrane nere che servono per studiare nel dettaglio le membrane e sono costruite in laboratorio). - FLUIDITA': il doppio strato è formato da membrane fluide e dinamiche; alcune sono meno fluide di altre per via della componente lipidica, infatti, il rapporto percentuale della presenza dei lipidi rende più o meno fluide le membrane. La temperatura può causare dei movimenti delle molecole che possono ruotare sul loro asse, flettere, diffondere lateralmente e traslocare da un monostrato all'altro. Questi sono movimenti casuali che vanno in tutte le direzioni. I movimenti che possono avvenire sono quelli di rotazione e di flessione, flip-flop, diffusione laterale e moto di agitazione termica. La composizione: il doppio strato lipidico può essere formato da: - I fosfolipidi sono costituiti da glicerolo con un gruppo fosfato e poi da due catene di acidi grassi, uno con un doppio legame. Questo doppio legame fa in modo che la coda si fletta e causi i movimenti della molecola, dando così fluidità alla membrana. Quando la membrana ha dei fosfolipidi meno impacchettati tra di loro, sarà più fluida e influirà sulla proprietà di trasporto delle sostanze. - I glicolipidi avranno la stessa struttura, ma saranno privi del gruppo fosfato. Come per esempio la fosfatidilserina che è l'unica con una carica negativa all'interno della membrana. Le varie molecole lipidiche non sono distribuite in modo lineare, ma ci sono delle regole ben precise come per esempio i glicolipidi si trovano nel foglietto esterno, mentre la serina è all'interno; si trova all'esterno solamente in casi particolari, cioè quando va incontro ad apoptosi cioè alla morte cellulare. - Gli sfingolipidi sono lipidi polari in cui lo scheletro molecolare è rappresentato dalla molecola di sfingolina; un esempio di sfingolipide è la sfingomielina. - Il colesterolo possiede un gruppo polare (testa) e un anello steroideo ( → rigido) e un'unica coda non polare. Con la presenza del colesterolo le membrane sono meno fluide.

LE ZATTERE LIPIDICHE Le zattere lipidiche sono delle zone specializzate costituite da particolari molecole come proteine e lipidi (accumuli di questi). Sono dinamiche e questi microdomini hanno delle funzioni specializzate a seconda della necessità funzionale della cellula. Proteine specifiche possono essere rapidamente reclutate, aggregate e allontanate. Queste regioni hanno uno spessore maggiore rispetto al resto della membrana perchè formate anche da sfingolipidi. PROTEINE Le caratteristiche funzionali di una membrana biologica sono determinate fondamentalmente dalle proteine che sono presenti in essa. Le proteine di membrana sono definite estrinseche e la loro rimozione non danneggia l’integrità della membrana. Le proteine definite integrali o intrinseche sono invece fortemente legate al doppio strato lipidico e possono essere rimosse solo distruggendo la struttura della membrana. Le proteine interagiscono con il doppio strato lipidico in vario modo: - proteine che attraversano la membrana una sola volta, - proteine che formano più eliche trans membrana connesse con anse idrofile, - proteine con filamenti beta trans membrana, - proteine associate alla membrana mediante un’elica parallela alla membrana, - proteine associate alla membrana con un’ancora idrofoba, - proteine globulari legate a una proteina trans membrana. Frequentemente le proteine di membrana sono organizzate in strutture oligomeriche che possono essere costituite da subunità uguali (omoligomeri) oppure da subunità diverse (eteroligomeri). Le proteine di membrana possono essere: - Proteine strutturali - Enzimi - Recettori - Canali e trasportatori

MECCANISMI CON CUI LE SOSTANZE VENGONO TRASPORTATE NEL DOPPIO STRATO LIPIDICO Le cellule compiono tre tipi di lavoro: - lavoro meccanico (per compiere movimenti), - lavoro chimico (per sintetizzare composti), - lavoro di trasporto (per muovere le molecole attraverso le membrane che delimitano i compartimenti cellulari). I movimenti di ioni e molecole attraverso le membrane sono chiamati trasporti, i quali, in base al tipo di energia che utilizzano, sono classificati in: trasporti passivi, trasporti attivi, trasporti attivi secondari. I trasporti passivi tendono a dissipare i gradienti chimici e/o elettrici già presenti e non richiedono energia proveniente dal metabolismo cellulare. I trasporti attivi utilizzano l’energia prodotta dalle cellule contro gradiente elettrochimico grazie all’energia fornita dall’idrolisi dell’ATP. I trasporti attivi secondari comportano il movimento accoppiato di due diverse specie molecolari: la prima si muove secondo gradiente elettrochimico, e così facendo spinge la seconda da un ambiente meno concentrato ad uno più concentrato, cioè contro il proprio gradiente chimico.

LA DIFFUSIONE SEMPLICE Il primo meccanismo per cui le sostanze vengono trasportate è la diffusione semplice. Ponendo in un contenitore un solvente e immergendo in esso un determinato soluto, questo si scioglie e con il trascorrere del tempo si distribuisce in maniera omogenea in tutto il solvente. Si raggiunge l'equilibrio quando la concentrazione è uniforme. Le singole molecole che si sciolgono hanno un movimento spontaneo e cambiano direzione nello spazio. Il moto browniano è il trasporto di una sostanza in base ai movimenti termici causali delle sue molecole o ioni. Quando è completamente diffusa la sostanza, le particelle continuano a muoversi, ma una spostandosi occupa il posto dell'altra che si è mossa. Si considera un contenitore diviso in due scompartimenti da una membrana semipermeabile, attraverso la quale passa solo soluto e non ha alcun tipo di carica.

In questi scompartimenti si avrà la presenza di un gradiente di concentrazione. Le particelle sono in movimento e possono attraversare la membrana nell'unità di tempo dallo scompartimento 1 al 2. Questo si definisce FLUSSO DI SOSTANZA, indicato con J e cioè la quantità di sostanza che si diffonde nell'unità di tempo (mol/s). Si avrà un flusso unidirezionale e il flusso J da 1 a 2 sarà maggiore rispetto a quello tra 2 e 1, perchè semplicemente ho più sostanza in 1 rispetto che in 2, quindi una concentrazione maggiore. La somma dei due flussi unidirezionali mi determina il FLUSSO NETTO. J = J(da 1 a 2) - J(da 2 a 1) Nel nostro caso è diverso da zero perchè c'è maggior concentrazione da una parte rispetto che dall'altra; l'effetto finale è quello di annullare il gradiente di concentrazione e di raggiungere l' equilibrio quando il flusso netto è nullo ( → quando la concentrazione nei due scompartimenti è uguale). J = J(da 1 a 2) - J(da 2 a 1) = 0

Da qui si ricava la prima legge della diffusione di Fick. J diff. = - A x D x Δc/Δx dove: A = area attraverso cui la sostanza si diffonde; D = coefficiente di diffusione (cm2/s) ; c = concentrazione; x = distanza di diffusione Il coefficiente di diffusione sia ricava da:

R x T D = ------------6πrη

( m2s-1)

dove: R = costante dei gas; T = temperatura assoluta; r = raggio della particella; η = viscosità del solvente (resistente dei fluidi allo scorrimento)

La diffusione semplice è un processo passivo, quindi : - non richiede energia per il trasporto, - avviene lungo il gradiente di concentrazione della molecola (dalla più concentrata alla meno concentrata), - è continua finchè il gradiente non si annulla. E' inoltre un processo rapido per brevi distanze, molto lento per lunghe distanze (→ il tempo di diffusione è inversamente proporzionale al quadrato della distanza da percorrere). La diffusione dipende da T (temperatura), inversamente al raggio della sostanza che diffonde e dalla viscosità del mezzo. Nel doppio strato lipidico dipende dalla solubilità della molecola in olio. Diffusione attraverso la membrana lipidica: dove K = coefficiente di ripartizione olio-acqua. Coefficiente di permeabilità:

J diff. = K x A x D x Δc/Δx

P = K x D/ Δx

( ms-1)

Le molecole idrofobiche diffondono attraverso le membrane per diffusione semplice, come per esempio l'ossigeno e l'anidride carbonica, senza l'utilizzo di particolari proteine di membrana. Oltre a ossigeno e anidride carbonica, sfruttano la diffusione semplice anche piccole molecole polari come l'acqua. Non si riescono a diffondere molecole di grandi dimensioni come il glucosio e gli ioni; gli ioni sono circondati da gusci d'acqua e non possono passare nella membrana plasmatica per diffusione. Utilizzano quindi altre vie.

LA DIFFUSIONE FACILITATA Le molecole di grandi dimensioni vengono trasportate all'interno o all'esterno della membrana attraverso delle PROTEINE DI MEMBRANA o PROTEINE DI TRASPORTO, le quali attraversano da parte a parte la membrana plasmatica e possono essere: - passive: utilizzano la diffusione semplice (gradienti elettrochimici). - attive: consumano ATP, quindi energia per un trasporto contro il gradiente di concentrazione. Questo tipo di diffusione viene definita diffusione facilitata. Le proteine di membrana specializzano la membrana e spesso sono legate a oligosaccaridi e si associano alla membrana in modi differenti e si dividono in: - proteine integrali (intrinseche) - proteine periferiche (estrinseche) - proteine ancorate a code lipidiche Le proteine di trasporto possono essere: - CARRIER o TRASPORTATORI - CANALI IONICI Queste sono in grado di modificare la loro conformazione e grazie a questi cambiamenti permettono il trasporto di sostanze attraverso la membrana. La proteina carrier trasporta ioni e altre molecole e legherà per esempio delle molecole di glucosio, cambia in seguito la sua forma esponendo in siti di legame all'interno o all'esterno della membrana. Non c'è un canale che mette in comunicazione diretta l'interno con l'esterno della membrana.

I canali ionici trasportano invece solo ioni e sono dei canali perchè hanno un foro dove passano solamente alcune specie ioniche. Anche loro cambiano la loro conformazione e avranno il poro chiuso o aperto. La funzione dei canali ionici è data da: energia chimica, fosforilazione, differenza di potenziale.

Il trasporto di sostanze in modo passivo ( → seguendo il gradiente di concentrazione e il gradiente elettrochimico) è caratteristico sia delle proteine carrier che dei canali ionici. Solamente le proteine carrier avranno un trasporto attivo cioè consumano dell'energia. La differenza, quindi tra trasporto attivo e quello passivo è che: il trasporto passivo segue il gradiente chimico ed elettrochimico, mentre il trasporto attivo trasporta soluti contro il gradiente di concentrazione. Il trasporto attivo inoltre si divide in: - primario, quando si consuma direttamente ATP, per esempio per mezzo della sua idrolisi ed è formato dalle pompe ioniche; secondario è quell'attività di trasporto indirettamente accompagnata ad una fonte di energia metabolica, per esempio il gradiente elettrochimico dei trasporti attivi primari. Le proteine carrier sono in grado di trasportare molecole diverse, anche contemporaneamente. Questo movimento avviene nella stessa direzione oppure in quella opposta. Sono dette uniporto se trasportano una sola molecola, cotrasportatori quando trasportano due o anche più molecole e si dividono in: - simporti quando vanno nella stessa direzione, - antiporti quando vanno in direzioni opposte. I carrier e i canali ionici hanno delle funzioni in comuni come: - SPECIFICITA' : infatti sono dei trasporti selettivi di ioni. - COMPETIZIONE : se una molecola è in grado di legare più sostanze, ce ne sarà una più veloce dell'altra per essere trasportata. Si guarda l'affinità del trasportatore. - SATURAZIONE : sono dei trasporti mediati da proteine che possono essere saturate a una data concentrazione della molecola. Si ha la velocità massima di trasporto degli ioni; nella diffusione semplice non c'è saturazione.

I TRASPORTI ATTIVI PRIMARI I trasporti attivi primari sono tutti ATPasi di trasporto, ossia sono delle pompe ioniche che utilizzano l'idrolisi dell'ATP per trasportare ioni o molecole contro il loro gradiente di concentrazione. Questo processo è realizzato da proteine trasportatrici complesse che fungono sia da trasportatori sia da enzimi. Come trasportatori, vengono spesso chiamate pompe proprio per la capacità di spingere le sostanze in salita; come enzimi sono chiamate ATPasi perché catalizzano l’idrolisi dell’ATP. Ne esistono di tre tipi: - DI TIPO P: che sono adibiti al trasporto di ioni e un'unica catena polipeptidica che ha una funzione idrolitica e trasportatrice. Sono presenti sulla membrana plasmatica e nel reticolo endoplasmatico. Sono chiamati P perchè usano il carbossile di un residuo aspartico per legare il gruppo fosforico, ovvero perché questi enzimi vengono fosforilati durante il loro ciclo di attività. - DI TIPO V e F: sono adibiti al trasporto di protoni e sono formati da più subunità proteiche e non trasferiscono su un proprio amminoacido un gruppo fosfato. Quelle di tipo V si trovano negli endosomi e lisosomi e favoriscono l'instaurazione di un ambiente acido; quelle di tipo F si trovano nei mitocondri dove utilizzano un flusso protonico secondo gradiente per produrre ATP. Alcuni esempi di ATPasi di trasporto sono: - la POMPA SODIO-POTASSIO: La pompa sodio-potassio della membrana plasmatica delle cellule animali è un ATPasi che trasporta attivamente ioni sodio fuori dalla cellula e ioni potassio verso l'interno. La pompa mantiene in tal modo un alto gradiente di ioni sodio attraverso la membrana, utilizzato per alimentare altri processi di trasporto attivo. - la POMPA DEL CALCIO: rimuove il calcio libero dall'ambiente citosolico verso l'esterno. Crea un gradiente di concentrazione per lo ione calcio, che sarà presente in maggior quantità nel liquido extracellulare. Sul reticolo endoplasmatico, lo ione calcio viene messo dal liquido intracellulare al reticolo endoplasmatico, mantenendo così la concentrazione del calcio basso perchè agisce come messaggero extracellulare. - POMPE PROTONICHE: le quali scambiano ioni potassio con ioni idrogeno; questo tipo di ATPasi sono

-

presi a livello della mucosa gastrica. VESCICOLE SECRETORIE.

Le pompe del calcio appartengono a due famiglie: - SERCA presenti sul reticolo endoplasmatico. - PMCA ( → plasma membrane calcium) presenti sulla membrana plasmatica. Grazie alle pompe, gli ioni sono concentrati diversamente; le concentrazioni degli ioni sono indicate in millimoli e lo ione calcio ha una concentrazione più bassa nel liquido extracellulare.

POMPA SODIO/POTASSIO La pompa sodio-potassio, detta anche pompa Na+/K+ ATP dipendente (Na+/K+ ATPasi), è un enzima che si trova nella membrana delle cellule. Questo tipo di pompa ionica è il più chiaro esempio di trasporto attivo primario di sostanze attraverso la membrana plasmatica. La pompa serve principalmente a livello fisiologico per controllare il volume cellulare, conferire alle cellule nervose e muscolari la proprietà di eccitabilità, ed è correlata al trasporto attivo di glucidi ed amminoacidi. Questa pompa si comporta da "antiporto", infatti, permette di trasportare contro gradiente di concentrazione tre ioni di Na+ verso l'ambiente extracellulare e due ioni di K+ verso l'ambiente intracellulare sfruttando l'energia derivante dall'idrolisi dell'adenosintrifosfato (ATP). All'inizio del processo di trasporto tre ioni di Na+ vanno a legarsi ai siti specifici ad alta affinità della proteina veicolo rivolti verso l'interno della cellula. Questo legame stimola la fosforilazione dipendente dall'ATP della pompa determinando un cambio conformazionale della proteina veicolo, la quale esporrà i siti di legame per gli ioni Na+ verso l'ambiente extracellulare, abbassando così la propria affinità per questi ioni cosicché essi vengano rilasciati al di fuori della cellula. Contemporaneamente alla fuoriuscita degli ioni Na+, ...