I fosfolipidi formano doppi strati disponendo le teste polari a contatto con l’acqua e le code idrofobiche all’interno

Membrane biologiche (1)

1

Il doppio stato si comporta come un fluido più o meno disordinato (“mare agitato”).

La fluidità dipende dalla temperatura e dalla percentuale di lipidi insaturi.

Negli organismi che vivono in ambienti freddi le membrane hanno molti acidi grassi insaturi.

I batteri si adattano molto velocemente alla temperatura variando la sintesi degli acidi

grassi insaturi rispetto a quelli saturi.

Nella membrana dei batteri non c’è il colesterolo

2

Membrane biologiche (2)

La diffusione trasversale è rara ma essenziale per trasferire un

fosfolipide di membrana, sintetizzato sempre all’interno

della membrana, sulla superficie esterna

Il colesterolo rende il doppio strato meno flessibile e permeabile alle alte temperature. A basse temperature ha effetto opposto

Membrane biologiche (3)

Le molecole di colesterolo si orientano con i gruppi idrossili

vicini alle teste polari dei fosfolipidi. Il loro anello

steroide rigido interagisce con le teste immobilizzandole

parzialmente3

4

Membrane biologiche (4)

La fluidità della membrana è alla base delle sue principali proprietà

strutturali e funzionali

Proteine di membrana (1)

5

6

Proteine di membrana (2)

Le proteine integrali sono

unite alle membrane da

interazioni idrofobiche con i lipidi

(Es: glicoforina eritrocitaria)

polisaccaridiresidui

amminoacidici polari

residui amminoacidici

apolari

residui amminoacidici

polari

7

Proteine di membrana (2)

ancora lipidica

Varie tipologie di proteine integrali di membrana

8

Proteine di membrana (3)

Certe proteine integrali di membrana mediano le interazioni cellula-cellula

Spesso le proteine integrali di membrana per evitare una eccessiva mobilità si ancorano a delle strutture interne del citoscheletro

Es: Membrana eritrocitaria L’alta espressione di spettrina presente negli eritrociti dei

cammellicammelli conferisce resistenza alla lisi (shock osmotico)

in seguito a un abbondante e breve

abbeveraggio di acqua

9

Proteine di membrana (4)

Una membrana di fosfolipidi è impermeabile a tutte le molecole polari indipendentemente dalla loro grandezza quindi sali, zuccheri, ATP, acidi organici non possono attraversarla in assenza di specifici trasportatori

Trasporto di membrana (1)

I sistemi di trasporto si dividono in tre tipologie (questa classificazione prescinde dalla eventuale richiesta di energia)

10

Trasporto di membrana (2)

11

Diffusione semplice

Processo guidato da un aumento di entropia del sistema

12

Diffusione facilitata (1)

Trasporto passivo senza trasportatore

Trasporto passivo con trasportatore

G‡=Gdeidratazione+ Glegame

13

Diffusione facilitata (2)

E + S ⇌ ES⇌EP⇌ E + P

]S[+K]S[V

=vm

•maxo [ ] maxmax

m

o V1

+S1

•VK

=v1

]S[+K]S[V

=vet

e•max

o [ ] maxemax

t

o V1

+S1

•VK

=v1

T + Se⇌TSe⇌TSi ⇌T + Si

Cinetica enzimatica

Trasporto facilitato

14

Analogia con la cinetica enzimatica

Diffusione facilitata (3)

Es: glucosio permeasi eritrocitariaCaratteristiche•Alta velocità di diffusione

(ingresso facilitato di circa 50.000 volte) •Saturabilità•Specificità

•D-glucosio (Kt=1,5 mM)•D-mannosio (Kt=20 mM)•D-galattosio (Kt=20 mM)•L-glucosio (Kt=3000 mM)

Trasporto passivo uniporto

[G]interno< 5mM

[G]esterno= 5mM

15

Diffusione facilitata (4)

Cotrasporto bidirezionale

facilitato di circa 1.000.000 volte

Trasporto passivo antiporto

Es: scambiatore cloruro-bicarbonato eritrocitario

16

Trasporto attivo (1)

17

18

Trasporto attivo (2)

Il trasporto attivo sposta il soluto contro un gradiente di concentrazione

t=0 (C1≥C2)

○○○○ ○○

○○

○○ ○○

C1 C2

○

t=0 (C1<C2)

○○○

○

○○

○○○ ○○

C1 C2

[C1]GGtt== GGtt

oo ++ RT·lnRT·lnGGtt== GGttoo ++ RT·lnRT·ln[C2]

G

GGttoo=0=0

GG== RT·lnRT·lnGG== RT·lnRT·ln[C2]

[C1]

Se il soluto possiede una carica ⊕ o ⊖ (processo elettrogenico):

GGtt == RT·ln + ZRT·ln + ZFFGGtt == RT·ln + ZRT·ln + ZFF[C2]

[C1]Potenziale

elettrochimicoPotenziale

chimicoPotenzialeelettrico

Il trasporto contro gradiente può avvenire se lo accoppiamo con un

processo esoergonico

(es: ATP → ADP + Pi)

Trasporto attivo primario (1)

19

(tipo P)

Es: Pompa Na+K+ ATPasi

Il mantenimento della pompa attiva in condizioni di riposo,

richiede il 25% di ATP prodotto.Contribuisce al mantenimento

di [Na+] e [K+] intracellulare e alla generazione del potenziale

elettrico di membrana (essenziale per la trasmissione dei segnali

neuronali. Il gradiente di Na+ viene usato per

cotrasportare diversi soluti (trasporto attivo secondario)

Trasporto attivo primario (2)

Inibitori: Uabaina (estratto da un seme

di un arbusto africano)Digitossigenina (simile

all’uabaina ma estratta dalla digitale)

Vanadato (analogo del Pi)

20

Il processo è elettrogenico

○○○○

○

○○

○○○ ○○

⊖ ⊕

F=mV

Ione trasportato

Tipo di

membranaOrganismo o tessuto

Funzione dell’ATPasi

ATPasi di tipo P (fosforilazione aspatato, P= fosforo)

Na+ e K+ Plasmatica Eucarioti Mantiene basso il Na+ e alto il K+ all’interno della cellula e crea un potenziale elettrico

H+ e K+ Plasmatica Stomaco Acidifica il contenuto dello stomaco

Ca2+ Reticolo sarcoplasmatico

Muscolo Mantiene basso il Ca2+ nel citosol

ATPasi di tipo V (Vescicola o Vacuolo)

H+ Vescicole secretorie, lisosomi

Animali Mantiene basso il pH nell’organulo attivando proteasi e altri enzimi idrolitici

ATPasi di tipo F (Fattore)

H+ Mitocondriale interna (MMI)

Eucarioti Genera un gradiente di H+ che attiva la sintesi di ATP

H+ Plasmatica Procarioti Genera un gradiente di H+ che attiva la sintesi di ATP

Principali tipi di ATPasi di trasporto

21

22

Trasporto attivo secondario (1)

Il gradiente ionico di Na+ o H+, formato dal trasporto primario, è sfruttato come energia trainante per il

cotrasporto di altri soluti (ioni, zuccheri, amminoacidi)

(ioni, zuccheri, amminoacidi)

(Na+, H+)

Organismo o tessuto Soluto trasportato(simporto o antiporto)

Soluto cotrasportatore

E.coli (es1) Lattosio (simporto) H+

Intestino,rene (es2) Glucosio (simporto) Na+

Cellule di vertebrati (es3) Ca2+ (antiporto) Na+

Trasporto attivo secondario (2)

23

Es 1: lattosio permeasi nell’e.coli (simporto)

Trasporto attivo secondario (3)

24

Es 2: glucosio permeasi nelle cellule intestinali e renali (simporto)

25

Trasporto attivo secondario (2)

Na+

2K+

Ca2+

3Na+

[Ca2+]=10-7[Ca2+]=10-7

Trasporto attivo

primario

Trasporto attivo

secondario[Ca2+]=10-3[Ca2+]=10-3

Es 3: trasporto del calcio all’esterno della membrana (antiporto)

Oltre al sistema attivo secondario, esiste un sistema attivo primario (CaCa2+2+-ATPasi-ATPasi)

dove il Ca2+ viene: pompato fuori o dentro le membrane:

all’esterno delle membrane cellulari all’esterno degli organuli intracellulari

(reticolo endoplasmatico,mitocondri) all’interno del reticolo sarcoplasmatico

La variazione di [Ca2+] intracellulare è fondamentale per molte funzionalità, per questo

è mantenuta molto bassa. Oltre ai sistemi di trasposto esistono dentro la cellula varie

molecole che legano il Ca 2+ (es: calmodulina)

26

Agenti disaccoppianti

I prodotti naturali o sintetici che alterano il gradiente ionico che si forma attraverso le membrane biologiche sono definiti agenti disaccoppianti perché

la loro presenza annulla o riduce il trasporto attivo o la conservazione dell’energia

Possono essere usati come: veleni agenti dimagranti (es: 2,4 dinitrofenolo) termoregolatori (es: termogenina) antibiotici (es: valinomicina, monensina)

La valinomicina, un piccolo peptide idrofobico ciclico, neutralizza la carica dello ione K+ circondandolo con 6 ossigeni carbonilici e lo “traghetta” attraverso la membrana annullando il gradiente ionico. Un analoga azione la esercita la monensina nei confronti di Na+ (agenti disaccoppianti ionofori)

Acquaporine

Canali ionici selettivicontrollati dal voltaggio

controllati da ligandi

Canali ionici

27

Proteine integrali con più (6 o 8) segmenti transmembrana elicoidali

Nel caso della AQP-1 presente nei tubuli renali l’unità funzionale è costituita da un tetramero che si associa faccia a faccia, con i loro 24 segmenti transmembrana, a formare un canale centrale tappezzato da catene laterali idrofiliche.

Acquaporine

H2O

Canali transmembrana che permettono il passaggio più rapido dell’acqua

Tipo Funzione e localizzazione

AQP-1 Riassorbimento dei fluidi nel rene; secrezione di umor acqueo occhi, e fluido cerebrospinale nel SNC, omeostasi acqua nei polmoni,

AQP-5 Secrezione di fluidi nelle ghiandole salivari, lacrimali e epitelio polmonare

TIP Regolazione della pressione di turgore nel tonoplasto delle piante

28

29

Canali ionici selettivi

Determinano la permeabilità della membrana a ioni specifici e, insieme alle pompe ioniche, regolano la concentrazione citosolica degli ioni e il potenziale

di membrana (potenziale di azione a livello dei neuroni). Nei miociti l’apertura dei canali per il Ca2+ nel reticolo sarcoplasmatico

permette la contrazione muscolare.

Si distinguono dai trasportatori di ioni per tre caratteristiche:

alta velocità di flusso (>107 ioni/sec) non saturabilità soggetti a regolazione

voltaggio ligandi

Canali ionici selettivi controllati dal voltaggio (1)

30

Es: Canale per Na+ voltaggio-dipendente nei neuroni

Singolo polipeptide organizzato in quattro domini raggruppati attorno ad un canale centrale

per il passaggio di Na+ attraverso la membrana.

L’elica 4 di ogni dominio, con alta densità di residui carichi ⊕, in seguito del cambiamento del

voltaggio di transmembrana (-60mV→+30mV) si muove e causa l’apertura del canale.

Canali ionici selettivi controllati dal ligando (1)

31

Es: recettore nicotinico dell’acetilcolinaHa la funzione di trasmettere l’impulso elettrico da un neurone motorio al miocita provocando la contrazione. L’acetilcolina rilasciata dal neurone si lega al recettore del miocita provocando una variazione conformazionale nel recettore che produce l’apertura del canale ionico.L’afflusso di cariche all’interno del miocita depolarizza la membrana plasmatica innescando la contrazione. Il processo termina dopo qualche secondo per azione dell’acetilcolinesterasi che

idrolizza l’acetilcolina

Canali ionici selettivi controllati dal ligando (2)

32

Dettagli del recettore nicotinico dell’acetilcolina

33

Es: trasmissione neuronale tramite l’acetilcolinaInizialmente il neurone presinaptico è polarizzato per azione della pompa Na+K+ATPasi.lo stimolo che raggiunge questo neurone genera un potenziale d’azione che causa depolarizzazione della membrana presinaptica e apertura di canali Ca2+ dipendenti dal voltaggio,.alla estremità dell’assoneQuesto, a seguito del fortissimo gradiente chimico esistente

(2 mM all’esterno e 10-7M all’interno), genera un rapido influsso di ioni Ca2+ all’interno del terminale pre-sinaptico.L’aumento del calcio innesca esocitosi delle vescicole contenenti il neurotrasmettitore acetilcolinaLe molecole di acetilcolina ,diffondono nello spazio sinaptico, si legano a specifici recettori della membrana postsinaptica, e causano l’apertura del canale ionico controllato dal ligando che rilascia ioni nell’assone successivoIl flusso di ioni genera un potenziale di azione che depolarizza la membrana nel secondo assone provocando una sequenza di eventi come nel precedente assone.

Nel caso della giunzione neuromuscolare il potenziale d’azione porta alla contrazione della fibra muscolare.

Azione combinata dei canali ionici selettivi

Inibitori dei canali per Na+ controllati dal voltaggio: •tetrodossina: Sphaeroides rubripes (Fugu o pesce palla)•sassitossina: Gonyaulax (dinoflagellato marino)

I molluschi, specialmente vongole e cozze si cibano di questi dinoflagellati e possono essere molto tossici (paralisi respiratoria)

34

Inibitori dei canali ionici

Inibitori dei canali per K+ controllati dal voltaggio: dendrotossina (serpente mamba)

Inibitori del recettore dell’acetilcolina: tubocuranina (curaro)

E

O CH3

CH2-OH + F-P-O--CH

O CH3

H3C-CH-CH3

E

O CH3

CH2-OH-O-P-O--CH + HF

O CH3

H3C-CH-CH3

..Acetilcolinesterasi(degrada l’acetilcolina)

Inibitori dell’acetilcolinesterasi: diisopropilfluorofosfato (“Inibitore suicida”)