MECCANISMI DI TRASPORTO

ATTRAVERSO LA MEMBRANA

ricevere informazione

importare ed esportare molecole

capacità di movimento ed espansione

1)

2)

3)

FUNZIONI DELLA MEMBRANA PLASMATICA

FUNZIONI DELLA MEMBRANA PLASMATICA

• Regola il trasporto dei nutrienti all’interno della cellula

• Regola il trasporto dei prodotti di degradazione verso l’esterno

• Mantiene “adeguate” condizioni chimiche nella cellula

• Fornisce un sito per le reazioni che avvengono raramente in ambiente acquoso

• Contribuisce alla trasduzione del segnale

• Interagisce con altre cellule e con la matrice extracellulare

LIPIDI:

- ruolo strutturale

PROTEINE:

- ruolo funzionaletesta idrofilica

coda idrofobica

In acqua le interazioni delle code idrofobiche e delle teste idrofiliche generano un doppio strato fosfolipidico. Le teste sono dirette verso l’esterno, dove interagiscono con l’acqua che le circonda. Le code sono rivolte verso l’interno.

MODELLO A MOSAICO FLUIDO :

proteine e lipidi variano la loro disposizione spaziale in continuazione.

Le proteine sono sospese singolarmente in un doppio strato fluido.

Non tutte le proteine sono capaci di diffondere liberamente attraverso la membrana.

RUOLI SPECIALIZZATI

Quasi tutte le membrane cellulari sono rinforzate e sostenute da un’impalcatura proteica, fissata per mezzo di proteine transmembrana che si organizzano in una trama di proteine fibrose (lo strato corticale o CORTEX) aderente alla faccia citosolica. Il cortex determina la forma cellulare e le proprietà meccaniche della membrana plasmatica.

In alcuni casi , la mobilità delle proteine è limitata dalla loro associazione con il citoscheletro (es. banda 3 neinglobuli rossi).

LIPIDI DI MEMBRANA1) FOSFOGLICERIDI (FOSFOLIPIDI: molecole anfipatiche, rappresentano i principali lipidi delle membrane biologiche)

- colina- glicerolo- etanolammina- inositolo- serina- treonina

fosfato

glicerolo

aci

do

gra

sso acido

grasso

-FUNZIONALI: es. fosfatidil-inositolo

-SRUTTURALI: es. fosfatidil etanolammina

INOSITOLO-3P + DIACIL GLICEROLO

Fosfolipasi C

2) GLICOLIPIDI DI MEMBRANA

glicerolo

aci

do

gra

sso acido

grasso

glu

gal

gal

batteri e piante: glicolipidi basati sul diacil glicerolo

animali:SFINGOLIPIDI, costituiti da un alcool a lunga catena denominato SFINGOSINA

aci

do

gra

sso

serina

SFINGOSINA

fosfato

serina

colina

SFINGOMIELINA

serina

glu

GLICOSFINGOLIPIDI

- particolarmente abbondanti nel sistema nervoso centrale nelle membrane dei neuroni- fanno legami fortissimi altamente ramificati tra loro, quindi servono a stabilizzare la struttura delle membrane- difetti nel loro metabolismo sono causa di malattia genetica con paralisi e ritardo mentale

aci

do

gra

sso

aci

do

gra

sso

3)STEROLI

Il COLESTEROLO serve a mantenere fluide le membrane (anche a basse T):

- impedisce il “congelamento” delle membrane;- aumenta la flessibilità e la stabilità meccanica

La struttura e la funzione di tutte le membrane cellulari dipende fondamentalmente dai fosfolipidi e da derivati degli steroidi. Le specifiche funzioni di ciascuna membrana dipendono dal tipo di proteine presenti su quella specifica membrana.

LE PROTEINE DI MEMBRANA

1) PROTEINE PERIFERICHE:

proteine che si staccano dalla membrana in seguito a trattamento con reagenti polari che non distruggono il doppio strato fosfolipidico.Sono associate alla membrana tramite interazioni non covalenti PROTEINA-PROTEINA.

2) PROTEINE INTEGRALI:

proteine che possono essere rilasciate dalla membrana solo in seguito a trattamenti che distruggono il doppio strato fosfolipidico.

-TRANSMEMBRANA-ASSOCIATE ALLA MEMBRANA-LEGATE AI LIPIDI

Le proteine di membrana, come quelle citoplasmatiche, contengono circa il 50% di amminoacidi idrofobici.

Gli amminoacidi idrofobici nelle proteine di membrana sono organizzati in DOMINI TRANSMEMBRANA

dominio transmembrana idrofobico

NH2 COOH

20-25 aa.

Struttura ad -elica

NH2COOH

Pochi foglietti attraversano le membrane

domini transmembrana

Le porzioni extracellulari delle proteine della membrana plasmatica sono generalmente glicosilate.

-GLICOPROTEINE: legano brevi catene di zuccheri. Sono abbondanti nella membrana plasmatica, scarse nelle membrane interne (di solito si trovano nel lume di RE e Golgi) Glucide legato a NH2 di ASN legame N-GLICOSIDICOGlucide legato a OH di SER/THR legame N-GLICOSIDICO

-PROTEOGLICANI: legano una o più catene saccaridiche lunghe.

Tutti i carboidrati delle glicoproteine si trovano nello stesso lato della membrana, quello non citosolico, e contribuiscono a formare un involucro glucidico detto GLICOCALICE.

-stabilità alle membrane-inibizione delle proteasi extracellulari-conformazione 3D delle membrane-siti di riconoscimento

glicoproteina di membrana

reticolo endoplasmico ruvido (RER)

vescicole di transizione

complesso di Golgi

vescicole secretorie

membrana plasmatica

rivestimento glucidico

I glucidi sulle proteine possono legarsi in maniera lineare o ramificata: le strutture dell’asse centrale dei gruppi glucidici vengono aggiunti nel RE, le ramificazioni nel Golgi.

polipeptide

gruppo glucidico

MECCANISMI DI TRASPORTOLe membrane cellulari regolano il passaggio di tutte le sostanze in transito fuori e dentro la cellula e all’interno dei diversi compartimenti intracellulari.

La membrana plasmatica è una barriera selettiva

DIFFUSIONE SEMPLICE

DIFFUSIONE FACILITATA oTRASPORTO PASSIVO

TRASPORTO ATTIVOCONTRO GRADIENTE(consumo di energia)

X GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE

(non richiede energia)

Avvengono su tutte le membrane cellulari: plasmatiche, mitocondriali, nucleari, Golgi, RE

DIFFUSIONE SEMPLICE: -non selettiva-non saturabile-porta all’equilibrio-passano molecole che si possono dissolvere in membrana

100 molecole

10 molecole

55 molecole

55 molecole

EQUILIBRIO

-gas (CO2 e O2)-molecole idrofobiche (benzene)-piccole molecole polari prive di carica (H2O e etanolo)

DIFFUSIONE FACILITATA o TRASPORTO PASSIVO

come la DIFFUSIONE SEMPLICE + CARRIER

Le molecole trasportate non si sciolgono nel doppio strato fosfolipidico. Il loro passaggio è mediato da proteine che gli consentono di attraversare la membrana senza interagire con l’interno idrofobico.

Molecole polari e con carica (carboidrati, nucleosidi, amminoacidi e ioni)

I CARRIERS sono proteine integrali di membrana- saturabili- specifiche

1) PROTEINE TRASPORTATRICI(zuccheri, aa e nucleosidi)

2) PROTEINE CANALE (ioni e piccole molecole)

TIPI PRINCIPALI DI PROTEINE DI TRASPORTO

CANALI: trasportano H2O e specifici tipi di ioni secondo gradiente di concentrazione. Le proteine che li compongono formano dei canali che attraversano la membrana. Sono di solito regolati da stimoli specifici.

TRASPORTATORI: legano ioni o molecole specifiche. Il legame con la molecola trasportata provoca un cambiamento conformazionale e quindi il passaggio.- Uniporto - Simporto - Antiporto

POMPE: usano l’energia da idrolisi dell’ATP per spostare ioni contro gradiente di concentrazione

1) PROTEINE TRASPORTATRICI: es. trasp del GLUCOSIO (uniporto GLUT1)

Il trasporto avviene secondo gradiente:- nella maggior parte delle cellule il glucosio viene trasportato dentro la cellula- nelle cellule epatiche il glucosio viene esportatoUna volta entrato nella cellula il Glu viene fosforilato e non è più in grado di attraversare la membrana.

L’uniporto accelera una reazione comunque termodinamicamente favorita (meccanismo simile a quello degli enzimi)

Tre principali caratteristiche distinguono l’uniporto dalla diffusione passiva:

•la velocità della diffusione facilitata è molto maggiore di quella della diffusione passiva

•il trasporto è specifico

•il trasporto avviene attraverso un numero limitato di “porte”

2) CANALI IONICI:

-estrema rapidità (>106ioni/s)-selettività-azione regolabile (apertura e chiusura mediate)

3 TIPI DI CANALE AD ACCESSO CONTROLLATO:

canale a CONTROLLO DI POTENZIALE (variazioni di voltaggio di membrana)

canale a CONTROLLO DI LIGANDO (es. ormoni, neurotrasmettitori)

canale a CONTROLLO MECCANICO (stimolazioni meccaniche)

CANALE A CONTROLLO DI POTENZIALE

(voltaggio dipendenti)

I canali di K+, Na+ e Ca2+ appartengono ad una famiglia di proteine correlate. Il canale del K+ è formato dall’associazione di quattro subunità identiche. Il canale del Na+ consta di una singola catena polipeptidica contenente quattro domini ripetuti, ognuno dei quali è simile ad una subunità del canale del K+. Ogni subunità o dominio contiene 6 -eliche che attraversano la membrana. L’-elica 4 contiene molti aa carichi + e agisce come sensore di voltaggio che media l’apertura del canale in risposta a variazioni del potenziale di membrana.

CANALE A CONTROLLO DI LIGANDO

Es. recettore nicotinico dell’acetilcolina muscolare: proteina transmembrana costituita da 5 subunità(2, 1, 1 e 1 ). In seguito al legame di due molecole di aceticolina alle subunità si ha una modificazione conformazionale con conseguente apertura del canale.

SPAZIO EXTRACELLULARE ESTERNO

CITOSOL INTERNO

[Na+] ELEVATO

[K+] ELEVATO

Il flusso degli ioni attraverso i canali di membrana dipende dallo stabilirsi di un gradiente ionico attraverso la membrana plasmatica. Tutte le cellule possiedono una pompa ionica che usa l’E dell’ATP per trasportare attivamente gli ioni attraverso la membrana plasmatica. Come conseguenza, la composizione ionica del citoplasma è sostanzialmente diversa da quella dei fluidi extracellulari.

Poiché gli ioni sono carichi elettricamente, il loro trasporto risulta nello stabilirsi di un gradiente elettrico attraverso la membrana plasmatica: il POTENZIALE DI MEMBRANA

La membrana plasmatica contiene:

SPAZIO EXTRACELLULARE ESTERNO

CITOSOL INTERNO

+ + + + + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - - - - -

K+

K+

K+

K+

K+

K+

EFFETTO CONCENTRAZIONEK+

EFFETTO CARICA

EQUILIBRIO: –60mV(potenziale a riposo)

K+ tende ad uscire per GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE

eccesso di carica all’esterno

K+ tende a rientrare per GRADIENTE ELETTROCHIMICO

- pompa che trasporta K+ nel citosol (Na+/K+ ATPasi)

- canali a perdita di K+ (leak channels)

Le cellule nervose e muscolari sono eccitabili, cioè il loro potenziale di membrana può variare in risposta a diversi stimoli

TRASMISSIONE DI UN SEGNALE

Questà propietà è dovuta alla presenza, nella membrana plasmatica, di canali del Na+ e del K+ a controllo di potenziale. Quando questi canali si aprono, gli ioni si muovono secondo il loro gradiente di concentrazione, portando ad un’alterazione del potenziale a riposo che assume un andamento caratteristico definito POTENZIALE D’AZIONE.

2 tipi di canali K+

sempre aperti

voltaggio dipendenti

canali voltaggio dipendenti per il Na+

mantengono potenziale a –60mV

apertura dopo depolarizzazione

POTENZIALE D’AZIONE

viene scatenato da uno stimolo che depolarizza la membrana plasmatica di un valore sufficiente a superare il livello soglia di apertura dei canali voltaggio-dipendenti per il Na+

+ + + + +

+ + + + + + + +

+ +

+ + + + +

- - - - - - - - - -

- - - - - - - - - -

segmento attivato

direzione di propagazione

assone

La regione negativa alla superficie della membrana attira gli ioni positivi dalle regioni adiacenti a riposo, che hanno carica positiva.

Allo stesso modo, gli ioni positivi all’interno della membrana in corrispondenza della regione attivata scorrono sotto la membranain direzione delle regioni a riposo a carica negativa dell’assone. L’effetto netto di questi flussi riduce la differenza di potenziale attraverso la membrana nelle regioni adiacenti, facendo sì che queste regioni superino la soglia di generazione di un potenziale

L’arrivo di un impulso nervoso alla fine di un neurone provoca la fusione di vescicole sinaptiche con la membrana plasmatica, consentendo il rilascio di neurotrasmettitore dalla cellula presinaptica nello spazio sinaptico. Il neurotrasmettitore si lega al recettore a controllo di ligando sulla membrana plasmatica della cellula bersaglio.

TRASPORTO ATTIVOPompe ATPasiche

Contro gradiente di concentrazioneRichiede ENERGIA normalmente ATP

Le proteine del trasporto attivo sono:-saturabili-specifiche

trasporto attivo DIPENDENZA DIRETTA:-usa ATP-serve per tutti gli ioni positivi-crea un gradiente di concentrazione

trasporto attivo DIPENDENZA INDIRETTA:-usa il gradiente di concentrazione formatosi nella dipendenza diretta-veicola sostanze organiche (zuccheri e aminoacidi)-altri ioni positivi e/o negativi

POMPE DI TIPO P a trasporto attivo diretto

Legano temporaneamente, durante il ciclo, un gruppo fosforico sottratto dall’ATP.

1) Pompa H+ ATPasi 2) Pompa Ca2+ ATPasi

3) Pompa Na+/K+ ATPasi

x H+ x Ca2+ fuori dalla cellula o dentro il RENa+ verso esternoK+ verso interno

Proteine transmembranarie in cui un unico polipeptide svolge tutte le funzioni della pompa:-idrolisi ATP-legame del fosfato-trasporto dello ione

1) H+ ATPasi

- nelle membrane plasmatiche di batteri, lieviti e piante trasportano H+ fuori dalla cellula.

- nelle cellule che delimitano lo stomaco pompano H+ all’esterno generando acidità dei succhi gastrici

- trasporto di H+ nei lisosomi e negli endosomi- sintesi di ATP in cloroplasti e mitocondri (ATP-sintasi)

2) Ca2+ ATPasi

- mantiene basse le [Ca2+ ] nella cellula- pompa Ca2+ fuori dalla cellula, nel RE e/o nel

mitocondrio

Ca2+ ESTERNO 2.5-5 mM

INTERNO 0.0001 mM

3) Na+/K+ ATPasi

- 3 Na+ all’interno- 2 K+ all’inerno

- Genera il potenziale d’azione di cellule nervose e muscolari- Consuma circa il 25% dell’ATP prodotto dalla cellula- Svolge un ruolo critico nel mantenimento dell’EQUILIBRIO

OSMOTICO e del VOLUME CELLULARE

ACCUMULA CARICA POSITIVAALL’ESTERNO

Citoplasma è ricco di macromolecole

ZUCCHERIAMMINOACICINUCLEOTIDI

RICHIAMO DI H2O x OSMOSI

MANTENGONO EQUILIBRIO OSMOTICO e PREVENGONO AUMENTO DEL VOLUME

CELLULARE X RICHIAMO DI H2O

3 Na+

2K+

MECCANISMO D’AZIONE DELLA Na/K ATPasi

TRASPORTATORI ABC (trasporto attivo a dipendenza diretta)

ABC ATP Binding Cassette: dominio che lega ATP conservato in questa

famiglia di trasportatori

trasportano: IONI

ZUCCHERI

AMINOACIDI

FIBROSI CISTICAAlterazione di un gene che codifica x un trasportatore ABC.Il prodotto di questo gene (regolatore della conduttanza transmembrana della fibrosi cistica, o CFTR) funziona come canale del Cl- nelle cellule epiteliali

trasporto attivo DIPENDENZA INDIRETTA

Es. trasporto del GLUCOSIO “2-Na+/1-glucosio”

La transizione conformazionale è resa possibile grazie all’energia liberata dal passaggio del Na+ che si

spostasecondo il gradiente di concentrazione

MECCANISMO D’AZIONE DEL TRASPORTATORE

GLUCOSIO PERMEA sia x

DIFFUSIONE FACILITATA (secondo gradiente)

TRASPORTO ATTIVO (contro gradiente)

ALTRI TIPI DI TRASPORTO

ENDOCITOSI:

FAGOCITOSI: ingestione di grosse particelle (batteri)

PINOCITOSI o ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORE:

assorbimento di fluidi o di macromolecole in piccole vescicole

ESOCITOSI

FAGOCITOSI:

- amebe: catturare cibo

- organismi pluricellulari: meccanismo di difesa contro microrganismi ed eliminazione di cellule vecchie o danneggiate. (LEUCOCITI, MACROFAGI e NEUTROFILI)

PINOCITOSI o ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORE:

Le macromolecole che devono essere internalizzate si legano a specifici recettori sulla membrana cellulare. Questi recettori sono concentrati in regioni specifiche della membrana plasmatica, le FOSSETTE RIVESTITE DI CLATRINA

ESOCITOSI