TRASPORTI ATTRAVERSO LE MEMBRANE Ruolo delle membrane nel passaggio di soluti: semi-permeabilità e osmosi Diffusione semplice Diffusione facilitata: canali ionici e proteine “carrier” Meccanismi di trasporto attivo diretto e indiretto

I diversi meccanismi di trasporto attraverso le membrane biologiche

LA DIFFUSIONE SEMPLICE

Fattori che influenzano la diffusione semplice: Il doppio strato fosfolipidico rappresenta una barriera selettiva al passaggio di soluti Fattori che influenzano la diffusione semplice: Grandezza molecola Temperatura Carica molecola Gradiente concentrazione

La selettività è dovuta alla natura fosfolipidica della membrana - Piccole molecole liposolubili - H2O - Gas, molecole polari (molto piccole), molecole apolari anche di grandi dimensioni. - Ioni, molecole polari di medie dimensioni passano attraverso la membrana molto lentamente. Le proteine di membrana si specializzano per le funzioni di trasporto

La pressione osmotica fa muovere l’acqua attraverso una membrana semi-permeabile

LA DIFFUSIONE FACILITATA

Proteina canale Proteina carrier

LE PROTEINE DI TRASPORTO Le proteine trasportatrici (carrier o permeasi) accelerano una reazione che è già termodinamicamente favorita, legando il soluto da trasportare: tale legame determina un cambiamento conformazionale della proteina trasportatrice, che nella nuova conformazione perde affinità per il soluto, “scaricandolo” dal lato opposto della membrana

Questo tipo di trasporto è chiamato diffusione facilitata Tre proprietà caratterizzano la diffusione facilitata: velocità di diffusione molto più alta rispetto alla diffusione semplice specificità della proteina trasportatrice per il soluto da trasportare numero delle proteine trasportatrici limitante ai fini dell’efficienza e della velocità del trasporto

Tutti i carrier sono occupati SATURAZIONE Confronto tra velocità di trasporto del glucosio mediante diffusione semplice e mediante diffusione facilitata Tutti i carrier sono occupati SATURAZIONE

Modello di funzionamento di una proteina trasportatrice Il gradiente di glucosio viene mantenuto poiché, una volta dentro la cellula, esso è rapidamente demolito Modello di funzionamento di una proteina trasportatrice

La concentrazione di glucosio nel sangue deve rimanere entro certi limiti ed è regolata dagli ormoni (insulina, glucagone) L’insulina segnala che la glicemia è più alta del normale, quindi il glucosio in eccesso viene assorbito dal sangue e convertito in glicogeno e trigliceridi. Il glucagone segnala che la glicemia è più bassa del normale e stimola la demolizione del glicogeno, la gluconeogenesi e la degradazione degli acidi grassi

Il numero di proteine trasportatrici per un determinato soluto può essere regolato

I CANALI IONICI A differenza dei carrier, i canali ionici non si legano al soluto di cui facilitano il passaggio secondo il gradiente (di concentrazione ed elettrico) I canali ionici non hanno sempre un’alta specificità per un unico tipo di ione La velocità di diffusione attraverso i canali ionici è molto elevata (milioni di ioni al secondo per ogni canale) I canali ionici non sono sempre “aperti”

Lo stato “aperto” o “chiuso” del canale dipende da fattori diversi per ogni tipo di canale (canale voltaggio-dipendente, canale ligando-dipendente) che non hanno nulla a che fare con gli ioni in questione

IL TRASPORTO ATTIVO È direzionale Contro gradiente di concentrazione (richiede energia) Tre meccanismi possibili (uniporto, simporto, antiporto) Diretto (o primario) e indiretto (o secondario) a seconda che ci sia richiesta diretta di ATP

IL TRASPORTO ATTIVO DIRETTO C’è consumo diretto di ATP

I gradienti di concentrazione di alcuni ioni sono generati e mantenuti da meccanismi di trasporto attivo

Importante per mantenimento dell’equilibrio osmotico ! Pompa Na+/K+: esempio di antiporto Importante per mantenimento dell’equilibrio osmotico ! (es. uabaina inibisce pompa  scoppio cellula)

La fosforilazione fa cambiare la conformazione

Diverse subunità compongono la pompa Na+/K+ (classe P) Gradienti di concentrazione Subunità a: legame ATP, defosforilazione, trasporto Subunità b: regolazione trasporto

Nelle cellule eucariotiche la concentrazione citosolica del Ca2+ è mantenuta bassa grazie a pompe Ca2+-ATPsi presenti sulla membrana plasmatica. La Ca2+-ATPasi del muscolo pompa Ca2+ dal citosol nel reticolo sarcoplasmatico (immagazzinamento Ca2+ che si libera nel momento della contrazione muscolare)

H+-ATPasi di tipo V pompano protoni attraverso le membrane dei lisosomi Anche la membrana plasmatica di cellule che secernono acido (stomaco) contiene H+-ATPasi di tipo V

IL TRASPORTO ATTIVO INDIRETTO Simporti o antiporti Energia per il trasporto recuperata dal movimento di ioni secondo gradiente generato da trasporto attivo diretto

Proteine di simporto legate ad Na+ portano aminoacidi e glucosio dentro le cellule contro gradiente sfruttando proprio il passaggio del Na+

Modello del funzionamento della proteina di simporto 2Na+/1glucosio

Scambiatore Na+/H+ 1. Na+ tende ad entrare seguendo il proprio gradiente di concentrazione 2. C’è accoppiamento con efflusso di H+ prodotto dentro la cellula (regolato da pH cellulare)

Trasporto attraverso gli epiteli: le cellule dell’epitelio intestinale sono fortemente polarizzate

Il movimento del glucosio attraverso le cellule polarizzate di un epitelio richiede diverse proteine di trasporto

Le cellule della parete gastrica acidificano il contenuto del lume dello stomaco mantenendo il pH del citosol neutro

LA SUPERFAMIGLIA DELLE PROTEINE ABC

Le proteine della superfamiglia ABC (ATP-Binding Cassette) trasportano attivamente (contro gradiente) un’ampia varietà di substrati

Possibile modello di funzionamento della proteina CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator) Presente sulle cellule epiteliali di polmoni, fegato, pancreas, tratto digestivo e riproduttivo, pelle.

Cl- non viene trasportato fuori dalla cellula Minor richiamo di acqua Posizioni e frequenza delle principali mutazioni della proteina CFTR negli individui affetti di Fibrosi Cistica Cl- non viene trasportato fuori dalla cellula Minor richiamo di acqua Muco più denso e viscoso

ENDOCITOSI, ESOCITOSI e TRAFFICO DI MEMBRANE

fagocitosi- pinocitosi – endocitosi mediata da recettori

FAGOCITOSI

FAGOCITOSI

ENDOCITOSI IN FASE FLUIDA O PINOCITOSI : è costitutiva e aspecifica, ossia la cellula introduce piccole gocce di matrice extracellulare in maniera indifferenziata. Questo è possibile perché il materiale in questione è presente disciolto in soluzione acquosa.

PINOCITOSI

ENDOCITOSI mediata da recettori: è regolata e specifica ENDOCITOSI mediata da recettori: è regolata e specifica. In questo tipo di endocitosi la cellula riconosce il suo substrato mediante proteine di membrana (recettori). Questi recettori posti in lievi depressioni sulla membrana (fossette rivestite) sono in grado di legare, esternamente, il materiale da introdurre e, internamente, particolari proteine chiamate clatrine. Viene così organizzata una rete di clatrine che possiede già una sua curvatura intrinseca e che contribuisce all'invaginazione della membrana. In questo modo la cellula riesce ad assumere anche sostanze poco presenti nell’ambiente extracellulare.

L’endocitosi mediata da recettori generalmente avviene mediante “fossette rivestite” di clatrina e vescicole Il rivestimento di clatrina conferisce resistenza e stabilità alle vescicole, ma viene perso appena la vescicola entra nella cellula.

Una fossetta rivestita di clatrina che sporge dalla faccia citosolica della membrana plasmatica

Struttura di una vescicola rivestita di clatrina L’assemblaggio del polimero di clatrina non richiede energia

Il recettore delle LDL lega e internalizza particelle contenenti colesterolo (complessato nelle lipoproteine LDL poichè è insolubile in acqua) Ipercolesterolemia familiare: deficit di recettori per LDL  livello ematico di colesterolo elevato

ESOCITOSI

Endocitosi ed esocitosi sono due vie opposte nel traffico di membrane dal Golgi trans alla membrana e dalla membrana ai lisosomi

TRAFFICO DI MEMBRANE