Membrane biologiche (1) I fosfolipidi formano doppi strati disponendo le teste polari a contatto con l’acqua e le code idrofobiche all’interno 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

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

Membrane biologiche (3) Il colesterolo rende il doppio strato meno flessibile e permeabile alle alte temperature. A basse temperature ha effetto opposto 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 parzialmente

Membrane biologiche (4) La fluidità della membrana è alla base delle sue principali proprietà strutturali e funzionali

Proteine di membrana (1)

Proteine di membrana (2) polisaccaridi residui amminoacidici polari Le proteine integrali sono unite alle membrane da interazioni idrofobiche con i lipidi (Es: glicoforina eritrocitaria) residui amminoacidici apolari residui amminoacidici polari

Proteine di membrana (2) Varie tipologie di proteine integrali di membrana ancora lipidica

Proteine di membrana (3) Certe proteine integrali di membrana mediano le interazioni cellula-cellula

Proteine di membrana (4) 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 cammelli conferisce resistenza alla lisi (shock osmotico) in seguito a un abbondante e breve abbeveraggio di acqua

I sistemi di trasporto si dividono in tre tipologie Trasporto di membrana (1) 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 I sistemi di trasporto si dividono in tre tipologie (questa classificazione prescinde dalla eventuale richiesta di energia)

Trasporto di membrana (2)

Diffusione semplice Processo guidato da un aumento di entropia del sistema

Diffusione facilitata (1) Trasporto passivo senza trasportatore DG‡= DGdeidratazione+ DGlegame Trasporto passivo con trasportatore

Diffusione facilitata (2) Analogia con la cinetica enzimatica Cinetica enzimatica E + S ⇌ ES⇌EP⇌ E + P Trasporto facilitato T + Se⇌TSe⇌TSi ⇌T + Si

Diffusione facilitata (3) Trasporto passivo uniporto Es: glucosio permeasi eritrocitaria Caratteristiche 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) [G]interno< 5mM [G]esterno= 5mM

Diffusione facilitata (4) Trasporto passivo antiporto Es: scambiatore cloruro-bicarbonato eritrocitario Cotrasporto bidirezionale facilitato di circa 1.000.000 volte

Trasporto attivo (1)

Trasporto attivo (2) DGt= DGto + RT·ln DG= RT·ln DGt = RT·ln + ZFDY ○ Il trasporto attivo sposta il soluto contro un gradiente di concentrazione t=0 (C1≥C2) ○ C1 C2 ○ t=0 (C1<C2) C1 C2 DG DGto=0 [C1] DGt= DGto + RT·ln [C2] DG= RT·ln [C2] [C1] Se il soluto possiede una carica ⊕ o ⊖ (processo elettrogenico): DGt = RT·ln + ZFDY [C2] [C1] Potenziale elettrochimico chimico elettrico Il trasporto contro gradiente può avvenire se lo accoppiamo con un processo esoergonico (es: ATP → ADP + Pi)

Trasporto attivo primario (1) Es: Pompa Na+K+ ATPasi (tipo P) 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 (DY) essenziale per la trasmissione dei segnali neuronali. Il gradiente di Na+ viene usato per cotrasportare diversi soluti (trasporto attivo secondario)

Trasporto attivo primario (2) Il processo è elettrogenico ○ ⊖ ⊕ ZFDY=50 -70 mV Inibitori: Uabaina (estratto da un seme di un arbusto africano) Digitossigenina (simile all’uabaina ma estratta dalla digitale) Vanadato (analogo del Pi)

Principali tipi di ATPasi di trasporto Ione trasportato Tipo di membrana Organismo 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+ 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) Mitocondriale interna (MMI) Genera un gradiente di H+ che attiva la sintesi di ATP Procarioti

Soluto cotrasportatore 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)

Trasporto attivo secondario (2) Es 1: lattosio permeasi nell’e.coli (simporto)

Trasporto attivo secondario (3) Es 2: glucosio permeasi nelle cellule intestinali e renali (simporto)

Trasporto attivo secondario (2) Es 3: trasporto del calcio all’esterno della membrana (antiporto) Na+ 2K+ Ca2+ 3Na+ [Ca2+]=10-7 Trasporto attivo primario secondario [Ca2+]=10-3 Oltre al sistema attivo secondario, esiste un sistema attivo primario (Ca2+-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)

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)

Canali ionici selettivi Acquaporine Canali ionici selettivi controllati dal voltaggio controllati da ligandi

Acquaporine 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 H2O 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.

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) 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) Es: recettore nicotinico dell’acetilcolina Ha 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) Dettagli del recettore nicotinico dell’acetilcolina

Azione combinata dei canali ionici selettivi Es: trasmissione neuronale tramite l’acetilcolina Inizialmente 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’assone Questo, 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 acetilcolina Le 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 successivo Il 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.

.. Inibitori dei canali ionici 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) Inibitori dei canali per K+ controllati dal voltaggio: dendrotossina (serpente mamba) Inibitori del recettore dell’acetilcolina: tubocuranina (curaro) Inibitori dell’acetilcolinesterasi: diisopropilfluorofosfato (“Inibitore suicida”) E O CH3 CH2-OH + F-P-O--CH  H3C-CH-CH3 CH2-OH-O-P-O--CH + HF .. Acetilcolinesterasi (degrada l’acetilcolina)