MECCANISMI DI TRASPORTO ATTRAVERSO LA MEMBRANA

FUNZIONI DELLA MEMBRANA PLASMATICA ricevere informazione importare ed esportare molecole capacità di movimento ed espansione 1) 2) 3)

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 funzionale testa 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

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

LIPIDI DI MEMBRANA 1) FOSFOGLICERIDI (FOSFOLIPIDI: molecole anfipatiche, rappresentano i principali lipidi delle membrane biologiche) colina glicerolo etanolammina inositolo serina treonina fosfato acido grasso SRUTTURALI: es. fosfatidil etanolammina FUNZIONALI: es. fosfatidil-inositolo Fosfolipasi C INOSITOLO-3P + DIACIL GLICEROLO

2) GLICOLIPIDI DI MEMBRANA batteri e piante: glicolipidi basati sul diacil glicerolo glicerolo acido grasso glu gal

animali: SFINGOLIPIDI, costituiti da un alcool a lunga catena denominato SFINGOSINA colina glu fosfato serina serina serina acido grasso acido grasso acido grasso SFINGOSINA SFINGOMIELINA 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

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

dominio transmembrana idrofobico 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 NH2 COOH dominio transmembrana idrofobico 20-25 aa. Struttura ad -elica NH2 COOH domini transmembrana Pochi foglietti b attraversano le membrane

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-GLICOSIDICO Glucide 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

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. rivestimento glucidico membrana plasmatica vescicole secretorie complesso di Golgi vescicole di transizione reticolo endoplasmico ruvido (RER) gruppo glucidico glicoproteina di membrana polipeptide

MECCANISMI DI TRASPORTO Le 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 FACILITATA o TRASPORTO PASSIVO DIFFUSIONE SEMPLICE DIFFUSIONE FACILITATA o TRASPORTO PASSIVO X GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE (non richiede energia) CONTRO GRADIENTE (consumo di energia) TRASPORTO ATTIVO Avvengono su tutte le membrane cellulari: plasmatiche, mitocondriali, nucleari, Golgi, RE

DIFFUSIONE SEMPLICE: 100 molecole 10 molecole 55 molecole EQUILIBRIO non selettiva non saturabile porta all’equilibrio passano molecole che si possono dissolvere in membrana 100 molecole 10 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 esportato Una 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 a-eliche che attraversano la membrana. L’a-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(2a, 1b, 1 g e 1 d). In seguito al legame di due molecole di aceticolina alle subunità a si ha una modificazione conformazionale con conseguente apertura del canale.

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. SPAZIO EXTRACELLULARE ESTERNO [Na+] ELEVATO CITOSOL INTERNO [K+] ELEVATO

K+ tende ad uscire per GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE 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: - pompa che trasporta K+ nel citosol (Na+/K+ ATPasi) - canali a perdita di K+ (leak channels) SPAZIO EXTRACELLULARE ESTERNO CITOSOL INTERNO + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - K+ EFFETTO CONCENTRAZIONE 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

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.

canali voltaggio dipendenti per il Na+ sempre aperti mantengono potenziale a –60mV 2 tipi di canali K+ voltaggio dipendenti 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+

La regione negativa alla superficie della membrana attira gli ioni positivi dalle regioni adiacenti a riposo, che hanno carica positiva. + + + + + - - - - - segmento attivato direzione di propagazione assone Allo stesso modo, gli ioni positivi all’interno della membrana in corrispondenza della regione attivata scorrono sotto la membrana in 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 ATTIVO Pompe ATPasiche Contro gradiente di concentrazione Richiede 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. Pompa H+ ATPasi Pompa Ca2+ ATPasi Pompa Na+/K+ ATPasi x H+ x Ca2+ fuori dalla cellula o dentro il RE Na+ verso esterno K+ 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

ACCUMULA CARICA POSITIVA 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 POSITIVA ALL’ESTERNO ZUCCHERI AMMINOACICI NUCLEOTIDI RICHIAMO DI H2O x OSMOSI Citoplasma è ricco di macromolecole 3 Na+ 2K+ MANTENGONO EQUILIBRIO OSMOTICO e PREVENGONO AUMENTO DEL VOLUME CELLULARE X RICHIAMO DI H2O

MECCANISMO D’AZIONE DELLA Na/K ATPasi

dominio che lega ATP conservato in questa famiglia di trasportatori 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 CISTICA Alterazione 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

secondo il gradiente di concentrazione trasporto attivo DIPENDENZA INDIRETTA Es. trasporto del GLUCOSIO “2-Na+/1-glucosio” MECCANISMO D’AZIONE DEL TRASPORTATORE La transizione conformazionale è resa possibile grazie all’energia liberata dal passaggio del Na+ che si sposta secondo il gradiente di concentrazione

DIFFUSIONE FACILITATA 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

PINOCITOSI o ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORE: 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