I TRASPORTI DI MEMBRANA

TRASPORTO PASSIVO TRASPORTO ATTIVO richiede energia metabolica (ATP) non richiede energia avviene secondo gradiente di concentrazione tende a dissipare i gradienti di concentrazione (ioni e molecole passano dal compartimento a maggior concentrazione verso quello a minor concentrazione) avviene in tre modi diversi: 1) Diffusione semplice 2) Diffusione attraverso canali di membrana 3) Diffusione facilitata - Si distinguono due tipi di trasporti: uno passivo che non richiede energia metabolica e l’altro attivo che richiede energia metabolica (ATP) TRASPORTO ATTIVO richiede energia metabolica (ATP) avviene contro gradiente di concentrazione crea gradienti di concentrazione è sempre mediato da proteine di membrana avviene in due modi diversi: 1) Trasporto attivo primario (direttamente accoppiato a una sorgente di energia metabolica) 2) Trasporto attivo secondario (indirettamente accoppiato a una sorgente di energia metabolica) Trasporti_2

K = coeff. di partizione lipide/acqua A = area della membrana IL TRASPORTO PASSIVO J = P (CI – CII) J = flusso C = concentrazione P = permeabilità Inoltre, P = D A K x D = coeff. di diffusione K = coeff. di partizione lipide/acqua A = area della membrana x = spessore della membrana Legge della diffusione di Fick: flusso Trasporti_2

La diffusione semplice La diffusione semplice interessa tutte le molecole di soluto che interagiscono con il doppio strato lipidico della membrana Avviene in due fasi: 1) passaggio della molecola dalla fase acquosa al doppio strato lipidico (la concentrazione in membrana aumenta all’aumentare del coefficiente di partizione olio/acqua, K) 2) diffusione della molecola nello spessore della matrice lipidica (la velocità di trasporto aumenta proporzionalmente al coefficiente di diffusione della sostanza) K = concentrazione soluto nei lipidi concentrazione soluto nell’H2O La diffusione semplice ha una cinetica di non saturazione permeabilità della membrana in funzione del coefficiente di partizione olio/acqua (K) Alla diffusione semplice sono interessate tutte le molecole che formano pochi legami idrogeno con l’acqua e possono pertanto romperli facilmente alla temperatura corporea per entrare nella fase lipidica. Queste molecole sono tipicamente chiamate non-elettroliti. Il grafico mostra come aumenta linearmente la permeabilità di una sostanza in funzione del coefficiente di partizione, che varia da molecola a molecola. Molecole parzialmente cariche come il glicerolo hanno bassi valori di K mentre molecole molto lipofiliche come l’uretano hanno alti K. Non dipende invece dalle dimensioni delle molecole in quanto proprio il glicerolo e l’uretano hanno dimensioni paragonabili. Nella diffusione semplice, la permeabilità di una membrana dipende linearmente dal coefficiente di partizione K e dalla concentrazione extracellulare della molecola (vedi grafico della diapositiva precedente). Ha un ampio intervallo di linearità che dipende dal fatto che la concentrazione esterna della molecola è sempre molto alta rispetto all’interno della cellula. Gli ioni e altre molecole cariche non diffondono per diffusione semplice Trasporti_2

La diffusione attraverso canali ionici Ioni e piccole molecole cariche diffondono attraverso canali ionici: proteine integrali di membrana (composte da più subunità) Possono essere attivati da: - variazioni di potenziale della membrana - stimoli meccanici, temperatura (caldo, freddo) , H+ - molecole agoniste neurotrasmettitori secondi messaggeri Si distinguono in base: - alla loro selettività per gli ioni: Na+, K+, Ca2+ e Cl- ai tipi di molecole che li bloccano: tossine animali, di-idropiridine ioni metallici (Cd2+, Ni2+),… ai tipi di molecole che li attivano: ACh, GABA, NMDA Ca2+, ATP, cAMP, cGMP (agonisti) (bloccanti selettivi) Trasporti_2

I canali ionici voltaggio-dipendenti Nel caso dei canali del Na+ e Ca2+ voltaggio-dipendenti, la subunità proteica principale (a1): forma il poro centrale la cui apertura determina il passaggio di ioni possiede il filtro di selettività possiede il sensore di voltaggio Le subunità alfa1 dei Canali del Ca2+ e del Na+ sono proteine integrali e formano il vero e proprio poro acquoso attraverso la membrana. Sono proteine ad alto peso molecolare 200-250 kDalton) formate da 4 domini (I-IV) molto simili a loro volta formati da 6 segmenti transmembranali (S1-S6) e possiedono regioni intracellulari che interagiscono con molecole di secondi messaggeri (G proteine, calmodulina), ioni Ca2+, proteine chinasi (PKA, PKG), proteine di ancoraggio (sintaxina, SNAP-25) Le subunità alfa dei canali del K+ invece è formata da un solo dominio che non è in grado di formare da sola un poro ionico. Il canale è formato combinando gruppi di 3, 4 o 5 subunità. Ciò aumenta notevolmente il numero di combinazioni e quindi l’esistenza di un numero elevato di canali del K+ con caratteristiche di gating molto diverse fra loro.. Alterazioni anche puntuali (di un singolo amino acido) della subunità a1 possono provocare gravi patologie come l’emicrania, la paralisi ipokaliemica, ipertermia, ……). Sono oggi indicate come canalopatie. Le subunità a1 dei canali del Na+ e Ca2+ E DEL Ca2+ Trasporti_2

il sensore del voltaggio e il filtro di selettività La subunità a1 dei canali ionici V-dipendenti: il sensore del voltaggio e il filtro di selettività poro del canale diametro: 4-10Å (P-loop) S4 S6 S5 Il filtro di selettività è determinato dagli amino acidi che compongono i 4 P-loop di ciascuno dominio Il sensore di voltaggio è invece formato dai 4 segmenti S4 che possiedono un’alta densità di aminoacidi carichi. Questi gruppi si muovono quando cambia il potenziale di membrana, che determina il forte campo elettrico che esiste ai capi della membrana Lo ione permea legandosi debolmente a cariche di segno opposto che formano la struttura interna dei P-loop. Il movimento avviene per salti sequenziali da un gruppo carico all’altro (tipicamente due per poro). La velocità di movimento dipende ovviamente dal gradiente di concentrazione dello ione. Appena una carica negativa si libera subentra un altro ione che così costringe quello che si è appena staccato a non tornare indietro. Il movimento di carica (corrente) non segue solamente il gradiente ionico ma dipende anche dal potenziale che in quel momento agisce ai capi della membrana (vedi prossimi capitoli) permeazione Trasporti_2

Esempio: il canale del Ca2+ I canali del Na+ e Ca2+ possiedono subunità accessorie - Le subunità accessorie (b, g, a2-d) regolano: il grado di espressione della subunità α1 in membrana le cinetiche di apertura, chiusura ed inattivazione Esempio: il canale del Ca2+ Le subunità accessorie dei canali del Ca2+ svolgono un ruolo regolatore. Influenzano il grado di espressione del canale in membrana, la cinetica di apertura e chiusura e l’interazione del canale con i secondi messaggeri Si stanno evidenziando patologie associate al mal funzionamento delle varie subunità (canalopatie) Trasporti_2

Il trasportatore (uniporto) del glucosio GLUT La diffusione facilitata Mediata da trasportatori (carriers) di membrana: - uniporto (1 solo soluto) co-trasporto (2 soluti nella stessa direzione, simporto) contro-trasporto (2 soluti in direzione opposta, antiporto) Specifica per il trasporto di aminoacidi e zuccheri 1 - Specificità per il substrato 2 - Cinetica di saturazione 3 - Molecole con struttura simile competono per lo stesso trasportatore Il trasportatore (uniporto) del glucosio GLUT

Un esempio: l’assorbimento di glucosio Il riassorbimento di glucosio (o galattosio) e di fruttosio avviene attraverso due trasportatori diversi nella parte luminale e (SGLT1 e GLUT5) ma con uno stesso trasportatore (GLUT2) nella parte basolaterale. Cellula dell’epitelio intestinale SGLT1: trasportatore sodio-glucosio: utilizza il gradiente di Na+ per trasportare attivamente glucosio o galattosio nelle cellule epiteliali intestinali (2:1). GLUT2: trasportatore del glucosio (membrana basolaterale) e nelle cellule epatiche, renali e degli isolotti pancreatici GLUT5: trasportatore specifico per il fruttosio Trasporti_2