LA MEMBRANA PLASMATICA -Deve trattenere i materiali in soluzione nella cellula in modo che essi non filtrino nell’ambiente esterno Deve consentire i necessari scambi di materiali verso l’interno e verso l’esterno della cellula

- La membrana plasmatica costituisce una barriera a “permeabilità selettiva”, cioè non è ugualmente permeabile a tutti i soluti. - Questa selettività determina una diversa concentrazione di certe sostanze all’interno e all’esterno della cellula.

La maggior parte delle sostanze che attraversa le membrane non è costituita da macromolecole o liquidi ma da ioni e piccole molecole organiche disciolte (soluti). Questi soluti non attraversano le membrane mediante un flusso di grandi masse ma singolarmente, uno ione o una molecola per volta. Gli ioni più comuni che vengono trasportati attraverso le membrane sono il sodio, il potassio, il calcio, il cloro e l’idrogeno. Tra le piccole molecole organiche alcuni esempi sono: gli zuccheri, gli amminoacidi e i nucleotidi.

I soluti attraversano le membrane per: • Diffusione semplice • Diffusione facilitata o trasporto passivo • Trasporto attivo

DIFFUSIONE SEMPLICE Molecole molto piccole non cariche attraversano rapidamente la membrana plasmatica. Questa, dunque, risulta essere fortemente permeabile a piccole molecole inorganiche come O2 , CO2, NO, e H2O, che sembrano scivolare tra due fosfolipidi adiacenti.

La DIFFUSIONE è un processo spontaneo durante il quale una sostanza si sposta da una direzione ad elevata concentrazione ad una a bassa concentrazione, eliminando alla fine la differenza di concentrazione fra le due regioni. Perché un elettrolita possa diffondere attraverso la membrana plasmatica è necessario che siano soddisfatte due condizioni: La sostanza deve essere presente fuori delle cellule ad elevate concentrazioni la membrana deve essere permeabile alla sostanza

Studi di Alec Banghman e coll. sui liposomi.

Una semplice misura della polarità di una sostanza è il suo coefficiente di ripartizione Il coefficiente di ripartizione di un soluto è il rapporto fra la sua solubilità in olio e quella in acqua

La diffusione tende sempre a formare una distribuzione casuale, in cui la concentrazione è in ogni punto la stessa. In altri termini, la diffusione è sempre in movimento verso l’equilibrio. La diffusione tende sempre al minimo contenuto di energia libera, procedendo sempre dalle regioni con energia libera più alta verso quelle con energia libera più bassa.

Le molecole di H2O sono prive di carica, quindi non sono influenzate dal potenziale di membrana. Esse tendono a muoversi attraverso le membrane in risposta alle differenze delle concentrazioni del soluto. Il movimento osmotico dell’acqua attraverso una membrana avviene sempre dal lato con più elevata energia libera (a concentrazioni di soluto più bassa) alle regioni con energia libera più bassa (a concentrazioni di soluto più elevata). Per la maggior parte delle cellule ciò significa che l’acqua tenderà a spostarsi verso l’interno.

Le cellule sprovviste di pareti devono consumare quantità significative di energia per assicurare che l’osmolarità intracellulare rimanga bassa e che la cellula non si rigonfi e non scoppi, mentre le cellule provviste di pareti (piante, alghe, funghi e moltissimi batteri) possono tollerare una pressione osmotica considerevole senza pericolo di rottura.

Più di 2/3 dell’energia che il nostro corpo consuma allo stato di riposo vengono usati per mantenere attraverso le membrane delle cellule i gradienti di ioni quali H+, K+, Na+ e Ca++. Poiché gli ioni possiedono una carica elettrica, il processo di trasporto ed il conseguente gradiente di concentrazione possono produrre un voltaggio elettrico, o potenziale di membrana, attraverso la membrana stessa. L’insieme del gradiente di concentrazione e del potenziale di membrana associato è indicato come gradiente elettrochimico.

Il doppio strato lipidico è fortemente impermeabile ai composti con carica elettrica, compresi i piccoli ioni come Na+, K+, Ca2+, Cl-. Questi attraversano la membrana attraverso “canali ionici”. La diffusione di ioni attraverso un canale è sempre “in discesa”, cioè da una condizione di elevata energia ad una di energia inferiore.

Proteine canale transmembrana • i canali ionici • le porine • le acquaporine

I canali ionici (pori molto piccoli rivestiti da gruppi laterali di amminoacidi idrofili) sono: • notevolmente selettivi e bidirezionali • controllati (canali a controllo di potenziale; canali a controllo di ligando; canali a controllo meccanico)

Canale del potassio “a sbarramento”

Una famiglia di proteine canale denominate acquaporine (AQP) facilitano il flusso molto veloce delle molecole d’acqua all’interno o all’esterno delle cellule di specifici tessuti che richiedono questa capacità (tubuli prossimali, eritrociti, membrane dei vacuoli delle cellule vegetali).

Le porine sono proteine transmembrana multipasso che formano pori nelle membrane esterne dei mitocondri e cloroplasti e di molti batteri. Essi hanno nella parete centrale un poro ripieno d’acqua. Sono pori più larghi e meno specifici dei canali ionici, la cui parte interna è tappezzata da catene laterali polari e la parte esterna da catene laterali principalmente apolari.

L’entrata e l’uscita di soluti polari (es zuccheri e aa) che non possono penetrare nel doppio strato lipidico o attraverso un canale aperto, sono mediate da proteine presenti nella membrana plasmatica che prendono il nome di trasportatori facilitanti (permeasi o proteine carrier). I trasportatori facilitanti sono specifici e la loro attività può essere regolata per adattarla ai bisogni della cellula in un dato momento.

Tutte le proteine di trasporto coinvolte nella diffusione facilitata di piccole molecole e ioni sono proteine integrali di membrana che contengono alcuni, o anche molti, segmenti transmembrana.

Caratteristiche comuni tra le proteine carrier (permeasi) • specificità • inibizione competitiva

Le proteine carrier si saturano quando la concentrazione del soluto da trasportare è elevata. Questo perché il numero di proteine di trasporto è limitato.

UNIPORTO

SIMPORTO

ANTIPORTO Proteina scambiatrice di anioni (antiporto): ione bicarbonato e Cl-

I termini: uniporto, simporto e antiporto sono usati sia per la diffusione facilitata sia per il trasporto attivo; essi quindi non ci dicono niente sull’energetica del processo.

TRASPORTO ATTIVO

Il TRASPORTO ATTIVO, come la diffusione facilitata, dipende da proteine integrali di membrana capaci di legare in modo selettivo un particolare soluto e di spostarlo attraverso la membrana in seguito a modificazioni della conformazione della proteine. Però, diversamente da quanto accade nella diffusione facilitata, il movimento del soluto avviene contro gradiente e quindi richiede energia (es. idrolisi dell’ATP)

A differenza della diffusione facilitata, il trasporto attivo determina il movimento dei soluti sempre lontano dall’equilibrio termodinamico (cioè contro gradiente di concentrazione o elettrochimico) e perciò richiede sempre impiego di energia.

Il trasporto attivo assolve 3 principali funzioni nelle cellule e negli organuli: Rende possibile l’assorbimento di sostanze nutritive essenziali dall’ambiente o dai liquidi circostanti; b) Permette a varie sostanze (es. prodotti di secrezione e materiali di rifiuto) di essere rimossi dalla cellula o dall’organulo; c) Consente alla cellula di mantenere le concentrazioni intracellulari di ioni inorganici specifici (K+,Na+,Ca++,H+) in una situazione di costante non equilibrio (equilibrio osmotico).

Esempi di trasporto attivo: ATPasi (o pompa) Na+/K+, presente in tutte le cellule animali (trasporto attivo diretto mediato da un ATPasi di tipo P) Trasporto attivo indiretto del glucosio mediato da un trasportatore per simporto Na+/glucosio (che sfrutta l’energia del gradiente dello ione Na+ determinato dalla ATPasi Na+/K+) Trasporto di protoni attivato dalla luce in alcuni batteri

+ Na+ + K+

Livelli intracellulari K+: 100-150 mM Na+: 10-15 mM

La pompa Na+/K+ oltre a mantenere le giuste concentrazioni intracellulari degli ioni potassio e sodio (necessari per mantenere l’equilibrio osmotico della cellula), è responsabile del mantenimento del potenziale di membrana (= separazione di cariche elettriche) esistente attraverso la membrana plasmatica (fondamentale per la trasmissione degli impulsi nervosi). All’interno della cellula: più alti livelli di K+, più bassi di Na+.

Nelle piante, nei funghi e nei batteri non esiste l’equivalente della pompa sodio-potassio ATPasi, ma è presente una pompa protonica (H+-ATPasi). Questa pompa regola il pH citoplasmatico, mediante il pompaggio fuori delle cellule di H+ prodotto in eccesso in molte reazioni metaboliche.

Pompa protonica batteriorodopsina Gli alobatteri, in condizioni anaerobiche, sintetizzano la batteriorodopsina per catturare energia luminosa, che sfruttano per pompare protoni all’esterno attraverso la membrana plasmatica. Il gradiente elettrochimico dei protoni che così si viene a stabilire può essere usato per generare ATP.

Pompa protonica batteriorodopsina