Appunti di Biologia cellulare

CANALI MECCANO-SENSIBILI

Canali meccano-sensibili (o sensibili alle sollecitazioni meccaniche) sono

generalmente dotati di una porta connessa ad una struttura

citoscheletrica che la apre quando sopraggiunge una deformazione

della superficie cellulare. Questi canali sono alla base di processi

fisiologici quali la percezione della pressione sulla pelle (senso del tatto), delle vibrazioni dell’aria (senso

dell’udito) e la propriocezione (esempio la percezione dello stato di tensione muscolare).

CANALI SENSIBILI A VARIAZIONI DI TEMPERATURA

Passano dallo stato chiuso a quello aperto in seguito a piccole

variazioni di temperatura, rispetto ad un valore di riferimento.

Essi sono coinvolti nella percezione del caldo, del freddo e dei

processi termoregolatori.

Si ritiene che in questi canali siano presenti sequenze di diverse

decine di amminoacidi che darebbero luogo a strutture che si muovono in corrispondenza di piccole

variazioni temperatura. Il moto di tali strutture provocherebbe l’apertura o la chiusura del canale.

CANALI IONICI SENZA PORTA (non gated channels)

Tutte le cellule sono dotate di canali ionici che sono sprovvisti di porta non gated

channels. Tali canali si trovano sempre nello stato aperto. Essi conferiscono alla

membrana una conduttività di base che è una componente fondamentale per la

genesi del potenziale di membrana in tutte le cellule.

90

Il flusso ionico che passa attraverso i canali non-gated è denominato leakage (perdita), perché tende a

dissipare i gradienti ionici presenti tra i due lati della membrana. Se non ci fossero questi canali aperti il

gradiente continuerebbe ad aumentare, quindi mano a mano che aumenta il gradiente elettrochimico

questi canali lasciano passare le molecole.

Sono conosciuti vari tipi di canali di leakage:

+

o canali del Na (detti anche epiteliali)

+

o canali del K (detti anche 2P)

-

o canali del Cl 2+

o canali del Ca (presenti ad esempio sulla membrana del reticolo sarcoplasmatico).

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

 TRASPORTO D’ACQUA ATTRAVERSO LA MEMBRANA PLASMATICA

In genere la membrana plasmatica che riveste tutte le cellule di un organismo è permeabile all’acqua per

due ragioni:

o l’acqua, essendo una molecola molto piccola, può passare tra molecole contigue di fosfolipidi per

semplice diffusione;

o la membrana plasmatica di gran parte delle cellule contiene proteine che formano canali per

l’acqua (le cosiddette acquaporine) che aumentano notevolmente la permeabilità all’acqua della

membrana plasmatica stessa.

 LE ACQUAPORINE (AQP)

Le acquaporine sono proteine integrali di membrana associate a formare tetrameri

(quattro acquaporine).

Ogni proteina acquaporinica costituisce un canale idrico, attraverso il quale le

molecole di acqua possono passare in un senso o nell’altro.

Ogni molecola acquaporinica consta di 6 α- eliche

transmembrana collegate da anse intra ed extracellulari (anse A, B, C, D, E).

Le anse B ed E affondano nello spessore della membrana con andamento

antiparallelo, formando uno stretto poro del diametro di 2.8 A,

estremamente selettivo per le molecole d’acqua.

La permeabilità selettiva all’acqua è dovuta a legami elettrostatici creati da ciascun lato del poro.

 STRUTTURA

La struttura molecolare delle acquaporine è rappresentata dal classico “modello a clessidra”.

9

Il numero di molecole d’acqua trasportate è estremamente alto: 3 x 10 molecole di acqua/secondo per

subunità. Le molecole di acqua attraversano il canale in fila in un flusso continuo. 91

Per fare attraversare solo le molecole di acqua

lungo il restringimento ci sono specifici

amminoacidi che determinano:

limitazione dimensionale: il poro si

restringe a un diametro di 2,8 Å (circa il

diametro di una

molecola d'acqua) a

causa di un residuo di

Istidina 180);

repulsione elettrostatica: un residuo

conservato (Arginina 195) nella

costrizione più stretta del poro impone

+

una barriera ai cationi (H ), +

compresa l'acqua protonata (H3O ).

+

In acqua infatti gli H diffondono in modo estremamente rapido passando da una molecola d’acqua alla

successiva (meccanismo di Grotthuss), e questo è pericoloso perché altererebbe l’equilibrio osmotico nella

cellula. riorientamento del dipolo d'acqua (la molecola d’acqua ruota di 180°): dovuto a legami idrogeno

con due asparagine (Asn 192 e Asn 76), presenti sui due motivi NPA.

Quindi anche le acquaporine, essendo proteine canale, hanno un filtro di selettività costituito appunto da

questi quattro residui amminoacidici. Escludendo i protoni, le acqua porine aiutano la cellula a mantenere il

bilancio elettrochimico attraverso le membrane cellulari.

 REGOLAZIONE DEL VOLUME

I movimenti di acqua sono associati alla regolazione del volume, e in molti casi richiedono la presenza di

acquaporine, le quali aumentano la permeabilità osmotica delle cellule permettendo così un veloce

riequilibrio.

 TIPI DI ACQUAPORINE

 AQP-1: riassorbimento dei fluidi nel rene; secrezione di umor acqueo negli occhi, secrezione del

fluido cerebrospinale nel SNC, omeostasi dell’acqua nei polmoni;

 AQP-5: secrezione di fluidi nelle ghiandole salivari, lacrimali e nell’epitelio polmonare;

 TIP: regolazione della pressione di turgore nel tonoplasto delle piante.

Ci sono possono tuttavia essere acquaporine costituite anche 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.

92  REGOLAZIONE DELLE ACQUAPORINE

Come si regola la quantità di acquaporine che deve essere

presente sulla membrana per permettere il passaggio di

molecole di acqua?

La regolazione della acquaporine avviene sia a livello

trascrizionale che a livello post-traduzionale.

Dei ligandi si legano a specifici recettori di membrana,

attuando la trascrizione e quindi la produzione delle

acquaporine. A livello trascrizione si avrà quindi una

maggiore trascrizione genica.

A livello post-traduzionale invece, due fenomeni regolano la

quantità di acquaporne esposte sulla membrana.

Nella cellula possono formarsi delle vescicole di riserva interne (vescicole di immagazzinamento) che sulla

membrana portano le acquaporine. Se queste vescicole subiscono una fosforilazione si fondono con la

membrana per esocitosi, esponendo un maggior numero di acquaporine.

Se invece le acquaporine non servono più subiranno un’ubiquitinazione, ovvero l’aggiunta di una ubiquitina

che comporta l’endocitosi delle acquaporine, e la conseguente formazione di vescicole di

immagazzinamento.

 PASSAGGIO DELL’ACQUA: L’OSMOSI

Come ogni altra sostanza anche l’acqua si muove per diffusione secondo il suo gradiente di

concentrazione. La concentrazione dell’acqua è alterabile addizionando soluto alla soluzione: all’aumentare

della concentrazione di soluto diminuisce quella dell’acqua.

La membrana cellulare, grazie alla presenza delle acquaporine, presenta una permeabilità all’acqua molto

maggiore rispetto a quella dei soluti. Questa caratteristica consente di assimilare la membrana cellulare ad

una membrana semipermeabile.

===> il passaggio diffusivo di acqua secondo il suo gradiente di

concentrazione attraverso una membrana semipermeabile (cioè

una membrana permeabile al solvente, in questo caso l’acqua, ma

non ai soluti) prende il nome di osmosi.

L'osmosi è un processo fisico spontaneo, vale a dire che non

richiede l’apporto esterno di energia. Esso tende a diluire la

soluzione più concentrata in soluti e a ridurre la differenza di concentrazione tra due soluzioni separate da

una membrana semipermeabile.

La forza che determina il flusso diffusionale dell’acqua riferita all’unità di superficie prende il nome di

pressione osmotica.

 OSMOLARITA’ E TONICITA’

L’osmolarità di una soluzione è definita in base al suo comportamento attraverso membrane

semipermeabili perfette, e attraverso la legge di Van’t Hoff.

La tonicità di una soluzione è definita in base al suo comportamento attraverso membrane reali (come la

membrana plasmatica, quindi parzialmente permeabili ai soluti). 93

La tonicità quindi descrive il comportamento di una

cellula in soluzione:

o una cellula posta in una soluzione ipotonica

(ossia con una concentrazione di soluti inferiore a

quella del citoplasma cellulare) si gonfia a causa

di un ingresso netto di acqua per osmosi;

o una cellula posta in una soluzione isotonica

mantiene un volume costante perché il flusso di

acqua che entra per osmosi è uguale a quello dell'acqua che esce;

o una cellula posta in una soluzione ipertonica si restringe a causa di una perdita netta di acqua per

osmosi.

PROTEINE CARRIER (trasportatori)

Il trasporto facilitato avviene secondo gradiente di

concentrazione.

L’importanza funzionale della diffusione facilitata è

rilevantissima, perché consente il trasporto

attraverso la membrana delle più importanti

molecole organiche di interesse vitale (nutritive metaboliche) che altrimenti non potrebbero attraversarla

con velocità richiesta.

Esempio: trasporto passivo del glucosio

trasporto passivo degli aminoacidi

 ESEMPIO DI TRASPORTO FACILITATO TRAMITE CARRIERS

Trasporto facilitato del glucosio mediante il trasportatore glucosio permeasi (famiglia dei trasportatori

GLUT).

I trasportatori GLUT sono una famiglia di proteine di

membrana che consentono la diffusione facilitata del

glucosio. Sono formati da 12 segmenti ad α-elica

idrofobici disposti in cerchio.

Esistono diverse isoforme dei trasportatori del glucosio, ciascuna con specifiche caratteristiche di cinetica,

di distribuzione tissutale e di funzione.

MODELLO FLIP-FLOP O PING-PONG:

94  TRASPORTI MEDIATI DA CARRIER: CARATTERISTICHE CINETICHE

specificità: ogni trasporto mediato è affidato ad un sistema che opera solo per una particolare

sostanza o per un gruppo di sostanze simili;

saturazione: l’intensità del flusso non aumenta in modo proporzionale al gradiente di

concentrazione della sostanza trasportata (come nel caso della diffusione semplice secondo la

legge di Fick) ma, al crescere del gradiente, tende asintoticamente ad un limite massimo;

compet