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Un inibitore irreversibile si lega all’enzima in modo covalente determinando una perdita

irreversibile dell’attività enzimatica. Sono in genere tossici per le cellule come i gas nervini e alcuni

insetticidi che si legano all’acetilcolinesterasi, enzima essenziale per la trasmissione di impulsi

nervosi.

Al contrario un inibitore reversibile si lega ad un enzima in modo non covalente, dissociabile. Le

due forme più comuni di inibitori reversibili sono dette competitive e non competitive.

Gli inibitori competitivi si lega direttamente al sito attivo dell’enzima competendo dunque con il

substrato. Questo riduce l’attività degli enzimi. Gli inibitori non competitivi invece si lega all’enzima

in un punto differente dal sito attivo. Questi inibitori possono cambiare la conformazione della

proteina e, di conseguenza, può inibire il legame substrato-sito attivo o ridurne enormemente

l’attività catalitica.

E’ importante per la cellula poter controllare il funzionamento di un enzima: l’attività catalitica deve

infatti essere continuamente controllata ed adeguata alle varie esigenze. Due dei meccanismi più

importanti per la regolazione enzimatica sono: la regolazione allosterica e la modificazione

covalente. Molti enzimi possiedono siti allosterici (dal greco “altra forma”) distinti dai siti attivi:

quando una sostanza si lega al sito allosterico, il sito attivo cambia conformazione e, di

conseguenza, l’attività enzimatica varia. La maggior parte degli enzimi allestirei sono proteine

multimeriche di grandi dimensioni con un sito attivo e uno allosterico su ciascuna subunità. Un

esempio di attivazione allosterica è la proteina KINASI A (PKA), normalmente inattiva a causa

della presenza di una proteina regolatrice legata al sito allosterico. E’ attivata dall’AMP ciclico

(cAMP), un importante messaggero cellulare, che legandosi alla proteine regolatrice la stacca dal

sito allosterico. La PKA attiva può fosforilare i suoi substrati.

Altri enzimi sono soggetti a controlli attraverso modificazioni covalenti: in questo tipo di regolazione

l’attività enzimatica è influenzata dall’aggiunta o rimozione di specifici gruppi chimici tramite

appositi legami covalenti. Una delle modificazioni covalenti più comuni riguarda l’aggiunta

reversibile di un gruppo fosfato. L’aggiunta di un gruppo fosfato è detta fosforilazione e avviene,

normalmente, per trasferimento di un gruppo P dall’ATP. Gli enzimi che catalizzano questa

reazione sono dette proteine chinasi (fosforilano). Le proteine fosfatasi (defosforilano) catalizzano

la reazione opposta, la defosforilazione, ovvero la rimozione di un gruppo fosfato da una proteina

fosforilata.

Un altro tipo di attivazione covalente degli enzimi si basa sulla rimozione irreversibile di una parte

della catena peptidica da parte di un enzima proteolitico (che degrada le proteine). Un esempio è

fornito dalla tripsina, rilasciata dal pancreas sotto forma inattiva di tripsinogeno. Il tripsinogeno è

attivato in tripsina (rimozione di 6 a.a. contigui) nel duodeno dall’enterochinasi.

Il lisozima

Il lisozima è un enzima presente nelle secrezioni, come la saliva e le lacrime (fanno

eccezione quelle dei bovini). E’ anche presente fortemente nell’albume dell’uovo. Agisce da

antibiotico naturale. Si associa alla catena polisaccaridica, formano il tipico complesso

enzima-substrato. Il lisozima è in grado di romperei legame covalente e forma un

complesso che si dissocia velocemente. Il lisozima idrolizza le catene polisaccaridiche della

parete cellulare batterica e agisce inserendo una molecola d’acqua tra due zuccheri vicini.

Attualmente il lisozima viene spesso utilizzato come conservante nell’industria.

LE MEMBRANE: STRUTTURA e FUNZIONE

Una caratteristica fondamentale di tutte le cellule è la presenza di membrane plastiche che

delimitano i loro contorni e i diversi compartimenti interni.

Ricordiamo almeno cinque funzioni delle membrane: sicuramente il ruolo più evidente è quello di

delimitare i contorni (membrana plasmatica) della cellula e dei vari organelli interni (membrana

intracellulare), i quali hanno tra di loro differente composizione e differenti funzioni, e di costituire la

barriera di permeabilità ovvero regolare lo scambio di molecole tra il dentro e il fuori; il trasporto di

soluti come gli zuccheri, per fornire energia, gli amminoacidi, per creare macromolecole, e gli ioni

2+

per generare potenziali elettrici, regolare il pH, il Ca e la composizione ionica dei liquidi intra ed

extracellulari; la risposta a segnali esterni, ovvero la loro trasduzione attraverso particolari recettori

presenti sulla membrana che legano molecole complementari (ligandi) provocando reazioni interne

alla cellula; interazioni cellula-cellula e trasduzione di energia cioè la conversione di una forma di

energia in un’altra (es. fotosintesi nei cloroplasti) e trasferimento di energia dai carboidrati e dai

grassi all’ATP (mitocondri).

La storia della membrana cellulare

Fino ai primi anni ’50, periodo in cui la microscopia elettronica è stata applicata allo studio

della struttura cellulare, nessuno aveva visto la membrana bensì, già da molto tempo prima,

prove indirette avevano fatto presumere ai biologi la sua esistenza. Dal momento che le

cellule contengono tipi di membrana molto differenti è stata una sfida straordinaria riuscire a

determinare le caratteristiche comuni. L’immenso sforzo ha portato alla formulazione del

modello a mosaico fluido, attualmente in atto ma che, nel corso degli anni, potrà subire enormi

modifiche dal momento che gli strati lipidici si stanno rivelando più complessi di quanto si

potesse immaginare.

1890 —> Charles Overton lavorando con cellule vegetali osservò che le sostanze solubili nei

lipidi penetravano nelle cellule più facilmente rispetto a quelle solubili in acqua. Da questo

Overton capì che i lipidi erano presenti sulla superficie cellulare come una sorta di

rivestimento.

Un secondo passo in avanti fu compiuto da Langmuir il quale studiò il comportamento dei

fosfolipidi purificati disciogliendoli nel benzene e stratificando campioni della soluzione

benzene-lipide su una superficie acquosa. Langmuir sapeva che i fosfolipidi sono molecole

anfipatiche quindi realizzò che i fosfolipidi si dispongono sull’acqua in modo tale che le teste

polari siano a contatto con l’acqua mentre le code idrofobiche si allontanano da quest’ultima.

Nel 1925 due fisiologi tedeschi, Gortere e Grendel, partendo dagli studi di Langmuir, fecero

degli studi per rispondere a una domanda che riguarda la superficie dei globuli rossi del

sangue, gli eritrociti, su cui essi stavano lavorando. Le ricerche di Overton avevano dimostrato

la presenza di un rivestimento lipidico sulla superficie delle cellule ma quanti strati lipidici ci

sono? I due fisiologi fecero un esperimento per misurare la superficie occupata dai lipidi che

formano la membrana cellulare: utilizzarono gli eritrociti privi di emoglobina. Estrassero

dunque i lipidi da un numero noto di eritrociti (ghosts) e misurarono la superficie occupata dai

lipidi dopo che erano stati sparsi sulla superficie dell’acqua. Calcolarono che l’area coperta dal

film lipidico sull’acqua era all’incirca due volte l’area della superficie totale stimata dell’eritrocita

quindi conclusero che la membrana plasmatica era formata da due strati lipidici.

Ma un doppio strato lipidico, seppur fondamentale, non bastava per spiegare tutte le

caratteristiche delle membrane come la tensione superficiale, la permeabilità dei soluti e la

resistenza elettrica. Nel 1935 Davson e Danielli suggerirono che le proteine erano presenti

nelle membrane e, in particolare, essere rivestivano su entrambi i lati gli strati lipidici seguendo

il seguente modello: proteine, lipidi, proteine (modello a sandwich). Nel 1954 si fece un

ulteriore passo in avanti in quanto si capì che le proteine idrofile potessero penetrare nella

membrana in maniera tale da dare origine a pori polari. [importanza delle proteine]

Negli anni ’50 con l’avvento del microscopio elettronico i biologi riuscirono a vedere la

presenza sperimentale della membrana plasmatica intorno alla cellula. Si ottiene una struttura

trilaminare (o tristratificato) a “binario ferroviario”: J. David Robertson propose quindi che tutte

le membrane cellulari avessero in comune una struttura fondamentale (membrana unitaria).

Infine nel 1972 si arrivò al culmine dell’organizzazione della membrana con il modello a

mosaico fluido che tuttora domina la nostra visione, elaborato da Singer e Nicolson.

Le membrane plasmatiche hanno uno spessore di 70-100 Å corrispondente a 7-10 nm e una

struttura trilaminare composta da: lipidi (fosfolipidi, glicolipidi e steroli), proteine (integrali e

periferiche) e carboidrati (catene glucidiche). E’ presente una forte asimmetria e dinamicità tra lo

strato esterno e quello interno. Il modello di membrana considerato attualmente valido risale al

1972 (Singer e Nicolson) ovvero il modello a mosaico fluido. Tale modello considera la membrana

come un mosaico di proteine incluse in modo discontinuo in un doppio strato lipidico fluido, entità

globulari separate che si collegano alla membrana in base alla loro affinità con la porzione interna

idrofobica del doppio strato lipidico. In base alla differenza natura della connessione con il doppio

strato lipidico fluido si distinguono tre classi di proteine di membrana:

- le proteine integrali: sono immerse nel doppio strato lipidico e quindi lo attraversano

completamente. Hanno struttura ad α-elica con siti interni ed esterni. Rappresentano il 20-30%

di tutte le proteine codificate e soltanto queste proteine possono funzionare su entrambi i lati del

doppio strato lipidico o trasportare molecole attraverso quest’ultimo.

- le proteine periferiche: sono completamente collocate all’esterno del doppio strato. Si legano

alla membrana con legami non covalenti. Hanno un rapporto dinamico con la membrana. Sono

molto idrofile e quindi localizzate sulla superficie della membrana a contatto con le teste polari

dei fosfolipidi e/o alle porzioni idrofile di altre proteine di membrana.

- le proteine ancorate ai lipidi: sono localizzate all’esterno del doppio strato. Sono quindi idrofile e

legate, tramite legami covalenti, a molecole lipidiche immerse nel doppio strato. (inizialmente

non sono state considerate parte del modello a mosaico fluido ma vengono ora riconosciute

come una terza classe di proteine)

L’orientamento e la posizione delle proteine in membrana dipende da come sono sintetizzate e

incorporate: le proteine periferiche della membrana interna sono sintetizzate dai ribosomi liberi e

raggiungono la membrana attraverso il citoplasma; le proteine integrali e periferiche esterne invece

sono inserite nel RER, impacchettate in vescicole e fuse in membrana.

Le proteine di membrana possono avere più funzioni come l’ancoraggio (sia alla matrice interna,

sia ai microfilamenti intracellulari), il trasporto passivo/attivo, l’attività enzimatica, la traduzione dei

segnali, il riconoscimento cellulare e la giunzione intracellulare.

La parte più fluida e dinamica, nonché passiva della membrana, è rappresentata dai lipidi: le

proteine galleggiano su questo strato.

Le classi principali dei lipidi di membrana sono tre:

- i fosfolipidi: sono i lipidi più abbondanti della membrana e, a loro volta, si differenziano in vari

sottoinsiemi tra cui i fosfogliceridi, derivanti dal glicerolo, e gli sfingolipidi, derivanti dalla

sfingosina.

- i glicolipidi: come indicato dal nome contengono carboidrati in aggiunta ai lipidi. Alcuni derivano

dal glicerolo ma molti sono derivati dalla sfingosina (glicosfingolipidi) tra cui cerebrosidi e

gangliosidi particolarmente abbondanti nelle membrane cellulari dei nervi e del cervello. Sono

collocati sul lato esterno.

- gli steroli: il più importante delle cellule animali è il colesterolo necessario per mantenere e

stabilizzare le membrane del nostro corpo. Diminuisce inoltre la permeabilità della membrana. Il

colesterolo può costituito fino al 50% dei lipidi di membrana delle cellule animali ma è totalmente

assente nelle pareti di cellule vegetali e batteriche. Il colesterolo è formato da una struttura a

quattro anelli (3 anelli a 6 atomi di carbonio - 1 anello a 5 atomi di carbonio), un gruppo -OH,

due gruppi metilici -CH3, una catena idrocarburica a otto atomi di C.

La fluidità della membrana, caratteristica fondamentale della membrana per processi cellulari

come il movimento, l’accrescimento, la divisione, l’esocitosi, ecc.., dipende dalla temperatura,

diminuendo quando la temperatura si abbassa ed aumentando quando invece la temperatura si

alza. Ogni doppio strato lipidico possiede una caratteristica temperatura di transizione T a cui

m

gelifica (congela) se raffreddato e diventa di nuovo fluido (fonde) se riscaldato. Questa

temperatura dipende dalla composizione lipidica della membrana, dalla maggiore presenza di acidi

grassi insaturi (bassa T ) e dalla maggiore lunghezza delle catene (bassa T ).

m m

La composizione di lipidi varia da membrana a membrana; essi sono distribuiti in modo

asimmetrico sui cui monostrati. Una delle proprietà più importanti dei lipidi di membrana è la loro

dinamicità: le molecole lipidiche si spostano in modo particolarmente veloce poiché sono molto più

piccole delle proteine, con un peso molecolare di circa 800 Da, in grado di percorrere la lunghezza

di una cellula batterica, circa pochi micrometri, in un secondo o meno. I lipidi possono ruotare su

se stessi, muoversi lateralmente o trasversalmente. Le proteine invece si muovono molto

lentamente a causa delle loro dimensioni (100-250 kDa) e per la loro interazione con il

citoscheletro sul lato interno della cellula. Le proteine si possono muovere casualmente in ogni

direzione oppure possono seguire delle direzioni precise, non casuali. Gli ostacoli che le proteine

incontrano durante il loro movimento sono rappresentanti da: movimenti di altre proteine,

citoscheletro e materiale extracellulare in cui si può impigliare la porzione esterna della proteina

stessa.

I carboidrati che compongono la membrana cellulare sono al 90% legati covalentemente con

proteine (—> glicoproteine) e il 10% con lipidi (—> glicolipidi). Sono rivolti verso l’esterno, al lato

opposto del citosol, e sono particolarmente brevi (meno di 15 residui monosaccaridi per catena).

Glicolipidi e glicoproteine formano rivestimenti superficiali (glicocalice); inoltre mediano le

interazioni tra cellula e ambiente, hanno siti di riconoscimento nelle reazioni antigene-anticorpo e

sono implicati nell’adesione intracellulari per la formazione di tessuti.

La membrana cellulare è anche considerabile come separatore tra i liquidi intra-extra cellulare. Per

+ + 2+

esempio il potassio K [intra: 140 extra: 4], il sodio Na [intra: 10 extra: 140], il magnesio Mg

2+ -

[intra: o.8 extra: 1,5], il calcio Ca [intra: < 0,01 (10-7) extra: 1,8] e il Cloro Cl [intra: 4 extra: 115].

TRASPORTI ATTRAVERSO LE MEMBRANE

La cellula necessita di una varietà di trasportatori attivi e passivi per svolgere le sue attività.

Esistono due principali tipi di trasporto:

PASSIVI —> Secondo gradiente di concentrazione come la diffusione facilitata (grazie all’uso

• di proteine: canali e trasportatori) e la diffusione semplice. Non vi è un consumo di ATP.

ATTIVI —> Contro gradiente di concentrazione come il trasporto attivo (primario e secondario)

• che invece sfrutta ATP.

La diffusione semplice riguarda il trasporto di molecole attraverso la membrana: le molecole che

attraversano la membrana devono dunque avere un’affinità con i lipidi. Dipende dalle dimensioni

cellulari, dall’area e dallo spessore della membrana, dalla composizione del doppio strato lipidico,

dal gradiente di concentrazione e dal coefficiente di partizione ovvero una semplice misura di

polarità (o apolarità) che consiste nel rapporto tra la solubilità di un soluto in un solvente organico,

come un olio vegetale, e la solubilità in acqua. Le molecole apolari sono molto permeabili nel

doppio strato lipidico. La diffusione semplice avviene in due fasi: nella prima fase la molecola

raggiunge lo strato lipidico mentre, nella seconda, si ha la diffusione della mollica nello spessore

della matrice lipidica.

Molte sostanze presenti nelle cellule sono però troppo grandi o troppo polari per poter attraversare

la membrana per diffusione semplice a velocità ragionevoli. Queste sostanze possono spostarsi

all’interno e all’esterno della cellula e degli organelli a velocità apprezzabili solamente tramite l’uso

di proteine di trasporto: si parla in questo caso di diffusione facilitata.

Tutte le proteine di trasporto coinvolte nella diffusione facilitata sono integrali di membrana con

alcuni, ma anche molti, segmenti transmembrana e che quindi attraversano la membrana più volte.

Dal punto di vista funzionale queste proteine si dividono in due gruppi: le proteine canale, le quali

formano attraverso la membrana canali idrofili che permettono il passaggio delle sostanze senza

cambiamenti di conformazione delle proteine, e le proteine carrier (o trasportatori) che invece

legandosi ad una o più molecole di soluto su un lato della membrana, subiscono un cambiamento

conformazionale. I canali ionici sono in grado di formare pori attraverso la membrana per creare un

percorso agli ioni e piccole molecole cariche; sono regolati da stimoli elettrici i canali a controllo di

voltaggio (variazioni di potenziale elettrico della membrana), stimoli meccanici per i canali a

controllo meccanico e stimoli chimici, i quali controllano i canali a controllo ligando (ormoni,

+ + 2+

neurotrasmettitori o messaggeri intracellulari). Sono altamente sensibili a ioni come Na , K , Ca e

-

Cl in quanto questi ioni sono molto differenti da un punto di vista elettrico e strutturale.

I canali ionici sono quindi controllati, ovvero possono essere aperti/chiusi ed attivati/disattivati, in

base a diversi stimoli. I canali ionici sono in grado di trasportare moltissimi ioni in pochissimo

tempo: in alcuni casi un singolo ione può convogliare quasi un milione di ioni in un secondo.

I canali ionici voltaggio-dipendenti sono formati da più subunità (α1, α2-δ, β, γ). La subunità α1 è

formata da quattro domini (I, II, III, IV) formati da 6 segmenti transmembranali (α-eliche).

+ 2+

Il segmento S4 è il sensore di potenziale e, per esempio nel caso dei canali del Na e Ca , i quali

mostrano forti analogie tra di loro (PM 200-250 KDalton) possiede gruppi positivamente carichi

(lisina e arginina). L’ansa S5-S6 (loop) controlla la selettività del canale.

La diffusione facilitata mediata da trasportatori di membrana (carriers): le proteine carriers sono

anche conosciute con il nome di permeasi, termine del tutto appropriato che segna anche una

certa analogia con gli enzimi (suffisso -asi). Il processo di diffusione facilitata infatti avviene come

in una reazione enzimatica dove si ha un legame iniziale del soluto (substrato) con il sito di legame

sulla proteina carrier (sito attivo) e il successivo rilascio del soluto trasportato (il “prodotto”) con un

complesso soluto-proteina (enzima-substrato) intermedio. Un’altra caratteristica che le proteine

condividono con gli enzimi è la loro specificità.

Quando la proteina carrier trasporta un singolo soluto si parla di uniporto mentre, quando due

soluti sono trasportati contemporaneamente, si parla di trasporto accoppiato. Il trasporto

accoppiato, a sua volta, è diviso in due sottoinsiemi in base alla direzione dei due soluti:

co-trasporto (o simporto) se i due soluti seguono la stessa direzione, contro-trasporto (o antiporto)

se i due soluti sono diretti in direzione opposta.

Il trasportatore di glucosio: GLUT

Il passaggio del glucosio all’interno di un eritrocita è un esempio di diffusione facilitata

attraverso la membrana plasmatica, mediato da una proteina carrier uniporto.

Esistono 5 tipi di trasportatori GLUT: il GLUT1 trasporta sodio-glucosio o sodio-galattosio

+

nelle cellule epiteliali intestinali utilizzando il gradiente Na ; il GLUT2 trasporta glucosio nella

membrana basolaterale e nelle cellule epatiche, renali e degli isolati pancreatici; il GLUT4 è

up-regolato dall’insulina nel m. scheletrico, cardiaco e nelle cellule adipose; il GLUT5 è un

trasportatore specifico per il fruttosio.

Il trasporto attivo riguarda il movimento di soluti contro gradiente di concentrazione e perciò

richiede sempre impiego di energia, solitamente l’idrolisi dell’ATP. Il trasporto attivo è

elettricamente sfavorito, cioè endoergonico, e si verifica solo quando è accoppiato ad un processo

esoergonico. Le proteine di membrana quindi non devono solamente badare al passaggio dei

soluti tramite membrana bensì anche accompagnare tale trasferimento ad una reazione

esoergonica. Il trasporto attivo svolge tre principali ruoli per la cellula e i vari organelli: come primo

aspetto permette l’assorbimento di sostanze nutritive; permette poi al materiale di scarto e ai

prodotti di rifiuto di essere rimosse anche quando la concentrazione esterna è più elevata di quella

interna e, infine, consente alla cellula di mantenere le concentrazioni intracellulari di ioni inorganici

+ + 2+ +

specifici tra cui K , Na , Ca , H . Le proteine di membrana coinvolte nel trasporto attivo sono

solitamente dette pompe. Il trasporto attivo è un processo unidirezionale.

Esistono due tipi di trasporto attivo: il primario, o diretto, dove il trasporto è direttamente collegato

ad una reazione esoergonica e il secondario, o indiretto, il quale dipende invece dal trasporto

simultaneo di due soluti in cui il movimento di uno secondo gradiente attiva il trasporto dell’altro

contro gradiente.

• + +

La pompa Na /K ATPasi + +

Spendendo una molecola di ATP entrano 2 ioni K ed escono 3 ioni Na . E’ ubiquitaria sulle

membrane cellulari ed elettrogenica, non simmetrica, in quanto questa pompa possiede una

+ +

direzionalità intrinseca. La pompa sodio/potassio è responsabile del gradiente ionico di Na e K ai

lati della membrana e contribuisce alla negatività potenziale di membrana.

La pompa è costituita da due subunità α e due subunità β che vanno a comporre una proteina

tetramerica transmembrana. Le subunità α presentano i siti di legame per l’ATP, per gli ioni sodio

sula lato citoplasmatico e per ioni potassio sul lato esterno alla membrana.

+

Tre ioni Na si legano alla proteina di trasporto che viene fosforilata da una molecola di ATP:

+

questo provoca un cambiamento di conformazione della pompa. I tre ioni Na vengono rilasciati

+

all’esterno della cellula e due ioni K vengono accolti dalla proteina carrier. A causa del rilascio del

fosfato (defosforilazione) la pompa subisce un nuovo cambio di conformazione e i due ioni

potassio vengono rilasciati nel materiale citoplasmatico.

Questa pompa mantiene i gradienti di sodio e potassio rispettivamente bassi all’interno e

+2

all’esterno. Richiede magnesio (Mg ) affinché funzioni in maniera corretta.

• + +

La pompa H /K ATPasi + +

A spese di una molecola di ATP (elettroneutra) entrano 4 ioni K ed escono 4 ioni H . E’ altamente

presente nelle cellule ossidriche dell’epitelio gastrico e permette la produzione di alte

concentrazione di HCl e il mantenimento di un pH basso a livello gastrico (pH = 2). Farmaci che

bloccano questa pompa, conosciuta anche con il nome di pompa protonica, inibiscono la

secrezione acida come gli antiulcerosi e i gastro-protettori.

• +

La pompa H ATPasi +

Questa pompa non scambia nulla in quanto, a spese di una molecola di ATP, escono 2 ioni H . E’

dunque ubiquitoria, unidirezionale. Serve a mantenere il pH intracellulare costante (pH=7.2).

• 2+

La pompa Ca ATPasi

Questo trasporto attivo primario ha caratteristiche di uniporto (un solo soluto) ed è rappresentato

2+

da due principali famiglie, le quali spendono 1 molecola di ATP per espellere 2 molecole di Ca .

La PMCA è presente sulla membrana plasmatica di tutte le cellule e preleva ioni calcio dal

materiale intracellulare per espellerlo al di fuori della membrana; la pompa SERCA invece preleva

il calcio dal materiale intracellulare per introdurlo a livello dei mitocondri e del reticolo endo/sarco

2+

plasmatico. Entrambe le pompe Ca hanno lo scopo di mantenere i livelli di calcio intracellulari

-7 -8

molto bassi (10 - 10 M) e di accumulare calcio nel reticolo endo/sarco plasmatico.

Il trasporto attivo secondario, o facilitato, trasporta molecole e ioni attraverso la membrana senza

richiesta diretta di ATP bensì sfruttando i gradienti ionici creati dai trasporti attivi primari. Possono,

+ -

per esempio, riprendere dal gradiente del Na o di altri ioni come il Cl .

+ 2+

I trasportatori attivi secondari Na -dipendenti, i quali trasportano glucosio, amminoacidi, ioni Ca e

+ +

H , possono muoversi nella stessa direzione del Na (simporto) oppure in direzioni opposta

(antiporto). I importi più conosciuti sono quelli del glucosio e degli amminoacidi mentre, tra gli

+ +

antiporti, ricordiamo il Na /K il quale contribuisce a mantenere il pH intracellulare e l’antiporto

+ 2+

Na /Ca che mantiene bassi i livelli del calcio intracellulare. [Il sodio comunque entra]

- 3-

E’ infine importante prestare attenzione all’antiporto Cl /HCO che ha la funzione di eliminare

bicarbonato, prodotto dalla cellula, sfruttando il gradiente del cloro. Questo antiporto si trova negli

3-

eritrociti, dove contribuisce a mantenere i livelli di HCO plasmatico; nelle cellule ossidriche

dell’epitelio gastrico per contribuire alla secrezione acida dello stomaco; nelle cellule del dotto

3-

pancreatico per arricchire il succo pancreatico di HCO e mantenere il pH basico (pH=8) ed infine

3-

nei tubuli renali dove contribuisce al riassorbimento di HCO dalle urine per poi basificare il

sangue. + 3-

CO + H O —> H CO —> H + HCO

2 2 2 3

IL SISTEMA DI ENDOMEMBRANE

Per comprendere a pieno le cellule eucariote è necessario conoscere il ruolo cruciale dei diversi

organelli ovvero i compartimenti intracellulari delimitati da una serie di membrane.

Il sistema di endomembrane è composto da: reticolo endoplasmatico (sintesi di lipidi e proteine

destinate alla membrana e agli organelli), apparato del Golgi (modifica delle proteine e dei lipidi),

endosomi (smistamento di materiale assunto per endocitosi) e lisosomi (degradazione).

Gli organuli del sistema di endomembrane scambiano materiale attraverso una rete di trasporto

formata da vescicole le quali si formano per gemmazione da un compartimento; esse seguono

precise direzioni per merito dei microtubuli ed infine si fondono con la membrana dell’accettore.

Il reticolo endoplasmatico (RE) è, come intuibile dal nome, una rete di sacche appiattite, tubuli e

vescicole associate che si estende in tutto il citoplasma delle cellule eucariote. I sacchetti delimitati

da membrana sono dette cisterne e, al loro interno, è racchiuso il lume. Il RE non è visibile al

microscopio ottico a meno che esso non sia messo in evidenza da un colorante o da una molecola

fluorescente. E’ composto da due tipi con diversa struttura e funzione: il RER (rugoso o ruvido)

caratterizzato dalla presenza di ribosomi e formato da grosse sacche appiattite e il REL (liscio)

così definito a causa della totale assenza di ribosomi e composto da strutture tubulari.

Entrambi i due tipi di RE sono presenti nella maggior parte delle cellule eucariote ma la loro

estensione varia da cellula a cellula; cellule coinvolte nella biosintesi di proteine destinate alla

secrezione, come le cellule del fegato e quelle che producono enzimi digestivi, possiedono grandi

quantità di REG mentre cellule che producono ormoni steroidei come le ovaie e i testicoli

possiedono maggiormente il REL.

Ricapitolando il RER è composto da cisterne (sacche appiattite) in contatto con la membrana

esterna dell’involucro nucleare; è caratterizzato dalla presenza di rifossimo e tra le funzioni più

importanti ricordiamo la biosintesi delle catene polipeptidiche (assemblaggio e ripiegamento) e il

controllo di qualità (le proteine non correttamente assemblate, modificate e ripiegate sono

esportate dal RER e degradate nel citoplasma da complessi proteici: i proteasomi).

Il REL è invece un sistema di canali interconnessi per lo più poco esteso (ad eccezione del

muscolo scheletrico, i tubuli renali, le ghiandole endocrine); ha importanti utilizzi nella

detossificazione dei farmaci (idrossilazione: rendono i farmaci più solubili e quindi più eliminabili

aggiungendo gruppi ossidrili), nella biosintesi degli steroidi (testosterone, estrogeno, colesterolo e

cortisolo), accumulo di calcio nelle cellule muscolari scheletriche e cardiache e, infine, nel

metabolismo dei carboidrati (degradazione enzimatica del glicogeno mediante glucosio-6-

fosfatasi).

Un componente del sistema di endomembrane strettamente collegato al RE è l’apparato del Golgi

(dal nome del biologo italiano che per primo, nel 1898, descrisse questa struttura). Il complesso

del Golgi svolge un ruolo fondamentale nella maturazione/assemblaggio delle glicoproteine e dei

glicolipidi. E’ costituito da una serie di cisterne appiattite, delimitate da membrana, ed

interconnesse tra loro da tubuli. L’apparato del Golgi può essere diviso in due differenti “facce”: la

prima, la faccia cis (CGN = Cis Golgi network), più vicina al RE e con ruolo di smistamento, e la

faccia trans (TGN = Trans Golgi network) che direzione le vescicole di trasporto verso la

membrana o altre direzioni.

Non è ancora ben chiaro come le proteine siano in grado di muoversi attraverso l’apparato del

Goldi ma due sono i modelli che vanno per la maggiora:

- il modello delle “cisterne stazionarie” —> ciascun compartimento delle pile del Golgi è una

struttura stabile ed il movimento è mediato da vescicole navetta che si muovo dal RE ai

compartimenti del Golgi in direzione cis-trans, gemmando da una cisterna all’altra

- il modello di “maturazione delle cisterne” —> le cisterne sono strutture dinamiche che

gradualmente si trasformano in direzione CGN —> TGN (passando dallo stato di mediana

intermedia). Gli enzimi, quando non sono più necessari, tornano tramite vescicole ai

compartimenti di partenza.

In entrambi i modelli la faccia trans dell’apparato del Golgi produce vescicole o granuli contenenti il

materiale destinato a sedi diverse. L’apparato del Golgi dunque è considerabile come il “centro

postale” delle cellule eucariotiche.

Parte integrante del traffico vescicolare è rappresentata dalle vie di secrezione attraverso le quali

le proteine si muovono dal RE, attraverso il complesso del Golgi, fino alle vescicole e agli granuli di

secrezione che quindi scaricano i loro contenuti all’esterno della cellula. Esistono due differenti

secrezioni: la prima, detta secrezione costitutiva, dove alcune vescicole di secrezione, dopo la

gemmazione dal TGN, si muovono spontaneamente verso la membrana plasmatica e rilasciano il

loro contenuto per esocitosi senza alcuna regolazione o controllo da segnali extracellulari specifici

come, per esempio, il rilascio continuo di muco da parte delle cellule che rivestono l’intestino; e la

secrezione regolata caratterizzata da vescicole di secrezione che migrano verso la membrana con

la quale si fondono in risposta a segnali extracellulari come il rilascio di neurotrasmettitori, insulina

e zimogeni pancreatici).

Le due modalità di trasporto di materiale attraverso la membrana sono l’esocitosi (eso = fuori) e

l’endocitosi (endo = dentro); entrambi avvengono unicamente nelle cellule eucariote e sono

coinvolte nell’invio, riciclo e ricambio delle proteine di membrana.

Nell’esocitosi le proteine sequestrate all’interno di una vescicola vengono liberate all’esterno della

cellula quando la membrana della vescicola di secrezione si fonde con la membrana plasmatica.

Le cellule animali in questo modo secernono ormoni peptidici e proteici, muco, proteine del latte ed

enzimi digestivi. Sono previste 4 fasi: avvicinamento ed ancoraggio della vescicola alla membrana;

fusione delle membrane; formazione del poro di fusione e rilascio del contenuto con successiva

integrazione della membrana vescicolare a quella plasmatica.

Immagazzinamento e rilascio dell’insulina

L’insulina è sintetizzata nel RE in forma inattiva (proinsulina). La proinsulina è una proteina

prodotta nelle cellule β del pancreas e viene attivata, nelle vescicole secretorie, mediante

tagli proteolitici (rimozione del peptide di connessione). L’esocitosi dell’insulina dalle cellule

β-pancreatiche avviene quando il livello plasmatico di glucosio aumenta.

L’endocitosi è invece il processo inverso per cui vengono internalizzate sostanze, solubili o legate

a recettori di membrana, mediante l’invaginazione della membrana plasmatica.

La membrana inizialmente si invagina accogliendo il materiale extracellulare dunque la tasta inizia

a restringersi racchiudendo il materiale extracellulare. Una volta chiusasi completamente la

membrana forma una vescicola contenente il materiale extracellulare che, a sua volta, si stacca/

strozza dalla membrana plasmatica.

Esistono diversi tipi di endocitosi: la fagocitosi (fago = mangiare), la quale internalizza grosse

particelle o aggregati di macromolecole ( > 0,5 µm diamentro), parti di altre cellule o interi

microorganismi; la pinocistosi (pino = bere) che internalizza piccole quantità di liquidi e, infine,

l’endocitosi mediata da recettori la quale internalizza selettivamente recettori di membrana e

lignaggi associati.

L’endocitosi sottrae grandi quantità di membrana plasmatica compensate da eguali quantità

introdotte dall’esocitosi: in condizioni stazionarie quindi la composizione della membrana cellulare

dipende dall’equilibrio di endo-esocitosi.

La pinocitosi internalizza piccole quantità di fluido attraverso la formazione di claveole (clattrina-

indipendente) o di vescicole ricoperte di clatrina (clatrina-dipendente). E’ anche chiamata

endocitosi in fase fluida. Le claveole sono invaginazioni della membrana plasmatica formate da

lipidi rafts (isole con specifico contenuto di colesterolo e lipidi) e caveolina (proteina integrale di

membrana).

L’endocitosi mediata da recettore è il processo per cui le cellule possono ingerire certi materiali

solubili o in sospensione. Questo processo è anche detto endocitosi clatrina-dipendente.

Per questo processo sono necessari particolari recettori che si trovano sulla superficie esterna

della membrana. Il processo comincia con il legame di specifiche molecole, i ligandi, ai loro

rispettivi recettori. Appena i complessi recettore-ligando diffondono lateralmente nella membrana,

essi incontrano regioni specializzate dell’involucro plasmatico, le fossette rivestite, che funzionano

come siti per la raccolta di tali complessi (in una cellula tipica di un mammifero le fossette rivestite

occupano circa il 20% della superficie totale). L’accumulo di complessi recettore-ligando nelle

fossette rivestite comporta un accumulo di proteine addizionali (proteina adatttrice, la clatrina e la

dinamina) sulla faccia interna della membrana, necessarie per l’incurvatura e l’invaginazione della

fossetta. La strozzatura continua finché la vescicola rivestita non si stacca completamente. Ora il

rivestimento di clatrina viene rilasciato, tornando disponibile insieme alle altre proteine di

rivestimento e la dinamina. La vescicola non più rivestita è libera di fondersi con un endosoma

precoce.

Endocitosi CLATRINA-Dipendente

Le vescicole endocrine sono circondante da reticoli composti da clatrina (dal greco “reticolo”)

e da una proteina adattatrice (AP). Clatrina ed AP formano reticolati proteici poligonali.

In una soluzione leggermente acida i complessi ci clatrina si assemblano portando alla

formazione di gusci vuoti (gabbie di clatrina) che comprendono unità pentagonali ed

esagonali. La facilità di assemblaggio/disassemblaggio è una caratteristica importante.

La clatrina si associa (via adattina) ai recettori di membrana: il recettore (cargo receptor) lega

una specifica molecola, il cargo. La latrina forma dunque un rivestimento che incapsula una

regione di membrana e, con l’aiuto della dinamina, la fossetta rivestita si strozza e da origine

alla mescola endocitica.

L’esocitosi avviene grazie all’interazione di due famiglie di proteine: i recettori SNAP della

vescicola (v-SNARE) e i recettori SNAP bersaglio (=target) della membrana (t-SNARE).

t-SNARE e v-SNARE sono proteine compelmentari che assieme a proteine di ancoraggio

permettono l’avvicinamento, la fusione e l’apertura della vescicola sulla membrana cellulare.

Il lisosoma è un organello del sistema di endomembrane che contiene enzimi digestivi capaci di

degradare tutte le principali classi di macromolecole biologiche come lipidi, carboidrati, acidi

nucleici e proteine. Questi enzimi idrolitici degradano materiale extracellulare introdotto con

l’endocitosi e digeriscono strutture e macromolecole intracellulari non più necessarie o mal

funzionanti (autofagia). I lisosomi variano notevolmente di forma e dimensioni ma hanno

generalmente un diametro di 0,5 µm. Come il RE e il complesso del Golgi, sono circondati da una

+

membrana. Pompe protoniche (H -ATPasi), presenti sulla membrana del lisosoma, mantengono

un ambiente acido (pH = 4,0 - 5,0): gli enzimi idrolitici (idrolasi acide), i quali provengono dal RE e

sono selezionati dal TGN, operano infatti ad un enzima ottimale acido.

Come si formano i lisosomi?

I lisosomi si formano a partire dagli endosomi: gli endosomi precoci si formano dalla fusione di

vescicole provenienti dal TGN e di vescicole originate dalla membrana plasmatica (endocitosi).

L’endosoma precoce nel tempo matura e si trasforma in endosoma tardivo, un organello che

presenta un corredo completo di idrolasi acide ma non presenta ancora attività digestiva.

L’endosoma tardivo infine diventa lisosoma quando il pH del lume dell’endosoma scende a pH 4,0

+

- 5,0 grazia all’intervendo di una pompa H -ATPasi.

LA RESPIRAZIONE AEROBICA: Il Mitocondrio

La respirazione cellulare non è altro che un flusso di elettroni, attraverso o all’interno di una

membrana, a partire da coenzimi ridotti fino a un accettore di elettroni, di solito accompagnato

dalla produzione di ATP. Tra i vari accettori ricordiamo: il NADH, il FADH e il coenzima-Q i quali

ricevono elettori rimossi da substrati organici ossidabili e li trasferiscono all’accettore finale,

l’ossigeno (la sua forma ridotta è l’acqua), producendo ATP.

L’ossigeno (O ) serve per ossidare molecole organiche che contengono carbonio come i

2

carboidrati, gli acidi grassi e le proteine, e ricavarne energia chimica sotto forma di ATP e GTP,

molecole in grado di cedere energia e facilitare reazioni non spontanee. Le riserve di ATP nelle

cellule sono limitate e alcuni tessuti che sfruttano molta energia (tessuto muscolare, cervello e

cuore) hanno un’autonomia di pochissimi minuti: per questo la richiesta di O è costante ed

2

indispensabile per l’organismo.

A questo punto è doveroso parlare dei mitocondri, organuli cellulari sede della maggior parte della

produzione aerobia di ATP nelle cellule eucariote.

Questi organelli di forma allungata sono considerabili come la “centra elettrica” delle cellule

eucariote in quanto essi rappresentano la principale fonte di ATP che viene utilizzata per il

metabolismo aerobico.

Il ruolo del mitocondrio di soddisfare la richiesta di ATP si riflette spesso nella posizione che questo

organello occupa all’interno della cellula: spesso i mitocondri sono raggruppati in regioni cellulari

con la più intensa attività metabolica ovvero dove è maggiore la richiesta di energia (muscoli,

cuore, coda degli spermatozoi, ciglia e flagelli). I mitocondri appaiono solitamente come strutture

ovali, a forma di salsiccia, di uno o più micrometri di lunghezza ed un diametro di circa 0,5-1,0 µm.

I mitocondri sono distribuiti e sparsi all’interno della cellula e sono in grado di unirsi, formando un

continuo, e di cambiare forma (fondersi e separarsi) in base all’attività cellulare.

La struttura dei mitocondri è caratterizzata dalla presenza di una doppia membrana, una interna ed

una esterna separate dallo spazio intermembrana. La membrana esterna non costituisce una

barriera di permeabilità significativa per gli ioni e le molecole perché contiene delle proteine canale

transamembrana, dette porine, che permettono il passaggio di soluti con pesi molecolari fino a

5000 Da. Per la presenza delle porine lo spazio intermembrana del mitocondrio è connesso al

citosol per quanto riguarda i piccoli soluti. La membrana interna rappresenta invece una

membrana di permeabilità rendendo quindi lo spazio intermembrana e la matrice mitocondriale

(all’interno dell’organello) due compartimenti separati. Le membrane sono spesse ciascuna 7 nm e

sono separate, normalmente, da altri ulteriori 7 nm rappresentati dallo spazio intermembrana.

La membrana interna dei mitocondri presenta inoltre moltissime invalidazioni, chiamate creste, che

aumentano la superficie complessiva; sulle creste sono localizzate proteine di trasporto per

elettroni, accumulo di protoni e la sintesi di ATP (ATP-asi). Il numero di creste è direttamente

proporzionale all’attività respiratoria delle cellule: per esempio, cellule del cuore, del rene e dei

muscoli, le quali hanno un’elevata attività respiratoria, sono caratterizzate da mitocondri con un

elevato numero di creste. L’interno del mitocondrio è riempito da una matrice semifluida

contenente enzimi, molecole di DNA e di RNA (ribosomi).

L’ATP (Adenosintrifosfato) è una molecola ad alto valore energetico che viene utilizzata nelle

cellule per svolgere funzioni vitali. E’ sintetizzata a partire dall’ADP secondo la reazione:

ADP + P —> ATP

La sintesi di ATP avviene attraverso l’ossidazione del glucosio all’interno della cellula in due modi:

la glicolisi, la quale avviene le citoplasma e porta alla formazione di 2 ATP, e la fosforilazione

ossidativa, nei mitocondri, che porta ad un riscontro di massimo 36 ATP (o 34 o 36).

L’ATP è richiesta per: generare differenze di potenziale ai lati della membrana cellulare; generare

gradienti ionici stabili tra l’interno e l’esterno; portare avanti reazioni che richiedono energia

metabolica; per la contrazione muscolare (cuore, m. scheletrici e m. lisci) e, infine, per i cambi di

conformazione di proteine e segnali cellulari.

La glicolisi avviene in assenza di ossigeno (anaerobico), nel citoplasma, e il glucosio è catalizzato

a piruvato. La glicolisi per una molecola di glucosio produce 2 ATP, 2 NADH e 2 piruvato.

Il piruvato è poi trasportato all’interno dei mitocondri e il suo metabolismo da origine a 32-34

molecole di ATP attraverso il ciclo di Krebs più 2 molecole di ATP per fosforilazione diretta del ADP.

La fosforilazione ossidata avviene all’interno dei mitocondri in presenza di ossigeno (aerobico).

L’ATP prodotto nei mitocondri è poi trasportato nel citoplasma per scambio con l’ADP.

+ +

GLUCOSIO + 2NAD + 2 ADP + 2 P —> 2 PIRUVATO + 2 ATP + 2NADH + 2H + 2 H O

i 2

Nel processo della glicolisi una molecola di glucosio è scissa in 2 molecole a 3 atomi di carbonio

ciascuna (acido piruvico): le molecole di acido piruvico sono composti più ossidati rispetto al

glucosio, complessivamente meno ricchi di energia. Le 2 molecole di ATP sono utilizzate nella

fase di preparazione per rendere instabili e reattive le molecole, facilitando così la rottura dei

legami. Parte dell'energia liberata durante il processo è utilizzata per sintetizzare ATP.

L'ossidazione parziale del glucosio determina la riduzione di 2 NAD+. In condizione aerobi he il

NADH + 2H+ è trasferito nel mitocondrio dove è riossidato all'intero della catena respiratorio, di cui

l'ossigeno è l'acceleratore finale di elettroni, in questo caso il piruvato (acido piruvico) prodotto

passa nel mitocondrio dove è ulteriormente metabolizzato. In assenza di ossigeno invece sono

necessarie una o più reazioni di addizione che consentano la riossidazione del NADH + 2H+: nelle

fermentazioni il piruvato è trasformato in altre molecole.

Il piruvato è dunque trasportato nella matrice dei mitocondri ed è ossidato ad acetil CoA

dall’enzima piruvato deidrogenasi. L’acetil CoA (che si forma anche dalla ß-ossidazione

degli acidi grassi) entra nel ciclo degli TCA che inizi la conversione di una molecola di

ossalacetato in acido citrico (ciclo dell’acido citrico o ciclo di Krebs).

Ad ogni ciclo si formano: 2 CO , 3 NADH, 1 FADH e 1 molecola di ATP (X2 in quanto il

2 2

piruvato è presente due volte).

I coenzimi elettrodonatori: NAHD E FADH

2 + +

Il NADH esiste in due forme: la prima, NAD , e la seconda, NADH. Il NAD è ridotto a +

NADH durante la glicolisi e nel ciclo degli TCA (Acidi Tri-Carbossilici). Si ossida a NAD

-

cedendo due e ai trasportatori della membrana interna.

Il FAD si riduce a FADH nel ciclo dei TCA

2 - +

I trasportatori di membrana utilizzano l’energia degli e per trasportare ioni H dalla matrice

allo spazio intermembrana. Il gradiente protonico è poi utilizzato per sintetizzare ATP

dall’ATP-sintasi. +

La catena di complessi respiratori I, III, IV è in grado di trasferire 10 H nello spazio

1

intramembrana. Da 1 NADH + / O —> 3 ATP

2 2 -

Il complesso I è l’NADH deidrogenasi catalizza il trasferimento di 2e dall’NADH al CoQ

+

(trasporta 4 H ). +

Il complesso III è la citocromo b-c (trasporta 4 H ).

1 -

Il complesso IV è la citocromo c-ossidasi: ossida il citocromo c e trasferisce 2e di bassa

1 +

energia a / molecola di O per formare H O. (trasporta 2 H ).

2 2 2

Il FAD, rispetto al NADH, interviene dopo il I quindi fa un percorso più breve.

NADH —> 4 + 4 + 2 = 10/3 = 3 molecole di ATP

FADH —> 4 + 2 = 6/3 = 2 molecole di ATP

2

Nella catena dei trasportatori di elettroni i trasportatori sono disposti spazialmente in

ordine di potenziale redox crescente. Ogni trasportatore si riduce accettando elettrone dal

trasportatore precedente, che viene ossidato. Gli elettroni dunque passano da un

trasportatore all’altro perdendo energia. L’accettore finale è l’ossigeno che accetta elettroni

ad energie molto basse per ridursi ad acqua.

L’ATP-SINTASI

L’ultimo step della respirazione cellulare prevede la sintesi di ATP: all’interno del

mitocondrio l’ossidazione del glucosio (glicolisi + ciclo di Krebs) origina 2 molecole di ATP,

6 molecole di NADH e 2 di FADH capaci di cedere elettroni ad una catena di trasportatori.

2

I trasportatori sfruttano l’energia degli elettroni per trasportare protoni fuori dalla matrice e

creare un gradiente di protoni tra lo spazio intermembrana e la matrice. L’energia

elettrochimica del gradiente protonico è sfruttata per produrre ATP dall’enzima ATP-sintasi.

+

Il trasporto di ioni H da un lato all’altro della membrana interna è un processo elettrigenico

che crea una differenza di potenziale elettrico di membrana stabile (Ψ) dovuto alle cariche

negative che si creano all’interno della matrice contrapposte alle cariche positive

dell’esterno (Ψ = -180 mV). Il gradiente protonico inoltre genera una forza elettrochimica

(E ) di circa + 30 mV.

H

Ai capi della membrana interna esiste quindi una forza motrice protonica (p) che agisce

+

sugli H e che si ottiene calcolando la differenza tra Ψ ed E (p = Ψ - E ):

H H

+

p = (-180 -30) mV = -210 mV —> la forma motrice che spinge gli H ad entrare in matrice

L’ATP-sintasi è una proteina distribuita sulla membrana interna e sulle creste mitocondriali;

è rivolta verso la matrice e produce ATP dentro la matrice stessa. L’ATP è

successivamente trasportata nel citoplasma.

L’ATP-sintasi è formata da due componenti: una testa sfera F1 (sito catalitico) e una

sezione basale F0 all’interno della membrana cellulare. La testa F1 è composta da cinque

subunità: 3α, 3β, δ, γ, ε. L’anello 3α3β è il luogo della sintesi dell’ATP ed è immobilizzato

da δ che lo college a una subunità b di F0. La subunità mobile γ si estende lungo l’asse

centrale della testa alla base F0 (γ è in grado di ruotare).

La porzione F0 è composta da tre subunità: a, 2b, 10c (a e b sono statiche; c ruota). Nella

+

subunità a, legata alla membrana, è presente un canale attraverso cui fluiscono gli H

spinti dalla forza motrice protonica.

La subunità γ della testa F1 è formata da due α-eliche allungate e avvolte a spirale che si

estende come perno da F0 fino alla cavità centrale all’interno di F1. Questa subunità può

ruotare intorno al suo asse: le rotazioni sono discrete in senso antiorario con un angolo di

120°. Le subunità c della base F0 sono organizzate in circolo a formare un anello

+

attaccato alla subunità γ. Il movimento degli ioni H secondo gradiente crea una rotazione

dell’anello c. La rotazione di c è dunque trasmessa alla subunità γ.

1) +

l’H entra da un semicanale della subunità a a contatto con il materiale intermembrana

e si lega ad un sito aspartato (carica -)

2) +

un secondo semifinale di a, in contatto con la matrice, riceve un H legato con un

aspartato che ha compito un giro dell’anello

3) +

l’ H rilasciato diffonde nella matrice: in tal modo viene dissipato il gradiente protonico

per sintetizzare ATP

4) ad ogni giro completo dell’anello c vengono sintetizzati 3 ATP. Se c è composto da 10

+

subunità, ogni ATP richiede circa 3 H .

Processo di sintesi dell’ATP nei mitocondri

L’ATP sintetizzato all’interno della matrice è trasportato fuori dal mitocondrio (citoplasma)

dall’antiporta ATP4-/ADP3-. P e il privato entrano all’interno della matrice mediante un

i

+ +

angiporto H /P e H /Piruvato. Dei 10 H che vengono pompati fuori dalla matrice 3 sono

i [1 NAHD = 3 ATP ; 1 FADH = 2 ATP]

utilizzati per la sintesi di una molecola di ATP. 2

LA TRASDUZIONE DEI SEGNALI

I neuroni sono cellule eccitabili, specializzate nel generare e propagare potenziali elettrici

come segnali di comunicazione. Il corpo cellulare dei neuroni è simile a quello di qualsiasi

altra cellula: contiene un nucleo, detto soma, e praticamente tutti gli altri organelli cellulari.

In più rispetto alle altre cellule hanno delle estensioni o ramificazioni, chiamate processi,

che si differenziano in dendriti, i quali ricevono segnali, e in assoni che invece li

conducono. La maggior parte degli assoni è avvolta da una guaina di mielina discontinua

che isola il segmento di assone tra due nodi di Ranvier consecutivi. La giunzione tra due

cellule è detta sinapsi e può unire un assone e un dendrite oppure due dendriti. I neuroni

sono caratterizzati da una variabilità strutturale dove la forma del neurone stesso riflette la

sua funzione. Esistono infine tre grosse famiglie di neuroni: sensoriali, motori e

internenuroni.

Il potenziale di membrana è una proprietà fondamentale di tutte le cellule che risulta da un

eccesso di cariche negative da una parte della membrana plasmatica e da un eccesso di

cariche positive dall’altra parte. A riposo, una cellula, in genere ha un eccesso di cariche

negative all’interno e un eccesso di cariche positive all’esterno della membrana: il

potenziale elettrico che ne deriva è detto potenziale di membrana a riposo (V ). Il V può

m m

essere misurato ponendo due piccoli elettrodi, collegati ad un voltmetro, uno all’interno ed

uno all’esterno della cellula (i risultati sono espressi solitamente in mV). Il voltmetro misura

quindi il rapporto tra cariche negative interne e cariche positive esterne della cellula: dato

che all’interno della cellula esiste un eccesso di carica negativa si parla di potenziale della

membrana negativo a riposo. [Il valore di questo potenziale si aggira intorno ai -58 mV]

Alcune cellule, come quelle nervose e muscolari, presentano una proprietà caratteristica

detta eccitabilità elettrica; nelle cellule eccitabili alcuni tipi di stimoli possono indurre una

rapida sequenza di modificazioni del potenziale di membrana detti potenziali d’azione.

Il potenziale a riposo della membrana (V ) è sempre negativo e si aggira tra i -40/-100 mV.

m

Non varia se l’elettrodo penetra più profondamente all’interno della membrana (uniforme)

ed è generato dall’apertura di canali ionici selettivamente permeabili ad una specie ionica

e dai gradienti ionici mantenuti dai trasporti attivi. Il potenziale di riposo è più sensibile alle

+

variazioni di K rispetto ad altri ioni in quanto esso è altamente permeabile.

Il potenziale di membrana, nel caso in cui si parla di una membrana permeabile solo ad

una specie ionica X, è misurabile con la formula di Nernst: E = RT/zF ln[x] /ln[x] .

x est int

RT/zF è una costante e vale circa 25 mv. La formula di Nernst può essere anche definita

come: E = 58 mV log[x] /log[x] ovvero trasformando i logaritmi naturali in logaritmi

x est int

decimali. [25 x 2,3 = 58]

Per esempio nel caso di una membrana permeabile solo al K+ in cui K = 100 mM e

int

K = 10 mV, essa avrà un potenziale di: E = -58 log 0.01/0.1 = -58 mV.

est x

Nel caso in cui la membrana sia permeabile simultaneamente a due o più specie ioniche

l’equazione di Nernst non è più applicabile bensì

entra in gioco l’eq. di Goldman che permette di

calcolare V con i coefficienti di permeabilità P degli

m x

ioni permeabili. Nel caso in cui il P >> P allora la

k Na

Vm sarà circa -90 mv mentre, nel caso contrario, P >> P sarà di +63 mV.

Na k

In questa equazione si usano le permeabilità relative per evitare di dover calcolare quelle

assolute. +

I canali del Na V-dipendenti sono in grado di cambiare conformazione in base al

potenziale: sono chiusi a potenziali molto negativi (-70/-60 mV) durante i quali sono aperti

quelli del potassio: una piccola percentuale inizia ad aprirsi intorno ai -35 mV (potenziale

soglia) per poi aprirsi definitivamente a potenziale maggiori di 0 mV. Questo genera i

potenziali d’azione.

Origine e propagazione del PA

Il potenziale di membrana della cellula è regolato da un equilibrio di gradienti ionici e di

permeabilità agli ioni. La depolarizzazione della membrana altera questo equilibrio

portando la membrana l potenziale di soglia. Oltre il potenziale di soglia il neurone va

incontro a rapide modificazioni delle proprietà elettriche e di permeabilità ionica che

generano un potenziale d’azione ovvero un processo breve ma ampio di depolarizzazione

e ripolarizzazione della membrana plasmatica del neurone. Raggiunto il potenziale di

soglia si attiva un alto numero di canali del sodio e il potenziale di membrana balza verso

l’alto. Quando il potenziale di membrana ha raggiunto i massimi livelli ha inizio la rapida

fase di ripolarizzazione dovuta all’inattivazione dei canali del sodio associata all’apertura

del canali voltaggio-dipendenti del potassio. La cellula si ripolarizza man mano che il

potassio fuoriesce.

La propagazione del PA lungo un assone non mielinizzato si ha ad una velocità di circa

5-20 m/s senza cambiare forma ed ampiezza (non perde intensità).

Nelle cellule umane è presente la mielina che funge da isolante termico e permette di

raggiungere velocità elevate di circa 20-80 m/s. L’assone è circondato, circa 25 volte, da

una guaina mielinica formata da oligodendrociti (neuroni centrali) e cellule di Schwann

(neuroni periferici). Ogni 1-1,5 mm la guaina è interrotta e si notano 2-3 micrometri di

membrana scoperta (nodi di Ranvier) dove sono presenti alte densità di canali del sodio. Il

PA saltano da un nodo all’altro lungo l’assone mielinizzato piuttosto che spostarsi in

maniera continua come un’onda lungo la membrana (assenza di mielina). Questa

propagazione, più rapida, è detta propagazione saltatoria. La perdita di mielina porta a

gravissime patologie come la sclerosi multipla.

La trasmissione sinaptica

Le cellule nervose comunicano fra loro a livello della sinapsi. Esistono due principali tipi di

sinapsi: elettrica e chimica. In una sinapsi elettrica l’assone di un neurone, detto neurone

presinaptico, è collegato ai dendriti di un’altra cellula, il neurone post sinaptico, mediante

giunzioni comunicanti che permettono il passaggio di ioni e piccole molecole in maniera

bidirezionale. La trasmissione è rapidissima (0.1 ms). Quando gli ioni passano da una

cellula all’altra la depolarizzazione di una cellula diffonde passivamente nella cellula ad

essa collegata.

La sinapsi chimica invece non prevede la connessione tra i neuroni pre-postsinaptici: la

membrana presinaptia è separata dalla membrana postsinaptica da uno spazio di circa

20-40 nm detto intervallo sinaptico. Perché avvenga la trasmissione il segnale elettrico

deve essere convertito in segnale chimico. I messaggeri chimici sono i neurotrasmettitori,

impacchettati in vescicole del bottone sinaptico del neurone presinaptico.

Un potenziale d’azione presinaptico giunge al terminale e stimola la secrezione del

neurotrasmettitore e la sua diffusione nell’intervallo sinaptico. Le molecole di

neurotrasmettitore quindi si legano a proteine specifiche inglobate nella membrana del

neurone postsinaptico (recettore) riconvertendo il segnale da chimico ad elettrico. In base

al tipo di sinapsi possono attivare o bloccare la stimolazione di un PA nel neurone

postsinaptico. La sinapsi elettrica accumula un ritardo (0,3-1,5 ms) ed è unidirezionale.

Esistono due tipi di recettori postsinaptici i quali possono agire direttamente o

indirettamente sui canali ionici postsinaptici causano depolarizzazione o inibizione:

l’azione diretta è affidata ai recettori ionotropi (canali) mentre l’azione indiretta è tipica dei

recettori metabotropi (sfruttano segnalazioni cellulari).

Un neurotrasmettitore è definito eccitatorio se induce la depolarizzazione del neurone

postsinaptico oppure inibitorio se invece induce l’iperpolarizzazione della cellula.

I recettori post-sinaptici: il nicotino

Un esempio di recettore postsinaptico è il recettore nicotinico (muscoli scheletrici e neuroni

centrali), un canale attivato dall’acetilcolina (ACh). Essendo un canale è quindi un recettore

ionotropo formato da 5 subunità (2α, β,γ,δ). Poiché le subunità sono 2 è necessaria la

presenza di due molecole di acetilcolina (ACh) per attivare il recettore.

Il recettore-canale aperto è permeabile al Na+ il quale induce depolarizzazioni, tipico delle

sinapsi eccitatorie.

L’integrazione sintetica è alla base di tutte le funzioni del cervello (cognitive, sensoriali e

motorie). Sul soma e sui dendriti dei neuroni centrali si formano un numero elevato di

sinapsi inibitorie (iperpolarizzano) ed eccitatore (depolarizzano). I segnali eccitatori e

inibitori vengono integrati, ovvero sommanti algebricamente, a livello dendritico e

somatico. Se a livello del monticolo assonico la somma algebrica, spaziale e temporale,

raggiunge la soglia di attivazione si genera un PA che si propaga lungo l’assone, in caso

contrario (somma minore della soglia di attivazione) nessun PA viene generato.

I segnali chimici e i recettori

Tutte le cellule possiedono la capacità di ricevere e rispondere a specifici segnali chimici

provenienti dall’ambiente esterno. Le cellule genere dunque segnali che vengono

riconosciuti da recettori presenti sulle superfici di altre cellule.

Le molecole di segnalazione vengono spesso classificate in base alla distanza tra il loro

sito di produzione e il bersaglio su cui agiscono. Alcuni messaggeri, come gli ormoni,

agiscono su grandi distanze, altri invece, come i paracrini (para, vicino) con distanze molto

brevi sino a giungere agli autocrini i quali agiscono sulla cellula stessa che li genera.

La risposta del segnale, ovvero la sua trasduzione, è mediata dall’attivazione di recettori di

membrana o di recettori intracellulari. Ligandi di natura idrofilica (peptidi, molecole

idrosolubili) hanno recettori di membrane mentre i ligandi idrofobici (ormoni steroidei e

molecole liposolubili) possiedono recettori intracellulari.

Un solo recettore può attivare vie diverse oppure recettori diversi, attivati da ligandi

differenti, possono attivare la stessa via intracellulare ed, infine, due ligandi diversi

possono andare ad attivare vie che interagiscono tra loro (una regola l’altra).

In seguito all’interazione con il suo ligando, il recettore si modifica e induce a sua volte

modifiche dell’attività cellulare. Il recettore è quindi in grado di scatenare all’interno della

cellula una serie pre-programmata di eventi. La parola pre-programmata permette di

capire che la cellula ha a disposizione un repertorio di funzioni molto più ampio di quelle

attive in ogni determinato momento: alcune di queste non vengono utilizzate fino al

momento in cui la cellula riceve un determinato segnale in grado di attivarle.

Bastano piccole quantità di messaggero per indurre una forte risposta cellulare: si parla in

questo caso di amplificazione del messaggio. Per esempio piccole quantità di adrenalina

sono in grado creare una cascata di eventi all’interno delle cellule per la produzione di

glucosio nel fegato: una singola molecola di adrenalina stimola la produzione di centinaia

di milioni di molecole di glucosio a partire dal polimero di glicogeno.


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saracut

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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in farmacia (a ciclo unico)
SSD:
Università: Torino - Unito
A.A.: 2016-2017

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher saracut di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Biologia animale e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Torino - Unito o del prof Carbone Emilio.

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