Biologia (primo esonero)

Inserendosi nello spessore delle membrane cellulari, il colesterolo aumenta la

compattezza del doppio strato molecolare lipidico, diminuendone la fluidità.

Fluidità della membrana:

- è determinata dalla sua composizione lipidica

- è diminuita dallo stretto impacchettamento delle code idrofobiche

- la lunghezza e il numero di legami determinano il grado di impacchettamento

- i doppi legami conferiscono rigidità

- minore temperatura diminuisce la fluidità

- le proteine diminuiscono la fluidità

Il sistema delle membrane cellulari

La membrana plasmatica è in continuità diretta o indiretta con un sistema complesso

di membrane, il reticolo endoplasmatico (RE), consistente in vescicole, cisterne e/o

tubuli che racchiudono cavità più o meno comunicanti tra loro e con l’ambiente

esterno. Il reticolo può essere rugoso o liscio a seconda che sia o no associato a

ribosomi.

Tutte le membrane della cellula hanno un’organizzazione strutturale simile,

riconducibile al modello unitario a mosaico fluido. Il termine “mosaico fluido” indica il

fatto che i fosfogliceridi del doppio strato molecolare sono inframezzati da proteine

singole e complessi proteici vari che ne attraversano l’intero spessore, affacciandosi su

ambedue i versanti della membrana stessa.

Il trasporto di ioni e molecole attraverso la

membrana plasmatica

La presenza di una regione idrofoba nello spessore del doppio strato lipidico rende le

membrane pressoché impermeabili alle molecole polari e agli ioni. Pertanto, per

entrare o uscire dalla cellula, ogni sostanza idrofila deve transitare attraverso

trasportatori specifici.

Le modalità di trasporto possono essere classificate in due grandi categorie: il

trasporto passivo e il trasporto attivo, a seconda che il trasferimento abbia luogo

secondo gradiente di concentrazione oppure contro il gradiente e quindi con

consumo di energia.

Il trasporto passivo:

Il termine “trasporto passivo” indica un trasferimento di una data sostanza attraverso

la membrana basato sulla diffusione.

La diffusione tra molecole d’acqua tra due compartimenti aventi diverse

concentrazioni ioniche è detta osmosi→ movimento netto di molecole d’acqua

attraverso una membrana a permeabilità selettiva. Tale fenomeno è di cruciale

importanza per l’integrità di tutte le cellule che devono sempre trovarsi in una

condizione di equilibrio osmotico o isotonicità con il proprio ambiente esterno.

Il trasporto passivo di sostanze attraverso la membrana può svolgersi secondo due

diverse modalità di base, la diffusione semplice e la diffusione facilitata.

La diffusione semplice rappresenta la modalità di ingressi nella cellula di molecole di

non costituisce una barriera.

soluto per le quali la membrana plasmatica Trattandosi di

una modalità di trasporto passivo, il movimento si svolge dal compartimento con

maggiore concentrazione di soluto a quello con concentrazione minore. Il

soluto passa in un qualunque punto del doppio strato sfruttando gli spazi che di volta

in volta si formano fra le code degli acidi grassi dei fosfogliceridi. Le molecole che

possono sfruttare questo meccanismo sono solitamente di piccole dimensioni e sono

apolari, quindi liposolubili.

La diffusione facilitata è distinguibile da quella semplice sulla base del criterio della

saturabilità. Infatti, nel caso delle molecole trasportate per diffusione semplice,

l’aumento della concentrazione della molecola in un dato compartimento è

proporzionale alla velocità di trasporto della molecola stessa attraverso la membrana.

Di contro, nel caso della facilitata, il progressivo aumento della concentrazione della

molecola in uno dei compartimenti separati dalla membrana raggiunge prima o dopo

un livello corrispondente alla completa saturazione dei trasportatori della membrana,

oltre il quale la velocità di trasporto non aumenta ulteriormente. L’unico modo che la

cellula ha di aumentare la velocità del trasporto oltre il punto di saturazione è di

aumentare il numero dei trasportatori stessi sulla membrana plasmatica.

Le proteine carrier legano il saluto da un lato della membrana e lo trasportano

dall’altro lato con un cambiamento di conformazione della proteina.

Le proteine canale formano pori idrofilici nella membrana attraverso cui certi ioni

possono diffondere.

I canali ionici rendono possibile il flusso transmembrana di uno specifico ione libero

secondo il gradiente elettrochimico. Pertanto i canali ionici sono sempre dei

trasportatori passivi, che mediano la diffusione facilitata.

Di particolare interesse per tutte le cellule, in particolare per i neuroni, sono le pompe

ioniche, sistemi di trasporto attivo dedicati in modo specifico al trasporto di ioni liberi.

Il trasporto attivo:

Si dice trasporto attivo il trasferimento di una data molecola dal compartimento in cui

quella sostanza ha concentrazione minore a quello in cui ha concentrazione maggiore.

Pertanto, il trasporto attivo si svolge contro il gradiente di concentrazione delle

concentrativo,

molecole stesse. Poiché il trasporto attivo è esso può svolgersi solo

grazie ad una spesa energetica ed è quindi sempre mediato da trasportatori capaci di

utilizzare direttamente una sorgente di energia chimica, come quella prodotta dalla

scissione dell’ATP in ADP (trasporto attivo primario). Altri trasportatori sfruttano

sorgenti di energia diverse, come il gradiente elettrochimico di uno ione (trasporto

attivo secondario).

I trasportatori di membrana:

Il termine trasportatore di membrana indica in modo generico una proteina che media

il trasferimento di molecole idrofile attraverso le membrane cellulari. I trasportatori

presentano sulla loro porzione esterna e/o interna una regione di riconoscimento

specifico (il sito di legame) della molecola o ione da trasportare. In conseguenza

dell’arrivo del soluto sul sito di legame, il trasportatore va incontro a una

modificazione conformazionale da cui consegue il trasferimento transmembrana

del soluto stesso.

Quando il trasporto coinvolge una sola sostanza, il trasportatore è definito con il

termine di uniporto.

Si parla invece di cotrasporto quando il trasporto di un dato soluto è accoppiato al

contemporaneo trasporto di un’altra sostanza. In particolare, il cotrasporto è di tipo

simporto quando il trasferimento di una data molecola si accompagna al

trasferimento della stessa direzione di un’altra. Viene invece detto antiporto quando

avviene in direzioni opposte.

I canali ionici:

Sono sistemi proteici che attraversano l’intero spessore della membrana e mediano il

trasporto passivo di ioni liberi mediante diffusione facilitata. Essi sono costituiti da una

singola proteina o da un complesso di proteine, dette subunità. Le varie subunità

formano nel loro insieme un complesso proteico che interagisce direttamente con i

lipidi della membrana, il cui interno è provvisto di un poro acquoso. Tale poro si apre

su entrambi i versanti della membrana, costituendo un varco che, quando aperto,

permette a specifici ioni di transitare dall’esterno all’interno della cellula o viceversa,

sotto la spinta del gradiente elettrochimico. Il significato funzionale dei canali è

quello di permettere alle cellule di variare la concentrazione intracellulare dei loro ioni

liberi a seconda del bisogno e quindi di modificare il loro potenziale di membrana a

riposo.

Un’importante proprietà dei canali è quella della loro selettività per un dato ione o

tipo di ioni. Tale proprietà dipende dalle specifiche caratteristiche strutturali ed

elettrostatiche del poro acquoso. Infatti l’imboccatura del poro è dotata di un filtro (o

anello) di selettività.

I canali regolano la loro apertura in corrispondenza di uno stimolo appropriato. Dopo la

loro apertura molti canali ionici vanno incontro a una modificazione conformazionale

consistente nell’occlusione del poro e nella momentanea incapacità del canale di

aprirsi nuovamente→ inattivazione o refrattarietà.

I canali vengono classificati sulla base della modalità di regolazione della loro

apertura:

- canali regolati dal potenziale di membrana: anche detti canali voltaggio-

dipendenti, conferiscono alle cellule eccitabili la capacità di variare in pochi

millisecondi il loro contenuto intracellulare di cariche elettriche rispetto all’esterno. Si

aprono solamente quando il potenziale di membrana della cellula si depolarizza,

raggiungendo un determinato valore, detto valore soglia del canale. Raggiunto tale

valore (percepito grazie al sensore del voltaggio), il canale va incontro a una

modificazione conformazionale da cui consegue l’apertura del poro acquoso, che

consente il transito transmembrana degli ioni. I canali voltaggio-dipendenti presentano

un alto livello di selettività nei confronti degli ioni che confluiscono attraverso di essi.

- canali regolati da ligando: anche detti recettori-canale o recettori ionotropi,

sono complessi proteici caratterizzati dalla presenza sulla loro superficie di una

regione specifica, detta sito recettoriale o sito di legame, corrispondente a una

“tasca” che accoglie e lega in modo stereospecifico una molecola di segnalazione,

detta ligando. L’incontro casuale tra la molecola del ligando e il suo sito di legame

porta alla formazione di un complesso recettore-ligando che è causa del

cambiamento conformazionale dell’intero recettore-canale e dell’apertura del poro

acquoso.

1. la formazione del complesso sito di legame-ligando dipende da un impatto

casuale del ligando con il sito stesso → la probabilità di formazione del complesso

sale all’aumentare della concentrazione del ligando nell’ambiente

il sito di legame può legare molecole diverse da quella del normale ligando

2. il complesso recettore-ligando è reversibile

3. una volta formatosi,

alcuni recettori-canale sono provvisti di siti di legame addizionali che

4.

riconoscono molecole diverse dal ligando → siti allosterici ai quali si legano

sostanze dette modulatori allosterici

Le pompe ioniche:

Mobilizzano gli ioni attraverso le membrane cellulari contro il loro gradiente

elettrochimico e quindi con un trasporto attivo effettuato grazie a una continua spesa

energetica.

La pompa sodio-potassio (Na⁺-K⁺):

È un sistema di trasporto attivo presente nelle membrane plasmatiche di tutte le

cellule del nostro corpo. Il suo funzionamento richiede il consumo del 25% dell’ATP

cellulare del nostro intero organismo in condizione di riposo. Nei neuroni tale

percentuale sale al 70% facendo sì che nel nostro cervello qualunque diminuzione

della disponibilità di ATP porti rapid