La membrana plasmatica e i trasporti attraverso la membrana

Il colesterolo

Il colesterolo presenta un gruppo ossidrile polare sul primo cicloesano, mentre il resto della molecola è apolare, idrofobica e affine alle code degli acidi grassi. Quando deve inserirsi nello strato di membrana fa sì che l'OH si inserisca tra le teste polari, mentre il resto si infila tra le catene dei fosfolipidi. Il colesterolo partecipa a determinare la fluidità di membrana. Tanto è maggiore la concentrazione tanto più la membrana è rigida, compatta e impermeabile.

Proteine di membrana

Nella membrana abbiamo vari tipi di proteine che possono essere intrinseche, o estrinseche alla membrana. Si dividono in transmembrana quando passano all'interno della membrana, con una porzione che sporge al difuori e una che sporge nel citosol, o periferiche, legate ai lipidi, citosoliche o extra membrana. Le proteine che si trovano dentro la membrana possono ruotare: questo si è scoperto dalla fusione di una cellula umana e da una

cellula di topo. Inizialmente le proteine erano nettamente divise e marcate con degli anticorpi colorati, ma una volta incubate a 37 gradi (temperatura a cui vive la cellula) le proteine si miscelano tra loro.

GLICOCALICE

Il glicocalice è la parte dei glucidi che riveste la membrana. Sono solo sul lato esterno della membrana e costituiscono una sorta di protezione della membrana della cellula. Sono inoltre in grado di assorbire acqua rendendo scivolosa la membrana e favorendo il movimento della cellula. Il glicocalice svolge un ruolo fondamentale nel riconoscimento e nell'adesione cellulare. Il glicocalice è quindi un involucro che distingue cellule specializzate e media l'interazione cellula-cellula. I lipidi presenti nella membrana plasmatica possono legare catene di zuccheri generando così i glicolipidi; le proteine della membrana plasmatica possono legare brevi catene di zuccheri, ovvero oligosaccaridi, generando così glicoproteine.

I TRASPORTI

ATTRAVERSO LA MEMBRANA

Per capire come una sostanza può passare è necessario considerare la struttura e la natura chimica della membrana, da cui dipende il passaggio di molecole. La membrana plasmatica è una barriera semipermeabile perché sulla base della struttura chimica alcune molecole possono passare per diffusione semplice sulla base della loro natura chimica. Queste molecole sono molecole idrofobiche affini alla membrana per le code idrocarburiche (O2, CO2, N2, benzene, ma anche aldosterone e altri steroidi che pur essendo grossi sono idrofobici) o piccole molecole polari senza una carica netta (H2O, glicerolo, etanolo). Al contrario molecole polari più grandi senza carica netta o gli ioni non riescono a passare per diffusione semplice, perché non hanno affinità con la membrana.

I TRASPORTI ATTRAVERSO LA MEMBRANA

I passaggi delle varie molecole sono quindi:

• Diffusione semplice (molecole idrofobiche o piccole molecole polari)
Diffusione facilitata o trasporto passivo, (molecole idrofile o ioni), chiamata così poiché coinvolge delle proteine. Queste due procedono secondo gradiente di concentrazione ed elettrochimico, che tiene conto che ci sia la giusta differenza di concentrazione perciò avviene senza bisogno di fornire energia. Trasporto attivo, perché coinvolge proteine dette pompe e richiede energia, perché agisce controgradiente elettrochimico. Se si trasportano molecole polari si parla di proteine vettore, se si trasportano ioni di proteine ioniche. LA DIFFUSIONE SEMPLICE La diffusione sposta i soluti verso l'equilibrio, tendendo a formare una situazione con concentrazioni uguali in ogni punto e a formare un flusso particellare dalla zona di maggior concentrazione a quella di minor concentrazione, secondo il gradiente di concentrazione.

Questo trasporto si muovono:

• Molecole idrofobiche (O₂, CO₂, N₂, benzene, lipidi)
• Molecole polari ma piccole e senza carica netta (H₂O, glicerolo, etanolo)

La diffusione semplice:

• Non è selettiva;
• Non è saturabile;
• Porta all'equilibrio;
• Fa passare molecole che si possono dissolvere nella membrana.

L'OSMOSI

La diffusione semplice dell'acqua attraverso una membrana viene detta osmosi. La pressione osmotica è la pressione che si esercita ai due lati della membrana. La differenza di osmolarità fra interno ed esterno della cellula fa muovere l'acqua. L'osmolarità è definita come la concentrazione di soluti in una soluzione. Possiamo avere tre tipi di soluzione:

1. Isotonica, quando non c'è nessun movimento netto di acqua
2. Ipertonica, quando c'è un movimento di acqua verso l'esterno della cellula
3. Ipotonica, quando c'è un movimento netto di acqua verso l'interno della cellula
cellula-DIFFUSIONE FACILITATA

Le molecole che non attraversano il doppio strato lipidico perché idrofile effettuano il trasporto per diffusione facilitata, che avviene mediante l'utilizzo di trasportatori che impediscono che le molecole entrino in contatto con l'ambiente idrofobico. La diffusione facilitata è un trasporto passivo, che non necessita di energia ed avviene secondo gradiente elettrochimico. Con questo trasporto si muovono:

• Molecole idrofile: glucosio, amminoacidi, nucleotidi
• Ioni (che non possono attraversare per diffusione il doppio strato lipidico a causa della carica)

Le principali proteine che intervengono nella diffusione facilitata sono:

• Proteine trasportatrici o proteine vettore che si legano al soluto specifico e subiscono cambiamenti di conformazione per trasferire il soluto attraverso la membrana.
• Proteine canale (canali ionici) che formano un poro idrofilo per il passaggio del soluto nel doppio strato lipidico (passaggio degli ioni).

canali di solito sono chiusi, si aprono grazie a uno stimolo. Per molecole prive di carica la direzione del trasporto dipende dal gradiente di concentrazione che tiene presente la concentrazione. Per le molecole elettricamente cariche (ioni inorganici o organici) entra in gioco il gradiente elettrochimico. Dunque se passa uno ione devo considerare sia la differenza di carica che la concentrazione.

Nel primo caso passeranno un po' di particelle, nel secondo ne passeranno molte e a grande velocità, nel terzo ne passeranno meno perché la concentrazione è compensata dalla carica positiva.

Le conclusioni sono:

• A cavallo della membrana della maggior parte delle cellule c'è una differenza di potenziale elettrico, il potenziale di membrana.
• Il potenziale di membrana influenza il movimento transmembrana di tutte le molecole cariche (ioni).
• Il lato citoplasmatico della membrana plasmatica di solito ha un potenziale più negativo.

rispetto all'esterno. La forza elettrostatica spinge i cationi nella cellula e guida gli anioni fuori. Quindi, quando consideriamo la diffusione passiva di soluti carichi attraverso una membrana, due forze devono essere considerate:

• Il gradiente di concentrazione transmembrana
• La differenza di potenziale transmembrana

La driving force netta è il gradiente elettrochimico.

LE PROTEINE TRASPORTATRICI

Le proteine vettrici offrono siti di legame che possono essere occupati da molecole di forma corrispondente con riconoscimento specifico della proteina vettrice-ligando. Possono variare la loro conformazione in modo da aprirsi alternativamente sui due versanti della membrana. Il movimento è chiamato ping-pong e lega le molecole da trasportare sul lato dove sono presenti in maggior concentrazione. Le proteine carrier possono trasportare uno o due soluti, si parla quindi di uniporto o cotrasporto (quando una proteina vettrice trasporta più di un soluto). Il cotrasporto,

Tipico della pompa sodio potassio, può avvenire insimporto (i soluti passano nella stessa direzione) o antiporto (i soluti passano in direzioni opposte, pompa sodiopotassio).

I CANALI IONICI

I canali ionici sono proteine transmembrana che permettono il passaggio rapido di ioni secondo gradienteelettrochimico. Sono selettivi per un determinato ione, che deve avere carica e dimensione adatta a passare nelcanale. Fluttuano tra uno stato aperto ed uno chiuso e possono essere controllati da stimoli specifici.

Normalmente i canali ionici sono chiusi e si aprono quando è necessario che le cellule siano trasportate. Glistimoli che fanno sì che si aprano sono di tre tipi:

1. Canali a controllo di voltaggio, quando si modifica la differenza di potenziale, e i canali sensibili a questa variazione si aprono;
2. Canali a controllo di ligando, attivati da una cellula che si lega al recettore della proteina e ne permette l'apertura (come nel caso dell'acetil-colina).

ligando può essere all'interno o all'esterno della cellula;

Canali a controllo meccanico, quando la membrana della cellula subisce uno stimolo meccanico che porta all'apertura dei canali.

I trasportatori sono specifici, legano una sola classe di molecole o un piccolo gruppo di molecole correlate e seguono una cinetica di saturazione. La velocità dipende da un trasportatore: si può arrivare a un punto di saturazione in cui tutti i trasportatori sono impegnati.

TRASPORTO ATTIVO

I sistemi di trasporto attivo necessitano di una fonte di energia per poter trasportare le sostanze contro il proprio gradiente elettrochimico e dipendono dalla presenza di proteine vettrici dette "pompe". Alcune di queste legano e idrolizzano una molecola di ATP liberando l'energia per il trasporto. Queste pompe vengono chiamate ATPasiche e oltre a trasportare idrolizzano l'ATP per ricavare energia.

Il trasporto attivo avviene contro gradiente elettrochimico.

(contro gradiente di concentrazione e/o gradiente di carica). Deve essere accoppiato ad una fonte di energia di trasporto e abbiamo due diversi casi: - Trasporto attivo diretto: richiede energia e quindi viene accoppiato ad una reazione chimica esoergonica (Esempio, idrolisi di ATP) - Trasporto attivo indiretto: dipende dal trasporto simultaneo (cotrasporto) di 2 soluti, uno che si muove secondo gradiente, l'altro contro gradiente, sfruttando l'apertura del trasportatore. Può avvenire sia per simporto, sia per antiporto. Di solito uno dei due soluti è uno ione Na o H TRASPORTO ATTIVO DIRETTO E POMPA SODIO-POTASSIO L'interno e l'esterno della cellula dal punto di vista di concentrazione di soluti sono uguali, ma all'interno della cellula si trovano determinati soluti, all'esterno altri. Per esempio all'interno troviamo prevalentemente fosfati o potassio,