Membrane e trasporti passivi

H

OSMOLARITA’ (Osm/L): N particelle osmoticamente attive nelle quali un soluto si dissocia/L di

solvente

1 mole glucosio = 1 Osm

1 mole NaCl = 2 Osm

OSMOLALITA’ (Osm/kg): N particelle osmoticamente attive nelle quali n soluto si dissocia/Kg di

solvente

L’ambiente intracellulare è diverso da quello extracellulare:

Alcuni ioni sono divisi diversamente all’interno e all’esterno: il K+ è più concentrato all’interno

della cellula e il Na+ è più concentrato all’esterno.

Le cellule sono immerse nel liquido interstiziale che ha la stesa composizione ionica del

plasma (eccezione grosse proteine presenti solo nel plasma).

Il trasporto:

L’equazione generale del trasporto:

(i)

Il flusso di una sostanza in soluzione libera è direttamente proporzionale alla forza che lo

genera: Ji Ki Fi

= x (Eq di Teorell)

−1 −2

Ji = flusso = moli sec cm

Ki = costante di proporzionalità, dipende dalle caratteristiche del soluto (mobilità della

sostanza in esame, dimensioni etc)

Fi = forza motrice, è la forza che sposta una mole di materiale

⟹ Le forze coniugate e al flusso sono il lavoro compiuto per spostare una mole di soluto in un

tratto unitario di percorso (gradiente di percorso).

L’energia che si traduce in lavoro è:

- Parte dell’energia libera del sistema (trasporto passivo)

- È fornita dal metabolismo (trasporto attivo)

Le forze coniugate sono soprattutto forze dovute a gradienti di concentrazione:

Gradiente: differenza ai due lati della membrana di concentrazione

- Di concentrazione

- Elettrico

- Di temperatura

- Di pressione

Se l’energia che viene utilizzata dalle molecole per spostarsi è già posseduta dal sistema →

trasposto passivo

Se l’energia per trasportare le molecole è fornita dal metabolismo → trasporto attivo

Tutte le cellule fanno uso di trasporti attivi e trasporti passivi per controllare la concentrazione

di ioni soluti all’interno e all’esterno della membrana.

TRASPORTO PASSIVO:

- Le molecole utilizzano l’energia cinetica posseduta dalle molecole

- Le molecole si muovono secondo il loro gradiente chimico, elettrico o di pressione

A seconda di cosa devono trasportare i trasporti passivi si distinguono in 2 categorie:

1. Diffusione semplice (senza l’ausilio di proteine di trasporto)

2. Diffusione facilitata (con l’aiuto di proteine carrier)

DIFFUSIONE SEMPLICE:

Se metto una zolletta di colorante in un beker pieno d’acqua, le molecole della zolletta di

colorante si diffondono nell’acqua e la colorano = diffusione.

- Tutte le molecole o particelle in soluzione possiedono una energia cinetica: esse si

muovono casualmente, urtano tra loro e cambiano continuamente direzione, finché

raggiungono la stessa concentrazione in tutte le aree del beker.

- Il movimento di molecole da un’area ad alta concentrazione verso una a bassa è il

processo di diffusione.

- La diffusione è un movimento passivo

- La velocità è direttamente proporzionale al gradiente di concentrazione.

Proprietà della diffusione:

Ambiente 1 → extracellulare

Ambiente 2 → intracellulare

1. Se la regione che separa i due ambienti non crea impedimenti il trasporto sarà dalla

regione più concentrata ad una meno concentrata.

2. Più è grande la differenza di concentrazione e maggiore è la velocità delle molecole che

diffondono.

3. Questo processo è direttamente proporzionale alla temperatura ed inversamente

proporzionale alla dimensione molecolare.

=D [C

J x 1]

1−2

D = coefficiente di diffusione

=J −J

J = D x (C1-C2)

netto 1−2 2−1

4. La diffusione delle molecole procede fino a quando la concentrazione è uguale in

entrambi i lati della membrana. Quindi si raggiunge un equilibrio dinamico e il

movimento delle molecole continua senza spostamenti netti.

Le molecole si muovono solo se c’è un gradiente di concentrazione.

5. La diffusione è rapida a breve distanza e molto lenta su scala macroscopica.

Nelle membrane biologiche la situazione è diversa: la membrana biologica separa i due

compartimenti della cellula interno ed esterno. Solo le sostanze che possono attraversare il

centro lipidico di una membrana possono muoversi per diffusione.

Avviene in due fasi:

1) La molecola deve sciogliersi nel doppio strato lipidico (ripartizione olio/acqua)

2) Questo parametro è controllato dalla velocità di diffusione nella membrana biologica (la

velocità di trasporto aumenta proporzionalmente al coefficiente di diffusione D della

sostanza).

Es. Le molecole glicerolo ed uretano sono due molecole molto piccole ma hanno due

coefficienti di ripartizione molto diversi ⟹ la permeabilità dell’uretano è > della permeabilità

del glicerolo.

Legge della diffusione di Fick: permette di calcolare la velocità di diffusione di una

sostanza (J, flusso) quando sono note le concentrazioni inziali nei due compartimenti (C1 e

C2), e la permeabilità di una molecola attraverso la membrana.

Il flusso è > se è > la sua superficie di scambio.

C 1−C 2

−flusso =

flusso A D k

Flusso netto = (1−2) ( )

2−1 ΔX

2

D = ( /s) = RT/Nf →coefficienti di diffusione

cm

k → coefficiente di ripartizione olio/acqua

P (cm/s) = ADk / Δx → coefficiente di permeabilità

⟹ Flusso netto = P (C1-C2)

Velocità di diffusione in funzione della concentrazione del soluto:

Maggiore è il valore di P, maggiore è il flusso del soluto tra i

due compartimenti.

Flusso netto J=P(C1-C2)

Se C2 è nullo o molto basso J=P(C1)

Caratteristiche dei soluti:

Molecole che attraversano le membrane biologiche:

- Piccole molecole (H2O)

- Gas (O2, CO2, NO)

- Molecole liposolubili (ormoni steroidei, vitamina A, D, E, K)

Da questo meccanismo di trasporto sono escluse le molecole cariche (ioni), le piccole

molecole organici (aa, zuccheri).

La superficie di scambio (A)

Intestino: anatomicamente predisposto all’assorbimento: plichi, villi e microvilli amplificano la

superficie di assorbimento delle sostanze a livello dell’intestino.

Lo scambio di sostanze è direttamente proporzionale alla superficie di scambio.

Lo spessore di membrana (Δx):

In teoria, una membrana più spessa avrà una minore permeabilità poiché le molecole devono

percorrere una distanza maggiore per poterla attraversare; quindi meno è spessa più è

permeabile e più sarà la velocità di trasporto.

Il trasporto di gas per diffusione è tanto più efficiente quanto più ↑ l’area di diffusione e più ↓

lo spessore.

Forze che governano la diffusione semplice:

Gradiente: differenza (Δ) ai due lati della membrana

- Di concentrazione

- Elettrico

- Di pressione

- F = temperatura

DIFFUSIONE FACILITATA:

Ioni e piccole molecole organiche (amminoacidi, glucosio) per la loro natura insolubile

passano la membrana attraverso la diffusione facilitata, con l’aiuto di proteine

carrier/trasportatori o canali ionici.

- Canali ionici: mettono direttamente in contatto l’interno con l’esterno, sono proteine

integrali di membrana, creano una regione idrofila.

- Trasportatori o carrier: creano una regione idrofila che è alternativamente accessibile al

lato interno o al lato esterno (si aprono sul lato interno o sul lato esterno).

Canali ionici: proteine integrali di membrana che mettono in comunicazione l’ambiente

intracellulare con l’ambiente extracellulare creando un poro. Sono utili per il passaggio di

piccole molecole cariche (ioni).

Normalmente i canali ionici sono proteine multimeriche, e l’assemblaggio delle subunità porta

alla formazione del canale centrale.

In generale un canale è strutturalmente costituito da:

- Un vestibolo piuttosto largo dove accedono gli ioni che sono nella forma idratata;

- Un filtro di selettività, più stretto, che forma il poro vero e proprio che viene

attraversato dagli ioni in forma deidratata.

Gli ioni devono velocemente deidratarsi per potere permanere e, gli ioni deidratati si spostano

saltando da un sito all’altro in “fila indiana”.

Dal punto di vista funzionale i canali si distinguono in base alla:

1. Selettività:

- Canali ad elevata selettività: canali specifici per una sola specie ionica (Canali del

+¿ +¿

, Canali del )

¿ ¿

Na K

- Canali con selettività intermedia: canali cationici (selettivi per i cationi), canali anionici

etc.

In generale la selettività del canale è determinata dal tipo di carica (+ o -) che forma le

pareti del poro.

2. Modalità di attivazione:

- Canali aperti

- Canali a cancello: si aprono in risposta a segnali elettrici (potenziale di membrana),

chimici (ligandi intracellulari o extracellulari), meccanici, termici.

Gli ioni attraversano le membrane biologiche attraverso:

- Gradiente di concentrazione

- Gradiente elettrico a cavallo della membrana

⟹ cioè dal gradiente elettrochimico

Proteine carrier: proteine integrali di membrana che si legano a substrati specifici e li

trasportano attraverso la membrana cambiando conformazione.

Le molecole che vengono trasportate attraverso questi sistemi sono piccole molecole

organiche: amminoacidi, glucosio, nucleotidi, metaboliti.

Il trasporto è facilitato ma sempre secondo gradiente di concentrazione.

L’interazione con il ligando determina il cambio di conformazione del trasportatore, senza il

ligando, il trasportatore ritorna nella conformazione iniziale.

Proprietà del trasporto facilitato:

1. Saturazione: il flusso è proporzionale alla concentrazione del substrato fino a quando

tutti i trasportatori sono saturati.

2. Specificità: perché una molecola venga trasportata ci dev’essere un’interazione diretta

tra la molecola carrier e il substrato → legame altamente selettivo e specifico.

3. Competizione: per esempio il galattosio è un inibitore competitivo che si lega al

trasportatore GLUT nello stesso sito del glucosio e può essere trasportato al suo posto.

4. Possibilità di regolazione: le modificazioni post-traduzionali delle proteine quali

fosforilazioni possono modificare sia l’affinità della proteina carrier col substrato sia la

velocità di trasporto della molecola.

CONFRONTO TRA DIFFUSIONE SEMPLICE E FACILITATA:

[S ]

J x Equazione di Michaelis Menten

max

=

J +[S ]

K m

J = flusso