Struttura delle membrane biologiche e trasporto attraverso membrana

STRUTTURA DELLE MEMBRANE

• FUNZIONI

1. BARRIERA
2. IMPORTAZIONE/ESPORTAZIONE DI MOLECOLE/IONI
3. MECCANIERI (DEFORMAZIONE IN CASO DI ARRESTAMENTO CELLULARE)

STRUTTURA

• DOPPIO STRATO FOSFOLIPIDICO CHIUSO E AUTO SIGILLANTE (IN CASO DI LACERAZIONE)

FLUIDO BIDIMENSIONALE E FLESSIBILE ➔ FLIP-FLOP, ROTAZIONE, FLESSIONE, DIFFUSIONE

• FLUIDITÀ

• COMPOSIZIONE FOSFOLIPIDICA

• FRAP E SPT DIPENDONO

• NATURA DELLE CODE IDROCARBURE ➔ LUNGHEZZA E NUMERO DEI DOPPI LEGAMI

COLESTEROLO ➔ SE È TANTO LA MEMBRANA È RIGIDA AD ALTA TEMPERATURA E FLESSIBILE A BASSA TEMPERATURA

ASSEMBLAGGIO FOSFOLIPIDICO ➔ RETICOLO ENDOPLASMATICO (ASSEMBLAGGIO ASIMMETRICO, SOPRA E SOTTO).

• STATO CITOSOLICO

FOSFATIDILSERINA, FOSFATIDILETANOLAMINA, FOSFATIDILINOSITOLO, FOSFOINOSITIDI

• STATO NON CITOSOLICO

FOSFATIDILCOLINA, SFINGOMIELINA, GLICOLIPIDI ➔ GLUCERALE

• PROTEINE DI MEMBRANA

• INTEGRALI

• TRANSMEMBRANA

• ATTRAVERSANO LA MEMBRANA

• PERIFERICHE ➔ ASSOCIATE AD ALTRE PROTEINE

N.B. CANALI - PORI ➔ SERIE DI α ELICHE CHE ATTRAVERSANO LA MEMBRANA + AMMINOACIDI CHE PATENE I LATELLI SIA IDROFILE CHE IDROFOBE

A VOLTE PERÒ ANCHE COME β ELICHE ES. PORUNE

DETERGENTI ➔ ROMPONO LE INTERAZIONI IDROFOBE NELLA MEMBRANA ➔ STUDIO DELLE PROTEINE INTEGRALI ➔

• MOLECOLE AMFIPATICHE CON UNA SOLA CODA IDROFOBA CHE IN ACQUA SI AGGREGANO IN MISCELLE

ES. SODIO DODECIL SOLFATO, TRITON X-100

CODICE CELLULARE ➔ INTELAIATURA PROTEICA CHE COLLEGA LA MEMBRANA PLASMATICA ALLE PROTEINE TRANSMEMBRANA

➔ FA SOSTENERE E RAFFORZARE LA MEMBRANA ➔ ACTINA/MIOSINA/SPECTRINA

LE PROTEINE DI MEMBRANA HANNO UNA MOBILITÀ LIMITATA. PERCHÈ POSSONO ESSERE:

• ANCORATE AL CORTEX

• ANCORATE ALLA MATRICE EXTRACELLULARE

• LEGATE AD ALTRE PROTEINE DI UN'ALTRA CELLULA

• SEPARATE DA BARRIERE

CON SEGUENTE FORMAZIONE DI DOMINI IN MEMBRANA (REGIONI SPECIALIZZATE)

ES CELLULE EPITELIALI INTESTINALI

STRUTTURA DELLE MEMBRANE

FUNZIONI

• Barriera
• Importazione/esportazione di molecole/ioni
• Meccanier (deformazione in caso di appressimento cellulare)

STRUTTURA

• Doppio strato fosfolipidico chiuso e auto sigillante (in caso di lacerazione)
• Fluido bidimensionale e flessibile
  • Flip flop, rotazione, flessione, diffusione
• Fluidità - composizione fosfolipidica
• FRAP e SPT aiutano nello studio della fluidità delle membrane
• Colesterolo → se è tanto la membrana è rigida ad alta temperatura e flessibile a bassa temperatura

ASSEMBLAGGIO FOSFOLIPIDICO

• Reticolo endoplasmatico (assemblaggio asimmetrico, scambio lipasi → egual distribuzione dei fosfolipidi)
• Apparato di Golgi (flippasi) → asimmetria

STRATO CITOSOLICO

• Fosfatidilserina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilinositoli, fosfoinositoli

STRATO NON CITOSOLICO

• Fosfatidilcolina, sfingomielina, glicolipidi

LIPID RAFTS (zattere lipidiche)

• Regioni della membrana in cui si accumulano particolari proteine e lipidi

PROTEINE DI MEMBRANA

• Integrali
  • Transmembrana (elica α attraversano la membrana + aminoacidi apolari orientate laterali sia idrofile che idrofobe)
• Periferiche
  • Associate ad altre proteine

• NB. Canali - pori → serie di eliche α che attraversano la membrana
• A volte però anche βBARRE
• Detergenti → rompono le interazioni idrofobe nella membrana → studio delle proteine integrali
• Molecole anfipatiche in una sola doppio strato che in acqua si aggregano in micelle
• Es. sodio dodecilsolfato, triton X-100

CORTEX CELLULARE

• Impalcatura proteica che collega la membrana plasmatica alle proteine transmembrana
• Na sostiene e rafforza la membrana → actina - miosina - speterina
• Le proteine di membrana hanno una mobilità limitata perchè possono essere:
  • Ancora al cortex
  • Ancora alla matrice extracellulare
  • Legate a proteine di un'altra cellula
  • Separate da barriere
    • Con seguente formazione di domini in membrana (regione recintate),

PROTEINE DI TRASPORTO

1) TRASPORTATORI

2) CANALI - DIFFERENZIANO NEL MODO IN CUI SELEZIONANO E TRASPORTANO I SOLUTI

FANNO PASSARE SOLUTI CHE SI ADATTANO PERFETTAMENTE AI LORO SITI DI LEGAME -> VANNO INCONTRO A CAMBIAMENTI CONFORMAZIONALI

TRASPORTATORI PASSIVI

TRASPORTATORE DEL GLUCOSIO (MEGL. EPAITICi)

DIREZIONE DEL TRASPORTO DETERMINATA SOLO DAL GRADIENTE DI CONCEN.

MOLTO SELETTIVO -> LEGA SOLO IL D-GLUCOSIO

TRASPORTATORI ATTIVI

POMPE TRANSMEMBRANA

1. AUMENTATE DA ATP
2. TRASPORTATORI ACCOPPIATI
3. FONDI FOTOAUMENTATE

AUMENTATE DA ATP

POMPA Na⁺ ATP DIPENDENTE (È ANCHE UN ENZIMA!)

UTILIZZA L'ENERGIA SPRIGIONATA DALL'IDROLISI DELL'ATP

PER TRASPORTARE Na⁺ FUORI DALLA CELLULA E PORTARE CONTEMPORANEAMENTE K⁺ AL SUO INTERNO

Na⁺ LEGATO AL SITO DI LEGAME SULLA POMPA -> LEGATO ALLA POMPA

• IDROLISI DELL'ATP -> ENERGIA SPRIGIONATA CHE CAUSA UN CAMBIAMENTO CONFORMAZIONALE DELLA POMPA E L'USCITA DI Na⁺

K⁺ LEGATO AL SITO DI LEGAME DELLA POMPA

RIMOZIONE DI P -> RILASCIO CONFORMAZIONALE DELLA POMPA E INGRESSO DI K⁺

3 Na⁺ USCENTI -> 2 K⁺ ENTRANTI

FUNZIONI

1. GENERA ENERGIA POTENZIALE (DATO L'ALTO GRADIENTE DI Na⁺ MANTENUTO DALLA POMPA) UTILE PER IL TRASPORTO DI ALTRE SOSTANZE
2. MANTIENE L'EQUILIBRIO OSMOTICO DELLA CELLULA
3. MANTIENE IL GRADIENTE ELETTRICO AI LATI DELLA MEMBRANA

LA TOSSINA OUABAINA INIBISCE LA POMPA IMPEDENDO IL LEGAME CON K⁺ EXTRACELLULARE (FA AUMENTARE LA CONCENTRAZIONE DI Na⁺ INTRACELLULARE)

ATPasi DI (Ca²⁺)

BASSA CONCENTRAZIONE NEL CITOSOL

ALTA CONCENTRAZIONE NEL RETICOLO ENDOPLASMATICO, NEL SARCOPLASMA E NELLE MATRIX MITOCONDRIALI

QUANDO SI LEGA AD ALCUNE PROTEINE PRESENTI NELLA CELLULA NE ALZANO L'ATTIVITÀ:

• FOSFORILAZIONE NUCLEARE
• CONDIVISIONE TEMORALE
• RILASSOPI USEROLO

-> NELLA MEMBRANA PLASMATICA -> POMPA Ca²⁺ NELLO SPAZIO EXTRACELLULARE

-> NELLA MEMBRANA DEL RETICOLO ENDOPLASMATICO

POMPA Ca²⁺ NEL RETICOLO ENDOPLASMATICO

NB: UTILIZZA L'ATP PER FOSFORILARSI (CAMBIAMENTO CONFORMAZIONALE E RILASCIO DI ENERGIA) MA TORNA ALLA CONFORMAZIONE ORIGINALE SENZA LEGARE E TRASPORTARE UN SECONDO IONE (K⁺ NELLA POMPA SODIO-POTASSIO)

Assunzione di zuccheri e amminoacidi aumentata dal simporto di H⁺ che sfrutta il gradiente elettrochimico per protoni fra i due lati delle membrane

Membrana plasmatica di piante, funghi e batteri non ha pompe Na⁺ ma pompe H⁺

• Espellono ioni H⁺ dalla cellula determinando un gradiente elettrochimico e creando un pH acido nell'ambiente extrapellulare
• Piante e funghi vacuolo centrale = ATPasi protonica (H⁺ importati nell'organello)
• Animali lisosomi = ATPasi protonica (H⁺ importati nell'organello per rendere acido il pH)

1. Trasportatori accoppiati
   • Usano l'energia fornita dallo spostamento secondo gradiente di un soluto per realizzare il trasporto contro gradiente di un altro soluto
   • Simporto spostamento dei soluti nella stessa direzione e contemporaneamente
   • Antiporto spostamento dei soluti in direzioni opposte ma in due momenti diversi
   • Uniporto trasferimento attraverso la membrana di un solo tipo di soluto = no trasportatore accoppiato

1) Simporto glucosio - Na⁺ dominio apicale delle cellule epiteliali intestinali trasporto attivo

• Permette l'assorbimento di glucosio dal lume intestinale alle cellule epiteliali anche quando la concentrazione intracellulare di glucosio supera quella intestinale
• Na⁺ (gradiente elettrochimico elevato) quando entra nella cellula trascina con sé lo zucchero il cui legame al trasportatore è cooperativo quindi in assenza di uno dei due soluti l'altro non può legarsi
• Diffusione nei tessuti vicini
• Dominio basale e laterale uniporto passivo del glucosio

2) Scambiatore Na⁺ H⁺ antiporto utilizza l'afflusso di Na⁺ secondo gradiente per espellere dalla cellula ioni H⁺

• Dispositivo di una cellula si serve per monitorare il pH endosol e evitare che diventi troppo acido

3. Pompe fotoalimentate

Batteriorodopsina proteina trasportatrice contenente una molecola fotocorrispondente non proteica, il retinaldeide unita alle 7 eliche di transmembrana della batteriorodopsina, quando assorbe la luce il retinaldeide cambia forma inducendo la proteina a cambiare conformazione e ha come effetto il trasferimento di uno ione H⁺ dal retinaldeide all'esterno del batterio

Fonte di energia = luce → funzione = esportazione attiva di ioni H⁺

Il trasporto di soluto è più veloce di quello effettuato da un trasportatore.

Canali ionici

• Selezionano i soluti in base a dimensione + carica elettrica
• Formano pori stretti e molto selettivi
• Non cambiano conformazione ma si aprono e chiudono velocemente
• Effettuano sempre un trasporto passivo

Selettività ionica

Dipende dal diametro e dalla forma del canale e dalla distribuzione degli amminoacidi

Gli anioni che ne risultano idrati, per passare, attraversano il filtro di selettività;

lo ione deve rilasciare il guscio d’acqua che lo avvolgeva quando era in soluzione.

Oscillazione casuale tra stato aperto e chiuso

I canali non sono sempre aperti ma le loro porte passano casualmente dallo stato chiuso a quello aperto in risposta ad uno stimolo preciso.

• Potenziale di membrana
• Legame con ligando
• Sollecitazione meccanica

_{Na⁺, K⁺, Ca²⁺, H⁺}

Funzione

Rendere la membrana temporaneamente permeabile a ioni inorganici (_{Na⁺, K⁺, Ca²⁺, H⁺})

Esempio

Canale per il potassio (K⁺) → 4 subunità proteiche + piccolo poro (definito da filamenti sul tetto di un residuo della proteina dotato di gruppo amminico, specifici con i quali lo ione fa contatto).

• Pori acquosi ampi → giunzioni comunicanti, porine

Alterazioni della permeabilità della membrana agli ioni → cambiamenti del potenziale di membrana

Cellula non stimolata (stato di riposo) → Bilanciamento fra cariche negative e K⁺ intracellulare

Gradiente di K⁺ (creato dalla pompa Na⁺/K⁺) → K⁺ entra nella cellula

Canali di dispersione per il K⁺ → principali canali ionici aperti nella cellula a riposo

Generazione di un potenziale elettrico

K⁺ esce dalla cellula secondo il suo gradiente di concentrazione

La cellula è più permeabile al potassio e acquista più ioni negativi

Equilibrio fra K⁺ che si disperde e flusso dalla cellula

Gradiente elettrochimico di K⁺ = 0

Potenziale di membrana

Gradiente di concentrazione

Bilanciamento (uguali e opposti)

Tendenza di K⁺ a disperdersi

Flusso dalla cellula

K⁺ né entra né esce

Cellula Stimolata

• Apertura di alcuni canali ionici → cambia la permeabilità della membrana a certi ioni
• Direzione dello spostamento → stabilita dal gradiente elettrochimico

Tecnica del Patch-Clamp

• Misura la corrente elettrica che fluisce in un canale ionico permettendo così di studiarne l'attività
• Blocco del potenziale dall'area di membrana
• Con un microelettrodo si isola una porzione della membrana plasmatica e si stabilisce con essa un contatto elettrico
• Si stappa lentamente l'ampolla trattenuta dal microelettrodo → ora è facile modificare la concentrazione ionica da un lato o dall'altro dell'area e verificare quale effetto i soluti hanno sul comportamento di canali ionici eclusa presenti
• Se si crea un circuito elettrico (filo metallico al microelettrodo + generatore di voltaggio costante) → si può bloccare il potenziale di membrana al valore costante
• Espandendo la membrana a voltaggi diversi si capisce come la variazione del potenziale di membrana influenza l'apertura o la chiusura dei canali ionici
• Questa tecnica permette di osservare il comportamento di un singolo canale ionico (è emerso che si aprendo e si spengono improvvisamente anche quando le condizioni sono mantenute costanti)

Come Funziona un Neurone?

• Il neurone riceve un segnale → variazione del potenziale di membrana
• Diffusione passiva che si innesca ↓
• Si diffonde dal sito in cui si genera alla terminazione assomma il segnale si propaga
• Problema risolto con un meccanismo di segnalazione attivo → un'onda di eccitazione elettrica (impulso nervoso) (non diminuisce rapidamente) → entrata nella cellula

• Arrivo del segnale chimico → depolarizzazione → apertura dei canali non controllati da voltaggio quando si raggiunge un valore soglia di -50 mV e si genera un potenziale d'azione

N. 8. Se non vi fossero canali ionici controllati da voltaggio, dopo lo stimolo depolarizzante il potenziale di membrana tornerebbe al valore di riposo.

TRASPORTO ATTRAVERSO MEMBRANA

VELOCITÀ DI DIFFUSIONE → DIPENDE DALLE → DIMENSIONI DELLE MOLECOLE → PROPRIETÀ DI SOLUBILITÀ DELLE MOLECOLE

• PICCOLE MOLECOLE NON POLARI (GAS, ORMONI STEROIDEI)
• PICCOLE MOLECOLE POLARI PRIVE DI CARICA (H₂O, ETANOLO, GLICEROLO) DIFFUSIONE
• MOLECOLE POLARI PRIVE DI CARICA PIÙ GRANDI (AMINOACIDI, GLUCOSIO, NUCLEOSIDI) TRASPORTO FACILITATO (ATTIVO O PASSIVO) (SE LA MEMBRANA È IMPERMEABILE A QUESTE SOSTANZE)
• IONI

• LE CONCENTRAZIONI DI IONI ALL’INTERNO E ALL’ESTERNO DELLA CELLULA POSSONO ESSERE MOLTO DIVERSE MA LA CARICA ELETTRICA DEVE ESSERE BILANCIATA FRA L’INTERNO E L’ESTERNO

• → POTENZIALE DI MEMBRANA = DIFFERENZA DI VOLTAGGIO NELLA MEMBRANA CAUSATA DALLA DIVERSA CONCENTRAZIONE DI IONI SUL FILO DELLA MEMBRANA (+ SPAZIO EXTRACELLULARE, - CITOSOL) OSCILLA FRA -60 E -70 mV

POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO = DIFFERENZA DI VOLTAGGIO NELLA MEMBRANA QUANDO LA CELLULA NON È STIMOLATA (SCAMBIO DI ANIONI È SEMPRE BILANCIATO) → -20/200 mV EQUIAZIONE DI NERNST ^{62 log10 (C_e/C_i)} → GRADIENTE FRA CONCENTRAZIONE ESTERNA E INTERNA DELLO IONE

TRASPORTO ATTIVO

≠ CONTRO GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE + DIS PENDIO ENERGETICO

TRASPORTO PASSIVO

= SECONDO GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE + SENZA SPENDIO ENERGETICO

• SOLUTO NON CARICO → DIREZIONE DEL TRASPORTO LEGATA SOLO AL GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE
• SOLUTO CARICO → DIREZIONE DEL TRASPORTO DETERMINATA DAL GRADIENTE ELETTROCHIMICO
• ALTO = GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE E DI VOLTAGGIO PASSIVO NELLA STESSA DIREZIONE (Na⁺)
• BASSO = GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE E DI VOLTAGGIO PASSIVO NON NELLA STESSA DIREZIONE (Cl^-)

OSMOSI

= MOVIMENTO DI H₂O SECONDO IL PROPRIO GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE E, QUINDI, SENZA DISPENDIO ENERGETICO (TRASPORTO PASSIVO)

• → CONCENTRAZIONE DI SOLUTO

N.B. OSMOLARITÀ AMBIENTE INTRACELLULARE = OSMOLARITÀ AMBIENTE EXTRACELLULARE

ACQUA AMBIENTE INTRACELLULARE = ACQUA AMBIENTE EXTRACELLULARE

L’ACQUA È ATTRATTA ALL’INTERNO DELLA CELLULA

• MOLTI EVOLVONO MECCANISMI DI REGOLAZIONE
• ANIMALI → CITOSOL
• PROTISTI → VACUOLO CONTRATTILE CHE SCARICA POCO © MEZZO
• VEGETALI → PARETE CELLULARE → TURGORE

LA CELLULA NON SI GONFIA