Trasporto dei soluti

Calcolo del potenziale di Nernst per lo ione Na

Provando a calcolare il potenziale di Nernst per lo ione Na, sapendo che la sua concentrazione interna è 8 mM e quella esterna è 1 mM, a 25°C per z= +1.

E = 59 log a / a

E = 59 log 1/8

E = 59 x -0.90

E = -53 mV

Il potenziale di Nernst per lo ione Na è -53 mV.

Quindi, se E = E, il flusso netto nelle due direzioni di uno ione attraverso la membrana è 0 e quindi lo ione è in equilibrio (trasporto passivo).

Se E ≠ E, allora esiste un flusso netto dello ione in una direzione rispetto ad un'altra e quindi c'è una regolazione attiva della concentrazione dello ione (trasporto attivo).

Quindi, concludendo:

• Se E = E, il trasporto è passivo.
• Se E ≠ E, il trasporto è attivo.

Perciò, per lo ione Na, il trasporto è attivo.

→ trasporto passivo;- Na, Mg, Ca → concentrazione misurate < concentrazioni teoriche: entrano per diffusione secondo il loro gradiente elettrochimico ma vengono successivamente estrusi (trasporto attivo);

3- 42- 42-- NO , Cl, SO , H PO → concentrazione misurata > concentrazioni teoriche: si ha un ingresso2 per trasporto attivo (tutti gli anioni);

Ioni nella cellula e vacuolo: le concentrazioni ioniche nel citosol e nel vacuolo sono controllate da processi di trasporto passivo o attivo. Gli ioni K sono assorbiti passivamente dalla cellula, mediante dei canali ionici. Solo quando la concentrazione esterna è molto bassa si può avere un trasporto attivo, mediante una proteina di simporto H /K . Gli ioni Na sono pompati attivamente fuori dal citosol. Gli anioni sono assorbiti attivamente dal citosol.

Equazione di Goldman:

Le membrane cellulari non sono mai permeabili ad una sola specie ionica. Il potenziale di membrana si crea quando c’è

Differenza di cariche elettriche tra due compartimenti separati da una membrana. Numerosi ioni permeano simultaneamente le membrane della cellule viventi. L'equazione di Goldman (versione modificata dell'equazione di Nernst) prende in considerazione tutti quegli ioni per cui esiste un movimento transmembrana. Tale potenziale dipende sia dal gradiente di concentrazione tra i due lati della membrana sia dalla permeabilità (P) che ha la membrana per quella determinata specie ionica.

E = ln(Ki[K]o + Na[K]i + Cl[Cl]o) / (RT/F) * (P[K]o + P[Na]i + P[Cl]o)

Nelle cellule vegetali i potenziali di membrana sono spesso molto più negativi di quelli calcolati con l'equazione di Goldman. Il potenziale di membrana calcolato con l'equazione di Goldman ha valori che vanno da -80 a -50 mV. Invece, il potenziale di membrana della cellula vegetale va da -300 a -80 mV (di norma -110 mV): se esso diventa meno negativo, la membrana si depolarizza.

squilibrio di carica, per la legge di Ohm (V = R X I), a causa della forte resistenza della membrana, si traduce in una elevata differenza di potenziale;

Componente non metabolica (diffusione ionica passiva): è attribuibile a:

1. Potenziale di diffusione: si sviluppa quando ioni di carica opposta vengono trasportati a velocità differente attraverso la membrana cellulare. Nei sistemi biologici, le membrane sono di solito più permeabili al K che al Cl (da ricordare che nell'equazione di Goldman viene considerata la permeabilità). Quindi il K diffonde più velocemente fuori dalla cellula rispetto al Cl, causando lo sviluppo di una carica negativa all'interno rispetto all'esterno (un potenziale di membrana E negativo). Come conseguenza, a livello del plasmalemma, si crea un d.d.p. detta appunto potenziale di diffusione.

Es. Effetto del CN sul potenziale di membrana: -120 mV il cianuro blocca la produzione di ATP cellulare. -130 mV le pompe

ATPasiche non funzionano più. Il potenziale E Mdi membrana cade a -50mV = contributo dellacomponente non metabolica ad E .M CN rimosso-- 50 mV TempoElettroneutralità: compartimenti I e II separati da una membrana ugualmente permeabile ai+ -due ioni K e Cl . All’equilibrio ci sarà una distribuzione reciproca di anioni e cationi tale+ -che [K ] = [Cl ]. Questo è il principio dell’elettroneutralità: in entrambi i compartimenti sideve avere un numero uguale di cariche + e -. La differenza di carica in un compartimentodeve essere uguale a zero.

2. Potenziali di Donnan: i potenziali di Donnan sono elettropotenziali stabili di equilibriocausati dall’esistenza di cariche negative fisse.Es: due compartimenti (1 e 2) separati da una membrana. Nel compartimento 2 sono- + -presenti anioni fissi Pr (non diffusibili). Gli ioni (cationi e anioni K e Cl ) diffusibili sidistribuiscono in modo ineguale in 1 e 2. Non si ha la stessa concentrazione tra

i due compartimenti per mantenere il principio di elettroneutralità (sia in 1 che 2 ci sono un numero uguale di cariche + e -); Nella cellula vegetale:
La parete cellulare presenta numerose cariche negative fisse dovute ai gruppi carbossilici dissociati-(COO-) dell'acido galatturonico delle pectine. Questi creano un campo elettrico che tende ad attrarre i cationi e ad allontanare gli anioni diffusibili. Nella citosol ci sono cariche negative fisse dovute alla presenza degli acidi nucleici e delle proteine, che al valore di pH citoplasmatico sono dissociate negativamente. Quindi sia il compartimento extracellulare (parete) sia quello intracellulare (citosol) hanno anioni fissi non diffusibili che determinano la ridistribuzione sia dei cationi che degli anioni mobili. Data la presenza di questi anioni "immobili", per l'equilibrio di ⁺Donnan, si crea una più alta concentrazione di cationi diffusibili nel citoplasma, in particolare K⁺. Il potassio, piùconcentrato dentro la cellula, tenderà ad uscire causando un eccesso di cariche negative nel citosol; si genera così a livello della membrana una d.d.p. (potenziale di Donnan). I processi di trasporto di membrana sono: trasporto attivo primario (pompe), diffusione (canali/carriers), trasporto attivo secondario (carriers). Per questi processi si fa uso di alcune proteine specializzate: - Proteine di membrana: qualunque sia l'energetica del trasporto (trasporto attivo contro gradiente o trasporto passivo secondo gradiente), il trasporto di ioni e molecole polari attraverso la membrana viene sempre mediato da proteine trasportatrici. - Canali ionici: sono proteine transmembrana che agiscono come pori selettivi (es: K+, Ca2+). La loro specificità è dovuta alla grandezza del poro e la densità delle cariche di superficie allineate al suo interno. Effettuano un trasporto secondo gradiente di ioni ed H2O. - Trasporto Passivo o Diffusione: il Kpuò diffondere liberamente sia dentro che fuori, a seconda che il potenziale di membrana sia più positivo o più negativo rispetto al potenziale di equilibrio del potassio (ΔK). I canali possono avere due conformazioni: gates aperti/chiusi, che permettono quindi il passaggio o meno delle sostanze (108 ioni s per ogni proteina canale). Sono altamente regolati nel meccanismo di apertura e chiusura da diversi fattori come voltaggio, ormoni, luce, fosforilazione; • Carriers o permeasi o traslocatori: sono proteine diverse dai canali in quanto non formano pori che si estendono completamente attraverso la membrana. Si legano alla molecola che deve essere trasportata su un lato della membrana e la rilasciano sull'altro lato, senza creare un passaggio continuo. Il legame porta ad un cambiamento conformazionale della proteina che espone la sostanza trasportata alla soluzione dalla parte opposta della membrana. Il trasporto si conclude con il distacco della sostanza.dal sito di legame del carrier. Possono effettuare un trasporto secondo gradiente (trasporto passivo) o contro gradiente (trasporto attivo secondario); Trasporto attivo primario e pompe ATPasiche: il trasporto attivo primario trasporta le sostanze contro gradiente, sfruttando l'energia derivata dal metabolismo. È accoppiato direttamente a una fonte di energia diversa dal potenziale chimico della sostanza trasportata. L'idrolisi di ATP viene accoppiata al trasporto della sostanza di interesse. Ad attuare questo trasporto sono delle proteine trasportatrici specifiche, definite pompe ATPasiche, a sottolineare il meccanismo di trasporto accoppiato all'idrolisi. Le pompe ioniche possono essere ulteriormente caratterizzate come elettrogeniche o elettroneutre. - Pompe elettrogeniche → con il trasporto di ioni si crea un movimento netto di carica attraverso la membrana. +H -ATPasi (piante, funghi): espulsione netta di una carica positiva (plasmalemma, vacuolo); + + + +Na /K

-ATPasi (animali) pompa fuori tre ioni Na ogni due ioni K che entrano (espulsionenetta di una carica positiva);

+H -PPasi (vacuolo, golgi);

+2Ca -ATPasi (plasmalemma e vacuolo);

- Pompe elettroneutre: non vi è un movimento netto di cariche attraverso la membrana;

+ + + +H /K -ATPasi (mucosa gastrica) pompa fuori uno ione H per ogni ione K che entra (non vi è un movimento netto di cariche attraverso la membrana;

+Le pompe H -ATPasi della membrana creano un gradiente di potenziale elettrico attraverso il

+ + +plasmalemma (componente metabolica). Le H -ATPasi vacuolari e le H -pirofosfatasi (H -Ppasi),

+invece, pompano elettrogenicamente ioni H nel vacuolo e nelle cisterne del Golgi.Poiché piccole fluttuazioni nella concentrazione citosolica di calcio alterano drasticamente l’attività