TRASPORTO DI MEMBRANA

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1 TRASPORTO DI MEMBRANA BIOTECNOLOGIE Introduzione Il doppio strato lipidico delle membrane fa da barriera al passaggio della maggior parte delle molecole polari (ioni, piccole molecole organiche..). In questo modo la cellula può mantenere concentrazioni diverse di soluti nel citosol rispetto al fluido extracellulare. 21/10/18 Diffusione e osmosi 2 1

2 Trasporti attraverso le membrane: Schema dei sistemi di trasporto Sistemi di trasporto di membrana Trasporto passivo Trasporto attivo -ΔG Diffusione semplice Diffusione facilitata Trasporto Attivo primario ΔG Trasporto Attivo secondario Indipendente da un vettore Canale Dipendente da un vettore Carrier Endocitosi Esocitosi Transcitosi 21/10/18 Trasporto di membrana 3 Gas Le membrane biologiche hanno una permeabilità selettiva. La velocità di attraversamento di una membrana biologica dipende dalla grandezza di un soluto e dalla sua permeabilità nei lipidi Alta permeabilità Moderata permeabilità Bassa permeabilità Molecole molto piccole polari non cariche Acqua Urea Molecole polari organiche Ioni Etanolo Glucosio Permeabilità molto bassa Molecole e macro molecole polari cariche Amminoacidi ATP Proteine Polisaccaridi Acidi nucleici (DNA ed RNA) 2

3 Trasporti attraverso le membrane: Funzioni del trasporto di membrana: Assunzione di sostanze nutrienti essenziali (es. glucosio) Regolazione concentrazioni ioniche (Na, Ca 2, H ) Eliminazione prodotti metabolici di rifiuto (es. CO 2 ) I meccanismi di trasporto sono essenziali nella vita delle cellule. Es. : in E. coli il 20% dei geni sono associati al trasporto 21/10/18 Diffusione e osmosi 5 Trasporti attraverso le membrane: Schema dei sistemi di trasporto Sistemi di trasporto di membrana Trasporto passivo Trasporto attivo -ΔG Diffusione semplice Diffusione facilitata Trasporto Attivo primario ΔG Trasporto Attivo secondario Indipendente da un vettore Canale Dipendente da un vettore Carrier Endocitosi Esocitosi Transcitosi 21/10/18 Trasporto di membrana 6 3

4 DIFFUSIONE SEMPLICE Permeabilità del doppio strato lipidico 21/10/18 Diffusione e osmosi 7 La diffusione sposta i soluti verso l equilibrio, tendendo a formare, da una distribuzione casuale, una situazione di equilibrio, con concentrazioni uguali in ogni punto. La diffusione tende al minimo contenuto di energia libera: le molecole si muovono secondo il GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE e, se IONI carichi, si spostano secondo il GRADIENTE ELETTROCHIMICO. All equilibrio non avviene più movimento netto perché l energia libera è minima. 21/10/18 Diffusione e osmosi 8 4

5 21/10/18 Trasporto di membrana 9 Diffusione semplice All equilibrio non si ha alcun movimento netto. 21/10/18 Diffusione e osmosi 10 5

6 Un richiamo per comprendere le funzioni: Diffusione e Osmosi 21/10/18 Diffusione e osmosi 11 Un richiamo per comprendere le funzioni: Diffusione e Osmosi PERMEABILE al soluto IMPERMEABILE al soluto MEMBRANA FLUSSO D H 2 O Il soluto si muove per DIFFUSIONE dalla soluzione più concentrata a quella meno concentrata. La soluzione più concentrata richiama acqua dalla soluzione meno concentrata per OSMOSI 21/10/18 Diffusione e osmosi 12 6

7 Un richiamo per comprendere le funzioni: Diffusione e Osmosi PERMEABILE al soluto IMPERMEABILE al soluto PRESSIONE OSMOTICA Il soluto si muove per DIFFUSIONE dalla soluzione più concentrata a quella meno concentrata. La soluzione più concentrata richiama acqua da quella meno concentrata per OSMOSI 21/10/18 Diffusione e osmosi 13 Diffusione semplice di acqua: Osmosi 21/10/18 Diffusione e osmosi 14 7

8 ACQUAPORINE 21/10/18 Trasporto di membrana 15 The Nobel Prize in Chemistry 2003 was awarded "for discoveries concerning channels in cell membranes" jointly with one half to Peter Agre "for the discovery of water channels" and with one half to Roderick MacKinnon "for structural and mechanistic studies of ion channels". Work One of the fundamental processes of life is the transportation of water molecules through the surface layer of the cells that comprise organisms. Channels that allow the passage of water but not other substances are crucial for processes such as the kidney's capacity to recover water from urine. For a long time no one knew what these water canals looked like, but in 1990 Peter Agre succeeded in isolating a protein that he proved was the sought-after water canal. The protein was given the name aquaporin. 21/10/18 Trasporto di membrana 16 8

9 21/10/18 21/10/18 Trasporto di membrana 17 Diffusione semplice di acqua: Osmosi 21/10/18 Diffusione e osmosi 18 9

10 Diffusione semplice di acqua: Osmosi Sol. ipertonica Sol. Isotonica (es.0.9% NaCl) Sol. ipotonica Pressione di turgore 21/10/18 Diffusione e osmosi 19 Parete cellulare Vacuolo Tonoplasto Vacuolo pieno di acqua Membrana plasmatica (a) Acqua sufficiente (b) Appassimento 10

11 21/10/18 Trasporto di membrana 21 La diffusione sposta i soluti verso l equilibrio, tendendo a formare, da una distribuzione casuale, una situazione di equilibrio, con concentrazioni uguali in ogni punto. La diffusione tende al minimo contenuto di energia libera: le molecole si muovono secondo il GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE e, se IONI carichi, si spostano secondo il GRADIENTE ELETTROCHIMICO. All equilibrio non avviene più movimento perché l energia libera è minima. 21/10/18 Diffusione e osmosi 22 11

12 Trasporti attraverso le membrane: Gradiente elettrochimico 21/10/18 Diffusione e osmosi 23 Trasporti attraverso le membrane: Schema dei sistemi di trasporto Sistemi di trasporto di membrana Trasporto passivo Trasporto attivo Diffusione semplice -ΔG Diffusione facilitata Trasporto Attivo primario ΔG Trasporto Attivo secondario Indipendente da un vettore Canale Dipendente da un vettore Carrier Endocitosi Esocitosi Transcitosi 21/10/18 Trasporto di membrana 24 12

13 Le molecole che non attraversano il doppio strato lipidico per diffusione semplice possono attraversarla attraverso: DIFFUSIONE FACILITATA: TRASPORTO PASSIVO MEDIATO DA TRASPORTATORI DI MEMBRANA Es: Glucosio Es: Ioni (che non attraversano mai il doppio strato lipidico a causa della carica e l alto grado di idratazione) Proteine trasportatrici Proteine canali Sono proteine di membrana integrali multipasso 21/10/18 Diffusione facilitata 25 DIFFUSIONE FACILITATA: TRASPORTO PASSIVO MEDIATO DA TRASPORTATORI DI MEMBRANA 21/10/18 Trasporto di membrana 26 13

14 DIFFUSIONE FACILITATA: TRASPORTO PASSIVO MEDIATO DA TRASPORTATORI DI MEMBRANA 21/10/18 Trasporto di membrana 27 La diffusione facilitata o trasporto passivo è mediata da proteine di membrana integrali multipasso: Proteine trasportatrici Proteine canali 21/10/18 Diffusione facilitata 28 14

15 Proteine trasportatrici Si legano al soluto specifico e subiscono cambiamenti di conformazione per trasferire il soluto legato attraverso la membrana. Proteine canali Non devono legare il soluto, ma formare un poro idrofilo per il passaggio del soluto nel doppio strato lipidico. 21/10/18 Diffusione facilitata 29 Trasporti mediati da proteine di membrana 21/10/18 Diffusione facilitata 30 15

16 21/10/18 Diffusione facilitata 31 Diffusione facilitata caratteristiche cinetiche 1)Velocità 2)Specificità 3)Saturabilità 4)Inibizione 21/10/18 Diffusione facilitata 32 16

17 Diffusione facilitata Modelli di funzionamento dei trasportatori I sistemi di trasporto hanno generalmente due stati conformazionali (A e B), uno con i siti leganti rivolti all esterno e l altro con i siti leganti rivolti internamente. 21/10/18 Diffusione facilitata 33 Come funzionano i canali (ionici)? - Filtro di selettività - Controllo di apertura - Velocità di trasporto elevate - Flussi esclusivamente passivi 21/10/18 Diffusione facilitata 34 17

18 Come funzionano i canali (ionici)? Molti sono assimilabili a cancelli aperti o chiusi Cancello con ligando Proteine intracellulari regolatorie Fosforilazione Cancello con voltaggio Canali meccanosensibili Trasporti attraverso le membrane: Schema dei sistemi di trasporto Sistemi di trasporto di membrana Trasporto passivo Trasporto attivo -ΔG Diffusione semplice Diffusione facilitata Trasporto Attivo primario ΔG Trasporto Attivo secondario Indipendente da un vettore Canale Dipendente da un vettore Carrier Endocitosi Esocitosi Transcitosi 21/10/18 Trasporto di membrana 36 18

19 Quando il movimento di un soluto avviene contro il gradiente di concentrazione o, se ioni carichi si spostano contro il gradiente elettrochimico, si ha il trasporto attivo (ΔG>0). Il trasporto avviene attraverso proteine trasportatrici (e non canali) che sono accoppiate ad una fonte di energia metabolica, come l idrolisi dell ATP. 21/10/18 Trasporto attivo 37 Il TRASPORTO ATTIVO: movimento contro gradiente mediato da proteine Determina il movimento dei soluti lontano dall equilibrio termodinamico e quindi richiede impiego di energia. Il trasporto attivo è termodinamicamente sfavorevole (ΔG>0 e quindi endoergonico) e si può effettuare solo quando è accoppiato ad un processo esoergonico (ΔG<0). Le proteine trasportatrici coinvolte devono sia trasferire i soluti che accoppiare il trasferimento ad una reazione che cede energia. 21/10/18 Trasporto attivo 38 19

20 Il trasporto attivo ha tre principali funzioni nelle cellule e negli organi: Rende possibile l assorbimento di sostanze nutritive dall ambiente anche quando le loro concentrazioni sono basse rispetto a quelle intracellulari. Permette la rimozione di sostanze metaboliche di rifiuto quando la loro concentrazione all esterno è più alta che nella cellula. Consente alla cellula di mantenere le concentrazioni intracellulari di ioni specifici, tra cui K, Na, Ca 2 e H in una situazione di non equilibrio: in questo modo si bilancia l effetto del trasporto passivo, che tende a eguagliare le concentrazioni di soluti. 21/10/18 Trasporto attivo 39. Il Trasporto attivo primario: proteine di trasporto ATP-dipendenti. 21/10/18 Trasporto attivo 40 20

21 TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO IN CELLULE VEGETALI 21/10/18 Trasporto di membrana 41 TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO IN CELLULE VEGETALI 21/10/18 Trasporto di membrana 42 21

22 TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO IN CELLULE VEGETALI 21/10/18 Trasporto di membrana 43 TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO IN CELLULE VEGETALI 21/10/18 Trasporto di membrana 44 22

23 21/10/18 Trasporto attivo 45 Trasporti attraverso le membrane: Trasporti Attivi primari: Na /K -ATPasi La Na /K -ATPasi mantiene i gradienti di Na e K tra l ambiente intra e quello extra-cellulare Caratteristiche strutturali: Ouabaina Complesso costituito da almeno 2 sub-unità: Alfa (100 KDa); Beta (45-50 KDa) Caratteristiche funzionali: contro gradiente di concentrazione elevata selettività ATP-dipendente inibito da veleni metabolici e da agenti specifici (ouabaina) ELETTROGENICO parametri cinetici (Km Na = 0.2 mm; Km K = 0.05 mm) African crested rat Strophanthus gratus (Lophiomys imhausi) 21/10/18 Trasporto attivo 46 23

24 Trasporti attraverso le membrane: Na /K -ATPasi modello di funzionamento 21/10/18 Trasporto attivo 47 Funzioni della pompa sodio-potassio-atpasi: 1) Mantenimento dei gradienti ionici del Na e K 2) Simporti Na-dipendenti 3) Mantenimento degli equilibri osmotici 4) Mantenimento del potenziale di membrana La pompa consuma circa il 30% dell ATP di ogni cellula animale 21/10/18 Trasporto attivo 48 24

25 out in out in out in 3 cariche positive su ogni lato: i-o = 0 2 cariche positive escono (blu) 1 entra (verde) 4 cariche positive su lato esterno e 2 cariche positive quello interno: i-o = (2) - (4) = -2 21/10/18 Trasporto di membrana 49 ACTIVE TRANSPORT vs. PASSIVE TRANSPORT 21/10/18 Trasporto di membrana 50 25

26 Come fanno le cellule ad alimentare il trasporto attivo? TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO 21/10/18 Trasporto attivo secondario 51 Il TRASPORTO ATTIVO 21/10/18 Trasporto attivo secondario 52 26

27 Trasporti attraverso le membrane: ATTIVO SECONDARIO Trasporti Na - dipendenti (simporto Na -glucosio) 21/10/18 Trasporto attivo secondario 53 21/10/18 Trasporto di membrana 54 27

28 21/10/18 Trasporto attivo secondario 55 28