Proprietà di permeabilità della membrana

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Vincenzo Bettini
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1 Proprietà di permeabilità della membrana

2 Il Trasporto attraverso le membrane La fase lipidica delle membrane le rende impermeabili alla maggior parte degli ioni e delle sostanze polari. Questi composti possono attraversare la membrana mediante l azione di specifiche proteine di trasporto. Ioni come H +, Na +, K +, Ca 2+, Cl - e metaboliti come piruvato, amminoacidi, zuccheri e nucleotidi, necessitano di tali proteine di trasporto. A proteine di trasporto sono inoltre associati tutti i fenomeni elettrochimici di membrana come, ad esempio i segnali nervosi.

3 Sistemi di trasporto nelle membrane biologiche 1. trasporto passivo 2. trasporto facilitato 3. trasporto attivo canali proteici proteine di trasporto gradiente elettrochimico diffusione diffusione facilitata Trasporto Trasporto attivo

4 Termodinamica del trasporto data una miscela di n componenti, l energia libera G è data da: G G = = ag aµ A A + + bg bµ B B ng... nµ N N esterno [A] out µ A = µ 0 A + RT ln[ A] G A = RT ln [ A] [ A] in out interno [A] in

5 La differenza di cariche elettriche ai due lati della membrana genera una differenza di potenziale elettrico ψ potenziale elettrochimico di specie ioniche A out A in Si dice differenza di potenziale elettrochimico la differenza di energia libera: G A = G A (in) - G A (out) = RT ln [(A in ) /(A out )] + Z A F ψ dove Z A rappresenta la carica elettrica di A F ψ è la costante di Faraday (96500 C/mole) è il potenziale di membrana (ossia la differenza di potenziale fra l interno e l esterno della membrana) (generalmente = -100mV: interno negativo)

6 Casi in cui l equilibrio termodinamico non corrisponde ad uguali concentrazioni di una specie sui due lati della membrana presenza del potenziale di membrana G A = G A (in) - G A (out) = RT ln [(A in ) /(A out )] + Z A F ψ processi termodinamicamente favoriti accoppiati al trasporto (trasporto attivo) G A = RT ln [(A in ) /(A out )] + G Trasporto può avvenire contro gradiente di concentrazione

7 La termodinamica stabilisce se un dato processo di trasporto avverrà o meno spontaneamente, ma non ci fornisce informazioni sulla sua velocità. Diffusione semplice Trasporto Diffusione facilitata Mediato Trasporto attivo

8 J A = P A [A] Trasporto per diffusione J A è il flusso (M cm s -1 ) Se Z=0 Legge di Fick J A = P A [A] P A = coeff. di permeabilità coefficienti di permeabilità in fosfatidilserina specie P (cm/s) K + <9.0*10-13 Na + <1.6*10-13 Cl - 1.5* glucosio 4*10-10 H 2 O 5*10-3

9 Trasporto facilitato velocità e specificità inattivazione chimica sensibilità all inibizione competitiva Via trasportatori Attraverso pori

10 Trasporto facilitato da trasportatori peptide ciclico Si legano alla molecola da trasportare, diffondono attraverso la membrana e rilasciano la molecola nel lato opposto La Valinomicina è un trasportatore specifico di K + (r = 1.33 Å) non trasporta Li + (r= 0.60 Å) o Na + (r = 0.95 Å) Valinomicina: legame selettivo a K +, che ben si adatta alla cavità

11 Trasporto facilitato mediato da proteine: ex. trasporto del glucosio nell eritrocita velocità specificità inattivazione chimica sensibilità all inibiz. competitiva coefficienti di permeabilità P (cm/s) P (cm/s) in fosfatidilserina in membrana di eritrocita umano Cl - 1.5* * 10-4 glucosio 4* * 10-5 Trasporto del glucosio nell eritrocita J = J max [A] K M +[A] Funzione di saturazione Conc.esterna

12 Inibizione competitiva

13 poro controllato Il trasportatore del glucosio, nella membrana dell eritrocita GLUT 1 2 stati conformazionali glicoproteina 55 kda 12 α -eliche transmembrana disposizione asimmetrica 2 staticonformazionali Il trasporto eguaglia le concentrazioni

14 Meccanismi di trasporto mediato Uniporto (ex. Ca 2+ ) Simporto (ex. H +,lattosio) Antiporto (ex. H +, Na+ ) Un trasporto può essere inoltre Elettroneutrale (ex. Antiporto H +, Na + ) Elettrogenico (ex. Uniporto Ca 2+ )

15 Trasporto attivo Trasporto contro gradiente di concentrazione (o elettrochimico) (anche elevati: ordini di grandezza) Processo endoergonico che richiede accoppiamento con processi esoergonici (spesso idrolisi di ATP) trasportatore

Pompe ioniche: accoppiamento diretto trasporto-idrolisi di ATP gradienti ionici associati a: controllo del volume cellulare eccitabilità delle membrane nelle cellule nervose e muscolari guida del

16 Pompe ioniche: accoppiamento diretto trasporto-idrolisi di ATP gradienti ionici associati a: controllo del volume cellulare eccitabilità delle membrane nelle cellule nervose e muscolari guida del trasporto attivo secondario di zuccheri e aminoacidi [Na + ]=140 mm [K + ]=5 mm membrane plasmatiche di cellule animali [Na + ]=10 mm [K + ]=100 mm mantenimento del gradiente Na + /K + attraverso la membrana plasmatica degli eucarioti superiori

18 (Na + - K + ) - ATPasi: un tetramero 30-50% dell ATP è utilizzato per pompare ioni!!! 35 kda 112 kda 8 α-eliche Antiporto elettrogenico 3Na + (dentro)+2k + (fuori)+atp 3Na + (fuori) +2K + (dentro) +ADP+P i

19 (Na + - K + ) - ATPasi: un tetramero 30-50% dell ATP è utilizzato per pompare ioni!!! Antiporto elettrogenico Idrolisi di ATP 3Na + (dentro)+2k + (fuori)+atp 3Na + (fuori) +2K + (dentro) +ADP+P i

20 ATP fosforila la pompa solo in presenza di Na + L idrolisi di ATP avviene solo in presenza di K + 2 stati E 1, E 2 E 1 : sito ad alta affinità per Na + (interno) E 2 : sito alta affinità per K + (esterno) in out

21 Ca 2+ agisce spesso da secondo messaggero intracellulare un aumento transitorio della [Ca 2+ ] innesca risposte cellulari (ex. contrazione muscolare, rilascio di neurotrasmettitori, demolizione del glicogeno attivazione del metabolismo ossidativo) 1.5 mm 10-4 mm Spazi extracellulari citosol Il gradiente elevato è mantenuto da: una pompa Ca 2+ -ATPasi uno scambiatore Na + /Ca 2+

In molti compartimenti intracellulari [Ca 2+ ] è più elevata che nel citosol mitocondri reticolo endoplasmatico ER: riserva di Ca 2+ reticolo sarcoplasmatico SR del

22 In molti compartimenti intracellulari [Ca 2+ ] è più elevata che nel citosol mitocondri reticolo endoplasmatico ER: riserva di Ca 2+ reticolo sarcoplasmatico SR del muscolo scheletrico: ricco di pompe che tengono alta la [Ca 2+ ] nel muscolo a riposo. Per impulso nervoso viene liberato nel citosol Ca 2+ troponina tropomiosina actina miosina

23 Ca 2+ -ATPasi 100 nm 1.5 mm

Trasporto attivo guidato da gradienti ionici L energia libera immagazzinata in un gradiente di potenziale elettrochimico può essere utilizzata per favorire trasporti attivi (senza idrolisi diretta di

24 Trasporto attivo guidato da gradienti ionici L energia libera immagazzinata in un gradiente di potenziale elettrochimico può essere utilizzata per favorire trasporti attivi (senza idrolisi diretta di ATP) Scambiatore sodio-calcio (antiporto) Il gradiente di Na + (mantenuto dalla pompa Na + -K + ) può essere utilizzato per pompare Ca 2+ fuori della cellula lo scambiatore ha maggiore capacità della pompa di estrudere Ca 2+ (2000 Ca 2+ s -1 vs 30 Ca 2+ ) citosol 3

25 Qual è l energia libera richiesta per trasportare a 37 C, 3 moli di Na + dall ambiente intracellulare (conc.10 mm) a quello extracellulare (conc 140 mm) e 2 moli di K + dall ambiente a conc. 5 mm a quello a conc. 100 mm? Il potenziale di membrana sia 70 mv. E sufficiente l idrolisi una mole di ATP? 3Na + (dentro)+2k + (fuori)+atp 3Na + (fuori) +2K + (dentro) +ADP+P i ψ è negativo all interno : si oppone al trasporto Na + e favorisce quello di K + G=RTln[Na + ] ext / [Na + ] int +ZF ψ =8.314*310*ln140/10+1*96480*0.07=13.55 kj/mol G relativo a 3 moli =13.55*3=40.65kJ G=RTln[K + ] int / [K + ] ext +ZF ψ =8.314*310*ln100/5+1*96480*(-0.07)=0.97 kj/mol G relativo a 2 moli =0.97*2=1.94kJ G tot = =42.59kJ Idrolisi di ATP -30 kj/mol (-45-50kJ/mol in molte condizioni cellulari)

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