Membrane biologiche e trasporto cellulare

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1 Membrane biologiche e trasporto cellulare

2 Le membrane biologiche di tutti gli organismi hanno una struttura e una composizione praticamente identica (fa eccezione però la membrana dei cloroplasti) Parete cellulare Unità di membrana: appare al TEM come una struttura tristratificata di circa nm; consiste di due strati paralleli densi proteine (ognuno di circa 2.5nm) separati da una zona luminosa dello stesso spessore doppio strato di fosfolipidi (ma anche altri lipidi).

3 Plasmalemma Per la sua posizione di interfaccia, il plasmalemma, oltre alla funzione strutturale (delimita l ambiente cellulare), svolge funzione: - di filtro in quanto seleziona le sostanze che devono passare assicura l'integrità biochimica del citosol; - di superficie di comunicazione in quanto permette lo scambio di informazioni tra l'ambiente intra- ed extracellulare; - di superficie catalitica data l'abbondanza di proteine enzimatiche ad essa legate

4 Una membrana è un collage di proteine diverse immerse nella matrice fluida del doppio strato lipidico le membrane si modificano nel tempo e nello spazio = mosaico fluido

5 Lipidi della membrana: fosfolipidi (più abbondanti), glicolipidi, steroidi.

6 Le proteine svolgono un ruolo crititico nel funzionamento della membrana Supporto strutturale Riconoscimento Comunicazione Trasporto Adesione al citoscheletro ed alla matrice extracellulare. Alcune glicoproteine (proteine con brevi catene glicidiche) agiscono da segnali di identificazione riconosciuti da altre cellule Una proteina di membrana può avere un sito di legame di forma complementare rispetto ad un messaggero chimico, come ad esempio, un ormone. Il messaggero esterno (il segnale) induce un cambiamento conformazionale delle proteine che trasmette il messaggio all interno della cellula Proteine canale o proteine carrier

7 «Il mare in cui un tempo gli esseri viventi erano immersi, ora è racchiuso entro i loro corpi»

8 mantiene il turgore è il maggior costituente della massa cellulare come solvente fornisce il mezzo per lo spostamento delle molecole influenza struttura e proprietà di molte macromolecole (ac. nucleici, proteine, polisaccaridi) è l ambiente dove avvengono la maggior parte delle reazioni biochimiche ha alta capacità di trattenere calore per cui all interno della pianta permette che le fluttuazioni termiche avvengano lentamente di quella assorbita dall apparato radicale il 97% viene persa per traspirazione l acqua è il mezzo in cui sopravvivono e si muovo i gameti

9 Processi di trasporto dell acqua e dei soluti 1. diffusione semplice (gradiente di concentrazione) 2. flusso di massa (gradiente di pressione) 3. Osmosi (entrambi i gradienti influiscono sul trasporto)

10 Diffusione i soluti si muovono secondo un gradiente di concentrazione finchè non sono omogeneamente distribuiti (l entropia del sistema aumenta) Processo esoergonico (ΔG<0) Processo endoergonico (ΔG>0)

11 La diffusione è rapida per distanze brevi (dimensioni cellulari), ma molto lenta per le lunghe distanze (risalita delle soluzioni nelle piante) Per attraversare una cellula di 50 m una molecola di glucosio impiega 2,5 sec Per attraversare una foglia di mais lunga 1 m una molecola di glucosio impiega 32 anni Infatti dalla legge di Fick sulla diffusione si ricava che: t c=1/2 = (distanza) 2 /D s Tempo necessario ad una sostanza s per raggiungere un punto, situato ad una distanza d dal punto di partenza, tale che la concentrazione sia metà di quella iniziale t c=1/2 = metà del valore di concentrazione dal punto di partenza D s = coefficiente di diffusione (glucosio in acqua = 10-9 m 2 s -1 )

12 Ricapitolando, la diffusione è: veloce su piccole distanze, ma molto lenta su grandi distanze Il tempo che una molecola impiega a diffondere è proporzionale al quadrato della distanza una molecola piccola diffonde più velocemente molto più veloce nei gas che nei liquidi L acqua, sotto forma di vapor acqueo, DIFFONDE dalle foglie all atmosfera

13 Esempio di diffusione delle molecole di H 2 O nella pianta Dalla camera sottostomatica all atmosfera

14 Come spiegare il movimento dell acqua su lunga distanza Flusso di massa

15 Nel flusso di massa le molecole si muovono in risposta a un gradiente di pressione: da [P] alta [P] bassa La velocità del flusso è espressa in questo caso dalla legge di Poiseuille che è funzione del raggio del tubo, della viscosità del liquido e del gradiente di pressione Dalla formula si evidenzia come al raddoppiare del raggio la velocità aumenti di un fattore 16 (2 4 )

16 Il flusso di massa dell acqua generato da un gradiente di pressione è il meccanismo responsabile del trasporto a lunga distanza dell acqua nella pianta tramite il sistema vascolare dello xilema e del floema.

17 Le cellule vegetali si comportano come osmometri artificiali Il movimento tra le cellule avviene attraverso il plasmalemma. Questo movimento avviene per osmosi che è un tipo speciale di diffusione, cioè il movimento di un solvente (acqua) attraverso una membrana semipermeabile (plasmalemma) pressione osmotica (π). I soluti riducono il potenziale idrico. Per questo motivo π è per definizione negativo pressione idrostatica (P). La pressione positiva si chiama pressione di turgore; quella negativa, che si sviluppa specialmente nello xilema e nelle pareti cellulari, si chiama tensione ed è di grande importanza per il trasporto dell acqua nella pianta.

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19 Se una cellula è immersa in una soluzione ipotonica (ha una minore concentrazione di soluti), il movimento netto dell'acqua sarà verso l'interno della cellula aumentando la pressione di turgore (pressione idrostatica esercitata dal contenuto della cellula nei confronti della parete). Se invece la soluzione è isotonica rispetto alla cellula, la concentrazione del soluto sarà la stessa su entrambi i lati della membrana, quindi l'acqua si muoverà in entrambe le direzioni in modo uniforme Una soluzione ipertonica ha invece una maggiore quantità di soluti, quindi il movimento netto dell'acqua sarà verso l'esterno della cellula (plasmolisi)

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21 La pressione di turgore si sviluppa grazie alla presenza di parete Distensione delle pareti cellulari durante la crescita delle cellule Se Ψ intracellulare < Ψ extracellulare l acqua entra nella cellula (principalmente vacuolo) Aumenta la rigidità meccanica delle cellule e tessuti giovani non lignificati

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23 Plasmolisi di una cellula di Allium cepa in seguito all aggiunta di nitrato di calcio (la membrana plasmatica si stacca dalla parete)

24 Le membrane biologiche sono selettivamente permeabili Più una molecola è piccola e solubile nei lipidi e più facilmente attraversa la membrana Molecole grosse e polari non diffondono spontaneamente attraverso la membrana Piccole molecole idrofobiche Piccole molecole polari neutre Grosse molecole polari neutre O 2, CO 2 N 2 Benzene H 2 O Glicerolo Etanolo Amminoacidi Glucosio Nucleotidi Ioni H +, Na +, HCO 3 - K +, Ca 2+, Cl -, Mg 2+

25 Trasporto Passivo Diffusione semplice o facilitata Segue il gradiente di concentrazione o quello elettrochimico Le molecole si muovono in discesa (senza ATP) Trasporto Attivo Muove un soluto contro un gradiente di concentrazione od elettrochimico Le molecole si muovono in salita. Richiede enzimi e consumo di energia (ATP) Trasporto Vescicolare invaginazioni delle membrane che formano vescicole (per grandi molecole)

26 DIREZIONE DI MOVIMENTO PER DIFFUSIONE DI UNA SOSTANZA ATTRAVERSO LA MEMBRANA PLASMATICA 1. Per una molecola non carica (es. H 2 O, CO 2, O 2 ) Differenza della sua concentrazione ai due lati della membrana (gradiente di concentrazione) 2. Per una molecola carica (es. H +, K +, Cl -, Ca 2+ ) Differenza della sua concentrazione ai due lati della membrana (gradiente di concentrazione) Gradiente elettrico totale o voltaggio elettrico attraverso la membrana (potenziale di membrana) Gradiente elettrochimico

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28 Trasporto passivo Diffusione semplice Il movimento dell acqua nelle cellule vegetali è guidato dalla differenza di concentrazione dei soluti tra interno ed esterno (è di tipo passivo e non richiede energia) : OSMOSI da esterno (sol. ipotonica) ad interno (sol. ipertonica). Anche le sostanze solubili nei lipidi, cioè le sostanze idrofobe, così come piccole molecole non polari possono passare attraverso la membrana plasmatica per DIFFUSIONE SEMPLICE

29 Diffusione facilitata: trasporto ionico I canali ionici sono come delle ciambelle molecolari Sono specifici per lo ione trasportato La selettività è data dall ampiezza del buco e da cariche di superficie all interno del poro Si possono aprire o chiudere. L apertura/chiusura del cancelletto è regolata (voltaggio, ormoni, luce)

30 Diffusione facilitata: le acquaporine proteine canale che formano un passaggio idrofilo in grado di modificare la velocità di trasporto dell acqua. Il movimento dell acqua attraverso le acquaporine di membrana avviene per flusso di massa.

31 Diffusione facilitata: proteine carrier

32 Il trasporto attivo consiste nel trasferimento di soluti contro il gradiente elettrochimico ed implica l uso di energia Il movimento delle sostanze può avvenire anche contro il gradiente di concentrazione, ma richiede uso d energia sotto forma di ATP. 1. Primario: basato su proteine di membrana che trasportano ioni quali H + o Ca 2+. Queste proteine sono dette pompe. 2. Secondario (cotrasporto): sfrutta il flusso di ioni per trasportare altre molecole nella stessa (SINPORTO) o in direzione opposta (ANTIPORTO).

33 voltaggio del plasmalemma (-50/-200 millivolt) dovuto ad una distribuzione diseguale di anioni e cationi sui lati opposti della membrana. Il segno meno indica che l interno è negativo (contiene più anioni) rispetto all esterno) il potenziale di membrana agisce come una batteria, una fonte energetica che influenza il movimento di tutte le sostanze cariche attraverso la membrana a causa della differenza di carica tra interno ed esterno, il trasporto di membrana favorisce il trasporto passivo di cationi verso l interno ed anioni verso l esterno quindi due tipi di forze implicate: una chimica (il gradiente di concentrazione dello ione) ed una elettrica (l effetto del potenziale di membrana sul movimento dello ione)

34 Alcune pompe ioniche generano una differenza di potenziale attraverso le membrane Nella membrana plasmatica, nel tonoplasto e in altre endomembrane delle cellule vegetali la pompa elettrogenica principale è una pompa protonica (H + - ATPasi) che trasporta attivamente ioni idrogeno (protoni) fuori dalla cellula.

35 Alta concentrazione di H + Pompa H + -ATPasi Membrana plasmatica ADP H + H + ATP + P Bassa concentrazione di H + (ph 7,4) Esterno della cellula + _ Interno della cellula Il gradiente protonico ed il potenziale di membrana forniscono la forza motrice che muove attraverso la membrana plasmatica molte altre sostanze. Numerosi fondamentali processi fisiologici, come l apertura degli stomi, il caricamento del floema e l assunzione di ioni a livello della radice, dipendono dalla regolazione dell attività dell H + -ATPasi

36 Nel cotrasporto una proteina di membrana accoppia il trasporto di due soluti Esterno Interno Durante il cotrasporto non viene speso direttamente ATP ma viene sfruttata la differenza di potenziale elettrochimico creata dai trasportatori attivi che pompano ioni al di fuori della cellula. Il saccarosio accompagna il rientro dello ione idrogeno seguendo il gradiente di concentrazione protonica mantenuto dalla pompa

37 La pompa protonica genera un gradiente di concentrazione di protoni ed un potenziale elettrico. Specifiche proteine di trasporto forniscono un percorso per il flusso passivo di protoni che ritornano nella cellula seguendo il gradiente di concentrazione e accoppiano questo flusso di protoni al trasporto degli ioni all interno o all esterno della cellula Esterno della cellula Alta concentrazione di protoni Fosfato Interno della cellula H + H + ATP K + H + ADP + P Bassa concentrazione di protoni Potenziale elettrico negativo H + NO 3- H + SO 4 2- H + Na + H + Simporto Antiporto RICORDA. Le membrane sono imermeabili ai protoni! K + Ca 2+ Canali Membrana plasmatica

38 Le molecole più grandi sono trasportate per endocitosi ed esocitosi endocitosi (ingestione), esocitosi (secrezione) di sostanze mediante la formazione di vescicole). Endocitosi può avvenire secondo due modalità Fagocitosi ( la cellula mangia"). Ad es: amebe e muffe Pinocitosi ( la cellula beve"). Sostanze liquide.

39 Esoicitosi