definiscono i confini esterni delle cellule e regolano il traffico di molecole attraverso questi confini. Nelle cellule eucariotiche dividono lo

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1 definiscono i confini esterni delle cellule e regolano il traffico di molecole attraverso questi confini. Nelle cellule eucariotiche dividono lo spazio interno in compartimenti discreti segregando nel loro interno specifici componenti e processi. 1

2 Resistenti flessibili Autosigillanti Selettivamente permeabili Supporto per processi cellulari Membrana plasmatica Membrana mitocondriale Le quantità relative di lipidi e proteine variano a seconda del tipo di membrana e riflettono le differenze delle loro funzioni biologiche 2

3 Modello a mosaico fluido della struttura della membrana Asimmetria funzionale Il grado di fluidità dipende dalla composizione lipidica e dalla temperatura. 3

4 Le proteine di membrana diffondono lateralmente nel doppio strato Altre proteine sono ancorate a strutture interne che ne impediscono la diffusione laterale Proteine di membrana p. Integrali p. periferiche Saldamente legate alla membrana mediante interazioni idrofobiche Si associano alla membrana mediante interazioni elettrostatiche e legami idrogeno con le teste polari dei lipidi di membrana 4

5 Dato che è nota la configurazione strutturale di poche proteine integrali di membrana, queste sono di solito rappresentate nella conformazione più probabile (α-eliche) 5

6 Proteina della membrana esterna di E.coli ha una struttura a barile β costituita da 22 catene β antiparallele che formano un canale transmembrana attraverso cui entra uno ione ferro legato al suo trasportatore ferricromo 6

7 Movimento di un soluto attraverso una membrana permeabile DIFFUSIONE SEMPLICE La velocità del soluto, attraverso la membrana, è proporzionale al gradiente di concentrazione (rapporto C 1 /C 2 ) membrana permeabile Movimento di ioni di carica opposta attraverso una membrana permeabile Il movimento del soluto dipenderà da un gradiente chimico (differenza di concentrazione del soluto) e da un gradiente elettrico transmembrana (potenziale di membrana, V m ) Gradiente elettrochimico Potenziale elettrochimico 7

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9 Esistono proteine che, come gli enzimi, hanno la capacità di trasportare i loro substrati da un compartimento all altro, ma non li modificano chimicamente. Queste proteine di membrana sono chiamate TRASPORTATORI o PERMEASI. Come i catalizzatori le permeasi legano il loro substrato con specificità stereochimica, mediante molte interazioni deboli non covalenti. Poche le molecole e i gas che attraversano la membrana per semplice diffusione : molecole lipofile (COLESTEROLO) e gas come O 2 ; N 2 ; NH 4 e l H 2 O Le variazioni di energia che accompagnano il passaggio di un soluto idrofilo attraverso il doppio strato lipidico di una membrana biologica è paragonabile allo stato di transizione di una reazione chimica catalizzata da un enzima Coefficiente di permeabilità SUPERAMENTO DI UNA BARRIERA ENERGETICA 9

10 La struttura proteica attraversa almeno una volta il doppio strato lipidico, di solito più volte per formare un canale transmembrana rivestito di catene laterali di a.a. idrofilici PERMEASI PER IL TRASPORTO DELL ACQUA CHE COMUNQUE PUO ATTRAVERSARE LA MEMBRANA SENZA BISOGNO DI TRASPORTATORI 10

11 Le Acquaporine formano canali idrofilici transmembrana per il passaggio dell acqua Proteine integrali costituite da 6 segmenti elicoidali transmembrana che vanno a formare un canale tetramerico DUE PRINCIPALI TIPI DI TRASPORTO FACILITATO 11

12 Cavità centrale del canale rivestito da residui polari Il metabolismo che produce energia nei globuli rossi dipende dal rifornimento di glucosio Diffusione dal plasma facilitata volte più elevata di quella passiva per semplice diffusione GluT1 proteina integrale di membrana costituita da 12 segmenti idrofobici, forse struttura ad elica di ogni segmento. Rappresentazione a ruota dell elica LA VELOCITA DI TRASPORTO DEL GLUCOSIO PUO ESSERE DESCRITTA IN MODO ANALOGO AD UNA REAZIONE ENZIMATICA Kt come Km misura l affinità del trasportatore per il substrato; più basso è il valore di Kt più alta è l affinità 12

13 Presenta saturazione da substrato Più veloce a basse concentrazioni di substrato Il sistema (trasporto facilitato) non è in grado di accumulare glucosio all interno della cellula, può solo raggiungere un equilibrio che è però raggiunto ad una velocità notevolmente superiore Trasportatore specifico per il D- glucosio (Kt 1,5 mm) ma in misura minore per mannosio (20 mm) e galattosio (30 mm). 13

14 n e l m u s c o l o scheletrico, nel tessuto adiposo ma anche nel fegato GluT4 (K t 5 mm) Nel fegato GluT2, trasporta glucosio anche in senso opposto (K t mm) Dipendendo dalla concentrazione del SUBSTRATO Glucosio nel sangue ha una concentrazione di 4-5 mm Il numero dei trasportatori aumentano rapidamente in presenza di INSULINA Il passaggio di glucosio varia in base al numero di trasportatori 14

15 L allenamento all esercizio fisico prolungato aumenta la quantità di trasportatore GLUT4 nelle membrane muscolari trasportatore GLUT4 aumenta rapidamente in presenza di INSULINA e di un IMPULSO NERVOSO Da GLUT1 a GLUT5 Ognuno con ruoli specifici GLUT1 e GLUT3 sono presenti in tutte le cellule di mammifero ed adempiono alla captazione basale del glucosio K M 1mM < 5mM glicemia basale (funziona sempre a saturazione di substrato) trasporto attivo secondario nell intestino tenue determina il passaggio di glucosio nell enterocita: ASSORBIMENTO GLUT2 nel fegato e nelle cellule β pancreatiche ha K M elevate (15-20 mm) : il glucosio entra in proporzione alla glicemia. Nelle cellule pancreatiche modulano la secrezione di insulina e glucagone GLUT4 nel muscolo scheletrico e nelle cellule adipose, Km 5mM. È l insulina che induce aumento dei trasportatori in queste cellule 15

16 Scambiatore cloruro-bicarbonato Aumenta la permeabilità di 1 milione di volte; proteina integrale di membrana; per ogni ione CL - trasportato da una parte, uno ione bicarbonato è trasportato dall altra parte della membrana. ACCOPPIAMENTO OBBLIGATORIO NEI TESSUTI Questo sistema incrementa la capacità del sangue di trasportare CO 2, poiché il bicarbonato è molto più solubile NEI POLMONI 16

17 Sono proteine transmembrana che permettono il passaggio selettivo di vari ioni Dipende dal diametro e dalla carica dello ione Possono essere aperti transitoriamente: Canali controllati da un ligando Canali controllati da voltaggio Canali controllati maccanicamente ( pressione contatto) Sono proteine trans-membrana che permettono il passaggio selettivo di vari ioni I canali ionici sono in grado di trasportare ioni ad una velocità vicina a quella della diffusione ionica in una soluzione acquosa. Possono essere classificati sulla base dei segnali esterni necessari per la loro attivazione: canali voltaggio-dipendenti, si aprono in risposta ai cambiamenti del potenziale di membrana; i canali ligando-dipendenti si aprono in seguito al legame con piccole molecole, come i neurotrasmettitori. I canali ionici sono selettivi per lo ione e sono a controllo di apertura Il cambiamento di apertura o di chiusura scatta in risposta ad uno stimolo preciso 17

18 Il potassio può accedere nel canale senza perdere l acqua di solvatazione fino a quando non incontra un restringimento che lo obbliga a perdere l acqua ed ad interagire con specifici gruppi polari della proteina (filtro di selettività). Il costo energetico della desolvatazione dello ione potassio è compensata dalla formazione di formazioni favorevoli nel filtro di selettività. Poiché lo ione sodio è troppo piccolo per interagire con il filtro di selettività, l energia libera di desolvatazione non può essere compensata e lo ione sodio non attraversa il canale. 18

19 L alta selettività ionica non rallenta il passaggio degli ioni attraverso il canale. Esistono 4 filtri di selettività nel canale quando un filtro è occupato da uno ione potassio il secondo ione che arriva al canale determina con la sua carica positiva lo spostamento del primo ione verso il successivo filtro di selettività. Ogni ione che si lega al canale spinge gli ioni già legarti verso l interno della cellula. 19

20 Accumula soluto da un lato della membrana, quindi termodinamicamente sfavorito deve essere accoppiato ad un processo esoergonico: assorbimento della luce solare, reazione di ossidazione, demolizione di ATP o accoppiato ad un altra specie nella direzione del suo gradiente elettrochimico L esempio fisiologico più noto di trasporto attivo è il mantenimento dei gradienti di sodio e potassio attraverso le membrane plasmatiche delle cellule Na + K + ATPasi Modello di accoppiamento della idrolisi dell ATP con il trasporto presuppone che l ATPasi assume ciclicamente due conformazioni Elevata affinità per il potassio ATPasi-P Regolazione covalente ATPasi + P i Elevata affinità per il sodio Processo elettrogenico : si forma un potenziale transmembrana con un valore tra 50 e- 70 mv 20

21 Meccanismo per il trasporto degli ioni sodio e potassio da parte della Na + K + -ATPasi Lo stadio aperto verso l esterno: E-P, ha un alta affinità per gli steroidi cardiotonici digitossina e oubaina I sistemi di trasporto possono essere classificati in base alla loro funzione o rispetto al numero di molecole trasportate e alla direzione del movimento o se il movimento avvenga in direzione dell equilibrio o lontano da esso. 21

22 Una pompa che operi in senso contrario può funzionare come GENERATORE DI ENERGIA Il flusso protonico porta alla formazione di ATP Costituisce il sistema principale con cui l ATP viene sintetizzato negli organismi viventi TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO il trasporto è accoppiato direttamente a una reazione esoergonica TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO quando il trasporto di un soluto è accoppiato al trasporto passivo di un altra sostanza che si era accumulata precedentemente attraverso un trasporto attivo TRASPORTO ELETTROGENICO Quando il soluto è uno ione, il suo movimento senza il contemporaneo spostamento di un altro ione con la stessa carica in direzione contraria determina la separazione endoergonica delle cariche positive da quelle negative, producendo un potenziale elettrico 22

23 Esistono altri tipi di trasporto attivo che non dipendono direttamente dall ATP come fonte di energia, ma impiegano l idrolisi di ATP in modo indiretto Quando il trasporto endoergonico di un soluto S è accompagnato da un flusso esoergonico di un altro soluto X che era stato accumulato in precedenza mediante trasporto attivo Cellule epiteliali dell intestino tenue: SIMPORTO-NaCl Il glucosio è pompato all interno delle cellule mediante un simporto con in sodio, usando un gradiente precedentemente formato dalla pompa Na + K + -ATPasi. Il glucosio può così arrivare ad una concentrazione citosolica di volte superiore rispetto all esterno L energia richiesta dal processo deriva da 2 fonti: GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE POTENZIALE TRANSMEMBRANA 23

24 Start IL SODIO USCIRA ATTRAVERSO LA POMPA Na + -K + ATPasi Esistono molti sistemi di co-trasporto che utilizzano la produzione di gradienti ionici come forza trainante 24