Proprietà di permeabilità della membrana

Proprietà di permeabilità della membrana

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.

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

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

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)

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

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

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* 10-11 glucosio 4*10-10 H 2 O 5*10-3

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

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

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* 10-11 1.4* 10-4 glucosio 4*10-10 2* 10-5 Trasporto del glucosio nell eritrocita J = J max [A] K M +[A] Funzione di saturazione Conc.esterna

Inibizione competitiva

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

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+ )

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 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

(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

(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

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

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 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

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 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

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 =40.65+1.94=42.59kJ Idrolisi di ATP -30 kj/mol (-45-50kJ/mol in molte condizioni cellulari)