I fosfolipidi formano doppi strati disponendo le teste polari a contatto con l’acqua e le code idrofobiche all’interno
Membrane biologiche (1)
1
Il doppio stato si comporta come un fluido più o meno disordinato (“mare agitato”).
La fluidità dipende dalla temperatura e dalla percentuale di lipidi insaturi.
Negli organismi che vivono in ambienti freddi le membrane hanno molti acidi grassi insaturi.
I batteri si adattano molto velocemente alla temperatura variando la sintesi degli acidi
grassi insaturi rispetto a quelli saturi.
Nella membrana dei batteri non c’è il colesterolo
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Membrane biologiche (2)
La diffusione trasversale è rara ma essenziale per trasferire un
fosfolipide di membrana, sintetizzato sempre all’interno
della membrana, sulla superficie esterna
Il colesterolo rende il doppio strato meno flessibile e permeabile alle alte temperature. A basse temperature ha effetto opposto
Membrane biologiche (3)
Le molecole di colesterolo si orientano con i gruppi idrossili
vicini alle teste polari dei fosfolipidi. Il loro anello
steroide rigido interagisce con le teste immobilizzandole
parzialmente3
4
Membrane biologiche (4)
La fluidità della membrana è alla base delle sue principali proprietà
strutturali e funzionali
Proteine di membrana (1)
5
6
Proteine di membrana (2)
Le proteine integrali sono
unite alle membrane da
interazioni idrofobiche con i lipidi
(Es: glicoforina eritrocitaria)
polisaccaridiresidui
amminoacidici polari
residui amminoacidici
apolari
residui amminoacidici
polari
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Proteine di membrana (2)
ancora lipidica
Varie tipologie di proteine integrali di membrana
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Proteine di membrana (3)
Certe proteine integrali di membrana mediano le interazioni cellula-cellula
Spesso le proteine integrali di membrana per evitare una eccessiva mobilità si ancorano a delle strutture interne del citoscheletro
Es: Membrana eritrocitaria L’alta espressione di spettrina presente negli eritrociti dei
cammellicammelli conferisce resistenza alla lisi (shock osmotico)
in seguito a un abbondante e breve
abbeveraggio di acqua
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Proteine di membrana (4)
Una membrana di fosfolipidi è impermeabile a tutte le molecole polari indipendentemente dalla loro grandezza quindi sali, zuccheri, ATP, acidi organici non possono attraversarla in assenza di specifici trasportatori
Trasporto di membrana (1)
I sistemi di trasporto si dividono in tre tipologie (questa classificazione prescinde dalla eventuale richiesta di energia)
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Trasporto di membrana (2)
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Diffusione semplice
Processo guidato da un aumento di entropia del sistema
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Diffusione facilitata (1)
Trasporto passivo senza trasportatore
Trasporto passivo con trasportatore
G‡=Gdeidratazione+ Glegame
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Diffusione facilitata (2)
E + S ⇌ ES⇌EP⇌ E + P
]S[+K]S[V
=vm
•maxo [ ] maxmax
m
o V1
+S1
•VK
=v1
]S[+K]S[V
=vet
e•max
o [ ] maxemax
t
o V1
+S1
•VK
=v1
T + Se⇌TSe⇌TSi ⇌T + Si
Cinetica enzimatica
Trasporto facilitato
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Analogia con la cinetica enzimatica
Diffusione facilitata (3)
Es: glucosio permeasi eritrocitariaCaratteristiche•Alta velocità di diffusione
(ingresso facilitato di circa 50.000 volte) •Saturabilità•Specificità
•D-glucosio (Kt=1,5 mM)•D-mannosio (Kt=20 mM)•D-galattosio (Kt=20 mM)•L-glucosio (Kt=3000 mM)
Trasporto passivo uniporto
[G]interno< 5mM
[G]esterno= 5mM
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Diffusione facilitata (4)
Cotrasporto bidirezionale
facilitato di circa 1.000.000 volte
Trasporto passivo antiporto
Es: scambiatore cloruro-bicarbonato eritrocitario
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Trasporto attivo (1)
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Trasporto attivo (2)
Il trasporto attivo sposta il soluto contro un gradiente di concentrazione
t=0 (C1≥C2)
○○○○ ○○
○○
○○ ○○
C1 C2
○
t=0 (C1<C2)
○○○
○
○○
○○○ ○○
C1 C2
[C1]GGtt== GGtt
oo ++ RT·lnRT·lnGGtt== GGttoo ++ RT·lnRT·ln[C2]
G
GGttoo=0=0
GG== RT·lnRT·lnGG== RT·lnRT·ln[C2]
[C1]
Se il soluto possiede una carica ⊕ o ⊖ (processo elettrogenico):
GGtt == RT·ln + ZRT·ln + ZFFGGtt == RT·ln + ZRT·ln + ZFF[C2]
[C1]Potenziale
elettrochimicoPotenziale
chimicoPotenzialeelettrico
Il trasporto contro gradiente può avvenire se lo accoppiamo con un
processo esoergonico
(es: ATP → ADP + Pi)
Trasporto attivo primario (1)
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(tipo P)
Es: Pompa Na+K+ ATPasi
Il mantenimento della pompa attiva in condizioni di riposo,
richiede il 25% di ATP prodotto.Contribuisce al mantenimento
di [Na+] e [K+] intracellulare e alla generazione del potenziale
elettrico di membrana (essenziale per la trasmissione dei segnali
neuronali. Il gradiente di Na+ viene usato per
cotrasportare diversi soluti (trasporto attivo secondario)
Trasporto attivo primario (2)
Inibitori: Uabaina (estratto da un seme
di un arbusto africano)Digitossigenina (simile
all’uabaina ma estratta dalla digitale)
Vanadato (analogo del Pi)
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Il processo è elettrogenico
○○○○
○
○○
○○○ ○○
⊖ ⊕
F=mV
Ione trasportato
Tipo di
membranaOrganismo o tessuto
Funzione dell’ATPasi
ATPasi di tipo P (fosforilazione aspatato, P= fosforo)
Na+ e K+ Plasmatica Eucarioti Mantiene basso il Na+ e alto il K+ all’interno della cellula e crea un potenziale elettrico
H+ e K+ Plasmatica Stomaco Acidifica il contenuto dello stomaco
Ca2+ Reticolo sarcoplasmatico
Muscolo Mantiene basso il Ca2+ nel citosol
ATPasi di tipo V (Vescicola o Vacuolo)
H+ Vescicole secretorie, lisosomi
Animali Mantiene basso il pH nell’organulo attivando proteasi e altri enzimi idrolitici
ATPasi di tipo F (Fattore)
H+ Mitocondriale interna (MMI)
Eucarioti Genera un gradiente di H+ che attiva la sintesi di ATP
H+ Plasmatica Procarioti Genera un gradiente di H+ che attiva la sintesi di ATP
Principali tipi di ATPasi di trasporto
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Trasporto attivo secondario (1)
Il gradiente ionico di Na+ o H+, formato dal trasporto primario, è sfruttato come energia trainante per il
cotrasporto di altri soluti (ioni, zuccheri, amminoacidi)
(ioni, zuccheri, amminoacidi)
(Na+, H+)
Organismo o tessuto Soluto trasportato(simporto o antiporto)
Soluto cotrasportatore
E.coli (es1) Lattosio (simporto) H+
Intestino,rene (es2) Glucosio (simporto) Na+
Cellule di vertebrati (es3) Ca2+ (antiporto) Na+
Trasporto attivo secondario (2)
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Es 1: lattosio permeasi nell’e.coli (simporto)
Trasporto attivo secondario (3)
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Es 2: glucosio permeasi nelle cellule intestinali e renali (simporto)
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Trasporto attivo secondario (2)
Na+
2K+
Ca2+
3Na+
[Ca2+]=10-7[Ca2+]=10-7
Trasporto attivo
primario
Trasporto attivo
secondario[Ca2+]=10-3[Ca2+]=10-3
Es 3: trasporto del calcio all’esterno della membrana (antiporto)
Oltre al sistema attivo secondario, esiste un sistema attivo primario (CaCa2+2+-ATPasi-ATPasi)
dove il Ca2+ viene: pompato fuori o dentro le membrane:
all’esterno delle membrane cellulari all’esterno degli organuli intracellulari
(reticolo endoplasmatico,mitocondri) all’interno del reticolo sarcoplasmatico
La variazione di [Ca2+] intracellulare è fondamentale per molte funzionalità, per questo
è mantenuta molto bassa. Oltre ai sistemi di trasposto esistono dentro la cellula varie
molecole che legano il Ca 2+ (es: calmodulina)
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Agenti disaccoppianti
I prodotti naturali o sintetici che alterano il gradiente ionico che si forma attraverso le membrane biologiche sono definiti agenti disaccoppianti perché
la loro presenza annulla o riduce il trasporto attivo o la conservazione dell’energia
Possono essere usati come: veleni agenti dimagranti (es: 2,4 dinitrofenolo) termoregolatori (es: termogenina) antibiotici (es: valinomicina, monensina)
La valinomicina, un piccolo peptide idrofobico ciclico, neutralizza la carica dello ione K+ circondandolo con 6 ossigeni carbonilici e lo “traghetta” attraverso la membrana annullando il gradiente ionico. Un analoga azione la esercita la monensina nei confronti di Na+ (agenti disaccoppianti ionofori)
Acquaporine
Canali ionici selettivicontrollati dal voltaggio
controllati da ligandi
Canali ionici
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Proteine integrali con più (6 o 8) segmenti transmembrana elicoidali
Nel caso della AQP-1 presente nei tubuli renali l’unità funzionale è costituita da un tetramero che si associa faccia a faccia, con i loro 24 segmenti transmembrana, a formare un canale centrale tappezzato da catene laterali idrofiliche.
Acquaporine
H2O
Canali transmembrana che permettono il passaggio più rapido dell’acqua
Tipo Funzione e localizzazione
AQP-1 Riassorbimento dei fluidi nel rene; secrezione di umor acqueo occhi, e fluido cerebrospinale nel SNC, omeostasi acqua nei polmoni,
AQP-5 Secrezione di fluidi nelle ghiandole salivari, lacrimali e epitelio polmonare
TIP Regolazione della pressione di turgore nel tonoplasto delle piante
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Canali ionici selettivi
Determinano la permeabilità della membrana a ioni specifici e, insieme alle pompe ioniche, regolano la concentrazione citosolica degli ioni e il potenziale
di membrana (potenziale di azione a livello dei neuroni). Nei miociti l’apertura dei canali per il Ca2+ nel reticolo sarcoplasmatico
permette la contrazione muscolare.
Si distinguono dai trasportatori di ioni per tre caratteristiche:
alta velocità di flusso (>107 ioni/sec) non saturabilità soggetti a regolazione
voltaggio ligandi
Canali ionici selettivi controllati dal voltaggio (1)
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Es: Canale per Na+ voltaggio-dipendente nei neuroni
Singolo polipeptide organizzato in quattro domini raggruppati attorno ad un canale centrale
per il passaggio di Na+ attraverso la membrana.
L’elica 4 di ogni dominio, con alta densità di residui carichi ⊕, in seguito del cambiamento del
voltaggio di transmembrana (-60mV→+30mV) si muove e causa l’apertura del canale.
Canali ionici selettivi controllati dal ligando (1)
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Es: recettore nicotinico dell’acetilcolinaHa la funzione di trasmettere l’impulso elettrico da un neurone motorio al miocita provocando la contrazione. L’acetilcolina rilasciata dal neurone si lega al recettore del miocita provocando una variazione conformazionale nel recettore che produce l’apertura del canale ionico.L’afflusso di cariche all’interno del miocita depolarizza la membrana plasmatica innescando la contrazione. Il processo termina dopo qualche secondo per azione dell’acetilcolinesterasi che
idrolizza l’acetilcolina
Canali ionici selettivi controllati dal ligando (2)
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Dettagli del recettore nicotinico dell’acetilcolina
33
Es: trasmissione neuronale tramite l’acetilcolinaInizialmente il neurone presinaptico è polarizzato per azione della pompa Na+K+ATPasi.lo stimolo che raggiunge questo neurone genera un potenziale d’azione che causa depolarizzazione della membrana presinaptica e apertura di canali Ca2+ dipendenti dal voltaggio,.alla estremità dell’assoneQuesto, a seguito del fortissimo gradiente chimico esistente
(2 mM all’esterno e 10-7M all’interno), genera un rapido influsso di ioni Ca2+ all’interno del terminale pre-sinaptico.L’aumento del calcio innesca esocitosi delle vescicole contenenti il neurotrasmettitore acetilcolinaLe molecole di acetilcolina ,diffondono nello spazio sinaptico, si legano a specifici recettori della membrana postsinaptica, e causano l’apertura del canale ionico controllato dal ligando che rilascia ioni nell’assone successivoIl flusso di ioni genera un potenziale di azione che depolarizza la membrana nel secondo assone provocando una sequenza di eventi come nel precedente assone.
Nel caso della giunzione neuromuscolare il potenziale d’azione porta alla contrazione della fibra muscolare.
Azione combinata dei canali ionici selettivi
Inibitori dei canali per Na+ controllati dal voltaggio: •tetrodossina: Sphaeroides rubripes (Fugu o pesce palla)•sassitossina: Gonyaulax (dinoflagellato marino)
I molluschi, specialmente vongole e cozze si cibano di questi dinoflagellati e possono essere molto tossici (paralisi respiratoria)
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Inibitori dei canali ionici
Inibitori dei canali per K+ controllati dal voltaggio: dendrotossina (serpente mamba)
Inibitori del recettore dell’acetilcolina: tubocuranina (curaro)
E
O CH3
CH2-OH + F-P-O--CH
O CH3
H3C-CH-CH3
E
O CH3
CH2-OH-O-P-O--CH + HF
O CH3
H3C-CH-CH3
..Acetilcolinesterasi(degrada l’acetilcolina)
Inibitori dell’acetilcolinesterasi: diisopropilfluorofosfato (“Inibitore suicida”)
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