Biologia Lezione 3 - PDF

Biologia lezione 3 7/11/2023 Sbobinatori: Laura Angelica Scudella, Enrico Marroni Revisionatori: Jenny Salvadori, Alessia Garcia Macromolecole, riassunto scorsa lezione per l’introduzione alla membrana plasmatica Oggi il concetto di cellula è consolidato, si conoscono tipi e strutture, ma nel pa...

Biologia lezione 3 7/11/2023 Sbobinatori: Laura Angelica Scudella, Enrico Marroni Revisionatori: Jenny Salvadori, Alessia Garcia Macromolecole, riassunto scorsa lezione per l’introduzione alla membrana plasmatica Oggi il concetto di cellula è consolidato, si conoscono tipi e strutture, ma nel passato non era così. Il primo ad osservare le cellule fu Hooke, egli si chiese come mai tappi di sughero fossero così adatti ad isolare la bottiglia. Prese quindi delle sezioni di sughero e le osservò al microscopio (dato che per visualizzare una cellula è necessaria una strumentazione) e vide una struttura a forma di alveare. Ciò non era altro che l’involucro di ciò che rimaneva di cellule viventi preesistenti; quindi, in pratica osservò ciò che rimaneva di una cellula vegetale ormai morta. Fu la prima volta che si osservò una struttura cellulare. Sulla base della cellula si basano quelle che sono le teorie dell’evoluzione. La prima è quella di Lamark, diceva che tutte le specie derivano da un antenato ancestrale comune e che le differenze ambientali hanno generato nuove necessità che inducono l’uso o il disuso di determinati organi e che i caratteri che si acquisiscono possono essere ereditati. Secondo Lamarck è la funzione che crea l’organo. Con la teoria di Darwin si fa un passo avanti, si rese conto che era vero che l’ambiente induceva dei cambiamenti nella specie ma tutto è basato su una selezione naturale, ossia, all’interno della stessa specie c’è un adattamento per poter ridurre la concorrenza, vince la specie più forte. Le specie possono adattarsi come ad esempio il becco del fringuello in base alla tipologia di cibo dell’ambiente. Domanda della prof: tra una mosca e l’uomo chi si è evoluto meglio? Risposta: entrambi, ognuno in base alle loro necessità. Teoria cellulare La teoria nella sua forma moderna riassume questi concetti in tre enunciati: 1) le cellule sono le unità strutturali degli organismi viventi 2) le cellule sono le unità funzionali degli organismi viventi 3) ogni cellula deriva da un’altra cellula preesistente con passaggio di caratteri ereditari Ci sono vari tipi di cellule Queste furono le prime ad essere tenute in cultura, ed essere osservate grazie ai vari microscopi. Ad ogni tipo cellulare corrisponde una funzione come quelle che si trovano nell’intestino Le cellule hanno svariate caratteristiche: 1. possiedono un programma genetico, in cui viene detto come gestire e utilizzare tutte le informazioni del DNA; 2. sono capaci di riprodursi; 3. acquisiscono energia e la utilizzano; 4. svolgono una varietà di reazioni chimiche; 5. sono impegnate in numerose attività meccaniche; 6. sono capaci di rispondere agli stimoli, tramite ad esempio i recettori presenti sulla membrana plasmatica; 7. sono capaci di auto-regolazioni (feedback positivi/negativi). Le cellule si dividono in due grandi classi: procarioti (più semplici) e eucarioti (più complessi): La CELLULA PROCARIOTICA Dimensioni: circa 1µm Unicellularità  Assenza di compartimentazione interna I procarioti sono formati da cellule organizzate in modo più semplice di quelle eucariotiche ma in grado di completare moltissime reazioni metaboliche; possono sfruttare diverse fonti energetiche e sopravvivere anche in condizioni estreme La membrana plasmatica racchiude il materiale cellulare, lo separa dall’ambiente e regola il passaggio di sostanze cellula/esterno All’interno della membrana si trova il citoplasma, l’insieme del contenuto cellulare, comprendente: il citosol (soluzione acquosa di piccole e grandi molecole) e alcune particelle insolubili, tra cui i ribosomi. Il materiale genetico, il DNA, è organizzato in un singolo cromosoma circolare, localizzato nell’area nucleare o nucleoide, una regione della cellula non delimitata da membrana. In aggiunta al DNA principale i batteri possono contenere piccole molecole di DNA circolare (è definito accessorio), dette plasmidi, che codificano per enzimi catabolici, per la resistenza ad antibiotici o legati a meccanismi per lo scambio di materiale genetico tra organismi. Arricchiscono il DNA ma non svolgono le funzioni essenziali. La maggior parte delle cellule procariotiche ha una parete cellulare esterna alla membrana, con funzione di sostegno e protezione, prevenendone l’esplosione per pressione osmotica. La parete cellulare è costituita da peptidoglicano, polimero complesso di aminozuccheri legati a brevi polipeptidi, a formare un’unica molecola. Le membrane interne sono le invaginazioni della m. plasmatica (batteri fotosintetici), non ci sono compartimenti interni separati. Flagelli e pili, appendici che permettono movimento ed adesione. La CELLULA EUCARIOTICA Dimensioni: circa dieci volte più grandi delle cellule procariotiche (10-100 µm) La membrana plasmatica racchiude il materiale cellulare, lo separa dall’ambiente e regola il passaggio di sostanze cellula/ esterno Compartimentazione interna: all’interno della membrana si trova il citoplasma, l’insieme del contenuto cellulare, comprendente il citosol (soluzione acquosa di piccole e grandi molecole) ed una serie di organuli, compartimenti funzionalmente specializzati delimitati da membrana o comunque strutturalmente separati I vari organuli cellulari come: il citoplasma, il nucleo, il nucleolo, il reticolo endoplasmatico liscio e rugoso, l'apparato del Golgi, i ribosomi, i mitocondri, i lisosomi ecc. ecc., possiedono una struttura ed una funzione ben definita e sono presenti sia nelle cellule animali che vegetali. Organuli (o organelli) sono parti specializzate della cellula adibiti a compiti specifici, alcuni hanno forme particolari La presenza o assenza di alcuni organelli dipende dalle funzioni principali della cellula LA MEMBRANA CELLULARE Funzioni: 1. Compartimentazione, non solo strutturale ma anche funzionale: es enzimi idrolitici (funzionano solo nei lisosomi e non nel citosol); 2. Attività biochimiche: fissazione della CO2 avviene sulla membrana esterna dei cloroplasti; 3. Permeabilità selettiva; 4. Trasporto: es gli ioni H+ derivati da tanti processi metabolici sono portati fuori nello spazio extracellulare; 5. Risposta segnali esterni: es ormone (acido abscissico) che si lega sulla superficie esterna e promuove il rilascio di IP3 necessario per liberare Ca2+ da un deposito citoplasmatico; 6. Permette l’interazione cellulari: es aperture fra cellule vegetali (plasmodesmi). Consentono spostamento materiale tra cellule; 7. Trasferimento di energia: cloroplasti, mitocondri. Storia della struttura della membrana: Le prime osservazioni degne di nota si devono allo scienziato Charles Overton nel 1890. Overton notò che le cellule sembravano circondate da una sorta di strato selettivamente permeabile che permetteva a sostanze diverse di entrare e uscire dalla cellula, con velocità differente. Trovò una correlazione tra la natura lipofilica di una sostanza e la facilità con cui essa poteva entrare nella cellula. Da queste osservazioni Overton concluse che i lipidi erano presenti sulla superficie cellulare, come una sorta di rivestimento, senza sapere come erano organizzati ed il tipo di lipidi presenti. Questo studio fu ritenuto corretto per 10 anni, fino all’esperimento di Irving Langmuir il quale studiò il comportamento dei fosfolipidi purificati e disciolti in un solvente organico (benzene). Ponendo la miscela di fosfolipidi in benzene sull’acqua, quando il benzene evaporava si formava un monostrato di fosfolipidi e la loro testa polare restava immersa nell’acqua, mentre la porzione apolare si esponeva all’aria. Due fisiologi tedeschi, Gorter e Grendel, nel 1925 cercarono di scoprire quanti strati lipidici sono presenti nella membrana plasmatica. Utilizzarono gli eritrociti o globuli rossi del sangue ed estrassero un numero noto di essi, i fosfolipidi, e, utilizzando il metodo di Langmuir, stratificarono questi su una superficie acquosa delimitata da due barriere, una fissa e una mobile. Spostando la barriera mobile dedussero che ogni globulo rosso doveva possedere due strati di fosfolipidi con le teste polari erano orientate verso la superficie acquosa proteggendo la porzione apolare. Il solo modello del doppio strato lipidico non spiegava molte delle caratteristiche delle membrane biologiche. Ad esempio, il passaggio di ioni potassio attraverso un doppio strato lipidico impiega giorni, mentre in una membrana plasmatica naturale solo ore. Hugh Davson e James Danielli, al fine di spiegare alcune proprietà, ipotizzarono la presenza di proteine. Nel 1935 proposero che le membrane biologiche erano formate da due strati di fosfolipidi rivestiti esternamente da uno strato di proteine. Il loro modello definito a “sandwich” era quindi costituito da proteine-lipide-proteine. Ad oggi sappiamo che questo non è così ed è stato dimostrato grazie all’utilizzo della fosfolipasi, enzimi capaci di degradare lipidi. Difatti se i lipidi fossero stati ricoperti interamente da proteine essi non avrebbero dovuto degradarsi, ma ciò non accadde nell’esperimento. Negli anni seguenti si poterono effettuare delle osservazioni al microscopio elettronico della membrana plasmatica. Verificarono direttamente la presenza della membrana plasmatica attorno ad ogni cellula e si constatò che la maggior parte degli organuli delle cellule eucariotiche era delimitato da membrane. Ma la scoperta più importante si ottenne con l’uso dell’osmio, quale “colorante” per microscopia elettronica. Si potè osservare che al livello della membrana apparivano due linee scure (l’osmio reagisce con le teste polari) separate da una zona centrale chiara. Tale modello definito di colorazione trilaminare era sempre presente in tutte le membrane osservate. J. David Robertson propose che tutte le membrane cellulari hanno in comune una struttura fondamentale che egli denominò membrana unitaria. Ad oggi il modello consolidato è quello a mosaico fluido. Il modello ipotizza una membrana come un mosaico di proteine incluse in modo discontinuo in un doppio strato lipidico fluido (ricco di acidi grassi insaturi). Vennero distinte tre classi di proteine di membrana: le proteine integrali o intrinseche di membrana immerse nel doppio strato lipidico che attraversano completamente a membrana le proteine periferiche o estrinseche, più idrofile e localizzate sulla superficie della membrana legate con legame non covalente alle teste polari. le proteine ancorate ai lipidi, proteine idrofile presenti sulla superficie della membrana, ma ancorate ad essa a causa del loro legame covalente con i lipidi. La membrana è quindi formata da proteine, carboidrati e lipidi. Tra i lipidi possiamo distinguere i fosfolipidi (fosfogliceridi e sfingomielina), i glicolipidi ed il colesterolo. I fosfolipidi sono formati da due code di acidi grassi, glicerolo, gruppo fosfato e colina. Gli sfingolipidi invece hanno una sola coda di acido grasso che si lega alla sfingosina, che a sua volta si lega con gruppo fosfato e colina. Quello che bisogna sapere è che questi fosfolipidi si trovano insieme in concentrazioni differenti a seconda della membrana. Esempi vari: glicosfingolipidi (esterno) sono di solito sulla parte esterna dove sono coinvolti in eventi di segnalazione e riconoscimento. fosfatidiletanolammina (interno) serve per la curvatura della membrana necessaria per i processi di gemmazione e fusione della membrana; fosfatidilserina (interno) possiede una carica netta negativa ed è in grado di legare le cariche positive della lisina e arginina come ad esempio la glicoforina A; fosfatidilserina (esterno) segnala vecchiaia di una cellula e quindi deve essere eliminata; fosfatidilinositolo (interno) può essere altamente fosforilato e quindi partecipare a numerose di eritrociti umani reazioni metaboliche. La membrana non è simmetrica neanche per quando riguarda le proteine, ciò è stato dimostrato tramite questo esperimento: Riprendendo il discorso di prima ci sono 3 tipi di proteine, Quella transmembrana hanno caratteristiche particolari e possono essere di diverso tipo, in questo caso abbiamo la formazione di un alfa elica che crea dei legami peptidici polari che si trovano in questa zona e possono integrarsi a livello delle code idrofobiche dei fosfolipidi. Abbiamo quindi le catene laterali che interagiscono con i fosfolipidi. Tra le proteine transmembrana ce n’è un tipo che può creare una sorta di poro, attraverso la formazione di foglietti beta, che isola il contenuto del poro dalle code idrofobiche dei fosfolipidi per il passaggio delle varie sostanze. Tra le proteine periferiche ci sono quelle ancorate alla membrana e in questo caso un esempio è la NADPH ossidasi che è formata dalla gp91phox alla quale è ancorata un’altra proteina, p22phox, le quali fanno ancorare una serie di proteine citosoliche che in seguito a una serie di stimoli, si legano alla membrana e attivano l’enzima. Infine abbiamo le proteine ancorate tramite un legame covalente ai fosfolipidi di membrana. Gli zuccheri, vengono legati dalle proteine di membrana, e partecipano alla simmetria della membrana. Fluidità della membrana Nella prima parte abbiamo visto proteine, lipidi e carboidrati. Tra le varie componenti che fanno parte della struttura della membrana abbiamo parlato del colesterolo che partecipa in maniera attiva a quella che è la fluidità della membrana. La mobilità della membrana può essere dovuta a varie a componenti, ovviamente è resa possibile dalle code dei fosfolipidi di membrana perché a seconda degli idrocarburi 9.44 di coda lipofila che noi abbiamo all’interno del fosfolipide di membrana possiamo avere una struttura diversa che rende la membrana più o meno fluida e quindi se ci sono legami singoli tra gli atomi di carbonio abbiamo una struttura lineare però la maggior parte dei fosfolipidi presenti nelle membrana in realtà sono insaturi: hanno cioè code costituite da doppi legami che, per quanto riguarda proprio la natura stessa del doppio legame, va a instaurare una torsione della coda proprio perché si crea un ingombro che crea questa torsione e a seconda del numero dei doppi legami può essere più o meno evidente. Normalmente a temperatura fisiologica di 37 °C il doppio strato lipidico si trova in una condizione/uno stato liquido, non è quindi uno stato solido, viene infatti definito cristallo liquido bidimensionale; già il termine liquido fa immaginare qualcosa di mobile, non di fisso. Quando noi andiamo a temperature più basse si passa ad uno stato più cristallizzato e si forma proprio un gel cristallino congelato quindi diciamo che in questo stato il doppio strato lipidico ha una consistenza molto più rigida per cui dal punto di vista fisiologico perde l’iniziale fluidità. Questo perché la temperatura di transizione che consente il passaggio da uno stato a un altro – da quello fluido a quello cristallizzato – dipende dalla capacita dei lipidi di addensarsi perché, se ci pensate, a seconda delle code idrocarburiche che abbiamo visto (lineari o con distorsioni) l’avvicinamento di fosfolipidi adiacenti è più agevolato o meno, quindi nel momento in cui abbiamo delle code idrocarburiche lineari, questi fosfolipidi saranno uno più vicino all’altro; al contrario quando si hanno questo tipo di distorsioni è più difficile mantenere lo stato compatto da parte della membrana plasmatica e quindi il tuto rende la membrana più accessibile da tutti punti di vista perché può essere più facilmente penetrata dalle proteine e dagli ioni. A seconda dell’acido grasso saturo o insaturo si ha un singolo legame o un doppio legame e questi due diversi tipi di coda nei fosfolipidi di membrana. Quanto maggiore è il grado di insaturazione degli acidi grassi del doppio strato, tanto più bassa sarà la temperatura necessaria per far gelificare il doppio strato. Per mantenere lo stato fluido della membrana in biologia tutto ciò che avviene anche se è caratterizzato da numerosissime operazioni/proteine/componenti la cosa importante è stabilire un ordine, ed effettivamente in questo stato il colesterolo gioca un ruolo importante perché va a stabilizzare la fluidità della membrana. La struttura è capace di andare a intersecarsi tra fosfolipidi che presentano un certo tipo di distorsione perché con le code lineari i fosfolipidi sono tutti compatti, addensati e il colesterolo difficilmente potrebbe intersecarsi tra l’uno e l’altro, ma normalmente i fosfolipidi con doppio legame sono molto presenti nella membrana, quindi è necessario che ci siano delle molecole che stabilizzino la membrana, infatti il colesterolo in condizione fisiologica è fondamentale per stabilizzare la fluidità.  Dalle analisi, tramite tutti i metodi (16.10- 16.23) e gli esperimenti che abbiamo visto per andare a vedere le membrane, i fosfolipidi e le proteine, quello che è stato evidenziato tramite queste tecniche, è che ci sono delle zattere lipidiche chiamate raft particolarmente concentrare formate in particolar modo da colesterolo, sfingolipidi (caratterizzati dalla presenza di uno zucchero) e da ? (17.05) azzurre. Ci sono delle zone particolarmente ricche di queste componenti e sono importanti perché quello che è stato visto è che in queste porzioni si possono concentrare le proteine. Sono i punti focali in cui si vanno a collocare le varie proteine che non sono distribuite in maniera omogenea, ma con molta probabilità si trovano all’interno di queste zattere; di conseguenza, queste zone diventano cruciali anche per quanto riguarda l’interazione con le altre cellule, ci possono essere delle proteine di ancoraggio, o capaci di recepire un messaggio di recarsi al di là ? (18.29) e quindi poi di dare una risposta fisiologica alla cellula. La fluidità è importante perché: - rende possibile l’assemblaggio di gruppi di proteine di membrana (vedi giunzioni) quindi ovviamente il fatto che i fosfolipidi si possano muovere e che non ci sia rigidità strutturale della membrana plasmatica consente alle proteine di potersi legare e intersecare tra ? (19.08). - Rende possibile l’assemblaggio della membrana a partire da frammenti di membrana, pensate al ciclo cellulare in cui ce un disasemblaggio completo della membrana: se fosse una struttura rigida sarebbe quasi impossibile poterla ricostituire e quindi ovviamente questo è fondamentale durante il ciclo cellulare. - Rende possibile anche l’assemblaggio di proteine enzimatiche (vedi NADPH ossidasi), effettivamente ci sono proteine capaci di legarsi al doppio strato lipidico in diverse porzioni e svolgere la propria funzione, ad esempio la nadph ossidasi che il maggiore conduttore di ossigeno ? (19.48) per cui è molto importante per quanto riguarda il nostro sistema immunitario. A temperature basse la cellula tende a trasformare gli acidi grassi saturi in insaturi mediante: 1. Attivando enzimi desaturasi; 2. Rimescolando le catene tra molecole fosfolipidiche differenti per formare fosfolipidi con due acidi grassi insaturi Quando si ha una concentrazione di fosfolipidi che hanno delle catene lineari quindi caratterizzate da legami singoli succede che la membrana attiva diversi meccanismi che modificano i fosfolipidi magari inducendo dei doppi legami e tra le varie modifiche esistono gli enzimi desaturasi che aggiungono un legame. Gli enzimi partecipano tantissimo alle reazioni biologiche, non soltanto a livello del metabolismo, nella produzione di energia ma essendo gli enzimi delle proteine possono partecipare in tutti i distretti della cellula e nella maggior parte delle funzioni cellulari. Per mantenere questa dinaminicità c’è un movimento che avviene a partire dai fosfolipidi stessi che possono avere una serie di movimenti che consentono alla membrana di muoversi, si può avere: - la flessione che è dovuta allo spostamento e al fatto che le code idrocarburiche possono spostarsi, - poi si ha rotazione, quindi il movimento rotatorio del singolo fosfolipide su sé stesso, - e poi si possono diffondere lateralmente, cioè invertire di posto (visto anche con degli esperimenti in cui delle proteine erano rese fluorescenti e monitorandole nel tempo si è notato che si muovevano lungo il piano della membrana plasmatica andando da una parte a un’altra in maniera continua) quindi diciamo che ci sono continui movimenti che consentono l’ancoraggio alla cellula di determinate proteine. - Infine, c’è il movimento chiamato flip flop che avviene di rado: un fosfolipide dallo strato interno della membrana può passare a quello esterno e viceversa, ciò rende la membrana più fluida e ne cambia la composizione: abbiamo detto che la membrana è asimmetrica e cioè lo strato interno di fosfolipidi è diverso e caratteristico da quello esterno, in quanto un fosfolipide sullo strato esterno può avere funzioni che non servono sul lato interno intercellulare. Il movimento flip flop avviene di rado ma è funzionale alla membrana. Le proteine si muovono? Il movimento delle proteine è stato dimostrato con un esperimento in cui vengono utilizzate delle cellule di tipi diversi oppure derivanti da due specie diverse: in questo caso sono state utilizzate una cellula bovina e una umana che sono state fuse mettendole in uno stato gelatinoso così che potessero entrare in contatto tra di loro. Inizialmente le due cellule mantenevano una separazione netta delle due membrane plasmatiche, quindi non c’era uno spostamento delle proteine, col passare del tempo si è avuta una completa e omogenea sovrapposizione delle proteine bovine con quelle umane; questo ha portato alla conclusione che così come il lipide genera una fluidità della membrana, così pure le proteine rendono possibile la dinamicità della membrana. Le proteine hanno una mobilità inferiore rispetto ai fosfolipidi, hanno una minore velocità di spostamento e trasferimento, hanno tempi più controllati e ridotti. Un’altra caratteristica è che le proteine possono caratterizzare e rendere una cellula polarizzata, l’esempio migliore è quella dell’intestino perché non ha nessun lato uguale all’altro a livello funzionale: una parte basale e una apicale che svolgono due funzioni completamente diverse e che quindi di conseguenza presentano sulla superficie, da una parte e dall’altra, un assetto proteico completamente diverso. Stessa cosa vale per le proteine che si trovano lateralmente perché queste sono quelle proteine che regolano l’interazione cellula-cellula e quindi il passaggio di alcune sostanze che non avviene solo intracellularmente ma anche intercellularmente. Esempi di diverse funzioni di proteine lungo tutta la membrana:  1. Proteine integrali apicale  regolazione dell’ingresso di materiali nutritizi e di acqua; regolazione della secrezione; protezione. 2. Proteine integrali laterale  contatto e adesione tra cellule; comunicazione cellulare. 3. Proteine integrali basale  contatto con il substrato; creazione di gradienti ionici. La membrana plasmatica è quindi l’involucro delle cellule e per quanto può essere una struttura relativamente semplice in realtà le componenti e le funzioni che svolge insieme alle reazioni che avvengono danno una struttura particolarmente complicata perché gestisce molte funzioni cellulari. Tra le varie funzioni della membrana una importate è quella di regolare il passaggio delle sostanze che vanno all’interno e all’esterno della cellula quindi dipende da tipo di sostanza, funzione e necessità che la cellula ha in quel momento. I fattori che influenzano il passaggio delle sostanze attraverso la membrana sono: Grandezza della molecola Temperatura Carica molecolare Gradiente di concentrazione Si possono distinguere vari tipi di trasporto: Passivo dovuto o a diffusione semplice per cui una sostanza attraversa in maniera spontanea la membrana in un certo lasso di tempo, oppure facilitata. Facilitata attraverso l’uso di canali o proteine: le proteine trasportatrici (carrier o permeasi) accelerano una reazione che è già termodinamicamente favorita, legando il soluto da trasportare: tale legame determina un cambiamento conformazionale della proteina trasportatrice, che nella nuova conformazione perde affinità per il soluto, “scaricandolo” dal lato opposto della membrana. Tre proprietà caratterizzano la diffusione facilitata: - velocità di diffusione molto più alta rispetto alla diffusione semplice - specificità della proteina trasportatrice per il soluto da trasportare - numero delle proteine trasportatrici limitante ai fini dell’efficienza e della velocità del trasporto La diffusione facilitata segue la cinetica degli enzimi, cioè ha una cinetica di saturazione. Mentre i canali ionici permettono ingresso di milioni di ioni, la diffusione facilitata da qualche centinaia a migliaia. Quindi si ha una stabilizzazione della velocità. Il glucosio è un esempio di diffusione facilitata attraverso i trasportatori GLUT 1 a GLUT5 Attivo quando una sostanza è trasportata contro gradiente; la differenza principale con quello passivo è il dispendio di energia necessario. Nel tempo le sostanze si muovono e lo fanno spontaneamente e questa diffusione dipende da: - polarità - grandezza della sostanza a seconda del tipo di sostanza può attraversare la membrana in maniera più o meno semplice e una misura è data dal coefficiente di ripartizione dato dal rapporto tra la sua solubilità in solvente polare e quello in acqua. Maggiore è la solubilità di una sostanza nei lipidi, maggiore è la velocità; a parità di solubilità a fare la differenza è la grandezza. Pressione osmotica La pressione osmotica permette il passaggio dell’acqua attraverso una membrana semipermeabile cioè non permette il passaggio del soluto. L’acqua pura passa dalla parte a concentrazione inferiore, infatti con il soluto l’acqua si aggrega alle molecole di soluto e quindi non è più disponibile per passare la membrana, per questo il flusso avviene in questa direzione. Nel processo fisiologico abbiamo la presenza di soluzioni che possono essere: Ipertoniche: l’acqua tende a fuoriuscire e provoca un raggrinzimento della cellula (es globuli rossi) per cui questa perde la sua forma caratteristica Isotoniche: situazione di equilibrio quindi si mantiene la struttura di base Ipotoniche: l’acqua viene assorbita, entra all’interno della cellula provocandone l’esplosione, quindi la rottura della membrana. Non tutte le cellule hanno la stessa capacità di far entrare l’acqua attraverso la membrana. Alcune hanno bisogno di proteine integrali dette acquaporine, strutture proteiche all’interno del doppio strato fosfolipidico, che permettono il passaggio passivo di acqua attraverso delle specie di pori, permettendo quindi una maggiore velocità di trasferimento. La diffusione semplice può avvenire anche grazie a canali ionici che consentono il passaggio di ioni da una parte all’altra della membrana attraverso un poro. P ossiamo distinguere dei canali voltaggio-dipendenti, ligando dipendenti oppure dei canali a controllo meccanico. Solitamente questi canali non utilizzano energia per funzionare ma sfruttano ad esempio un cambiamento di voltaggio per aprirsi e chiudersi, facilitando la diffusione semplice. Un esempio è il canale voltaggio dipendente dal potassio: diversi amminoacidi espongono la parte elettronegativa dell’ossigeno, il potassio una volta entrato nel canale viene neutralizzato dalla carica negativa presente nel canale e passa quindi da un amminoacido all’altro. L’ingresso di ioni provoca il rilascio di altri ioni, l’ingresso di un secondo ione nel canale provoca il rilascio del primo. I punti in cui lo ione si può legare in realtà sono 4 per cui l’ultimo ione spingerà quello precedente a uscire come se non ci fosse più spazio. Lo ione una volta entrato nel canale induce delle modificazioni conformazionali nel canale facendolo aprire e permettendo al potassio di entrare. La chiusura del canale è data da stimolazioni, esempio la concentrazione del potassio, per cui il peptide chiude il canale, questo si muove all’interno del canale e chiude la porta di accesso del canale. Spesso delle proteine agevolano il passaggio nel caso della diffusione facilitata in cui le proteine incluse nella membrana plasmatica possono passare da uno stato A a uno B che permette il passaggio, queste proteine accelerano il passaggio del soluto che comunque avrebbe attraversato da solo la membrana secondo il gradiente di concentrazione. La velocità di diffusione è superiore rispetto a quella della diffusione semplice per cui la proteina deve avere una conformazione specifica atta a questo meccanismo. Per esempio, il glucosio si lega a dei recettori compatibili e viene trasportato attraverso la membrana, solo grazie al contatto con il ligando la proteina cambia conformazione e svolge il suo compito. Il trasportatore del glucosio è un esempio importante perché è governato dalla concentrazione del glucosio, dentro alla cellula viene fosforilato e la sua concentrazione è mantenuta costante perché poi deve esser utilizzato. Nel trasporto attivo solitamente sono necessarie delle condizioni non fisiologiche nella cellula per cui devono agire delle proteine che provochino il passaggio in condizioni fisiologiche, altrimenti non avverrebbe, serve una stimolazione e le concentrazioni devono mantenersi costanti perché la cellula sia in salute. Per mantenere queste condizioni è necessario il trasporto attivo che è contro gradiente di concentrazione per cui è necessario dispendio di energia. Il trasporto attivo è quindi: - Direzionale - Contro gradiente di concentrazione (richiede energia) - Tre meccanismi possibili (uniporto, simporto, antiporto) - Diretto (o primario) e indiretto (o secondario) a seconda che ci sia richiesta diretta di ATP Uniporto: Molecola trasportata secondo unica direzione Trasporto accoppiato si distingue in: Simporto: contemporaneamente due soluti vengono trasportati dalla stessa parte Antiporto: da una parte viene trasportato uno ione e contemporaneamente un altro in senso opposto. Esempio di trasporto attivo: avviene con la pompa del calcio la cui concentrazione viene mantenuta bassa proprio da questi trasportatori presenti sulla membrana che mantengono delle riserve di calcio a livello del reticolo sarcoplasmatico, liberato solo nel momento in cui è necessario alla contrazione muscolare. Il recettore ha una conformazione definita ad H affinità col calcio. La conformazione dell’enzima diventa E2 ossia a bassa affinità di legame per cui non si riapre e l’enzima poi torna ad essere funzionale per un nuovo ciclo. Il glucosio anche passa grazie a questo meccanismo di simporto assieme al sodio (2 molecole di Na e 1 glucosio per ogni ciclo). Anche sodio e potassio utilizzano antiporto, si trova principalmente nelle cellule neuronali; il trasporto attivo inizia per poter sbilanciare le cariche e generare un impulso elettrico, l’ATP induce la chiusura del canale e il rilascio del sodio, contemporaneamente il potassio si lega e la conformazione torna ad essere E2 e viene rilasciato all’interno della cellula (3 Na e 2 K). Il malfunzionamento di questi canali ionici può essere associato a varie patologie, a second di quale canale è deficitario ci possono essere delle conseguenze diverse. Il singolo processo fisiologico ha quindi ripercussioni sul quadro clinico. Un esempio importante è la fibrosi cistica per cui vi è perdita di fenilalanina nel cromosoma 7 che modifica il recettore per il cloro. Normalmente la fuoriuscita del cloro provoca la formazione di una sostanza mucosale che rende la parete esterna degli epiteli particolarmente fluida e quindi il muco elimina organismi esterni e batteri; ciò accade in vari tipi di epiteli come le mucose e a livello dei polmoni per cui il mancato funzionamento dei canali del cloro disidrata l’epitelio a causa della non produzione del muco, l’acqua viene riassorbita di conseguenza si ha una struttura non più funzionale. Si hanno anche una serie di ripercussioni dovute alla secchezza degli epiteli polmonari. Le sostanze più grandi come vengono trasportate? Le sostanze più grandi vengono trasportate all’interno della cellula attraverso l’impiego della membrana: Fagocitosi: invaginazione della membrana dovuta alla sua fluidità, la tasca che si è creata si stacca formando una vescicola che va verso la sua destinazione (degradazione di batteri quindi verso i lisosomi, le componenti che devono fare determinate segnalazioni vengono recepite dall’apparato di Golgi e poi al reticolo endoplasmatico quindi la destinazione dipende dal contenuto della vescicola) Esocitosi: processo inverso per cui sostante magari prodotte dal reticolo passano all’apparato di Golgi, da qui attraverso delle vescicole che si fondano con la membrana vengono poi espulse Endocitosi mediata da recettori: avviene tramite fossette rivestite di clatrina (proteina) per cui sulla membrana dei recettori percepiscono la sostanza da inglobare e ricoprono l’interno della vescicola rivestita anche con la clatrina, questa vescicola va poi incontro a degradazione.