Trasporto di sostanze attraverso la membrana PDF

## Passaggio di sostanze attraverso la membrana Due processi attraverso cui le sostanze attraversano le membrane biologiche: * **Trasporto passivo**: avviene spontaneamente senza uso di energia esterna (avviene secondo gradiente di concentrazione). * **Trasporto attivo**: è richiesta energia ATP...

## Passaggio di sostanze attraverso la membrana Due processi attraverso cui le sostanze attraversano le membrane biologiche: * **Trasporto passivo**: avviene spontaneamente senza uso di energia esterna (avviene secondo gradiente di concentrazione). * **Trasporto attivo**: è richiesta energia ATP (avviene contro gradiente di concentrazione). ### Trasporto passivo Trasferimento di una data sostanza attraverso la membrana per: * **Diffusione** → processo di movimento netto e direzionale di molecole che si verifica quando tra due regioni di una soluzione esiste una differenza di concentrazione. Il movimento avviene da regioni a maggior concentrazione verso regioni a minor concentrazione fino al raggiungimento dell'equilibrio. * La diffusione è un processo causato dall'agitazione termica della materia, funziona molto bene sulle brevi distanze (es. entro una cellula). * All'equilibrio, quando le particelle sono distribuite uniformemente, le particelle continuano a muoversi, ma non c'è cambiamento netto nella distribuzione/concentrazione. * Nel caso di ioni liberi e molecole elettricamente cariche, il trasporto passivo ha come effetto finale il raggiungimento di un equilibrio elettrochimico. * La velocità di diffusione dipende da: * **Diametro delle molecole o ioni**: più piccolo è, più diffondono rapidamente * **Temperatura della soluzione**: temperatura maggiore, maggiore energia cinetica, maggiore movimento e rapida diffusione. * **Gradiente di concentrazione**: maggiore è il gradiente, più rapidamente una sostanza diffonde. * Anche le proprietà della membrana influenzano la diffusione dei soluti. * Se una membrana è permeabile ai soluti, questi si muovono facilmente attraverso di essa fino a raggiungere l'equilibrio. * Se è impermeabile a certi soluti, non passano e le concentrazioni possono essere diverse in comparti separati. Il trasporto passivo comporta la diffusione secondo due modalità: * **Diffusione semplice**: piccole molecole apolari solubili nei lipidi e piccole molecole idrofobe passano attraverso il doppio strato fosfolipidico (CO2, O2, glicerolo). Più una sostanza è liposolubile più velocemente passerà attraverso la membrana. * **Diffusione facilitata**: molecole elettricamente cariche o polari (H2O, amminoacidi, zuccheri, ioni) non possono passare facilmente il doppio strato fosfolipidico. Passano tramite: * **Proteine canale**: proteine integrali di membrana che formano un canale (poro idrofilo). Mettono direttamente in comunicazione i due ambienti separati dalla membrana. * Tipicamente trasportano ioni (canali ionici). * **Proteine di trasporto (carrier)**: proteine di membrana che legano alcune sostanze al sito di legame (formando un complesso carrier-soluto) e, dopo un cambiamento conformazionale, accelerano la loro diffusione attraverso il doppio strato. * I trasportatori si trovano all'interno della membrana poiché la loro superficie esterna presenta una regione idrofoba. * Trasportano metaboliti e sostanze varie. * **Pompe ioniche**: specializzate al trasporto degli ioni liberi, presenti sulla membrana plasmatica ma anche sulle membrane del RE e delle vescicole sinaptiche. * Il trasporto mediato da proteine canale avviene molto più velocemente rispetto a quello operato dalle proteine di trasporto (carrier), le quali, invece, stabiliscono un vero e proprio legame con le particelle da trasportare ed operano il trasporto attraverso cambiamenti conformazionali più o meno complessi. ### Canali ionici Sono sempre trasportatori passivi che mediano un trasporto di tipi diffusione facilitata. Permettono alle cellule di variare la loro concentrazione intracellulare dei loro ioni liberi cambiando il potenziale elettrico di membrana. Una proteina o più proteine (subunità) (3-6) disposte in cerchio a formare le pareti di un poro idrofilico. Gli ioni che vengono fatti passare sono selezionati in base al: * **Diametro del poro** * **La struttura** * **Gruppi R (amminoacidi con carica elettrica positive o negative).** Ogni subunità è costituita da una catena polipeptidica che si ripiega più volte nello spessore della membrana formando le diverse subunità. In generale per molti canali ionici (come ad esempio nel caso di quelli voltaggio-dipendenti) ogni subunità comprende diversi segmenti transmembrana collegati da anse intracellulari ed extracellulari. Ai fini della costituzione del filtro di selettività, riveste particolare interesse l'ansa tra il segmento 5 e il segmento 6, detta anche ansa P (poro), rivolta verso l'interno della molecola, affondata nello spessore della membrana. Alcune cellule eccitabili sono dotate di canali ioni che permettono il passaggio ad alta velocità di ioni, generando dei segnali elettrici (detti nei neuroni potenziali di azione). Malfunzionamenti di queste strutture possono essere causati da alterazioni geniche che sono alla base della comparsa di alcune patologie come la fibrosi cistica, la mucolipidosi di tipo IV, l'epilessia idiopatica, l'atassia spino-cerebellare ecc.. ### Canali ionici senza porta Tutte le cellule sono dotate di canali ionici che sono sprovvisti di porta "non gated channels". Tali canali si trovano sempre nello stato aperto. Essi conferiscono alla membrana una conduttività di base che è una componente fondamentale per la genesi del potenziale di membrana in tutte le cellule. Il flusso ionico che passa attraverso i canali non-gated è denominato leakage (perdita), perché tende a dissipare i gradienti ionici presenti a cavallo della membrana. Sono conosciuti vari tipi di canali di leakage: * canali del Na+ * canali del K+ * canali del CI- * canali del Ca2 ### Canali ionici con porta La maggior parte sono controllati ("gated"): possono essere chiusi o aperti al passaggio degli ioni. Lo stato di apertura dura generalmente pochi millisecondi. Permettono di variare la concentrazione intracellulari di ioni liberi e modificare il potenziale elettrico di membrana (differenza di carica elettrica fuori/dentro la cellula). Alcuni canali hanno una condizione di refrattarietà: transitoria incapacità di riaprirsi nuovamente dopo la chiusura, anche al perdurare dello stimolo per occlusione temporanea del lume del poro, la condizione di refrattarietà dura dai 5 ai 10 msec. I canali si classificano in base alla loro modalità di regolazione della loro apertura. * Un segnale chimico (ligando) * Una differenza di carica elettrica (controllo dal potenziale di membrana) * Altre modalità (es., sollecitazione meccanica: porta connessa ad una struttura citoscheletrica) ### Canali regolati dal potenziale di membrana Nel citoplasma della cellula, così come nel liquido extracellulare sono disciolti diversi tipi di ioni. La loro concentrazione non è però uguale dai due lati della membrana citoplasmatica. Il potenziale di membrana a riposo (Vm) corrisponde alla differenza di potenziale elettrico tra interno ed esterno della cellula nei neuroni, cioè alla differenza tra interno ed esterno nel numero di cariche positive e negative portate dagli ioni: da - 70 a-100 mV (millivolt) nei neuroni (il valore negativo indica che l'interno della cellula è più negativo del suo esterno). * **Depolarizzazione**: ingresso nella cellula di cationi (o uscita di anioni) causa un aumento del potenziale di membrana (avvicinamento verso lo «zero»). * **Iperpolarizzazione**: ingresso nella cellula di anioni (o uscita di cationi) causa una diminuzione del potenziale di membrana (allontanamento dallo «zero»). **Canali voltaggio-dipendenti** → canali regolati dal potenziale di membrana. (es. canali per gli ioni: sodio, potassio, calcio, cloruro). 1. Si aprono quando il potenziale di membrana si depolarizza fino a raggiungere un valore soglia, quando si raggiunge i canali cambiano conformazione e si apre il poro idrofilico. 2. Presentano un alto livello di selettività nei confronti degli ioni che gli passano attraverso. 3. Tipicamente hanno 4 domini di circa 300-400 amminoacidi (nei canali K+ ciascuno dei 4 domini corrisponde a una catena polipeptidica) Nei canali Na+ e Ca2+ è presente anche un'ansa detta ansa H5, le 4 anse H5 formano un filtro di selettività elettricamente carico. I canali possono avere anche alcune subunità accessorie che regolano la loro corretta localizzazione. I segmenti S1-S4 contiene amminoacidi elettricamente carichi che agiscono da sensori del voltaggio che percepiscono l'intensità del campo elettrico transmembrana quando raggiunge il valore soglia va incontro a una modifica conformazionale che apre il poro. ### Canali regolati dal ligando Chiamati anche **recettori-canale** o **recettori ionotropi** (intracellulare o extracellulare) → 1. **Funzione recettore**: hanno un sito di legame per il ligando. 2. **Funzione ionotropi**: capacità di trasportare ioni, contrapposti ai recettori metabotropi privi di poro acquoso. Hanno il poro idrofilico e un sito di legame (recettoriale) può trovarsi all'interno o all'esterno della cellula che lega una molecola di segnalazione (ligando). Forma un complesso recettore-ligando reversibile (legami deboli: legami idrogeno, ionici, interazioni Van der Waals...) che dipende da un impatto casuale del ligando con il sito (maggiore è la concentrazione del ligando e maggiore è la probabilità di formazione del del complesso) e porta a un cambiamento conformazionale che induce il canale ad aprirsi. Il sito legame può (in molti casi) legare molecole simili (di origine endogena e esogena) al ligando che si dividono in: * Agonisti: mimano l'effetto del ligando, inducendo l'apertura del poro * Antagonista: impedisce il legame del ligando, impedisce l'attivazione del recettore bloccando l'apertura del poro. Che a loro volta possono legarsi in modo: * Competitivo: legame reversibile (dipende da concentrazione ligando e antagonista). * Non competitivo: legame irreversibile. Alcuni recettori-canale hanno siti di legame addizionali (allosterici) ai quali si vengono a legare molecole diverse dal ligando (modulatori allosterici di origine endogena o esogena) che potenziano o inibiscono l'apertura del canale. Sono costituiti da un numero di subunità da 3 a 5. Anche i recettori ionotropi possono andare incontro a una fase di refrattarietà caratterizzata dalla chiusura del poro e la presenza del ligando sul sito recettoriale, l'inizio di un nuovo ciclo di apertura avviene solo quando il ligando viene espulso e degradato. ### Trasportatori di membrana * Trasporto di molecole polari idrofile (zuccheri e amminoacidi) * Presentato un sito di legame delle molecola (interno o esterno alla cellula) * Con la formazione del legame segue un cambiamento della conformazione e il passaggio del soluto. * Svolgono trasporto: * **Passivo (diffusione facilitata)** * **Attivo primario**: uso di ATP * **Attivo secondario**: sfrutta gradiente di concentrazione ionica Le proteine trasportatrici trasportano molecole polari come il glucosio attraverso le membrane, in entrambe le direzioni. II glucosio si lega alla proteina, induce un cambiamento di forma e il rilascio del glucosio nell'altro lato. ### Saturabilità * Diffusione semplice → la velocità del trasporto delle molecole è proporzionale all'aumento di concentrazione della molecola (ed è senza potenziali limiti) * Diffusione facilitata la velocità di diffusione è limitata dal numero di proteine trasportatrici nella membrana cellulare (esiste un limite alla velocità di diffusione determinato dalla disponibilità di trasportatori) Quando tutti i trasportatori sono caricati col soluto, il sistema di diffusione è saturato. ### Osmosi L'osmosi è la diffusione facilitata di un solvente attraverso una membrana semipermeabile. L'acqua può attraversare una membrana muovendosi attraverso speciali canali chiamati acquaporine (proteine canale) che sono molte sulla membrana plasmatica, tante da far sembrare la diffusione dell'acqua una diffusione semplice. L'acqua diffonderà dalla regione a maggior concentrazione d'acqua (minor concentrazione del soluto) alla regione a bassa concentrazione d'acqua (maggior concentrazione del soluto). Dipende dalle concentrazioni relative delle molecole d'acqua in ciascun lato della membrana. Due soluzioni sono dette isotoniche quando hanno uguale concentrazione del soluto. Una soluzione si dice ipotonica quando ha una minore concentrazione di soluto rispetto a un'altra. Una soluzione si dice ipertonica quando ha una maggiore concentrazione di soluto rispetto a un'altra. ### Trasporto attivo Trasporto di una molecola dal compartimento dove la concentrazione è minore a dove la concentrazione è maggiore (contro un gradiente di concentrazione e/o elettrico). È un trasporto di tipo concentrativo quindi richiede energia (la fonte di energia è spesso l'adenosina tri-fosfato: ATP che si lega alla cassetta di legame dell'ATP), alcuni trasportatori usano altre fonti di energia come la luce solare (trasportatori batterici). Il trasporto attivo è direzionato. Esistono tre tipi di proteine: * **Uniporto**: sposta una sola sostanza in una direzione. * **Simporto**: sposta due sostanze (una molecola e uno ione) diverse nella stessa direzione (es. glucosio nelle cellule dell'epitelio assorbente dell'intestino). * **Antiporto**: sposta due sostanze diverse in direzioni opposte (es. trasportatori vescicolare dei neurotrasmettitori). * **Trasporto attivo primario** → richiede idrolisi diretta di ATP. * **Trasporto attivo secondario** → l'energia deriva da un gradiente di concentrazione elettrochimico di uno ione stabilito da un trasporto attivo primario. I trasporti attivi secondari dipendono strettamente dai trasporti attivi primari che utilizzano ATP per mantenere i gradienti di concentrazioni necessari per il trasporto attivo secondario. ### Trasporto attivo primario **Pompa sodio-potassio (Na+-K+)** detta anche **ATPasi Na+-K+-dipendente.** * Si trova in tutte le cellule animali. * Opera in modo costitutivo ovvero è sempre attiva. * In condizioni di riposo richiede l'utilizzo del 25% dell'ATP cellulare dell'intero organismo (nei neuroni 79%). La pompa è una proteina integrale di membrana (un antiporto). * II potenziale di membrana è mantenuto proprio dall'azione della pompa (circa -70 mV), questo fornisce all cellule una fonte di energia costituita da un gradiente elettrochimico. Mantiene la negatività nel citoplasma (ogni ciclo che si realizza comporta la perdita di una carica positiva all'interno della cellula), la pompa viene definita quindi elettrogenica. * La pompa è formata da 2 subunità (alpha e beta) delle quali l'alpha lega l'ATP e contiene il sito di fosforilazione e la beta è responsabile della localizzazione della pompa sulla membrana. ### Trasporto attivo secondario Il trasporto attivo (usa energia) del soluto sfrutta il trasporto passivo dello ione accoppiato (diffusione). Sfrutta l'energia del gradiente elettrochimico, ottenuta dalla concentrazione di ioni Na+ nella parte esterna, per spingere il glucosio all'interno della cellula (cellule dell'epitelio assorbente dell'intestino) contro gradiente di concentrazione. Il glucosio si sposterà poi dalla porzione apicale alla porzione basale della cellula e poi verso l'esterno per diffusione facilitata. ### II passaggio di sostanze con vescicole Le macromolecole (proteine, polisaccaridi, acidi nucleici) sono troppo grandi per attraversare la membrana. Essi possono essere assunti o secreti tramite vescicole membranose. ### Endocitosi Processo che porta molecole o cellule all'interno di una cellula. La membrana plasmatica si ripiega o si invagina attorno al materiale, formando una vescicola chiamata endosoma che generalmente si fonde con i lisosomi, le vescicole passano poi nel Golgi e vengono filtrati i componenti rispetto ai prodotti di secrezione. Tre tipi di endocitosi: 1. **Fagocitosi**: molecole o cellule intere vengono inglobate. Si forma un vacuolo alimentare o fagosoma, che poi si fonde con un lisosoma. * Alcuni protisti si alimentano in questo modo. * Alcuni globuli bianchi inglobano sostanze estranee in questo modo. 2. **Pinocitosi**: si forma una vescicola che importa piccole sostanze disciolte o fluidi nella cellula. * Le vescicole sono molto più piccole rispetto alla fagocitosi. * La pinocitosi è costante nelle cellule endoteliali (capillari). 3. **L'endocitosi mediata da recettore**: è altamente specifica dipende da recettori proteici (proteine integrali di membrana situate sul lato extracellulare che legano specifiche sostanze). * Il recettore si lega al suo ligando e la fossette sprofonda formando la vescicola che allontana dalla membrana. * Le fossette sono rivestite da altre proteine quali le clatrine che irrobustiscono la vescicola che si forma. La vescicola dentro la cellula si spoglia poi del guscio di clatrine. Si forma una vescicola in cui si raccolgono i recettori che tornano alla membrana. La vescicola primaria si fonde con un lisosoma che digerisce il contenuto. ### Esocitosi Il materiale nelle vescicole è espulso dalla cellula. I materiali non digeriti vengono espulsi. Altri materiali che lasciano le cellule sono gli enzimi digestivi e i neurotrasmettitori. Può avvenire in maniera: * **Costitutiva (in tutte le cellule)** * **Regolata (cellule endocrine e esocrine).** ### Il sistema nervoso Il sistema nervoso coordina l'attività delle diverse parte dell'organismo in relazione al mondo esterno/interno. È possibile in quando: * Raccoglie gli stimoli provenienti dall'esterno o dall'interno attraverso dei recettori sensoriali * Integra e analizza le informazioni ed elabora una risposta grazie gli organi effettori che eseguono la risposta. ### Teoria del neurone * Colorazione di Nissl (coloranti basici RNA di ER e nucleolo) * Colorazione di (Camillo) Golgi detta reazione nera (soluzione di cromato d'argento) mette in evidenza pochi neuroni presi per intero: visualizzazione di soma, assoni e dendriti. * La teoria reticolare sostiene che l'encefalo è è costituito da neuroni collegati in modo da formare un reticolo cellulare ininterrotto attraverso il quale viene trasmessa l'informazione nervosa (questa teoria non teneva onto dell'esistenza delle singole cellule). * Santiago Ramon y Cajal La teoria del neurone sostiene che ogni neurone è fisicamente separato da quelli circostanti e ognuno è capaci di comunicare con gli altri attraverso particolari punti di connessione (sinapsi).