Trasport Membrana Biologiche PDF

TRASPORTI DI MEMBRANA Scambi Attraverso le Membrane Biologiche La lezione di oggi riguarda gli scambi di sostanze attraverso le membrane biologiche. Queste membrane sono fondamentali perché separano compartimenti diversi nel nostro organismo, come: Ambiente interno ed esterno (separati da memb...

TRASPORTI DI MEMBRANA Scambi Attraverso le Membrane Biologiche La lezione di oggi riguarda gli scambi di sostanze attraverso le membrane biologiche. Queste membrane sono fondamentali perché separano compartimenti diversi nel nostro organismo, come: Ambiente interno ed esterno (separati da membrane epiteliali) Plasma e liquido interstiziale (separati dall'endotelio dei capillari) Interno ed esterno delle cellule (separati dalla membrana cellulare) Concetto di Flusso Gli scambi attraverso le membrane vengono descritti attraverso il concetto di flusso, che indica la quantità di sostanza che attraversa un'unità di superficie in un'unità di tempo. Legge Generale del Flusso Ogni flusso è causato da una forza che spinge le molecole a muoversi. Questa relazione è descritta dalla legge generale del flusso: Flusso = Forza x Costante (k) La costante "k" dipende dalle caratteristiche sia dell'ambiente in cui le molecole si muovono che dalle caratteristiche delle molecole stesse (es: dimensioni). Questa legge generale si applica a diversi fenomeni, come la diffusione (Legge di Fick), il flusso di corrente (Legge di Ohm) e il flusso di liquidi (Legge di Poiseuille). Membrane Cellulari ed Epiteliali Nel nostro organismo i flussi avvengono attraverso: 1. Membrane Cellulari: Struttura: Doppio strato fosfolipidico con teste polari e code idrofobiche, dove sono inserite proteine di membrana. Funzione: Mantengono separati gli ambienti intra ed extra cellulare, regolando il passaggio di molecole attraverso proteine canale o trasportatori. Permettono la comunicazione cellulare tramite recettori. 2. Membrane Epiteliali: Struttura: Tante cellule unite da giunzioni cellulari. Funzione: Simile alle membrane cellulari, separano e regolano gli scambi. Tipi di Trasporto: Attivo vs Passivo Dal punto di vista energetico, i trasporti si dividono in:  Trasporti Passivi: Sfruttano l'energia già presente nel sistema, non richiedendo ATP da parte della cellula. (Es. diffusione) Trasporti Attivi: Richiedono energia (ATP) per muovere le molecole contro il loro gradiente di concentrazione. DIFFUSIONE: TRASPORTO PASSIVO La diffusione è un trasporto passivo basato sul movimento casuale delle molecole. Se mettiamo a contatto due soluzioni con concentrazioni diverse di un soluto, il soluto si sposta dalla zona più concentrata a quella meno concentrata, finché le concentrazioni non si eguagliano. Movimento Casuale: Le molecole sono in costante movimento casuale. In caso di differenza di concentrazione, le molecole si muoveranno più frequentemente dalla zona più concentrata a quella meno concentrata, generando un flusso netto. Flussi Unidirezionali: La diffusione coinvolge due flussi: uno che va dalla zona 1 alla zona 2 e l'altro che va dalla zona 2 alla zona 1. Flusso Netto: La differenza tra i due flussi unidirezionali determina il flusso netto. Quando le concentrazioni si eguagliano, il flusso netto è zero, e si raggiunge l'equilibrio. Legge di Fick La legge di Fick descrive la diffusione: Flusso Netto = D x A x (ΔC/Δx) Dove: D: Coefficiente di diffusione (dipende dalle caratteristiche del soluto e del mezzo). A: Area della membrana (maggiore l'area, maggiore il flusso). ΔC/Δx: Gradiente di concentrazione (la forza che spinge le molecole a muoversi). Flusso per Unità di Superficie (J) Spesso il flusso viene espresso per unità di superficie: J = Flusso/A J = D x (ΔC/Δx) Permeabilità (P) Si definisce permeabilità (P) come: P = D/Δx La permeabilità ha l'unità di misura di una velocità (cm/s). Si ottiene raggruppando il coefficiente di diffusione (D) e lo spessore della membrana (Δx). La legge di Fick diventa, quindi: J = P x ΔC La permeabilità tiene conto delle dimensioni delle molecole, delle caratteristiche della membrana e dello spessore della membrana. Rappresentazione Grafica della Legge di Fick Il flusso diffusionale (J) è proporzionale alla differenza di concentrazione (ΔC), rappresentata da una retta in un grafico con pendenza uguale a P. Flussi Unidirezionali: Ogni flusso unidirezionale dipende dalla concentrazione delle molecole nella zona di partenza. Solo quando le concentrazioni sono uguali, il flusso netto è 0. DIFFUSIONE ATTRAVERSO CANALI DI MEMBRANA Nella lezione precedente, abbiamo considerato le membrane come facilmente attraversabili. Tuttavia, le membrane cellulari presentano un doppio strato fosfolipidico idrofobo, che impedisce il passaggio di molecole idrofile. Proteine Canale Le proteine di membrana formano canali o pori che permettono il passaggio di molecole idrofile tra l'ambiente interno ed esterno della cellula. Superficie di Diffusione: La superficie attraverso cui le molecole possono passare è minore rispetto alla superficie totale della membrana (limitata ai pori). Questo comporta una modifica del coefficiente di diffusione, che viene moltiplicato per un fattore adimensionale che rappresenta il rapporto tra l'area dei pori e l'area totale della membrana. Interazioni Molecola-Canale: Se le molecole hanno dimensioni simili a quelle del canale,  interagiscono con le pareti del canale, rallentando ulteriormente la diffusione. Coefficiente di Permeabilità Il coefficiente di permeabilità dipende non solo dalla molecola, ma anche dalla membrana attraverso cui si muove. Non esiste un valore assoluto di permeabilità per una sostanza, ma la permeabilità è definita in relazione a una specifica membrana. Proprietà della Diffusione La diffusione è un fenomeno fisico con caratteristiche specifiche: Passivo: Non richiede energia metabolica; sfrutta l'energia termica (cinetica) del movimento molecolare. Secondo Gradiente di Concentrazione: Le molecole si muovono da zone ad alta concentrazione a zone a bassa concentrazione. Uniformità: Il movimento netto cessa quando la concentrazione diventa uniforme. Dipendenza dalla Superficie e dalle Dimensioni: È direttamente proporzionale alla superficie di scambio e inversamente proporzionale alle dimensioni molecolari e allo spessore della membrana. Lenta sulle Lunghe Distanze: È più lenta per molecole grandi. Accorgimenti per Aumentare la Velocità della Diffusione L'organismo adotta strategie per rendere efficiente la diffusione: Grande superficie: Presenza di ripiegature (villi intestinali, alveoli polmonari) per aumentare la superficie di scambio. Membrana sottile: Riduzione dello spessore della membrana per diminuire la distanza che le molecole devono percorrere. DIFFUSIONE IONICA ATTRAVERSO LA MEMBRANA CELLULARE Quando le molecole che si muovono sono cariche, oltre alla forza chimica (gradiente di concentrazione) entra in gioco la forza elettrica (differenza di potenziale tra interno ed esterno della cellula). Potenziale Elettrochimico: Il movimento di ioni carichi dipende dal bilancio tra forza chimica e forza elettrica. Il flusso netto è determinato dalla combinazione delle due forze. Permeabilità della Membrana Molecole Permeabili: Gas respiratori, molecole lipidiche, piccole molecole polari (acqua, urea). Molecole Non Permeabili: Molecole cariche, molecole polari di dimensioni maggiori. Le molecole polari piccole (es. acqua) oggi si ritiene che passino attraverso canali dedicati (es. acquaporine). Vie di Movimento delle Molecole Le molecole possono attraversare la membrana: Attraverso il doppio strato fosfolipidico: Solo per poche tipologie di molecole (lipofile e piccole polari) Attraverso canali proteici o pori: Per le molecole idrofile. In entrambi i casi si parla di diffusione semplice. La diffusione facilitata viene spesso usata per indicare il passaggio di molecole tramite proteine di membrana, ma la prof preferisce distinguere tra diffusione semplice e facilitata per le loro cinetiche di trasporto diverse. TRASPORTO PASSIVO Il trasporto passivo (secondo gradiente elettrochimico) può avvenire attraverso: Doppio strato lipidico. Canali di membrana Trasportatori. CANALI IONICI: CARATTERISTICHE E FUNZIONI I canali ionici sono proteine di membrana che creano un passaggio acquoso tra i due lati della membrana, permettendo il movimento di molecole, specialmente ioni. Selettività Una caratteristica fondamentale dei canali ionici è la loro selettività: Carica Elettrica: La presenza di cariche all'interno del poro rende il canale selettivo per anioni o cationi (ioni con carica opposta vengono respinti o attratti). Dimensioni del Poro: La selettività tra ioni con la stessa carica può dipendere dalle dimensioni del poro, ma la discriminazione è più complessa (un poro non discrimina la molecola più piccola ma quella più grande). Molecole di Idratazione: Gli ioni in soluzione sono circondati da molecole d'acqua (molecole di idratazione). Per passare attraverso il canale, lo ione deve perdere queste molecole e adattarsi alle dimensioni del poro. Ad esempio, i canali selettivi per il potassio permettono il passaggio del potassio perché il sodio non riesce a perdere completamente le sue molecole di idratazione, e risulta più grande del potassio. Apertura e Chiusura dei Canali (Gating) I canali ionici non sono sempre aperti, ma possiedono "cancelli" che si aprono o si chiudono in base a determinate condizioni: Patch Clamp: La tecnica del "patch clamp" permette di studiare l'apertura e la chiusura dei canali. Utilizzando una pipetta con un microelettrodo, è possibile isolare una porzione di membrana e  misurare le correnti che passano attraverso i canali. Fattori che Influenzano l'Apertura dei Canali: Variazione del potenziale di membrana (canali voltaggio-dipendenti) Legame con ligandi (neurotrasmettitori, secondi messaggeri) (canali ligando-dipendenti) Stimoli meccanici (canali meccano-sensibili) Temperatura. Tipi di Canali: Canali con Cancelli: Canali che si aprono o si chiudono in base a stimoli specifici (voltaggio, ligando, meccanici, temperatura). Canali di Leakage: Canali sempre aperti, che contribuiscono alle proprietà di resistenza della membrana a riposo. Ad esempio, i canali del potassio. Diffusione Semplice Sia la diffusione attraverso il doppio strato lipidico che quella attraverso i canali vengono considerate diffusione semplice: entrambe seguono la legge di Fick. In un grafico che mostra la relazione tra il flusso e la differenza di concentrazione, si ottiene una retta, la cui pendenza corrisponde alla permeabilità. PROTEINE TRASPORTATRICI: CARATTERISTICHE E FUNZIONI Le proteine trasportatrici, a differenza dei canali, non creano un'apertura continua tra i due ambienti, ma funzionano come "porte girevoli". Meccanismo di Trasporto 1. Legame del Substrato: La proteina trasportatrice lega una molecola specifica (substrato) su un lato della membrana. 2. Cambiamento Conformazionale: La proteina cambia la sua conformazione e si apre sull'altro lato della membrana. 3. Rilascio del Substrato: La proteina rilascia la molecola trasportata. Caratteristiche del Trasporto Mediato da Trasportatori: Specificità: Elevata specificità per il substrato (legame a siti specifici, come una chiave nella serratura). Saturabilità: Il trasporto è soggetto a saturazione (raggiungimento di una velocità massima quando tutti i siti di legame sono occupati). Inibizione Competitiva: Molecole simili al substrato possono competere per il sito di legame del trasportatore, inibendone il trasporto. Trasporto sia Attivo che Passivo: Il trasporto può essere passivo (secondo gradiente) o attivo (contro gradiente, con dispendio di energia). DIFFUSIONE FACILITATA: Il trasporto passivo attraverso i trasportatori è chiamato diffusione facilitata. La sua cinetica è diversa rispetto alla diffusione semplice: Cinetica di Saturazione: La velocità di trasporto aumenta all'aumentare della concentrazione del substrato fino al raggiungimento di una velocità massima. Questa cinetica è rappresentata da una curva che si appiattisce (saturazione). Costante Km: La costante Km rappresenta la concentrazione del substrato alla quale la velocità di trasporto è la metà della velocità massima. Indica l'affinità del trasportatore per il substrato. Equazione del Flusso: Il flusso (J) ad una data concentrazione di substrato si calcola con la formula: = × [ ] / + [ ] Dove: Jmax è la velocità massima di trasporto. [S] è la concentrazione del substrato. Km è la costante di affinità. Inibizione Competitiva Gli inibitori competitivi sono molecole che si legano al sito attivo del trasportatore, impedendo il legame del substrato e riducendo la velocità di trasporto. Trasportatore del Glucosio (GLUT) Un esempio di trasporto passivo è quello del glucosio tramite i trasportatori GLUT. Concentrazione: Il glucosio è più concentrato all'esterno della cellula, quindi il trasporto avviene secondo gradiente, anche se attraverso un trasportatore. Funzionamento: Il trasportatore GLUT si apre alternativamente verso l'interno e verso l'esterno,  trasportando il glucosio secondo il gradiente di concentrazione. L'affinità del trasportatore per il glucosio dipende dalla concentrazione di quest'ultimo. Inibizione Competitiva: Il maltosio, essendo simile al glucosio, può legarsi al sito di legame del trasportatore GLUT e inibirne il funzionamento. Isoforme: Esistono diverse isoforme di GLUT, con affinità differenti per il glucosio e altri zuccheri (es. fruttosio). Alcune isoforme sono sensibili all'insulina, mentre altre no. TRASPORTI ATTIVI: GENERALITÀ I trasporti attivi sono meccanismi di trasporto che spostano le molecole contro il loro gradiente di concentrazione o elettrochimico, richiedendo energia. Trasportatori: Si verificano solo attraverso le proteine trasportatrici, mai tramite canali o il doppio strato fosfolipidico. Tipi di Trasporto Attivo: Primario: Utilizza direttamente l'energia derivata dall'idrolisi dell'ATP. Secondario: Utilizza l'energia immagazzinata nel gradiente di concentrazione di un'altra molecola. Caratteristiche dei Trasporti Attivi I trasporti attivi condividono alcune caratteristiche con i trasporti passivi mediati da trasportatori, come: Specificità: Elevata selettività per il substrato. Saturabilità: Raggiungimento di una velocità massima di trasporto.  Inibizione Competitiva: Possibilità di inibizione del trasporto tramite molecole simili al substrato. Inoltre, rispetto alla diffusione facilitata, i trasporti attivi sono anche caratterizzati da: Inibizione da Inibitori Metabolici: Sensibilità a sostanze che bloccano la produzione di ATP (es. cianuro). Variazione dell'Affinità del Trasportatore: L'affinità del trasportatore per il substrato si modifica durante il processo di trasporto, permettendo il movimento contro gradiente. TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO Il trasporto attivo primario utilizza direttamente l'energia dell'ATP. ATPasi: I trasportatori attivi primari sono anche chiamati ATPasi, in quanto idrolizzano l'ATP per generare energia. Esempi di Trasportatori Attivi Primari 1. ATPasi Protoniche (H+): Trasportano ioni idrogeno (H+), essenziali per la regolazione del pH cellulare. 2. Pompe del Calcio: PMCA: Pompa del Calcio presente sulla membrana plasmatica (cellulare). SERCA: Pompa del Calcio presente sulla membrana del reticolo endoplasmatico (o sarcoplasmatico nel muscolo). Entrambe mantengono bassa la concentrazione di calcio nel citoplasma.  3. Pompa Sodio-Potassio (Na+/K+ ATPasi): Funzione: Trasporta tre ioni sodio (Na+) fuori dalla cellula e due ioni potassio (K+) dentro la cellula per ogni molecola di ATP idrolizzata. Ruolo nel Potenziale di Membrana: Contribuisce direttamente (elettrogenicità) e indirettamente al potenziale di membrana a riposo. Regolazione del Volume Cellulare: Riduce l'osmolarità intracellulare, regolando il volume cellulare. Gradiente del Sodio: Genera il gradiente di sodio, che è una forma di energia utilizzata per altri processi cellulari (trasporto attivo secondario). Inibizione: Inibita da ouabaina e digitossina. Meccanismo d'Azione della Pompa Sodio-Potassio: 1. Legame del Sodio: La pompa si apre verso l'interno, lega 3 ioni Na+ e una molecola di ATP. 2. Idrolisi dell'ATP: L'ATP viene idrolizzato, e la pompa viene fosforilata. 3. Apertura verso l'Esterno: La pompa cambia conformazione e si apre verso l'esterno; l'affinità per il sodio diminuisce e il sodio viene rilasciato. 4. Legame del Potassio: La pompa lega 2 ioni K+ dall'esterno. 5. Defosforilazione: Il gruppo fosfato viene rilasciato e la pompa ritorna alla conformazione iniziale. 6. Apertura verso l'Interno: La pompa si apre verso l'interno; l'affinità per il potassio diminuisce e il potassio viene rilasciato nel citosol. Il ciclo può ricominciare. 7. Modifica dell'Affinità: Un passaggio fondamentale del trasporto attivo è la modifica dell'affinità tra il trasportatore e il substrato. ATPasi H+/K+: Funzione: Trasportano ioni H+ fuori dalla cellula e ioni K+ dentro, essenziali per la produzione di succo gastrico nello stomaco. TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO Il trasporto attivo secondario non utilizza direttamente l'ATP, ma sfrutta il gradiente di concentrazione generato dal trasporto attivo primario di un'altra molecola (spesso il sodio). Co-trasporto: Due molecole sono trasportate contemporaneamente attraverso la membrana. Substrato: Una molecola si muove secondo gradiente, l'altra contro gradiente. Gradiente di Na+: Il gradiente di sodio, generato dalla pompa sodio-potassio, è un motore per molti trasporti attivi secondari. Caratteristiche del Trasporto Attivo Secondario Condivide le stesse caratt. dei trasporti attivi primari: specificità, saturabilità e inibizione competitiva. Tipi di Trasporto Attivo Secondario 1. Simporto (Co-trasporto): Entrambe le molecole si muovono nella stessa direzione. Es. trasporto di sodio e glucosio nella stessa direzione. 2. Antiporto (Scambio): Le due molecole si muovono in direzioni opposte. Es. trasporto di sodio che entra e ioni idrogeno (H+) che escono dalla cellula.