Membrana Cellulare - Trasporto di Membrana PDF

Le membrane cellulari. Trasporto di membrana. Tutte le cellule hanno almeno una membrana che le separa dall’ambiente esterno, che agisce come una barriera selettiva, capace di importare ed esportare molecole, di ricevere e trasmettere informazione e di adattarsi ai movimenti della cellula. Le cell...

Le membrane cellulari. Trasporto di membrana. Tutte le cellule hanno almeno una membrana che le separa dall’ambiente esterno, che agisce come una barriera selettiva, capace di importare ed esportare molecole, di ricevere e trasmettere informazione e di adattarsi ai movimenti della cellula. Le cellule eucariotiche hanno anche tante membrane interne, simili a quella esterna ma ognuna con le sue proprietà particolari, a seconda del suo ruolo. La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. MEMBRANA PLASMATICA (o plasmalemma) → una ricerca che dura da più di 100 anni 1895 Plasmolisi e Cosa succede quando due soluzioni a concentrazione differente sono separate da una membrana? Dipende dal tipo di membrana: permeabile o semi-permeabile Passaggio netto di All’equilibrio: uguale soluto da A a B concentrazione Membrana permeabile al solvente e al soluto: diffusione Passaggio di solo All’equilibrio: uguale Membrana acqua da B ad A concentrazione semi-permeabile: permeabile al solvente, impermeabile al soluto: osmosi OSMOSI: movimento di acqua in risposta ad un gradiente chimico di un soluto cui la membrana è impermeabile La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Cellule vegetali in soluzione… isotonica ipertonica ipotonica La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Le cellule vegetali hanno una forte parete cellulare al esterno della membrana plasmatica, in grado di reggere la pressione generata dalle forze osmotiche (pressione di turgore) originate dall’ingresso d’acqua nella cellula ricca in soluti. La pressione di turgore mantiene la struttura delle piante, per esempio le foglie distese. La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Plasmolisi di cellule vegetali (Overton, 1895): la membrana è semipermeabile. Cellule di epidermide di cipolla in: acqua acqua + NaCl 5 M: plasmolisi vacuolo pieno di nucleo pigmento parete vacuolo pieno di pigmento citoplasma La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Cellule vegetali e animali in soluzione… ipertonica isotonica ipotonica EMOLISI: Ombre eritrocitarie o ghosts Cellula animale Cellula vegetale PLASMOLISI TURGORE La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Ipotesi di Overton (1899): se una sostanza penetra attraverso la membrana, dovrà essere “solubile” in essa; capire quali sostanze penetrano; all’aumentare la liposolubilità, aumenta la velocità di passaggio attraverso la membrana; la membrana plasmatica deve essere costituita da lipidi! Più solubili in acqua Più solubili in olio La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Langmuir (1917): i fosfolipidi sono molecole anfipatiche → formano un film lipidico monostratificato Apparato di Langmuir La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Gorter e Grendel (1925): la membrana è un doppio strato lipidico Area del monostrato dei lipidi estratti/superficie dei globuli rossi = 1,8-2,2 I fosfolipidi estratti dalle “ombre” eritrocitarie occupano un’area doppia rispetto a quella della superficie degli eritrociti sono disposti a formare un doppio strato La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Le molecole idrofile interagiscono con l’acqua (testa), ma quelle idrofobe no, e per minimizzare l’energia che richiede organizzare l’acqua attorno a loro, queste si condensano fra di loro e lontane dall’acqua. Per le molecole anfipatiche, il doppio strato chiuso in forma sferica è la soluzione più vantaggiosa: non ci sono contatti fra molecole idrofobiche e acqua: liposomi. La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Modello di Davson e Danielli (1935, 1954): il doppio strato lipidico non spiegava Elasticità Permeabilità Tensione superficiale Quindi sono presenti anche proteine: modello ‘a sandwich’ La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Robertson (1960): la membrana unitaria Membrana di 6-8 nm Struttura trilaminare a «binario ferroviario» Struttura comune a tutte le membrane → membrana unitaria A microscopia elettronica, presenta aspetto trilaminare: due linee elettrondense di  2nm, separate da uno spazio chiaro di  3,5 nm Limitazioni del modello di Davson- Danielli: 1) Lo spessore di 2 nm è troppo ridotto per giustificare la presenza di un monostrato di proteine. 2) I fosfolipidi sono suscettibili alla digestione enzimatica 3) Differente composizione proteica delle membrane di diverse cellule 4) Risultati degli esperimenti di criodecappaggio Congelamento rapido in N2 liquido (-195°C) Minore resistenza alla frattura fra i due strati Ombreggiatura con platino e carbonio Osservazione al microscopio elettronico La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Le membrane biologiche sono doppi strati lipidici con delle proteine sparse ovunque: Singer & Nicolson, 1972: il modello del mosaico fluido. Proposto per soddisfare le leggi della termodinamica, collocando le molecole anfipatiche in maniera adatta per il contatto con due ambienti acquosi. ˜50 atomi IL DOPPIO STRATO LIPIDICO E’ fatto di lipidi anfipatici, con una testa idrofila e due code idrocarburiche idrofobe. I lipidi più abbondanti sono i fosfolipidi, tra i quali il più frequente è la fosfatidilcolina. Altri lipidi di membrana sono gli steroidi (come il colesterolo, in membrane animali) e i glicolipidi (testa saccaridica e code idrocarburiche). La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Fluidità di membrane fatte da acidi grassi a 18 Doppi T di transizione atomi di carbonio legami cis (fusione) Acido stearico CH3(CH2)16COOH -> 0 69 °C Acido oleico CH3(CH2)7 CH=CH(CH2)7COOH -> 1 13,4 °C Acido linoleico CH3(CH2)3(CH2CH=CH)2(CH2)7COOH -> 2 - 5 °C Acido linolenico CH3(CH2CH=CH)3 (CH2)7COOH -> 3 - 11 °C La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. La fluidità del doppio strato dipende dalla presenza di doppi legami (cis) acido grasso insaturo Temperatura di transizione acido grasso saturo Membrane con Membrane con acidi grassi insaturi: acidi grassi saturi: più fluide (fluido) meno fluide (gel) anche a basse anche ad alte temperature temperature La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. La fluidità del doppio strato lipidico dipende dalla temperatura e dalla composizione: le membrane delle cellule animali contengono colesterolo: Si intercala tra fosfolipidi → limita l’impacchettamento Interagisce con la parte iniziale delle code → riduce la deformabilità e dona compattezza Troppo rigida Troppo fluida a T elevate: limita la fluidità a T basse: favorisce la fluidità OK! La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. - Lieviti e batteri: adattano la composizione della membrana ai cambiamenti di temperatura: E. coli ambia la saturazione degli acidi grassi a seconda la temperatura (sintesi di desaturasi). - Cellule animali: usano il colesterolo per regolare la fluidità (e la permeabilità) della membrana: più colesterolo, più rigida è la membrana ad alta temperatura, ma più flessibile a bassa temperatura! Il colesterolo è essenziale anche per la segnalazione e l’endocitosi, e nella sintesi di ormoni steroidei, vitamina D e acidi biliari. Chi deve inserire più molecole di colesterolo per dare fluidità alla membrana, un topo o un pesce artico? La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Le membrane lipidiche sono flessibili e fluide, sia nel piano della membrana (movimenti laterali, molto comuni e veloci, fortemente dipendenti della temperatura), che trasversalmente (flip-flop, molto rari se non facilitati). La fluidità permette pure il movimento delle proteine nel piano della membrana. E’ molto importante per tutte le funzioni cellulari collegate alle membrane (segnalazione, ingresso e uscita di vescicole, etc.). La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Gli sperimenti di fusione cellulare dimostrano la fluidità delle membrane La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. membrane_fluidity I due strati della membrana sono asimmetrici: uno citosolico e uno extracellulare (o rivolto verso l’interno degli organelli). Ogni strato ha una composizione lipidica e proteica particolare, controllata dalla cellula. Lato extracellulare: - ricco di colina fosfatidilcolina e sfingomielina - glicolipidi (esclusivi) - più acidi grassi saturi (più viscoso) fosfatidilcolina sfingomielina fosfatidilserina fosfatidilinositolo fosfatidiletanolamina glicolipidi colesterolo Lato citosolico: - ricco di fosfatidiletanolamina e fosfatidilserina - più acidi grassi insaturi (più fluido) La nuova membrana si forma nel reticolo endoplasmatico. Ci sono enzimi che sintetizzano ed inseriscono i nuovi lipidi nello strato citosolico della membrana, e altri enzimi (flippasi) che distribuiscono i nuovi lipidi tra i due strati di membrana, in maniera specifica e asimmetrica. La nuova membrana viaggia alla destinazione finale formando delle vescicole. La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Fosfatidilinositolo Questo fosfolipide si trova solo nel lato citosolico della membrana, e ha un ruolo importante nella segnalazione cellulare. Glicolipidi L’aggiunta di gruppi saccaridici avviene all’interno dell’apparato di Golgi, dopo rimangono nel lato luminale del Golgi e delle vescicole, e finalmente sono destinati al lato extracellulare della membrana plasmatica, dove formano parte dello strato glucidico esterno che avvolge la cellula (rivestimento carboidratico o glicocalice), con funzioni varie: protezione, interazione fra cellule, adesione, etc. Sezione istologica di intestino tenue La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Orientamento dei glicolipidi e le glicoproteine di membrana durante il trasporto carboidrati proteina o lipide di membrana Golgi Reticolo endoplasmatico Nucleo Ci sono delle zone particolari nella membrana (simili a macchie) dove la composizione lipidica è diversa: zattere lipidiche: meno fosfolipidi, più sfingomielina, glicolipidi e colesterolo; la membrana è più rigida (minore fluidità) e si concentrano certe proteine per svolgere la loro funzione; in alcune cellule, le zattere lipidiche possono occupare fino al 30% dell'intera superficie cellulare. LE PROTEINE DI MEMBRANA Sono il componente funzionale della membrana, negli animali sono circa il 50% della massa (anche se meno numerose dei lipidi, sono più grandi). Svolgono tanti ruoli diversi, e ci sono diverse proteine in diversi tipi di membrane. TRASPORTATORI PROT. DI ANCORAGGIO RECETTORI ENZIMI La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Le proteine si associano in modi diversi al doppio strato lipidico: Proteine di membrana: integrali periferiche TRANSMEMBRANA ASSOCIATE A LEGATE A LIPIDI ASSOCIATE AD UN MONOSTRATO ALTRE PROTEINE La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Le proteine integrali si possono estrarre soltanto con detergenti (anfipatici) che disgregano i lipidi. Le proteine periferiche si estraggono con metodi più blandi basati su condizioni spinte di forza ionica e pH. Una volta isolate dai lipidi, le proteine si possono purificare per l’analisi. La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Le proteine integrali (transmembrana) adottano delle strutture adatte ad attraversare il doppio strato lipidico minimizzando i contatti dei gruppi idrofobi con l’acqua: una sola alfa elica per tante proteine di segnalazione, ancoraggio o enzimi; più alfa eliche per proteine che fanno un poro acquoso (come trasportatori e canali); cilindri beta (barili beta) per certi pori dei batteri, mitocondri e cloroplasti (porine). La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Ad oggi si è riuscito a determinare la struttura di tante proteine di membrana per metodi cristallografici (raggi X). La prima proteina di membrana di mammifero descritta a livello strutturale fu la citocromo C ossidasi (purificata da cuore di mucca). Contiene due copie di 13 subunità diverse, per un totale di 400.000 dalton, e partecipa nella respirazione mitocondriale. La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. La membrana plasmatica è molto sottile e fragile; viene rafforzata dall’interno della cellula da una rete proteica: il cortex cellulare. Quello che si conosce meglio è il cortex degli eritrociti umani, formato principalmente da molecole di spectrina, legate fra di loro e alla membrana tramite altre proteine di collegamento e ancoraggio. La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Però la membrana ha pure bisogno di trattenere certe proteine in zone precise, i domini di membrana, per svolgere la loro funzione, dunque hanno dei sistemi per limitare il loro spostamento nel piano della membrana: Proteine Proteine ancorate al ancorate alla cortex matrice cellulare extracellulare Proteine confinate al dominio apicale Proteine o basolaterale ancorate a da giunzioni proteine di intercellulari altre cellule (cellule epiteliali) La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Molte delle proteine di membrana sono glicoproteine: hanno un oligosaccaride legato alla parte extracellulare; alcune sono proteoglicani: sono legate a uno o più polisaccaridi. Questi carboidrati, insieme a quelli dei glicolipidi, formano uno strato esterno alla membrana plasmatica: il rivestimento carboidratico (o glicocalice), che svolge funzioni protettive e lubrificanti, ma pure di riconoscimento e adesione fra cellule. La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Funzioni del rivestimento carboidratico: Protezione: meccanica (ad es. enterociti), chimica (ad es. lisosomi) Lubrificazione (alta idratazione) Adesione cellulare (ad es. linfociti) Riconoscimento cellulare (ad es. eritrociti: gruppi sanguigni) Le cariche negative dei zuccheri in superficie sono utili anche ad evitare l’aggregazione delle cellule linfocita colorato con rosso rutenio enterociti Glicocalice Glicocalice La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Studio degli spostamenti molecolari nel piano della membrana: - SPT: single particle tracking (microscopia tracciante di singole particelle), marcando molecole specifiche con anticorpi legati a particelle d’oro. La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. - FRAP: fluorescence recovery after photobleaching (recupero della fluorescenza dopo fotosbiancamento). TRASPORTO ATTRAVERSO LA MEMBRANA Una membrana fatta solo da lipidi può far passare poche sostanze. Le cellule hanno bisogno di scambi continui con l’ambiente, mediati dalla membrana cellulare che fa passare le sostanze: - senza aiuto: diffusione passiva - tramite proteine di trasporto della membrana, che possono essere: - canali: come i canali ionici, che fanno passare ioni in maniera regolata - trasportatori (o vettori): trasferiscono piccole molecole organiche e alcuni ioni inorganici Tutti e due sono molto selettivi, e ci sono tanti tipi di trasportatori e canali, distribuiti in maniera specifica in ogni tipo di membrana e di cellula. La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Una membrana separa due ambienti nei quali la concentrazione di un soluto può essere diversa, creando un gradiente chimico.  La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Il TRASPORTO attraverso la membrana può essere: - A favore di gradiente: diffusione facilitata o trasporto passivo (canali e trasportatori), non richiede energia (solo l’energia potenziale del gradiente). - Contro gradiente: trasporto attivo operato da trasportatori attivi o pompe, richiede energia. La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. DIFFUSIONE Il gradiente da l’energia (energia potenziale) per il passaggio a favore di gradiente (in ‘discesa’). La diffusione non richiede altra energia: è passiva. Sostanze liposolubili e piccole molecole senza carica elettrica: DIFFUSIONE SEMPLICE attraverso il doppio strato fosfolipidico Sostanze idrosolubili: DIFFUSIONE FACILITATA grazie alla mediazione di proteine di trasporto: - canali - trasportatori Sono proteine transmembrana e multipasso Sono specifiche per un tipo di molecola La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. PROTEINE DI TRASPORTO: I CANALI (diffusione facilitata) Alcuni canali diversi dai canali ionici: Porine: per facilitare il passaggio di molecole cariche attraverso la membrana di batteri, mitocondri e cloroplasti. Struttura a barile beta, verso il doppio strato residui idrofobici, verso il lume del barile residui idrofilici, delle anse polipeptidiche sporgono nel lume e agiscono da filtro, regolando selettivamente il passaggio di molecole idrofile (ioni, aminoacidi, zuccheri) Barile beta Acquaporine: canali che facilitano il flusso d’acqua attraverso la membrana, senza far passare altre molecole o ioni. Le molecole di acqua si muovono per diffusione semplice, ma lentamente; in alcuni tipi cellulari tale movimento è molto rapido grazie a questi canali: globuli rossi, cellule epiteliali dei tubuli contorti dei reni, vacuoli delle cellule vegetali. Le acquaporine sono proteine integrali multipasso ad alfa-elica. PROTEINE DI TRASPORTO: PROTEINE VETTRICI (CARRIER) (diffusione facilitata) Sono specifici per un tipo di molecola, che si lega al trasportatore provocando un cambio di conformazione che rilascia la molecola dall’altro lato della membrana. Trasportatori passivi Legame con il soluto altamente specifico Cambiamento di conformazione Trasporto di una o poche molecole alla volta, a favore di gradiente Esempio: il trasportatore del glucosio (epatociti): SANGUE Dopo un pasto il glucosio ematico entra Ore dopo il pasto il glucosio epatico esce CITOPLASMA DEL EPATOCITA La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Cinetica delle proteine vettrici: come quella degli enzimi: Interazione trasportatore-molecola trasportata Specificità trasportatore-molecola trasportata Saturazione del trasporto Diversamente dagli enzimi: NON c’è trasformazione chimica della molecola trasportata! Saturazione del trasporto La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. PROTEINE DI TRASPORTO: CANALI IONICI (diffusione facilitata) Sono pori che permettono il passaggio passivo di ioni (molecole piccole, cariche, idrosolubili), in particolare Na + , K+ , Cl- e Ca2+. Gli ioni sono elettricamente carichi e si distribuiscono ai due lati della membrana, in modo che il lato citosolico è carico negativamente e il lato esterno positivamente. La combinazione di concentrazione e forze elettriche crea un gradiente elettrochimico. I canali hanno subunità proteiche che formano pori idrofilici, ma non sono semplici pori: sono molto selettivi e si possono chiudere ed aprire per regolare il flusso d’ioni, che passano molto velocemente (106 ioni/sec) a favore di gradiente elettrochimico. La selettività è data dal passaggio molto stretto per gli ioni, senza guaina acquosa e in contatto diretto con gli atomi all’interno del canale, che permettono il passaggio di un solo tipo d’ione: filtro selettivo; selezione per carica e grandezza dell’ione. Ionio sodio con guaina acquosa Residui idrofilici Residui idrofobici La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. potassium_channel La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. - L’apertura e chiusura dei canali accade spontaneamente, ma viene modulata da diversi tipi di stimoli: Controllato Controllato da Controllato da Controllato da dal ligando ligando stimolo potenziale extracellulare intracellulare meccanico La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. L’attività dei canali ionici si può misurare con la tecnica del patch-clamp La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Trasporto contro il gradiente di concentrazione: TRASPORTO ATTIVO Trasporto di sostanze idrosolubili Richiede energia Grazie a proteine di trasporto attivo Trasporto attivo: - Diretto o primario: le proteine di trasporto consumano energia da fonti dirette come l’ATP (pompe) - Indiretto o secondario: le proteine di trasporto usano l’energia di gradiente di un’altra molecola TRASPORTATORI ATTIVI: consumano energia, ci sono tre tipologie diverse: TRASPORTATORE POMPA ALIMENTATA POMPA ACCOPPIATO DA ATP FOTOALIMENTATA - Trasportatori fotoalimentati, si trovano soprattutto nei batteri. - Trasportatori alimentati da ATP, come la pompa Na+/ K+ delle cellule animali, che fa uscire Na+ contro gradiente elettrochimico usando energia chimica (ATP). Nelle piante, funghi e batteri c’è una pompa di H+ che svolge un ruolo equivalente a quella di Na+ e funziona in modo simile. - Trasportatori che usano il flusso di un soluto a favore di gradiente (ad esempio di Na+ ) per il trasporto accoppiato di un altro soluto contro gradiente (simporto o antiporto). Trasporto attivo diretto: pompe Esistono diverse tipologie di trasportatori ATPasi: ATPasi tipo P → classiche (in alcuni batteri e tutti gli eucarioti); trasporto di ioni (es. pompa sodio-potassio) ATPasi tipo V → trasporto di H+ in lisosomi, vacuoli ecc. ATPasi tipo F → trasporto di H+ e sintesi di ATP nei mitocondri e cloroplasti ATPasi ABC → trasporto di aminoacidi, zuccheri, farmaci La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. La pompa pompa Na+/ K+ : - per tre ioni sodio che escono, entrano due di potassio: pompa elettrogenica - ogni ciclo usa una molecola di ATP, la pompa è pure un enzima: la Na+ - K+ ATPasi 3x 2x La pompa Na+ - K+ funziona in maniera complessa ma molto elegante, in maniera di non sprecare ATP inutilmente… La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Na_K_pump La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Le cellule animali usano circa il 30% della loro energia per far funzionare continuamente la pompa Na+ / K+ , coinvolta in tre funzioni molto importanti: - Mantenere l’equilibrio osmotico: l’acqua va dove la concentrazione di soluti è più alta (e quella di acqua più bassa); un eccesso di soluti dentro la cellula potrebbe causare l’ingresso di troppa acqua nelle cellule e la rottura della membrana per rigonfiamento. La pompa mantiene la concentrazione di Na+ alta all’esterno, che insieme al Cl- extracellulare mantengono una concentrazione alta di soluti fuori della cellula che equilibra quella di soluti intracellulari (macromolecole cellulari). La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. - Il gradiente di sodio mantenuto della pompa è molto forte (aprox. 10-30 volte più sodio fuori che dentro) e genera energia potenziale, molto importante per il trasporto di altre sostanze tramite trasporto attivo indiretto. Esempio: trasporto di glucosio contro gradiente La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. - Mantenere il gradiente elettrico ai lati della membrana delle cellule animali: l’attività della pompa è fondamentale per il mantenimento della carica negativa nel lato interno della membrana plasmatica. Questo gradiente elettrico partecipa pure all’equilibrio osmotico, visto che il gradiente elettrico mantiene il Cl- al di fuori della cellula, e fa che il K+ sia quasi in equilibrio elettrochimico. La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. - Un’altra pompa importante per le cellule animali è la 100 mM ATPasi di Ca2+, che si trova nella membrana plasmatica e in quella del reticolo endoplasmatico. In questo caso la cellula ha bisogno di mantenere una concentrazione bassissima di Ca2+ nel citosol perché questo ione è 100 nM fondamentale per la segnalazione intracellulare e 100 µM per l’attività di diverse proteine che legano Ca2+. Trasporto attivo indiretto Trasporto di molecole organiche grazie all’energia potenziale di un gradiente ionico: il passo di ioni a favore di gradiente da l’energia per trasportare una molecola contro il suo gradiente di concentrazione: trasporto accoppiato. se le due sostanze passano nella stessa direzione: simporto se passano in direzioni opposte: antiporto Cellule animali (es. intestino, rene): usano il gradiente di Na+ per trasportare zuccheri, amminoacidi Cellule procariote, funghi, vegetali: usano il gradiente di H+ per trasportare zuccheri, amminoacidi La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. carrier_proteins La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Una visione d’insieme: le cellule epiteliali dell’intestino. La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. Riepilogo: funzioni del trasporto attivo Assorbimento di sostanze anche quando la concentrazione intracellulare è maggiore di quella esterna Processi di secrezione ed escrezione (es. materiale di rifiuto) Controllo della concentrazione intracellulare di ioni rispetto all’ambiente Trasporto passivo Trasporto attivo (diffusione facilitata) secondo gradiente contro gradiente di concentrazione di concentrazione Non richiede energia Richiede energia Mediato da Mediato da proteine VETTRICI trasportatori INDIRETTI proteine CANALE POMPE Per il corretto funzionamento della cellula, le concentrazioni ioniche all’interno e all’esterno devono essere diverse, ma la carica elettrica deve essere bilanciata: la carica di anioni intracellulari si bilancia con il K+, la carica di Na+ extracellulare si bilancia con il Cl-. La cellula deve essere elettricamente neutra; il Cl- intracellure non basta a bilanciare le cariche dei cationi in tabella, ma ci sono molte molecole cellulari con carico negativo: gruppi fosfato, acidi nucleici, proteine, tanti metaboliti con gruppi fosfato o carbossilici. La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. IL POTENZIALE DI MEMBRANA - Ai due lati della membrana plasmatica c’è un carico elettrico diverso nelle vicinanze della membrana, generando una differenza di potenziale che si chiama potenziale di membrana. La membrana plasmatica. Trasporto di membrana. - Questa differenza di potenziale si deve alla presenza di anioni e cationi inorganici, particolarmente Na+ , K+ , Cl- e Ca2+. - Il potenziale di membrana dipende dallo spostamento di questi ioni a traverso la membrana, che viene controllato da canali ionici. E allo stesso tempo ci sono canali ionici controllati dal potenziale. Canali ionici Potenziale di membrana - L’apertura di questi canali fa passare flussi di ioni (corrente elettrica) in grado di generare un segnale elettrico, come accade nei neuroni, ma pure in protozoi e piante. Come si stabilisce e controlla il potenziale di membrana? - Il potenziale di membrana a riposo dipende da canali di membrana per il K+ che si aprono e chiudono in maniera spontanea: canali di dispersione per il K+. Questi canali fanno uscire il potassio a favore di gradiente chimico (dentro la cellula la concentrazione è 10-30 volte più alta di fuori), finché il gradiente elettrico equilibra quello chimico, e il gradiente elettrochimico per il K+ è zero. In questo momento il potenziale di membrana è di -20 a -200 mV (dipende dal tipo di cellula e di organismo). - Il potenziale di membrana dipende dagli ioni per i quali la membrana è più permeabile in ogni momento. Se uno stimolo fa aprire dei canali particolari e si stabiliscono flussi di questi ioni, il potenziale cambierà e non sarà più quello a riposo. Questo fenomeno è alla base della trasmissione di segnali elettrici, come succede nei neuroni. Neuroni al microscopio a fluorescenza Ricreazione di neuroni in comunicazione