Proteine di Membrana (Lezione 4 - Ultima Parte) PDF

**PROTEINE** Abbiamo la struttura di una membrana con un doppio strato fosfolipidico, la presenza delle proteine che è molto importante e che a breve vedremo quali sono alcune delle funzioni che queste proteine possono svolgere. Una volta definita la struttura della membrana, abbiamo detto che ques...

**PROTEINE** Abbiamo la struttura di una membrana con un doppio strato fosfolipidico, la presenza delle proteine che è molto importante e che a breve vedremo quali sono alcune delle funzioni che queste proteine possono svolgere. Una volta definita la struttura della membrana, abbiamo detto che queste membrane hanno un ruolo importante: crea proprio quella che è l\'interfaccia tra l\'ambiente interno della cellula e l\'ambiente esterno della cellula. All\'esterno della cellula, possiamo tanto avere quella che è la matrice intercellulare, tanto possiamo avere delle cellule, quindi un ambiente più ricco di cellule, meno ricco di materiali intercellulari. In generale, però, in entrambi i casi, sia che ci troviamo in un tessuto più ricco di cellule, sia che ci troviamo in un tessuto un po\' più povero di cellule, quindi questa maggiore quantità di matrice intercellulare, la membrana plasmatica provvederà a far avvenire tutti gli scambi tra l\'interno e l\'esterno della cellula, ossia la membrana plasmatica regola il passaggio di tutte le molecole dall\'esterno all\'interno o dall\'interno all\'esterno. Generalmente il passaggio di molecole da un lato all\'altro della membrana è legato o a quello che viene definito gradiente di concentrazione, che vedremo tra poco, oppure è legato a quelle che sono le necessità di funzione nella cellula. Quindi se la cellula in quel momento, ad esempio, ha più bisogno di una molecola rispetto ad un\'altra e quella molecola è più presente all\'esterno anziché all\'interno, attiverà una serie di processi che faranno sì che quella molecola dall\'esterno entra all\'interno. In generale, la membrana plasmatica è definita membrana semipermeabile. Perché semipermeabile? Perché in realtà la membrana plasmatica, è permeabile per alcune molecole, cioè alcune molecole hanno delle caratteristiche tali che gli permettono di passare facilmente da uno strato all\'altro della membrana, quindi dall\'esterno all\'interno o viceversa. Altre molecole invece hanno difficoltà e riscontrano nella membrana plasmatica una vera e propria barriera che non gli permette di passare. In questo caso queste molecole non è che non passeranno, ma riusciranno a passare grazie all\'aiuto di proteine specifiche. Tutto questo processo fa sì che la membrana cellulare riesca a mantenere quello che viene definito omeostasi delle cellule. L\'omeostasi è appunto la capacità delle cellule di mantenere un certo equilibrio di molecole e segnali tra l\'interno e l\'esterno della cellula. Equilibrio che, non è che vuol dire che abbiamo la stessa concentrazione e quantità di molecole all\'interno e all\'esterno della cellula, ma abbiamo la concentrazione e la quantità di molecole all\'interno e all\'esterno della cellula che serve a far sì che la cellula possa svolgere bene le sue funzioni. L\'ambiente al di fuori della cellula è definito matrice extracellulare ed è un ambiente molto importante perché è quello che poi conterrà all\'interno le molecole che sono necessarie per la cellula o quelle molecole che vengono definite molecole segnale, cioè quelle molecole che servono a dire alla cellula come si deve comportare, che cosa deve fare. Le cellule, generalmente negli organismi animali, sono sicuramente organismi pluricellulari, quindi abbiamo a che fare con un ambiente dove ci sono più cellule, che possono essere tante o più poche a seconda del distretto dove ci troviamo e soprattutto, a seconda se abbiamo un ambiente più o meno ricco di cellule, le interazioni tra le cellule cambiano. I segnali sono quelli che regolano l\'attività delle cellule. Se io ho un tessuto e in quel tessuto ci sono 100 cellule, io devo fare in modo che tutte e 100 cellule funzionino per far funzionare un tessuto e quindi un organo stesso e questo è garantito dai segnali. I segnali sono scambiati tra le cellule. Queste cellule possono essere più o meno vicine, ma tutto è regolato da molecole segnale, cioè sono delle molecole che viaggiano nel nostro organismo o in delle zone ristrette o attraverso il sangue, quindi su lunghe distanze e vanno a dire alle singole cellule come si devono comportare, in questo modo regolano l\'attività di un intero tessuto e anche di un intero organo. Queste molecole segnale hanno un compito quindi molto importante, ad esempio, nel momento in cui abbiamo un organo dove ritroviamo, un tessuto dove ritroviamo una grande quantità di cellule che deve lavorare in maniera sincrona, la presenza di queste molecole segnale è essenziale perché dirà appunto a tutte le cellule, se queste molecole colpiranno tutte le cellule diranno che dovranno svolgere la stessa funzione nello stesso momento. Sono prodotte generalmente stesse dalle cellule, cioè sono le stesse cellule che producono le molecole e le rilasciano all\'esterno. Queste molecole una volta rilasciate all\'esterno viaggiano o sulle cellule vicine oppure su cellule lontane e vanno a fare appunto da molecola segnale (dire alle cellule, guarda in questo momento ti devi comportare in questo modo: per esempio devi sintetizzare questa proteina, devi sintetizzare questa molecola e puoi svolgere una funzione, vedremo che ci sono poi tantissime funzioni che sono regolate in questo modo). Queste molecole segnale devono legarsi a delle proteine di membrana che vengono definite i recettori che abbiamo visto ieri e tramite i recettori poi questa molecola segnale darà l\'informazione alla cellula. In altri casi alcune molecole segnale entrano all\'interno della cellula e all\'interno della cellula poi danno il segnale quindi dicono alla cellula cosa deve fare o permettono alla cellula di svolgere una determinata funzione. Possiamo ritrovare tantissime e diverse molecole segnale. Le molecole segnale quindi sono quelle molecole che trasportano proprio un\'informazione da una cellula all\'altra, da una parte all\'altra dell\'organismo e queste molecole segnale possono essere di diverso tipo. Le molecole segnale che ritroviamo nel nostro organismo e tra queste ritroviamo ad esempio gli aminoacidi o alcuni derivati degli aminoacidi come ad esempio: gli ormoni tiroidei, la dopamina, l\'acetilcolina. Altre invece sono i gas con monossido d\'azoto, l'anidride carbonica, quello che avremo sicuramente è l\'ossigeno che è la principale fonte di energia per le cellule del nostro organismo, ma abbiamo anche alcuni derivati del colesterolo, acidi grassi, numerosi tipi di proteine. Le molecole segnale se non sono prodotte da una stessa cellula devono entrare nella cellula per poter agire o comunque devono interagire con la cellula per poter far funzionare la cellula in un determinato modo. Tutto quello che faranno loro è legato alla permeabilità della membrana, ossia la capacità di queste molecole di passare o meno attraverso la membrana. - Ci sono alcune molecole che sono capaci di passare da sole tranquillamente attraverso la membrana plasmatica e sono: generalmente delle molecole idrofobe, piccole, come ad esempio i gas come ossigeno, anidride carbonica azoto. Non hanno bisogno di varie proteine, possono passare tranquillamente attraverso la membrana plasmatica. - Per quanto riguarda le molecole piccole, polari e non cariche come ad esempio l\'acqua, tendenzialmente l\'acqua può passare attraverso la membrana plasmatica. - Ritroviamo poi delle molecole più grandi, polari, non cariche, come ad esempio il glucosio, il saccarosio (quindi gli zuccheri in generale) che al contrario trovano nella membrana plasmatica un ostacolo e in questo caso hanno bisogno di un vero e proprio aiuto e di energia per poter attraversare la membrana plasmatica - Gli ioni non possono attraversare senza nessun aiuto la membrana plasmatica, sono completamente impermeabili e hanno bisogno di un aiuto per poter superare la membrana plasmatica e quindi muoversi dall\'esterno all\'interno della cellula o viceversa. Il doppio strato libidico della membrana quindi non fa altro che regolare proprio il passaggio di molecole, mantenendo così quella che è l\'interazione e il rapporto tra l'ambiente esterno e l'ambiente interno della cellula. La capacità della membrana di essere semipermeabile e quindi di regolare questo passaggio di molecole è essenziale per mantenere questo equilibrio tra l\'interno e l\'esterno della cellula. Se la membrana fosse permeabile a qualsiasi molecola e permettesse il passaggio di qualsiasi molecole in qualsiasi direzione, le cellule non avrebbero la possibilità di sopravvivere. La stessa acqua, se entra in quantità eccessive nella cellula, provoca la lisi della cellula, cioè un rigonfiamento con rottura della membrana cellulare e quindi morte cellulare. Tutte le molecole quindi devono essere regolate in modo da mantenere un certo equilibrio tra l\'interno e l\'esterno della cellula. E questo è possibile proprio grazie al fatto che la membrana è semipermeabile, ossia permette il passaggio di più di alcune molecole ma non di altre. Si avranno diversi tipi di passaggio attraverso la membrana: - La diffusione è quando le molecole passano tranquillamente attraverso il doppio strato lipidico, non hanno bisogno di proteine che gli aiutano, non hanno bisogno di energia. Semplicemente si muovono da un lato all\'altro e generalmente questo tipo di movimento si dice che è regolato dalla concentrazione, cioè va secondo il gradiente di concentrazione, ossia la molecola in particolare, come ad esempio l'ossigeno o anidride carbonica, si sposteranno dal lato in cui sono più concentrate verso quello dove sono meno concentrate. E questo passaggio di diffusione avviene in modo naturale e senza richiedere energia. Le molecole passano tranquillamente da un lato all\'altro nella membrana. - Quando poi ci spostiamo però verso molecole più grandi, già a partire dall\'acqua stessa, o zuccheri e tante altre, il passaggio attraverso la membrana è regolato dal processo di osmosi. Se abbiamo due compartimenti separati da una membrana cosiddetta semipermeabile, cioè una membrana che presenta dei piccoli pori al suo interno. Se io da un lato della membrana ho un\'area in cui la molecola di mio interesse si trova a più bassa concentrazione e dall\'altro lato della membrana ho invece che la mia molecola è più concentrata, devo raggiungere quello che è l\'equilibrio osmotico. Ossia, devo raggiungere un equilibrio in cui la mia molecola è concentrata alla stessa quantità sia all'interno e l'esterno della cellula. Quello che succede è che nel compartimento in cui ho una maggiore concentrazione di molecola ho più molecole di acqua legate allo zucchero e quindi l\'acqua è come se avesse meno possibilità di passare attraverso i pori della membrana perché è legata allo zucchero. Nell\'area meno concentrata ho più molecole di acqua libere. Quindi sarà l\'acqua che si sposterà dal compartimento dove ho la minore concentrazione di zucchero verso il compartimento dove ho la maggiore concentrazione di zucchero. - Altre molecole invece ioni e molti aminoacidi, hanno bisogno di un aiuto per poter superare la membrana plasmatica, sia per andare dall\'esterno verso l\'interno, che dall\'interno verso l\'esterno. E in questo caso intervengono una serie di proteine, proteine transmembrana, quindi che attraversano tutta la membrana plasmatica che aiutano il passaggio di queste molecole da un lato all\'altro della cellula. Per le molecole che trovano nella membrana plasmatica una vera e propria barriera e quindi non riescono a superarla intervengono particolari proteine, definite proteine canali. Per l\'acqua esistono queste proteine, che sono definite acquaporine, che li troviamo sulla membrana plasmatica e aiutano in questo modo il passaggio dell\'acqua, rendendolo più veloce. La proteina rappresentata in verde, prevede che le molecole si vadano a legare ad essa, in modo che questa proteina permetta poi il passaggio delle molecole da un lato all\'altro della membrana. In particolare, questi due tipi di trasporto, possono essere definiti trasporto passivo e trasporto attivo. Il trasporto passivo è quello per esempio delle acquaporine. È automatico e non richiede energia. Oltre al trasporto passivo, ritroviamo anche quello del trasporto per diffusione, quindi queste molecole che semplicemente si spostano secondo gradiente. Le molecole che passano attraverso quei canali semplicemente devono muoversi sempre dal compartimento più concentrato a quello meno concentrato per non avere bisogno di energia. Il trasporto attivo è quello, dove invece abbiamo bisogno di energia. Nel trasporto attivo la proteina canale, deve avere dei siti di legame specifici per le molecole che devono passare e deve avere un sito di legame per la molecola che darà energia. Questo tipo di canali, sono quelli che permettono il movimento contro gradiente di concentrazione, quindi da dove meno concentrato a dove è più concentrata la molecola. La proteina cambia forma, man mano che passano le molecole. Ossia queste proteine si aprono nel lato dove devono accogliere la molecola, una volta accolta la molecola si chiudono per poi aprirsi sul lato opposto e rilasciare la molecola all'interno. Per cambiare la conformazione di questi canali hanno bisogno di energia perché devono cambiare proprio forma, si devono aprire e si devono chiudere. E questo lo possono fare solo grazie a molecole che gli danno energia. Il trasporto attivo attraverso la membrana lo possiamo distinguere attraverso diversi meccanismi, ossia esistono sulla membrana diverse proteine che fanno da trasportatori e che agiscono in modo differente. Queste proteine presentano sicuramente una struttura diversa, un\'organizzazione diversa e una funzione diversa. Sono tre: - Abbiamo proteine che fanno da pompa e sono generalmente le cosiddette pompe ioniche che sono quelle che regolano la maggior parte della concentrazione ionica all\'interno delle nostre cellule - Poi ci sono altre proteine che sono trasportatori, che hanno la capacità di legare una o più molecole, generalmente una o due molecole differenti e le trasportano contro gradiente. - L\'ultimo invece è il canale (acquaporine), che non richiede energia e che effettua il trasporto secondo gradiente di concentrazione. **[La pompa]**: prendiamo come esempio quella che è la pompa sodio-potassio. È una delle più diffuse, è una proteina integrale di membrana che presenta al suo interno tre siti di legame per gli ioni sodio e due siti di legame per gli ioni potassio. Inizialmente abbiamo una proteina che si trova nella cosiddetta forma non fosforilata, ossia c\'è un sito di legame vuoto nel lato citoplasmatico, quindi all\'interno della cellula. Questa proteina in questo caso, è aperta verso l\'interno della cellula ed accoglie al suo interno tre ioni sodio. Una volta che ha colto al suo interno i tre ioni sodio interviene la molecola di ATP, si ha l\'idrolisi di ATP quindi un gruppo fosfato si lega al sito specifico di legame sulla pompa ionica stessa. Quel sito che prima era vuoto adesso è occupato dal fosfato che darà energia alla pompa ionica. La pompa ionica adesso avendo preso energia è capace di cambiare forma. Si chiude da un lato, si riapre verso l\'esterno della cellula e potrà rilasciare all\'esterno della cellula le tre molecole di sodio. Una volta rilasciato il sodio però questa pompa non si ferma perché c\'è ancora il gruppo fosfato legato. La pompa ionica va ad accogliere al suo interno due ioni potassio presenti all\'esterno della cellula. Una volta che i due ioni potassio si legano si ha la de fosforilazione quindi la perdita del gruppo fosfato dalla pompa ionica. e una volta che il gruppo fosfato si è distaccato si chiude di nuovo la pompa ionica e si riapre verso l\'interno della cellula, quindi è come se tornasse a quella conformazione iniziale che era pronta a legare il sodio. Si riapre all\'interno della cellula, rilascia gli ioni potassio ed è pronta a ricominciare il ciclo. Questi movimenti di sodio dall\'interno verso l\'esterno e di potassio dall\'esterno verso l\'interno in realtà avvengono contro gradiente di concentrazione. Perciò la pompa ha bisogno di energia perché grazie all\'energia si può muovere e cambiare di forma e permettere questo tipo di scambio di ioni. **[Nel trasportatore]** la conformazione è ben diversa in questo caso abbiamo una proteina che aiuta generalmente la diffusione di una molecola o di uno ione cioè aiuta praticamente la molecola a spostarsi secondo il gradiente di concentrazione. Anche in questo caso la proteina avrà un sito di legame per la molecola, lega la molecola da un lato della cellula, si apre dall\'altro lato e la rilascia dall\'altro lato. Quando parliamo di trasportatori esistono diversi meccanismi di trasporto quindi queste proteine con conformazione simile possono effettuare diversi tipi di trasporto: [uniporto] delle proteine altamente specifiche quindi il sito di legame riconoscerà solo quella molecola specifica non va a legare altre molecole e soprattutto fa sì che questa molecola possa passare soltanto in una direzione secondo gradiente di concentrazione e questo avviene ad esempio per alcuni aminoacidi e per il glucosio. [simporto.] la proteina trasportatrice è capace di legare due distinte molecole sempre specifiche ESEMPIO: una proteina trasportatrice sodio e zucchero legherà sicuramente sempre e solo sodio e zucchero non è che mi va a legare sodio e aminoacidi quindi ogni proteina ha sempre dei siti di legame specifici. La mia proteina avrà due siti di legame per due molecole specifiche prende queste due molecole dallo stesso compartimento e li sposta nell\'altro compartimento che possa essere dall\'esterno all\'interno o dall\'interno all\'esterno. Durante questo trasporto una molecola viene portata secondo il suo gradiente di concentrazione e l\'altra contro il suo gradiente di concentrazione questo fa sì che la molecola che sta viaggiando secondo il suo gradiente di concentrazione è come se desse alla proteina trasportatrice l\'energia per poter effettuare il trasporto dell\'altra molecola contro il suo gradiente di concentrazione. [l\'antiporto] in questo caso la proteina trasporta sempre due molecole però una dall\'esterno all\'interno e l\'altra dall\'interno all\'esterno quindi semplicemente trasporta due molecole in due direzioni differenti e questo può avvenire secondo il suo gradiente o contro il suo gradiente. Tipica è la pompa sodio idrogeno oppure sodio calcio.  **[Le proteine canali]** la caratteristica di questi canali è che creano nello strato fosfolipidico un ambiente ricco di acqua attraverso cui possono passare ad esempio quelle molecole che sono idrofile e che quindi hanno difficoltà a passare attraverso il doppio strato fosfolipidico non tanto perché sono grandi o perché sono carichi o perché hanno qualche caratteristica particolare ma semplicemente perché non sono in grado di passare attraverso quella parte idrofoba della doppia membrana. Queste proteine sono organizzate in modo tale da creare un vero e proprio foro nella membrana, un esempio tipico è quello proprio dell\'acquaporina che aiuta il passaggio dell\'acqua, con quell\'acqua molto spesso vengono portate altre molecole molto piccole capaci di passare attraverso questi fori.