Membrane biologiche & trasporto di membrana

MEMBRANE BIOLOGICHE & TRASPORTO DI MEMBRANA

Le membrane biologiche definiscono i confini esterni delle cellule e regolano il traffico di molecole attraverso questi confini.

Nelle cellule eucariotiche le membrane biologiche dividono lo spazio interno in compartimenti discreti segregando nel loro interno specifici componenti e processi.

La membrana fa da filtro tra ambiente esterno ed interno.

Tutte le cellule sono circondate da membrane che separano l'ambiente interno da quello esterno. All'interno della cellula tutto è altamente regolato, il citoplasma non è un liquido altamente diluito. Ciò che avviene all'esterno non danneggia l'interno della cellula grazie alla membrana che funge da barriera ma non è invalicabile.

Le membrane sono costituite da fosfolipidi (molecole insolubili in acqua, conferiscono flessibilità) e da proteine.

La composizione in lipidi e proteine è specifica per la funzione.

La struttura della membrana è definita dal "modello a mosaico fluido".

Le membrane biologiche sono costituite da un doppio strato fosfolipidico nel quale si trovano proteine estrinseche (esposte all'esterno o all'interno) ed integrali.

Le proteine integrali devono avere una porzione idrofobica. Le molecole che mediano segnali devono avere una porzione esterna alla cellula ed una interna. I recettori trasmettono un segnale dopo averlo captato e, quindi, inducono una risposta da parte della cellula.

La componente zuccherina legata a proteine o lipidi è importante per il riconoscimento dei tipi cellulari (es. gruppi sanguigni glicolipidi delle cellule del sangue in base alle catene laterali vengono distinti in A,B,O).

I fosfolipidi hanno una testa polare e due code apolari-idrofobiche. Il glicerolo si lega ad un gruppo fosfato (idrofilico) e forma due legami esteri con acidi grassi a lunga catena (idrofobica). Se si perde una coda o questa non c'è, si formano le micelle e non il doppio strato perché il loro ingombro sterico è un cono, più coni respingono l'acqua e formano una micella non un doppio strato.

Fosfolipasi A2, taglia un legame estere determinando:

formazione eicosanoidi (prostaglandine, leucotrieni),

scompaginano il doppio strato lipidico.

Il veleno della tarantola contiene una piccola molecola che lega i recettore vanilloide.

Il doppio strato lipidico è idrofilico sulla superficie e idrofobico all'interno.

Difficilmente si ha il flip-flop. Ci sono le flippasi (enzimi) che avvolgono la testa polare del lipide rendendola apolare e permettono il flip-flop. La diffusione laterale è possibile. In alcune proteine di segnale come i recettori legati a proteine G, il segnale per diffusione laterale passa dal recettore alla proteina G.

Le proteine integrali di membrana sono legate al bilayer con legami idrofobici o, nel caso in cui sono presenti ancore lipidiche (a.palmitico, farnesile, isopentenil fosfato), con legami covalenti. È difficile purificarle.

Le ancore lipidiche sono presenti a livelli di proteine critiche per la cellula.

Ad esempio RAS presenta un'ancora lipidica. Il malfunzionamento di questo recettore, dovuto ad es. all'assenza dell'ancora, è causa di tumore. La farnesil transferasi è l'enzima che posiziona l'ancora, se RAS è mutata possiamo inibire la farnesil transferasi così blocchiamo l'azione della forma mutata del recettore.

Se non ci sono legami ionici o covalenti possono intervenire ioni, ci sono pompe che mantengono una certa concentrazione ionica così da garantire il legame della proteina alla membrana. Quindi è importante il mantenimento della forza ionica adeguata di membrana.

Il collageno per proprietà colligative è uguale ad una molecola di glucosio, ecco perché la cellula ingloba il glucosio in glicogeno altrimenti richiama acqua e scoppia.

La membrana fosfolipidica è permeabile a tutto ciò che è idrofobico mentre, per le molecole idrosolubili la cellula deve avere meccanismi per capire se deve essere permeabile o meno nei suoi confronti.

Gli ormoni steroidei passano senza problemi , ad esempio.

Le molecole liposolubili non possono stare in un ambiente acquoso, quindi sono presenti dei carrier specifici.

Diffusione semplice

La diffusione semplice consiste nel passaggio di una molecola da un compartimento ad alta concentrazione ad un compartimento a bassa concentrazione. Questo tipo di diffusione segue la I legge di Fitt secondo la quale la velocità di questo passaggio dipende dalla concentrazione del composto, maggiore è la concentrazione maggiore è la velocità di diffusione.

Alcuni soluti hanno una carica.

La membrana ha una carica positiva all'interno e negativa all'esterno.

Se il soluto è positivo e molto concentrato tende ad entrare ma si ha una repulsione tra cariche. Il contrario si ha se il soluto ha una carica negativa, perché si ha un'attrazione elettrostatica.

Si ha un potenziale elettrochimico (es. ATPasi mitocondriale). Proprio grazie ad una carica elettrica le membrane permettono l'impulso nervoso perché il passaggio di segnale è associato ad una modificazione del potenziale che si trasmette.

Diffusione facilitata o Trasporto passivo.

Un sostanza si sposta secondo un gradiente chimico o elettrico ma non in modo lineare, in questo casi interviene un trasportatore che riduce l'energia libera associata al bilayer.

Se consideriamo una molecola rivestita di acqua, è necessario eliminare l'acqua perché la molecola possa aderire alla membrana e il trasporto è facilitato dai carrier. Di conseguenza, viene ridotta l'energia libera dello stato di attivazione ed aumenta la velocità. Inoltre, si può arrivare a saturazione se il soluto lega tutti i carrier.

Con una regressione, è possibile determinare la costante e la velocità massima di diffusione. Non serve l'energia ma basta la concentrazione.

GLUT: trasportatori del glucosio che trasportano nella cellula e in modo specifico il glucosio (polialcol, monosaccaride a 6 C, carica parziale positiva)

Trasportatore Cloruro-Bicarbonato (nei globuli rossi): scambia Cl^- con HCO₃^- e mantiene il pH sotto controllo e contribuisce all'elettronegatività del sangue. Per mantenere la neutralità del sangue aggiungiamo cloro che conferisce una carica negativa ma non varia il pH (se uso un acido o una base vario il pH)

I principali controllori del pH nel nostro organismo sono il tampone bicarbonato e il tampone Emoglobina- ossiemoglobina, nelle cellule il controllore del pH è il tampone fosfato.

Trasporto attivo

Ci sono diversi tipi:

Uniporto, trasporto di una sola molecola

Simporto, trasporto di due molecole da un lato al'altro

Antiporto, trasporto di due molecole in senso contrario

C'è bisogno di energia per il traportatore direttamente (t.a. primario) o indirettamente perché viene formato un gradiente (t.a. secondario).

Es. il trasportatore per il sodio trasporta "passivamente" il sodio perché è stato creato un gradiente (per creare il gradiente spendo energia).

È possibile anche avere un t.a. terziario, quaternario. Se eliminiamo l'energia possono funzionare solo i trasporti passivi ma non quelli attivi.

Il trasporto attivo ha bisogno di energia ma può non averne bisogno in tutti i passaggi, mentre il trasporto passivo non ha mai bisogno di energia.

Non solo cambiano le concentrazioni, ma il movimento di cariche determina la formazione di una carica elettrica, quindi le pompe sono elettrogeniche.

ATPasi

Sono responsabili del trasporto attivo

Sono di tre tipi P, F1 e V.

Per la capacità di trasporto è sufficiente una struttura tetramerica, se le strutture sono più grandi significa che ci deve essere qualche regolazione del processo.

Tipo P

Usano il fosfato e possono essere inibite da vanadato (analogo dell'acido fosforico).

Sono tetrameri

La più importante ATPasi P è la pompa Na/K che si trova sulle membrane citoplasmatiche e mantieni ottimali i livelli di Na e K nella cellula.

Altre importanti sono le  H/K ATPasi, Ca/ATPasi, calciomercurio-rame/ATPasi.

Tipo F

Sono quelle delle catena di trasporto mitocondriale. È una proteina multimerica che trasporta H+ e agisce da sintetasi ma può anche funzionare al contrario.

Sensibile all'oliogomicina

Tipo V

Sono multimeriche, grandi.

Sono presenti nei vacuoli e anche nei lisosomi.

Trasportano protoni per acidificare l'ambiente.

Sodio-potassio ATPasi

Consuma 1 ATP portando dentro 2 K+ e fuori 3 Na+, quindi per ogni ciclo si porta fuori 1 carica positiva rendendo positiva la membrana esternamente e negativa internamente. La pompa agisce controcorrente quindi ha bisogno di energia

Le concentrazioni ioniche sono mM

Le cellule sono 300 milliosmolari

A seconda della fosforilazione cambia l'affinità. C'è una tasca che lega 3 Na+, se si ha la fosforilazione la proteina si apre all'esterno lascia gli ioni Na+ e lega 2 K+ su un'altra tasca, se poi si defosforila il sito si apre all'interno e i 2 K+ vengono rilasciati nella cellula. Per ogni ciclo si spende 1 ATP.

Trasporto attivo secondario del glucosio nell'epitelio dei mammiferi.

La pompa sodio potassio porta fuori il Na+, da un lato, e ne facilita l'ingresso da un'altra parte e con il sodio per simporto viene traportato dentro la cellula il glucosio e il glucosio viene poi rilasciato nel sangue. Se non ci fosse la pompa sodio potassio che crea il gradiente non si avrebbe il trasporto del glucosio.

Anche i reni funzionano in modo simile per il recupero di amine, basi azotate, aminoacidi. Importanti per equilibrio idroelettrosalino.

Ionofori

Sono canali che trasportano specifici ioni, ogni ione ha un propri ingombro (Es. K+ più grande del Na+). Ci sono recettori associati a ionofori.

Es. recettore per l'acetilcolina è associato ad un canale ionico. Si lega il ligando e il canale si apre, il flusso di ioni induce un impulso eccitatorio (ioni +)

Canali che dipendono da un ligando

Gli ionofori possono muoversi, hanno carica, se si uniscono la carica si annulla e attraversano la membrana.

I canali ionici sono presenti a livello della membrana, sono regolati e sono specifici.