Le cellule sono capaci di regolare selettivamente il passaggio di sostanze attraverso la membrana cellulare. Questo è molto importante al fine di mantenere le caratteristiche chimiche che individuano la cellula stessa e le condizioni metaboliche necessarie al mantenimento della vita (cioè l’assunzione di sostanze per il nutrimento e l’eliminazione dei rifiuti). I meccanismi che permettono il passaggio attraverso la membrana sono molto differenti, a seconda che si tratti di far passare molecole piccole o grandi, neutre o cariche. Unità lipidiche a una coda In acqua le interazioni delle code idrofobiche e delle teste idrofiliche generano un doppio strato fosfolipidico. Le teste sono dirette verso l’esterno, dove interagiscono con l’acqua che le circonda. Le code sono rivolte verso l’interno. Proprietà delle membrane Definiscono confini esterni di cellule e organelli cellulari e regolano il traffico di molecole e ioni attraverso questi confini. Sono: •Superfici di separazione tra compartimenti •Superfici di riconoscimento come recettori per ormoni •Superfici catalitiche Struttura delle membrane •simili a fogli (6-10 nm) •costituite da lipidi e proteine •non presentano legami covalenti tra le molecole componenti •asimmetriche •fluide La composizione proteica delle membrane da fonti diverse varia più della composizione lipidica. Le membrane plasmatiche contengono molte glicoproteine, quelle degli organelli intracellulari raramente. La struttura e la funzione di tutte le membrane cellulari dipende fondamentalmente dai fosfolipidi e da derivati degli steroidi. Steroidi: il principale è il colesterolo, componente importante della membrana plasmatica: ne mantiene la fluidità. Le specifiche funzioni di ciascuna membrana dipendono dal tipo di proteine presenti su quella specifica membrana. Lipidi e proteine di membrana possono essere glicosilati. • Ciascuna membrana cellulare ha un set specifico di proteine che permettono alla membrana di svolgere le proprie specifiche attività • Le proteine di membrana sono integrali o periferiche • Le proteine integrali transmembrana contengono una o più eliche transmembrana • Altre proteine integrali sono ancorate alle membrane mediante catene di carboidrati attaccate in maniera covalente • Le proteine periferiche sono associate alle membrane attraverso interazioni con proteine integrali Molte proteine di membrana si comportano come se galleggiassero in un mare di lipidi. I lipidi della membrana sono liberi di diffondere lateralmente nel piano del doppio strato, dando alle membrane carattere di dinamicità e flessibilità (modello a mosaico fluido). Le due facce di una membrana sono asimmetriche, in quanto differiscono per composizione lipidica e proteica Schema di proteine di membrana in un doppio strato lipidico Funzioni delle membrane Trasporto nutrienti attraverso le membrane governate da Fattori cinetici Fattori termodinamici F =k C F= flusso K= coefficiente di permeabilità; C= concentrazione Alcune molecole piccole come O2, H2O, alcol etilico, passano facilmente perché il coefficiente di permeabilità è elevato anche a C basse. Se k è troppo piccola rispetto a C si pone un problema cinetico ed il flusso deve essere “catalizzato” e i catalizzatori sono i carriers che come gli enzimi hanno KM e Vmax. Molecole + grandi o + polari come glucosio o a.a. hanno bisogno di trasportatori. Trasporto dell’acqua Tipi principali di proteine di trasporto CANALI: trasportano H2O e specifici tipi di ioni secondo gradiente di concentrazione. Le proteine che li compongono formano dei canali che attraversano la membrana. Sono di solito regolati da stimoli specifici. TRASPORTATORI: legano ioni o molecole specifiche. Il legame con la molecola trasportata provoca un cambiamento conformazionale e quindi il passaggio. - Uniporto - Simporto - Antiporto POMPE: usano l’energia da idrolisi dell’ATP per spostare ioni contro gradiente di concentrazione Nelle cellula sono presenti molte proteine vettrici o trasportatrici che hanno la funzione di consentire il passaggio di determinate sostanze attraverso la membrana cellulare. Diffusione La diffusione consiste nel passaggio di molecole attraverso la membrana plasmatica senza consumo di energia, perché il movimento avviene secondo il gradiente di concentrazione (o di pressione o di carica elettrica). Soltanto alcune molecole possono essere trasportate con questa modalità, come l’acqua, le molecole liposolubili come alcune vitamine e i gas disciolti, come CO2 e O2. Osmosi Tipo particolare di diffusione, che avviene quando due soluzioni acquose, contenenti quantità diverse di una sostanza disciolta, sono separate da una membrana semipermeabile, che permette cioè il passaggio del solvente, ma non quello della sostanza disciolta. Se una cellula si trova a contatto con una soluzione salina più concentrata dei suoi liquidi interni, l’acqua passerà dalla cellula verso l’esterno e questa tenderà a rimpicciolirsi, a raggrinzirsi. Se, invece, una cellula viene a contatto con una soluzione meno concentrata dei suoi liquidi interni, l’acqua passerà dall’esterno all’interno della cellula e questa tenderà a rigonfiarsi, in qualche caso fino a scoppiare. Se la membrana semipermeabile separa due soluzioni isotoniche (che cioè hanno uguale concentrazione), non si ha un movimento osmotico netto di acqua in nessuno dei due sensi. Soluto non carico che si muove secondo gradiente di concentrazione DG=2,3RTlog C2/C1 Energia prodotta nel passaggio Soluto carico che si muove secondo gradiente di concentrazione e potenziale elettrico DG= zFDE+2,3RTlog C2/C1 Energia prodotta nel passaggio di specie cariche o potenziale elettrochimico Molte proteine vettrici fanno sì che determinate sostanze passino attraverso la membrana cellulare mediante un meccanismo detto di trasporto passivo in cui il verso del trasporto sarà determinato esclusivamente dal gradiente di concentrazione. Se la sostanza da trasportare ha carica elettrica (positiva o negativa), oltre al gradiente di concentrazione entra in gioco anche il gradiente elettrochimico, cioè la differenza di cariche positive e negative fra l’interno e l’esterno della cellula. Trasporto passivo A differenza dei canali ionici, dove possono passare milioni di molecole di soluto per secondo, i trasportatori consentono il passaggio da cento a mille molecole di soluto al secondo. La cinetica dei trasportatori è del tipo a saturazione. Una volta saturati i siti di ingresso delle varie molecole di trasportatore presenti nella membrana, la velocità di diffusione diventa costante (Vmax). TRASPORTATORI Trasporto attivo I passaggi che avvengono contro gradiente, ottenuti mediante un processo chiamato trasporto attivo, richiedono energia e comportano quindi il consumo di molecole energetiche come l’ATP. Esistono due tipi di trasporto attivo: •Primario (trasporto diretto con consumo di ATP) •Secondario (un trasporto attivo e uno passivo combinati) In quest’ultimo caso il trasporto passivo di una sostanza, che si sposta seguendo il gradiente di concentrazione, fornisce energia per il trasporto attivo di un’altra sostanza che si muove invece contro il gradiente. Trasporto attivo secondario (assorbimento del glucosio nell’intestino) Il funzionamento di questi trasportatori, che prendono il nome di pompe, si basa in genere su un cambiamento della conformazione tridimensionale della molecola (ovvero della struttura terziaria della proteina): l’attacco della molecola al suo sito modifica la conformazione della pompa proteica, il che favorisce l’attacco di una molecola di ATP all’altro sito; l’ATP fornisce l’energia necessaria all’apertura del canale e al rilascio della molecola dall’altra parte della membrana. Grazie a questi meccanismi, le cellule possono mantenere differenti concentrazioni rispetto all’ambiente esterno, proprietà su cui si basano numerosi fenomeni biologici: ad esempio, la contrazione muscolare è regolata dal trasporto di Ca++ verso l’interno delle fibre muscolari; la formazione dell’impulso nervoso dipende dalla momentanea variazione del potenziale elettrico della membrana plasmatica, operata mediante trasporto attivo di ioni. Il trasporto attivo, poiché endoergonico, necessita di energia sotto forma di ATP o sotto forma di gradienti ionici di una molecola o ione cotrasportati. Le cellule, ad esempio, hanno bisogno di mantenere più alta la concentrazione di K+ all'interno della cellula e più bassa quella di Na+ rispetto all'ambiente extracellulare. Queste differenze di concentrazione sono mantenute grazie ad un trasporto attivo chiamato pompa del Na+ K+. Tale pompa è associata all'ATPasi (pompa ATPasica di tipo P) che libera l'energia, dall'ATP, necessaria per il trasporto contro gradiente. L’H+-ATPasi di plasmalemma è la principale pompa ionica presente sulla membrana plasmatica delle cellule vegetali; il gradiente elettrochimico generato attraverso la membrana plasmatica fornisce la forza motrice per meccanismi di trasporto secondario e per il mantenimento del turgore cellulare. Numerosi fondamentali processi fisiologici, come l’apertura degli stomi, il caricamento del floema e l’assunzione di ioni a livello della radice, dipendono dalla regolazione dell’attività dell’H+-ATPasi. Favorisce acidificazione di vacuoli Vanno incontro a fosforilazione con ATP durante il ciclo di trasporto Favorisce trasferimento di H+ associato a idrolisi o sintesi di ATP Pompe protoniche di classe V Pompe protoniche di classe F Membrane lisosomali Membrana mitocondriale interna Membrana dei tilacoidi dei cloroplasti Esocitosi Endocitosi mediata da recettori