Diffusione e Trasporti di Membrana


DIFFUSIONE e TRASPORTI DI MEMBRANA

La MEMBRANA CELLULARE

La membrana cellulare, o membrana plasmatica, è una componente preminente di tutte le cellule. E’ una struttura sottile (6-8nm) che racchiude il citoplasma separandolo dall’ambiente extracellulare. Le sue principali funzioni sono:

  1. La SEPARAZIONE dei liquidi intracellulari dall’ambiente esterno

  2. La REGOLAZIONE DEGLI SCAMBI tra ambiente interno ed esterno

  3. La COMUNICAZIONE tra cellula ed ambiente

  4. La STABILIZZAZIONE strutturale dei tessuti

Attualmente, per quanto riguarda la struttura della membrana, il modello più accreditato è quello detto modello a mosaico fluido. Secondo questo modello la membrana, di uno spessore di 6-8nm, è formata da un doppio strato fosfolipidico, nel quale sono inserite proteine ed, in percentuale minore, carboidrati e lipidi.

Il doppio strato fosfolipidico è una struttura planare liquido-cristallina con due strati di fosfolipidi disposti con le loro code idrofobiche (idrocarburiche, apolari) orientate verso l’interno della membrana, e con le loro teste (polari, gruppi fosfati) a contatto con la fase acquosa.

In questo modo è facilitato l’inserimento di proteine di membrana ed è permesso il passaggio di sole molecole liposolubili (non polari).

Il colesterolo rappresenta una componente steroidea molto importante, in quanto si lega debolmente ai fosfolipidi rendendo il doppio strato meno fluido ma più resistente. Esso contiene un gruppo ossidrile (-OH) parzialmente polare, che permette l’aggancio della parte idrofila dello stesso tra le teste idrofiliche dei fosfolipidi.

Le proteine di membrana sono essenziali nel mantenimento della struttura e delle funzioni cellulari. Esse possono essere raggruppate in due grandi classi: le proteine estrinseche e le proteine integrali.

Le proteine ESTRINSECHE interagiscono debolmente con la porzione polare del doppio strato fosfolipidico, sono facilmente rimovibili e sono accessibili da un solo lato.

Le proteine INTEGRALI invece interagiscono fortemente con la parte polare del doppio strato e pertanto, per essere eliminate occorrere distruggere la struttura di membrana. Alle proteine integrali appartengono le proteine transmembrana, composte da uno o più segmenti che attraversano l’intero spessore della membrana: per questo sono accessibili da entrambi i lati. Esse sono classificate in base al numero di segmenti transmembrana che possiedono (alcune 7). Tra le proteine transmembrana ricordiamo altre proteine che hanno un ruolo fondamentale:

  1. I RECETTORI DI MEMBRANA fanno parte del sistema di decodificazione e trasmissione dei segnali chimici. Ogni recettore è specifico per una molecola o gruppo di molecole (ligandi o agonisti). Tipicamente un recettore attivato da un ligando cambia conformazione attuando una risposta dando origine ad una serie di eventi.

  2. I CANALI IONICI sono formati da subunità proteiche che formano un poro acquoso attraverso il doppio strato, mettendo in comunicazione il liquido interno con quello esterno; questo poro permette così il passaggio di ioni, siano essi carichi + che -.

  3. Le PROTEINE CARRIER (TRASPORTATORI) sono formati da un’unica subunità proteica che lega i substrati che vengono trasportati. I carrier non creano mai una connessione diretta tra interno ed esterno della cellula.

  4. Le POMPE IONICHE sono proteine formate da più subunità proteiche che trasportano ioni contro gradiente osmotico; inoltre sul lato citoplasmatico possiedono un sito di legame per l’ATP. Esso viene idrolizzato per ottenere l’energia necessaria per effettuare i cambi di conformazione delle pompe e quindi effettuare il trasporto.

MOVIMENTI ATTRAVERSO LE MEMBRANE

LA DIFFUSIONE

La diffusione è uno spostamento passivo di molecole, da una zona dove esse sono a maggior concentrazione verso una zona a minor concentrazione, finché non venga raggiunto uno stato di equilibrio dinamico.

La diffusione attraverso una membrana ha le seguenti (6) proprietà:

  1. Lo spostamento di particelle avviene da dove esse sono a concentrazione maggiore verso dove sono a concentrazione inferiore; maggiore è la differenza di concentrazione, maggiore sarà la velocità

  2. E’ un processo passivo: sfrutta solo l’energia cinetica delle particelle

  3. Continua finché viene raggiunto l’equilibrio dinamico: avvengono piccoli spostamenti

  4. E’ rapida a livello microscopico, lenta a livello macroscopico

  5. La velocità è direttamente proporzionale alla temperatura

  6. La velocità è inversamente proporzionale alla dimensione molecolare: molecole più grandi diffonderanno più lentamente

Tutte queste considerazioni possono essere espresse matematicamente nella Legge di Fick sulla diffusione, la quale ci permette di calcolare la velocità di diffusione (flusso) J, conoscendo: le concentrazioni (C1 e C2), l’area di scambio (A), la distanza (x) ed il coefficiente di diffusione della molecola (D).

J=DA(C1-C2)/X

Quando invece si considera la diffusione attraverso una membrana, la legge di Fick è così espressa:

J=P(C1-C2) dove P=costante di permeabilità di una molecola attraverso la membrana. Esso non è da considerarsi unicamente come una costante; infatti può variare in presenza di un neurotrasmettitore o di un ormone.

L’OSMOSI

L’osmosi è uno dei processi fisiologici più importanti; esso corrisponde al movimento di acqua (o più in generale, di liquidi) secondo il loro gradiente di concentrazione, quindi verso laddove la concentrazione di soluto sarà maggiore.

L’aumento di volume causato dallo spostamento d’acqua crea una pressione idrostatica che si oppone alla diffusione dell’acqua. La pressione necessaria per annullare la diffusione osmotica è detta pressione osmotica. Essa è comunemente indicata con il simbolo “pi greco” ed è calcolabile secondo la Legge di van’t Hoff : π=nRT/V , dove n: n° moli, R costante dei gas, T temperatura in Kelvin, V volume di soluzione.

OSMOLARITA’ E TONICITA’ DI UNA SOLUZIONE

La concentrazione di un soluto all’interno di una soluzione è detta osmolarità. Di conseguenza, 1 mole di soluto in 1 litro di soluzione avrà una concentrazione 1 osmolare, ed osmole (OsM) sarà l’unità di misura. Tuttavia, a causa delle basse densità dei liquidi fisiologici, in fisiologia è utilizzato il termine milliosmolare (mOsM).

Due soluzioni a stessa osmolarità sono dette isoosmotiche; una soluzione con osmolarità maggiore di un’altra sarà detta iperosmotica, mentre l’altra ipoosmotica. L’osmolarità non dipende solo dalla concentrazione, ma anche dalla capacità di una specie di ionizzarsi (esempio: 150mM di NaCl che si dissociano completamente corrisponderanno a 300mOsM di NaCl).

La tonicità è definita invece in base al comportamento delle cellule che in essa vengono poste. Una soluzione è isotonica per una cellula quando questa né si gonfia né si restringe. Se la cellula si rigonfia la soluzione è detta ipotonica, se invece si restringe, la soluzione è detta ipertonica. Questi effetti sono dovuti al movimento di acqua in risposta a differenze di osmolarità tra citoplasma e liquido extracellulare.

EQUILIBRI IONICI E STATI STAZIONARI CELLULARI

Abbiamo visto che l’acqua può muoversi liberamente attraverso una membrana; ma la stessa cosa non vale per gli ioni ed altri soluti; se infatti osserviamo le concentrazioni di queste sostanze all’interno ed all’esterno della cellula, noteremo che non sono affatto in equilibrio. Questo apparente disequilibrio chimico è alla base della sopravvivenza dell’organismo, e permette il trasporto e la generazione e trasmissione di segnali elettrici. Ciò è reso possibile sia dalla selettività della membrana cellulare, sia dall’azione di meccanismi di trasporto attivo che effettuano trasporti contro gradiente.

Na+, Cled HCO3– sono più diffusi nel lato extracellulare, mentre K+, gli altri anioni (-) e le proteine sono più concentrati nel lato intracellulare.

TRASPORTO PASSIVO ATTRAVERSO LA MEMBRANA

Alcune molecole e ioni possono attraversare la membrana mediante processi passivi, guidati da gradienti chimici o elettrici, talora generati a spese di energia metabolica (ATP). Esistono 3 tipi di trasporto passivo:

  1. Diffusione Semplice attraverso il doppio strato lipidico: le molecole passano dalla soluzione acquosa prima in quella lipidica, poi escono dal lato opposto

Per attraversare la fase lipidica, la molecola polare deve aver sufficiente energia termica da rompere i ponti idrogeno che ha formato, altrimenti non riuscirà a passare; per questo le probabilità che una molecola carica attraversi la membrana sono bassissime. Altri fattori essenziali sono il peso molecolare, la forma (non la dimensione) molecolare, nonché la composizione della membrana stessa. Ma il parametro principale è il coefficiente di partizione K, calcolato come il rapporto tra le molecole disciolte nella fase lipidica e quelle disciolte in acqua in condizioni di ugual volume. Maggiore sarà K maggiore sarà la velocità di diffusione. La diffusione semplice attraverso il doppio strato fosfolipidico segue una cinetica di non saturazione: in base alla Legge di Fick infatti la velocità di diffusione dipende essenzialmente dalle concentrazioni.

  1. Attraverso Pori Acquosi: le molecole passano attraverso canali ionici (proteine di membrana), senza quindi abbandonare mai la fase acquosa

Abbiamo visto che ioni e molecole cariche non possono attraversare la fase lipidica; per questo utilizzano i canali ionici, proteine di membrana che mettono in contatto le fasi acquose intracellulare ed extracellulare, permettendo il passaggio degli ioni, il quale resta comunque condizionato dalla selettività del canale. Un canale ionico ha una porzione più larga dove lo ione idratato può accedervi; successivamente però incontra una porzione più stretta, la porzione selettiva, e per oltrepassare la quale lo ione deve deidratarsi.

I canali sono distinti in base alla selettività ed alle modalità di attivazione (gating).

In base alla selettività si distinguono canali per alta selettività verso un unico ione o per un gruppo di ioni. La selettività dipende dalla carica netta delle pareti che formano il poro; infatti, i canali permeabili per i cationi presentano uno ione carbossilico COO-, mentre quelli per gli anioni presentano gruppi amminici NH3+.

In base alla modalità di attivazione (gating), ovvero in seguito a quale stimolo cambino conformazione, ne distinguiamo 3 tipi: voltaggio dipendenti (potenziale elettrico), attivati da ligandi (particolari molecole che agiscono extracellularmente) e attivati da secondi messaggeri (presenza di secondi messaggeri nel liquido intracellulare).

  1. Attraverso Proteine Trasportatrici: (carriers) la molecola si lega ad un carrier il quale, cambiando conformazione, la trasporta dall’altro lato

Trasporta elementi vitali come zuccheri, amminoacidi, nucleotidi ed altri metaboliti. Ha carattere di uniporto quando viene trasportato un solo tipo di molecola (non cotrasporto); simporto quando 2 tipi di molecole vengono trasportati nella stessa direzione, antiporto quando invece vengono trasportati in direzioni differenti. Sia uniporto che simporto ed antiporto hanno 3 proprietà comuni: specificità, competizione e saturazione.

SPECIFICITA’: il carrier trasporta solo un tipo di molecola oppure molecole molto simili (es: GLUT per il glucosio)

COMPETIZIONE: inibizione competitiva: quando 2 molecole hanno affinità per un sito, l’occupazione di una ostacolerà l’altra

SATURAZIONE: (velocità max di trasporto) quando la concentrazione di substrato è massima poiché tutti i siti sono occupati

Lo spostamento in seguito al cambio conformazionale avviene secondo gradiente. L’affinità non si modifica in entrambi i lati.

TRASPORTO ATTIVO ATTRAVERSO LA MEMBRANA

Come abbiamo visto, ai 2 lati di una cellula esistono gradienti di concentrazioni ioniche molto elevati: Na+ all’esterno è circa 12 volte più concentrato rispetto all’interno, e viceversa vale per il K+. Tutto ciò è reso possibile da meccanismi di trasporto attivo che, usufruendo dell’energia del gruppo fosfato dell’ATP, muovono gli ioni contro gradiente. In base a come viene utilizzato l’ATP distinguiamo il trasporto attivo in primario (diretto: utilizza direttamente l’energia dell’ATP) e secondario (indiretto: sfrutta un gradiente creato grazie all’utilizzo di ATP da parte di un trasporto attivo primario).

A differenza di quanto succede per i carrier: 1) il cambio conformazionale avviene grazie ad ATP; 2) l’affinità si modifica nel passaggio da un lato all’altro.

TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO

Il trasporto attivo primario utilizza proteine di membrana in grado di cambiare conformazione utilizzando l’energia dell’ATP, e sono considerate come veri e propri enzimi.

La più conosciuta è la pompa Na+/K+-ATPasi, che stabilisce i gradienti di Na+ e K+ ai lati della cellula. Ad ogni ciclo, la pompa trasporta 3 ioni Na+ fuori e 2 ioni K+ all’interno, consumando una molecola di ATP.

(7 proprietà)E’ una proteina integrale di membrana formata da 2 subunità: alfa e beta; quella alfa possiede numerosi segmenti transmembranali, mentre quella beta solo 1. La alfa possiede i siti di aggancio di Na+, K+ e di ATP. La velocità di scambio è direttamente proporzionale alle concentrazioni di Na+ e di K+. Scambiando un n° diverso di ioni, la pompa genera una piccola corrente ionica, per questo è detta elettrogenica. E’ altamente selettiva per Na+ e K+. Mg++ è un importante cofattore che catalizza la pompa. Viene bloccata da glucosidi cardiaci, come oubaina, digitossina e digossina, che si legano sul lato extracellulare della pompa. Veleni metabolici bloccano la sintesi di ATP.

Funzionamento:

  1. nel lato intracellulare la pompa ha elevata affinità per il Na+ e bassa per il K+

  2. l’ATP permette il cambio conformazionale, liberando all’esterno i 3 Na+

  3. ora nel lato extracellulare ha alta affinità per il K+ e bassa per il Na+; così il K+ si lega liberando il gruppo fosfato

  4. la pompa cambierà così di nuovo conformazione liberando K+ e tornando nelle condizioni iniziali


Tra le altre pompe ricordiamo la Ca++-ATPasi, con caratteristiche di uniporto, trasporta all’esterno 2 ioni Ca++ per mantenere bassa la concentrazione di calcio intracellulare; la troviamo anche nella membrana del reticolo endoplasmatico e nei mitocondri.

La pompa H+/K+-ATPasi, detta anche pompa protonica, trasporta 4 ioni H+ fuori dalla cellula e 4 ioni K+ all’interno, con lo scopo di acidificare il liquido extracellulare. La ritroviamo soprattutto nelle ghiandole gastriche dove svolge un ruolo centrale nella produzione dell’HCl del succo gastrico.

TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO

Il trasporto attivo secondario sfrutta l’energia cinetica causata dal gradiente di concentrazione di uno ione. Le molecole o ioni possono essere trasportati mediante simporto o antiporto.

I più comuni sistemi di trasporto sfruttano il gradiente di concentrazione creato dalla pompa Na+/K+, poiché l’elevata concentrazione di Na+ a livello extracellulare ne favorisce l’attacco col trasportatore. In particolare l’Na+ legato al trasportatore induce un cambio conformazionale tale da aumentarne l’affinità per il glucosio, in modo da trasportarli entrambi. Infatti con il glucosio legato la proteina cambia conformazione e orienta la sua apertura verso il lato intracellulare.