Trasporto

TRASPORTO
Membrane: barriere a permeabilità selettiva
→passaggio controllato
MP:Omeostasi cellulare → mantenimento della conc. intracell. di ioni e
molecole entro valori corretti (oltre ad adesione, interazione stimoli esterni,
sede sintesi etc)
•ENDO/ESO-CITOSI →flusso di ↑volumi materiale
•TRASPORTO transmembrana → passaggio di molecole/ioni singoli
Importanza del flusso di ioni e molecole sulle funzioni cellulari
Ioni K+, Na+, Ca2+, Cl-, H+,.. influenza su molteplici attività cellulari (es
metabolismo energetico, impulso nervoso, mantenimento pH, rilascio di
ormni, regolazione del ciclo cellulare, etc)
Molecole e metaboliti: zuccheri, nucleotidi, aa,..nutrimento, energia e
sostanze utili per catabolismo e anabolismo
Ioni e metaboliti sono continuamente trasportati attraverso i vari
compartimenti cellulari delimitati da membrana
Il trasporto/passaggio attraverso la membrana è influenzato da:
•Dimensione della molecola trasportata
•Carica e/o polarità della molecola trasportata
•Differenza di concentrazione (gradiente chimico ed elettrochimico) a
cavallo di membrana
Tipi di trasporto
NO ENERGIA
•Diffusione semplice → secondo gradiente- piccole molecole
idrofobiche o debolmente polari (O2, CO2, EtoH, H2O) a cui la
membrana è permeabile
•Diffusione facilitata o trasporto passivo→ secondo gradiente,
mediato da proteine (metaboliti, ioni) →velocità maggiore
ENERGIA
Trasporto attivo → contro gradiente, mediato da proteine di trasporto
→ genera gradienti elettrochimici (trasporto, sintesi ATP, potenziale
membrana, impulsi nervosi)
Trasporto nell’eritrocita
a)diff.semplice di
O2,H2O e CO2
(Isomero D)
b) diff. facilitata da
carrier specifici
(Antiporto)
c) diff. facilitata
mediata da p.canale
(acquaporina)
d) trasporto attivo
sostenuto da idrolisi
di ATP
Esempio di DIFFUSIONE
SEMPLICE
Movimento spontaneo
secondo gradiente di piccole
molecole apolari
Direzione del trasporto
dell’ossigeno, dell’anidride
carbonica e del bicarbonato
negli eritrociti La direzione di
spostamento dipende dalla
differenza di concentrazione e
quindi dal distretto corporeo in
cui si trova eritrocita.
La CO2 non è molto solubile in
citoplasma o sangue→trasporto
sotto forma di ioni bicarbonato
in un sistema trasporto passivo
mediato da proteina
scambiatrice di anioni (che
sfrutta gradiente Na+)
Diffusione
La diffusione è sempre un
movimento
verso
l’equilibrio:
tende sempre al minimo di E.
molecole di soluto si spostano vs
comparto con minore conc
L’E libera è ridotta al minimo quando le
molecole si spostano secondo il loro
gradiente di concentrazione.
Osmosi: flusso di solvente in
risposta a diverse concentraz di
soluto
L’acqua tende a spostarsi dalle regioni
a [ ] di soluto più bassa (con Elibera più
elevata) alle regioni a più elevata [ ] di
soluto (con Elibera più bassa). Il flusso si
blocca
quando
la
sua
forza
controbilancia la p. osmotica
La membrana plasmatica è semipermeabile
(=permeabile solo ad acqua e poche altre molecole)
e quindi soggetta ad osmosi
Effetto della diversa osmolarità su cellule animali
Le cellule animali (prive di parete) riducono la differenza di osmolarità grazie
a pompe ioniche, espellendo attivamente molti ioni
→ consumo continuo di enorme quantità di energia per minimizzare
differenza tonicità
Equilibrio osmotico indipendente dal tipo di soluto  conta solo
concentrazione (molarità) complessiva
NB: La differenza di [ ] ai lati della membrana (citoplasmatica ed interne es mt) è poi
sfruttata per vari processi cellulari (trasmissione impulso nervoso, trasporto soluti,
produzione ATP,…)
Reazione delle cellule vegetali ai
cambiamenti dell’osmolarità.
Ambiente ipotonico genera P di
turgore
In generale le cellule vegetali vivono in
ambiente ipotonico La parete cellulare
controbilancia la tendenza al rigonfiamento
(vegetali, funghi, batteri)
Il vacuolo delle cell. vegetali
contribuisce alla p. turgore e ai
fenomeni di crescita
Richiamando acqua per osmosi
spinge su parete e da sostegno alla
cellula
In alcuni organismi
unicellulari privi di
parete, come i
protozoi ciliati, i
vacuoli contrattili
partecipano
all’osmoregolazione,
captando ed
espellendo H2O
Rapporto tra idrofobicità (X) e
velocità diffusione (y)
attraverso membrane
La v di diffusione influenzata da:
dimensione, idrofobicità/polarità,
carica della molecola (e dalla
Temperatura)
•I doppi strati lipidici sono + permeabili alle
molecole piccole che a quelle grosse. Le
piccole molecole importanti per le funzioni
cellulari sono acqua, ossigeno e CO2.
•Quanto più una molecola è idrofobobica
tanto più facilmente attraversa una
membrana.
•I doppi strati sono impermeabili agli IONI.
Il gradiente ionico deve essere mantenuto!
DIFFUSIONE FACILITATA O TRASPORTO PASSIVO
1) carrier (o permeasi), 2) proteine canale, o 3) porine mediano il
passaggio secondo gradiente di soluti polari e/o grandi (no energia)
•canale → forma canale idrofilo +- selettivo, +- grande (porine e canali ionici)
•Carrier →cambio conformazionale → transfer soluto
(movimento attraverso i canali è + veloce perché non c’è variazione conformazionale)
NB la direzione
dipende solo dal
gradiente di
concentrazione!
Cinetica della diffusione semplice vs diff. facilitata
Diff semplice→ v= PΔS (P permeabilità, ΔS differenza di concentrazione)
Anche la direzione determinata da differenza concentrazione!
Diff. facilitata→relazione non lineare rispetto al gradiente di concentrazione:
saturazione e possibilità di regolazione e/o inibizione, analogia con cinetica
enzimatica
ESEMPIO DI PROTEINA CARRIER: GLUT-1
[glu] ematica=3.6~5mM
[glu]intracell =~1- 0.5mM
• Cambiamento conformazionale (allosteria) indotto da Glu
• cinetica analoga agli enzimi
• Si lega alle molecole di soluto in modo da proteggerne i
gruppi polari o provvisti di carica
•↑Specificità
• possibilità di regolazione
Glut 1 ha struttura a fasci di eliche che formano cavità idrofilica per il
passaggio del Glu.
Esiste una famiglia di trasportatori GluT, con diversa distribuzione tissutale e
diversa specificità per la molecola trasportata
Interazione tra carrier e soluto si basa
su legami deboli: es legami H
Regolazione del trasporto mediato
Negli adipociti l’attività del
GluT4 è modulata dall’insulina
Insulina (prodotta dal pancreas in
risposta ad alti livelli ematici di Glu)
promuove la fusione di vescicole
contenenti il GluT con la membrana
 e quindi la captazione di Glu dal
sangue
Quando Glu ematico scende
cala produzione di insulina e
 Glut 4 viene ricapatato in
vescicole interne
[Glu ] nel plasma: 3.6-5 mM
la [Glu ] “apparente” nella cellula è inferiore (1- 0.5 mM)
Il Glu appena entrato nella cellula viene fosforilato e quindi metabolizzato.
Questo fa sì che la [ ] di Glu in una cellula rimanga bassa.
La fosforilazione del Glu trattiene il Glu nella cellula poiché il trasportatore
non riconosce la forma fosforilata dello zucchero: Ottimo stratagemma.
Diffusione facilitata→ proteine CANALE.
Mediano passaggio soprattutto di ioni Canali ionici
↑Selettivi: 1 solo tipo di ione ( Na+, K+, Ca++, Cl- ); ↑velocità; Controllati
finemente : possono essere aperti o chiusi gating (controllo a breve e lungo
termine)
-controllo da potenziale (impulso nervoso)
-controllo da ligando (sostanze specifiche, es neurotrasmettitori)
-controllo meccanico (forze fisiche su membrana)
CANALI IONICI
la selettività dei canali ionici dipende da carica e
dimensione dello ione: il “poro” si adatta
geometricamente ed elettrostaticamente allo ione
Possibilità di controllo della pervietà
Il canale K+ batterico ha 2 eliche che funzionano da
filtro: si rimodellano secondo distribuzione di carica
gating
Esempio di controllo/gating da potenziale
La ddp modula la struttura 3D del canale per K+ e quindi la sua pervietà
Il canale K+ leak lascia uscire K+ dala cellula contribuisce a generare
potenziale di membrana (negativa all’esterno)  importanza per lo stimolo
nervoso
positivo
neg
Diffusione facilitata→ PORINE
Le porine formano canali idrofilici per il passaggio di molecole polari
PORINE, tipiche di batteri, e di
membrana esterna di mt e clp
pori più larghi e meno specifici
dei canali ionici.
I pori sono costituiti da proteine
trans-membrana multipasso: porine.
I segmenti trans-membrana sono
ripiegati a foglietto β cilindrico
chiuso (β barrel) che ha nella parte
centrale un poro ripieno d’acqua.
Parte interna idrofila-Parte esterna a
contatto con i lipidi: idrofoba.
Passaggio delle molecole in funzione
della dimensione dei pori.
Struttura diversa dai canali ionici
(fasci di eliche transmembrana)
Diffus.facilitata
→ACQUAPORINE
→In alcuni tessuti è stata scoperta una famiglia di proteine canale
denominate acquaporine (AQP) che facilitano il flusso molto veloce
delle molecole d’acqua all’interno o all’esterno delle cellule
Si trovano in specifici tessuti che richiedono questa capacità (es:
tubuli prossimali dei reni, eritrociti; radici piante).
Sono proteine integrali di membrana con 6 segmenti transmembrana
elicoidali.
La presenza di acquaporine spiega alta V di passaggio di acqua!
Altra HP quella dei buchi transitori nei monostrati!
Le acquaporine permettono il passaggio passivo di “catenelle “ di
molecole di acqua
Abbondano cellule con elevato scambio idrico flusso di acqua +
veloce di semplice diffusione
Diverse modalità di trasporto mediate dai carrier
2 diverse modalità di antiporto
1) Legame alternato (ione vs soluto)
2) Legame contemporaneo (ione e soluto)
TRASPORTO ATTIVO
Movimento contro gradiente elettrochimico mediato da proteine
(POMPE)
• Rende possibile l’assorbimento di sostanze nutrit. essenziali,
dall’ambiente o dai liquidi circostanti, anche quando la loro [ ] ext è
più bassa.
•sostanze nocive alla cellula o rifiuti possono essere espulsi anche
se la loro [ ] int è più bassa.
• Consente alla cellula di mantenere le [ ]
specifici (K+, Na+, Ca++ e H+)
int
di ioni inorganici
•Consumo di energia→accoppiamento a processo esoergonico
•Direzionalità definita (indipendente da conc dei soluti trasportati)
IL trasporto attivo essendo mediato da proteine
condivide alcune caratteristiche della diffusione
facilitata:
•Saturabilità (V max e Km)
•Possibilità di regolazione
•allosteria
Differenze
Cambiamento conformazionale indotto non (solo) da
legame con soluto ma (anche) da donatore di energia
Trasporto attivo
(classificazione in base a fonte di energia)
•Direttamente dipendente da idrolisi di ATP (trasporto attivo
diretto)
•Accoppiato a passaggio secondo gradiente di altri soluti/ioni
(trasporto attivo indiretto)
•Dipendente da altro processo esoergonico (es flusso di e- attivati
durante catena trasporto mitocondriale abbinato a traslocazione
di protoni vs matrice mitocondriale
o flusso di e- energizzati dalla luce traslocazione di protoni vs
spazio interno tilacoide)
•Dipendente da luce (es batteriorodopsina: pompa protoni in
seguito a foto-attivazione)
CONFRONTO FRA TRASPORTO ATTIVO DIRETTO E INDIRETTO
(Monosaccaridi o Aa)
ATPasi di
trasporto
(o Na+)
Il passaggio
esoergonico di H+
verso l’interno
fornisce l’E per
trasportare il soluto
contro gradiente!
•Diretto o primario: accoppiato a reaz chimica esoergonica
•Indiretto o secondario: cotrasporto con cationi secondo gradiente (SIMPORTO o
ANTIPORTO).
H+ preferito da batteri, funghi e piante.
Na+ : cellule animali
ATP asi di tipo P (P: fosforilazione)
• proteine fosforilate in modo reversibile (su un residuo di ac. Aspartico)
•polipeptide: 8-10 segmenti trans-membrana a zig-zag.
• Responsabili del mantenimento del gradiente ionico transmembrana
•Es:
• Pompa Na+ / K+
•pompa Ca2+ ATPasi
•H+ ATPasi responsabile della acidificazione del succo gastrico; comuni su membrana
plasmatica di piante e batteri
ATP asi di tipo P Pompa Na+/K+ ATPasi (antiporto attivo)
La fosforilazione modifica la conformazione e l’ affinità di legame
La pompa è allosterica in q.
esiste in due stati
conformazionali dipendenti
da fosforilazione
•deP → aperto verso l’interno
bassa affinità per K
•P → aperto verso l’esterno
bassa affinità per Na
•FUNZIONI
•Mantiene potenziale di
membrana (negativo
all’interno)
•Equilibrio osmotico
•Gradienti sfruttabili x cotrasporti (glucosio e altri
composti organici)
Nelle cell animali
[K+]int~150mM> est
[Na+]int~15mM<est
•La pompa espelle 3 Na+ e
trasporta in 2 K+
Struttura pompa NaK
Formata da 2 subunità
(α lega ioni e ATP, β modulatoria)
Trasporto attivo indiretto: simporto Na/Glu
Proteina allosterica
Il legame del Na
modula affinità di
legame per Glu
Il Glu legandosi
modifica
conformazione
proteina
Integrazione dei vari meccanisimi di trasporto
Lume cellula (trasp attivo indiretto)
cellula sangue (diffusione facilitata)
ATPasi di tipo P  pompa Ca2+/ATPasi
•Molto rapida ed efficiente (genera differenze di conc di 10000 volte!)
•Su membrana plasmatica ma anche su RE e mitocondrio
•Espelle Ca2+ per mantenere bassa la Ca2+ citosolica
•Ca2+ modula attività vari enzimi (II messaggero) e contrazione muscolare
minime variazioni di concentrazione innescano varie risposte cellulari
ATPasi di tipo P  pompa H+/ATPasi
Caratteristica di membrane plasmatiche vegetali, batteriche e di funghi
Funzioni: eliminazione di H+ prodotti da catabolismo e creazione gradienti sfruttabili
Membrana plasmatica batteri, funghi, piante;vacuoli, lisosomi,..
in queste membrane si crea un gradiente di H+ invece che di Na+
Il gradiente è sfruttato per trasporto di sostanze utili
Animali: solo in particolari tipi cellulari (epitelio gastrico acidità gastrica) si
esprime pompa scambiatrice K+/H+ ATPasi
La secrezione acida è controllata per via ormonale
Strategia dei farmaci anti-acidità (vari target)
ATPasi di tipo V (V: vescicola)
- Pompano protoni in organuli quali
•Vescicole- Vacuoli – Endosomi- Complesso di Golgi
-Non subiscono fosforilazione diretta
-Formate da 2 componenti:
• 1 integrale di membrana
• 1 periferica sulla superficie della membrana.
Il componente periferico contiene il sito di legame per l’ATP e quindi ATTIVITA’ ATPasi
Funzione:
•creare comparti cellulari con particolare pH
•Creare gradienti utilizzabili per sistemi di cotrasporto
ATPasi di tipo F (F: fattore)
• In batteri, e membrane interne di mitocondri e cloroplasti
•parte integrante del meccanismo
che conserva l’E delle radiazioni solari o dell’ossidazione
di un substrato sotto forma di ATP
• implicate nel trasporto di H+
• 2 componenti entrambi costituiti da complessi con + subunità:
- Componente integrale (F0: poro transmembr. per H+)
- Componente periferico F1: contiene sito di legame per ATP.
Funzione duplice:
• Possono sfruttare E che deriva per idrolisi di ATP per pompare H+ contro
gradiente
• Catalizzano anche processo inverso: il flusso esoergonico di H+ secondo
gradiente elettrochimico viene usato per sintetizzare ATP. In questo caso si
chiamano ATPsintasi.
ATPasi di tipo ABC (ABC: cassetta che lega l’ATP)
Cassetta: indica i domini catalitici della proteina che legano l’ATP come
parte integrante del processo di trasporto.
• Ampia famiglia di proteine di trasporto tra loro correlate per sequenza e
forse anche per meccanismo molecolare
• molto diffuse in procarioti e eucarioti
Funzione:
• Trasportano non solo cationi (come le altre ATPasi) ma anche ioni,
zuccheri, Aa, peptidi e polisaccaridi (↑varietà soluti)
•Sono poco selettivi (vari tipi di soluto)
•Alcuni pompano antibiotici o altri farmaci (lipofili) fuori dalla cellula →
resistenza al farmaco (MDR)
Struttura dei trasportatori
ABC
4 domini: 2 integrali idrofobici e 2
citoplasmatici
ciascuno dei 2 domini integr. è
costituito da 6 segmenti e forma il
canale per il soluto
I 2 domini periferici legano ATP e
accoppiano la sua idrolisi al
trasporto
Rilevanza clinica
Alcuni tumori caratterizzati da
overespressione di geni ABC
(MDR: multi-drugresistance)
pompano fuori dalla cellula
farmaci antitumorali
(idrofobici)
 resistenza alla terapia
Rilevanza clinica dei sistemi ABC
 Alcuni tumori umani sono resistenti a molti farmaci normalmente
abbastanza efficaci nell’arrestare la crescita tumorale: overespressione di
MDR.
Bassa espressione di trasportatori ABC di nucleosidi in alcuni tumori
vanifica effetto di farmaci antitumorali (analoghi nucleosidici per bloccare
sintesi DNA)
Resistenza ad antibiotici e farmaci in microorganismi patogeni: es
Plasmodio (protozoo agente della malaria) resiste a farmaco clorochina grazie
a mutazione su gene ABC
 Nella fibrosi cistica il paziente accumula muco denso nei polmoni:
Difetto genetico su trasportatore ABC per il trasporto di Cl- verso il lume delle
vie aeree (gene CTFR). Se non viene espulso il Cl -, nemmeno Na+ e H2O
vengono emessi nel lume→ muco denso, disidratazione, infezioni batteriche
polmonari
Nel 70% dei casi di fibrosi cistica la mutazione genica impedisce alla
prteina trasportatrice di raggiungere la membrana (difetto di targeting)
Trasporto che sfrutta l’energia luminosa: la BATTERIORODOPSINA dei
batteri alofili
Es di pompa protonica attivata
da energia luminosa
•In batteri alofili (purpurei
fotosintetici)
•Integrale di membrana con 7
domini α-elica
•Pompaggio vettoriale di H+ vs
esterno cellula
Il cromoforo retinale subisce
una isomerizzazione innescata
dal fotone assorbito
L’isomerizzazione fotoindotta
del retinale modifica proprietà
acido base della proteina
Risultato:
•Pompaggio vettoriale di
protoni dall’interno all’ext. →
• genera gradiente
elettrochimico di H+ →
sfruttato per sintetizzare ATP.