Trasporti di Membrana: diffusione e trasporto attivo nelle cellule

TRASPORTI DI MEMBRANA

• Differenti tipi di trasporto
• La diffusione semplice
• La diffusione attraverso canali ionici
• La diffusione attraverso trasportatori
• Il trasporto attivo primario e secondario
• Il trasporto attraverso epiteli

DIFFERENZE DI CONCENTRAZIONI IONICHE TRA I COMPARTIMENTI ENTRA ED INTRACELLULARE

Eritrocita
Endotelio
capillare
Membrana
cellulare

mM
[Na+] = 142
[K+] = 4
[Ca2+] = 2,5
[Mg2+] = 1,1

mM
[Na+] = 145
[K+] = 4
[Ca2+] = 1-2
[Mg2+] = 0,6

mM
[Na+] = 12
[K+] = 140
[Ca2+] <0,0001
[Mg2+] = 1,6

[C]]] = 104
[HCO3] = 24

[C]]] = 117
[HCO3] = 27

[C]]] = 4
[HCO3] = 12
[A ] = 138

Liquido intracellulare
O
Plasma
Liquido interstiziale

Classificazione dei trasporti di membrana

Diffusione semplice
Diffusione facilitata
Trasporto attivo

REQUISITI ENERGETICI

Utilizza energia
del moto molecolare.
Non richiede ATP

TRASPORTO DI MEMBRANA

Richiede energia
dall'ATP

Diffusione
Endocitosi
>
Esocitosi

Diffusione
semplice

Diffusione
facilitata

Trasposto
attivo
secondario

genera
gradiente
di concentrazione
per

Trasporto
attivo
primario

Fagocitosi

Le molecole
attraversano il doppio
strato fosfolipidico

Il trasporto mediato
richiede una proteina
di membrana

Utilizza
una vescicola legata
alla membrana

REQUISITI FISICI

TRASPORTO ATTIVO

PRIMARIO

(Usa direttamente ATP)

ATP
Contro gradiente

SECONDARIO

(Usa indirettamente ATP)

DIFFUSIONE SEMPLICE

(Usa Gradiente di Concentrazione)

PASSIVO

(non richiede energia)
Secondo gradiente

molecola trasportata
canale
trasportatore
doppio
strato
lipidico

gradiente
di concentrazione
ENERGIA

M
diffusione
semplice

mediato
da canale

mediato
da trasportatore

TRASPORTO PASSIVO

(DIFFUSIONE FACILITATA)

TRASPORTO ATTIVO

Contro gradiente

DIFFUSIONE FACILITATA

(Usa Gradiente di Concentrazione
e Carriers)

TRASPORTO PASSIVO

• non richiede energia
• avviene secondo gradiente di concentrazione
• tende a dissipare i gradienti di concentrazione (ioni e molecole
  passano dal compartimento a maggior concentrazione verso
  quello a minor concentrazione)
• avviene in tre modi diversi:

1. diffusione semplice
2. diffusione attraverso canali di membrana
3. diffusione facilitata attraverso trsportatori

TRASPORTO ATTIVO

• richiede energia metabolica (ATP)
• avviene contro gradiente di concentrazione
• crea gradienti di concentrazione
• è sempre mediato da proteine di membrana
• avviene in due modi diversi:

1. trasporto attivo primario (direttamente accoppiato a una sorgente di
   energia metabolica)
2. trasporto attivo secondario (indirettamente accoppiato a una sorgente
   di energia metabolica)

DIFFUSIONE SEMPLICE

Liquido extracellulare

Dimensione
molecolare

Concentrazione
esterna alla cellula

Spessore
della
membrana

Gradiente
di
concentrazione

Composizione
dello strato
lipidico

Liquido intracellulare
Concentrazione
interna alla cellula

Legge di Fick

J (flusso)= P (C,-C11)
P = DAK /x
P= permeabilità
CI-CHI = differenza di concentrazione del soluto
D= coeff. diffusione
A=area sezione di scambio
K=coefficiente partizione=conc.soluto lipidi / conc.soluto H20
x=spessore membrana

LA PERMEABILITA' DIPENDE IN MODO LINEARE DA K

10
Metanolo
Acqua,
Etanolo
o-Uretano

Permeabilità (cm/ora)

1
Dietilurea
0,1
o- Etilurea

• Molecole molto piccole

0
o Molecole piccole
Urea
Molecole grandi

• Molecole molto grandi

0,01
Glicerolo
0
0,0001
0,001
0,01
0,1
Coefficiente di partizione olio/acqua

Area
della superficie
di membrana

Solubilità
lipidica

Diffusione semplice

CINETICA DI NON SATURAZIONE

(continua fino a raggiungere la stessa
concentrazione ai lati della membrana)

Estemo
Interno

O
O
O
O

Diffusione semplice

Velocità di trasporto
Concentrazione
extracellulare

Diffusione facilitata

CINETICA DI SATURAZIONE

(dipende dalle dimensioni del poro e
dall'ingombro sterico delle molecole)

Saturazione
parziale

Diffusione attraverso canali ionici

(si satura quando tutti i trasportatori
sono occupati)

Saturazione
completa

Diffusione facilitata

La diffusione attraverso canali ionici

GATING DEI CANALI IONICI (modalità di attivazione

• VOLTAGGIO-DIPENDENTI
• ATTIVATI DA LIGANDO
• ATTIVATI DA SECONDO MESSAGGERO
• ATTIVATI DA STIMOLO MECCANICO

Esterno
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Interno
Na+

.Si classificano inoltre in base a proprietà biofisiche e farmacologiche:

• selettività per le diverse specie ioniche (Na+ , K+ , Ca2+ , Cl- )
• cinetica di apertura, chiusura ed inattivazione
• farmacologia (bloccanti, agonisti)

I canali ionici trasportano ioni inorganici

(sino ad 1 milione di ioni/sec) con un
trasporto di tipo passivo secondo
gradiente. I canali ionici oscillano tra la
conformazione aperta e chiusa. In molti
canali la conformazione aperta viene
stabilizzata da un segnale (voltaggio,
ligando, sollecitazione meccanica)

CHUSO
APERTO

doppio
strato
lipidico

I
filtro di selettività del canale
filtro di selettività rivestito di atomi
di ossigeno carbonilico

CITOSOL
vestibolo
poro

+
lone K+

Canale selettivo per il potassio

La selettività del canale
(basata sul tipo di carica e
sulle dimensioni dello ione) è
determinata principalmente da
un filtro di selettività presente
dove il poro si restringe (fino
alle dimensioni atomiche)

Tipi di canali ionici

La sostanza attraversa la membrana secondo il gradiente di concentrazione, utilizzando
solo la propria energia di movimento (diffusione regolata)

CANALE A CONTROLLO DI
POTENZIALE :Risponde ad un
cambiamento elettrico

CANALE
A
CONTROLLO
DI
LIGANDOINTRACELLULARE Risponde
ad un messaggero intracellulare

regolato
da voltaggio

regolato da ligando
(ligando extracellulare)

regolato
da ligando
(ligando
intracellulare)

regolato
meccanicamente

+++
+++
CHIUSO

1
+
+
APERTO

CITOSOL

CANALE
A
CONTROLLO
DI
LIGANDOEXTRACELLULARE:Risponde ad
un messaggero extracellulare

CANALE
A
CONTROLLO
MECCANICO:Risponde ad uno
stimolo meccanico

La diffusione attraverso i trasportatori (carriers)

Glu
Na+)Glu
Uniporto
Simporto
Na+
Antiporto
H+

Proprietà comuni dei trasportatori:

SPECIFICITA'
(esempio trasportatori GLUT per glucosio, mannosio, galattosio, fruttosio).
COMPETITIVITA' (due molecole che hanno affinità per il sito di legame si ostacolano a vicenda).
SATURAZIONE (si raggiunge saturazione quando il substrato ha una concentrazione tale da
occupare tutti i trasportatori)

(b) I carrier non formano mai un canale aperto
tra i due versanti della membrana

Carrier aperto
verso il LIC
Lo stesso carrier
aperto sul LEC

Il trasporto attivo

• proteine di membrana che utilizzano l'energia dell'idrolisi di ATP per trasportare ioni
  contro gradiente di concentrazione (ATPasi)
• permette il mantenimento di gradienti di concentrazione stabili ai lati della membrana cellulare
• elevata specificità
• possono essere scambiati ioni diversi sui due lati della membrana
• può essere elettrogenico (trasporto di ioni fa insorgere una differenza di potenziale)
• 2 tipi di trasporto attivo: trasporto attivo primario
  trasporto attivo secondario (co-trasporto, contro-trasporto)

Processi attivi

Trasporto attivo primario
Trasporto attivo secondario

Sostanza
idrofila

Substrato
Substrato
Ione
Ione

r
Simporto
Pompa
o ATPasi
ATP
ADP
Antiporto

P

Esempi di trasporto ATTIVO PRIMARIO

Pompa Na+/K+

K+
2
Na+
cellule di tutti
i tessuti
(membrana plasmatica)
3Na+/2K+

Pompa K+/H+

H+
K+
cellule ossintiche
ghiandole gastriche
( membrana luminale)
4H+/4K+

Pompa del Ca2+

2
Ca++
cellule di tutti
i tessuti
( membrana plasmatica )
2Ca2+

Pompa del H+

H+
cellule di tutti
i tessuti
(membrana plasmatica )
2H+

Esempi di trasporto attivo primario: la pompa Na+/K+

Alta
affinità
per Na+

Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+

P
ATP
ADP
Liquido intracellulare

Na
K+
Na+
Na+

Alta
affinità
per K+

P
P
P
K+
K+
K+
K+

Pompa con carattere elettrogenico in quanto i flussi ionici sono asimmetrici: 3 ioni Na+ espulsi, 2 ioni K+
immessi
Funzione: mantenere [Na+]; bassa e [K+]; alta Attivata da aumenti di [Na+]; e [K+].
Selettiva per Na+ (la sostituzione con Li+ blocca la pompa)

Struttura molecolare della la pompa Na+/K+

Sito di
legame
della
2K+

Sito di legame
dell'ouabaina

Legame di
Nate K'
Esterno ouabaina
Esterno
Membrana
Interno

N
Sito di
fosforilazione
Sito di
legame
dell'ATP

LN
Subunità &
Subunità B

Subunità Alfa: 100 kDa
Subunità Beta: 45 kDa
Da notare che tutti i domini di legame sono sulla Subunità alfa
Ouabaina inibisce la pompa sodio potassio

ATP
3 Nat
ADP
Membrana
Interno

Inibitori della Na/K ATPasi

3Na+

1 - La digitossina
blocca la pompa
Na+/K+-ATPasi

Cellula
cardiaca

Ca-
2 - La [Na+] intracellulare
aumenta

[Na+]
1
Digitossina
2K+
ATP

3 - L'antiporto Na+/Ca2+
rallenta la sua attività e
la [Ca2+] intracellulare
aumenta

2+
[Ca
+
3Na+

4 - L'innalzamento di
Ca- intracellulare aumenta
la forza di contrazione

Forza di
contrazione

Il blocco della Na/K ATPasi da parte di OUABAINA, DIGITOSSINA, DIGOSSINA (glicosidi cardiaci) sulle cellule
cardiache potenzia la contrattilità cardiaca, il volume sistolico e la gittata cardiaca.

Esempi di trasporto attivo primario: Ca2+-ATPasi

• trasporto attivo primario con carattere di uniporto
• è presente sulla membrana plasmatica di tutte le cellule (Plasma Membrane Calcium ATPase, PMCA) e
  a livello dei mitocondri e del reticolo endoplasmatico/ sarcoplasmatico liscio (SERCA)
• trasporta 2 ioni Ca2+ per una molecola di ATP
• La PMCA è bloccata da molecole della famiglia delle caloxine
• La SERCA è bloccata dalla tapsigargina

FUNZIONE:

mantiene bassa la concentrazione di Ca2+ intracellulare
(10-7- 10-8 M)
nel reticolo sarcoplasmatico delle cellule muscolari
scheletriche la SERCA costituisce l'80% delle
proteine membranali

[Ca2+] = 1,2 mM
PMCA
ATP
2Ca2+
2Ca2+
[Ca2+] = 10-7 M
SERCA
ATP
[Ca2+] = 1 mM
Reticolo endoplasmatico

Esempi di trasporto attivo primario: la pompa protonica H+/K+ ATPasi

Ghiandole gastriche

stomaco
Fossetta gastrica
Cellula mucosa superficial
(produce muco)
Epitelio colonnare
semplice
Tessuto connettivo
Cardioesophageal sphincter .
Fundus
Esophagus .
Muscularis externa
Serosa
· Longitudinal layer .
· Circular layer
Body
· Obliquelayer .
Lesser curvature .
Rugae of
mucosa
Lume gastrico
Cellula principale
(secerne pepsinogeno)
Pylorus ·
Greater curvature
Duodenum .
Pyloric sphincter (valve)
Pyloric antrum
Cellula G
(secerne l'ormone gastrina)
Mucosa muscolare
Sottomucosa

4K+
ATP
4H+
Cellula ossintica
PH = 7,4
Liquido interstiziale
Capillare
Cellula mucosa del colletti
(produce muco)
Cellula parietale
(secerne acido cloridrico
e fattore intrinseco)
PH = 1