TRASPORTO DI MEMBRANA - unibas.it · 21/10/18 Trasporto di membrana 3 +ΔG Alta permeabilità...
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21/10/18 1 BIOTECNOLOGIE TRASPORTO DI MEMBRANA Introduzione Il doppio strato lipidico delle membrane fa da barriera al passaggio della maggior parte delle molecole polari (ioni, piccole molecole organiche..). In questo modo la cellula può mantenere concentrazioni diverse di soluti nel citosol rispetto al fluido extracellulare. Diffusione e osmosi 21/10/18 2
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BIOTECNOLOGIE
TRASPORTO DI MEMBRANA
Introduzione
Il doppio strato lipidico delle membrane fa da barriera al passaggio della maggior parte delle molecole polari (ioni,
piccole molecole organiche..). In questo modo la cellula può mantenere concentrazioni diverse di soluti nel citosol rispetto al
fluido extracellulare.
Diffusione e osmosi 21/10/18 2
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Trasporti attraverso le membrane: Schema dei sistemi di trasporto
Sistemi di trasporto di membrana
Trasporto passivo Trasporto attivo
Diffusione semplice
Diffusione facilitata
Trasporto Attivo primario
Trasporto Attivo secondario
Indipendente da un vettore
Dipendente da un vettore
-ΔG
Endocitosi Esocitosi Transcitosi
Canale Carrier
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+ΔG
Alta permeabilità
Moderata permeabilità
Bassa permeabilità
Permeabilità molto bassa
Gas
Molecole molto piccole polari
non cariche
Acqua
Urea
Molecole polari
organiche
Ioni
Molecole e macro
molecole polari cariche
Amminoacidi ATP
Proteine Polisaccaridi Acidi nucleici
(DNA ed RNA)
Etanolo
Glucosio
Le membrane biologiche hanno una permeabilità selettiva. La velocità di attraversamento di una membrana biologica dipende dalla grandezza di un soluto e dalla sua permeabilità nei lipidi
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• Assunzione di sostanze nutrienti essenziali (es. glucosio)
• Regolazione concentrazioni ioniche (Na+, Ca2+, H+…) • Eliminazione prodotti metabolici di rifiuto (es. CO2) I meccanismi di trasporto sono essenziali nella vita delle cellule.
Es. : in E. coli il 20% dei geni sono associati al trasporto
Trasporti attraverso le membrane:
Funzioni del trasporto di membrana:
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Trasporti attraverso le membrane: Schema dei sistemi di trasporto
Sistemi di trasporto di membrana
Trasporto passivo Trasporto attivo
Diffusione semplice
Diffusione facilitata
Trasporto Attivo primario
Trasporto Attivo secondario
Indipendente da un vettore
Dipendente da un vettore
-ΔG
Endocitosi Esocitosi Transcitosi
Canale Carrier
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+ΔG
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Permeabilità del doppio strato lipidico
DIFFUSIONE SEMPLICE
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La diffusione sposta i soluti verso l’equilibrio, tendendo a formare, da una distribuzione casuale, una situazione di equilibrio, con concentrazioni uguali in ogni punto.
La diffusione tende al minimo contenuto di energia libera: le molecole si muovono secondo il GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE e, se IONI carichi, si spostano secondo il GRADIENTE ELETTROCHIMICO. All’equilibrio non avviene più movimento netto perché l’energia libera è minima.
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Diffusione semplice
All’equilibrio non si ha alcun movimento netto.
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Un richiamo per comprendere le funzioni: Diffusione e Osmosi
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La soluzione più concentrata richiama acqua dalla soluzione meno concentrata per OSMOSI
Il soluto si muove per DIFFUSIONE dalla soluzione più concentrata a quella meno concentrata.
MEMBRANA
PERMEABILE al soluto
IMPERMEABILE al soluto
FLUSSO D’H2O
Un richiamo per comprendere le funzioni: Diffusione e Osmosi
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La soluzione più concentrata richiama acqua da quella meno concentrata per OSMOSI
Il soluto si muove per DIFFUSIONE dalla soluzione più concentrata a quella meno concentrata.
PRESSIONE OSMOTICA
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PERMEABILE al soluto
IMPERMEABILE al soluto
Un richiamo per comprendere le funzioni: Diffusione e Osmosi
Diffusione semplice di acqua:
Osmosi
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ACQUAPORINE
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The Nobel Prize in Chemistry 2003 was awarded "for discoveries
concerning channels in cell membranes" jointly with one half to Peter Agre "for the discovery of water channels" and with one half to Roderick
MacKinnon "for structural and mechanistic studies of ion channels".
Work One of the fundamental processes of life is
the transportation of water molecules through the surface layer of the cells that comprise organisms. Channels that allow the passage of water but not other substances are crucial for processes such as the kidney's capacity to recover water from urine. For a long time no one knew what these water canals looked like, but in 1990 Peter Agre succeeded in isolating a protein that he proved was the sought-after water canal. The protein was
given the name aquaporin.
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/agre-facts.html
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Diffusione semplice di acqua: Osmosi
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Diffusione semplice di acqua: Osmosi
Sol. ipertonica Sol. Isotonica (es.0.9% NaCl) Sol. ipotonica
Pressione di turgore
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(a) Acqua sufficiente (b) Appassimento
Parete cellulare Vacuolo
Tonoplasto
Membrana plasmatica
Vacuolo pieno di acqua
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La diffusione sposta i soluti verso l’equilibrio, tendendo a formare, da una distribuzione casuale, una situazione di equilibrio, con concentrazioni uguali in ogni punto.
La diffusione tende al minimo contenuto di energia libera: le molecole si muovono secondo il GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE e, se IONI carichi, si spostano secondo il GRADIENTE ELETTROCHIMICO. All’equilibrio non avviene più movimento perché l’energia libera è minima.
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Trasporti attraverso le membrane:
Gradiente elettrochimico
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Trasporti attraverso le membrane: Schema dei sistemi di trasporto
Sistemi di trasporto di membrana
Trasporto passivo Trasporto attivo
Diffusione semplice
Diffusione facilitata
Trasporto Attivo primario
Trasporto Attivo secondario
Indipendente da un vettore
Dipendente da un vettore
-ΔG
Endocitosi Esocitosi Transcitosi
Canale Carrier
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+ΔG
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Le molecole che non attraversano il doppio strato lipidico per diffusione semplice possono attraversarla attraverso:
DIFFUSIONE FACILITATA: TRASPORTO PASSIVO MEDIATO DA TRASPORTATORI DI MEMBRANA Es: Glucosio
Es: Ioni (che non attraversano mai il doppio strato lipidico a causa della carica e l’alto grado di idratazione)
Proteine trasportatrici
Proteine canali
Sono proteine di membrana integrali multipasso
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DIFFUSIONE FACILITATA: TRASPORTO PASSIVO MEDIATO DA TRASPORTATORI DI MEMBRANA
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DIFFUSIONE FACILITATA: TRASPORTO PASSIVO MEDIATO DA TRASPORTATORI DI MEMBRANA
La diffusione facilitata o trasporto passivo è mediata da proteine di membrana integrali multipasso:
• Proteine trasportatrici
• Proteine canali
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Proteine trasportatrici Si legano al soluto specifico e subiscono cambiamenti di conformazione per trasferire il soluto legato attraverso la membrana. Proteine canali Non devono legare il soluto, ma formare un poro idrofilo per il passaggio del soluto nel doppio strato lipidico.
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Trasporti mediati da proteine di membrana
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Diffusione facilitata 21/10/18 31
1) Velocità 2) Specificità 3) Saturabilità 4) Inibizione
Diffusione facilitata – caratteristiche cinetiche
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Diffusione facilitata Modelli di funzionamento dei trasportatori
I sistemi di trasporto hanno generalmente due stati conformazionali (A e B), uno con i siti leganti rivolti all’esterno e l’altro con i siti leganti rivolti internamente.
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Come funzionano i canali (ionici)?
- Filtro di selettività
- Controllo di apertura
- Velocità di trasporto elevate
- Flussi esclusivamente passivi
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• Molti sono assimilabili a “cancelli” aperti o chiusi • Cancello con ligando • Proteine intracellulari
regolatorie • Fosforilazione • Cancello con voltaggio • Canali meccano-
sensibili
Come funzionano i canali (ionici)?
Trasporti attraverso le membrane: Schema dei sistemi di trasporto
Sistemi di trasporto di membrana
Trasporto passivo Trasporto attivo
Diffusione semplice
Diffusione facilitata
Trasporto Attivo primario
Trasporto Attivo secondario
Indipendente da un vettore
Dipendente da un vettore
-ΔG
Endocitosi Esocitosi Transcitosi
Canale Carrier
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+ΔG
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Quando il movimento di un soluto avviene contro il gradiente di concentrazione o, se ioni carichi si
spostano contro il gradiente elettrochimico, si ha il trasporto attivo (ΔG>0). Il trasporto avviene
attraverso proteine trasportatrici (e non canali) che sono accoppiate ad una fonte di energia metabolica,
come l’idrolisi dell’ATP.
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Il TRASPORTO ATTIVO: movimento contro gradiente mediato da proteine
Determina il movimento dei soluti lontano dall’equilibrio termodinamico e quindi richiede impiego di energia.
Il trasporto attivo è termodinamicamente sfavorevole (ΔG>0 e quindi endoergonico) e si può effettuare solo quando è accoppiato ad un processo esoergonico (ΔG<0) .
Le proteine trasportatrici coinvolte devono sia trasferire i soluti che accoppiare il trasferimento ad una reazione che cede energia.
Trasporto attivo 21/10/18 38
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Il trasporto attivo ha tre principali funzioni nelle cellule e negli organi:
• Rende possibile l’assorbimento di sostanze nutritive dall’ambiente anche quando le loro concentrazioni sono basse rispetto a quelle intracellulari.
• Permette la rimozione di sostanze metaboliche di rifiuto quando la loro concentrazione all’esterno è più alta che nella cellula.
• Consente alla cellula di mantenere le concentrazioni intracellulari di ioni specifici, tra cui K+, Na+, Ca2+ e H+ in una situazione di non equilibrio: in questo modo si bilancia l’effetto del trasporto passivo, che tende a eguagliare le concentrazioni di soluti.
Trasporto attivo 21/10/18 39
.
Il Trasporto attivo primario: proteine di trasporto ATP-dipendenti.
Trasporto attivo 21/10/18 40
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TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO IN CELLULE VEGETALI
21/10/18 Trasporto di membrana 42
TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO IN CELLULE VEGETALI
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21/10/18 Trasporto di membrana 43
TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO IN CELLULE VEGETALI
21/10/18 Trasporto di membrana 44
TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO IN CELLULE VEGETALI
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Trasporto attivo 21/10/18 45
Ouabaina
La Na+/K+-ATPasi mantiene i gradienti di Na+ e K+ tra l’ambiente intra e quello extra-cellulare Caratteristiche strutturali: Complesso costituito da almeno 2 sub-unità: Alfa (100 KDa); Beta (45-50 KDa)
Trasporti attraverso le membrane: Trasporti Attivi primari: Na+/K+-ATPasi
Caratteristiche funzionali: • contro gradiente di concentrazione • elevata selettività • ATP-dipendente • inibito da veleni metabolici e da agenti specifici (ouabaina) • ELETTROGENICO • parametri cinetici (KmNa = 0.2 mM; KmK = 0.05 mM)
Trasporto attivo 21/10/18 46
Strophanthus gratus African crested rat (Lophiomys imhausi)
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Trasporti attraverso le membrane: Na+/K+-ATPasi modello di funzionamento
Trasporto attivo 21/10/18 47
Funzioni della pompa sodio-potassio-ATPasi: 1) Mantenimento dei gradienti ionici del Na e K
2) Simporti Na-dipendenti
3) Mantenimento degli equilibri osmotici
4) Mantenimento del potenziale di membrana
La pompa consuma circa il 30% dell’ATP di ogni cellula animale
Trasporto attivo 21/10/18 48
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+ + + + + +- - - - - -
3 cariche positivesu ogni lato:¨9i-o = 0
4 cariche positivesu lato esterno e2 cariche positivequello interno:¨9i-o = (+2) - (+4) = -2
2 cariche positive escono (blu)1 entra (verde)
in
out
in
out
in
out
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ACTIVE TRANSPORT vs. PASSIVE TRANSPORT
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Come fanno le cellule ad alimentare il trasporto attivo?
TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO
Trasporto attivo secondario 21/10/18 51
Il TRASPORTO ATTIVO
Trasporto attivo secondario 21/10/18 52
21/10/18
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Trasporti attraverso le membrane: ATTIVO SECONDARIO Trasporti Na+-dipendenti (simporto Na+-glucosio)
Trasporto attivo secondario 21/10/18 53
21/10/18 Trasporto di membrana 54
21/10/18
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Trasporto attivo secondario 21/10/18 55
