Lezione 3 Bot. Generale Membrane e trasporto File

Membrane biologiche e trasporto cellulare
Le membrane biologiche di tutti gli organismi hanno una struttura e
una composizione praticamente identica (fa eccezione però la
membrana dei cloroplasti)
Unità di membrana: appare al
TEM come una struttura tristratificata di circa 7.5–10 nm;
consiste di due strati paralleli
densi “proteine” (ognuno di circa
2.5nm) separati da una zona
luminosa dello stesso spessore
“doppio strato di fosfolipidi” (ma
anche altri lipidi).
Parete
cellulare
Plasmalemma
Per la sua posizione di interfaccia, il plasmalemma, oltre alla
funzione strutturale (delimita l’ambiente cellulare), svolge
funzione:
- di filtro in quanto seleziona le sostanze che devono passare
assicura l'integrità biochimica del citosol;
- di superficie di comunicazione in quanto permette lo scambio di
informazioni tra l'ambiente intra- ed extracellulare;
- di superficie catalitica data l'abbondanza di proteine
enzimatiche ad essa legate
Una membrana è un collage di proteine diverse immerse nella
matrice fluida del doppio strato lipidico
le membrane si modificano nel tempo e nello spazio = mosaico fluido
Lipidi della membrana: fosfolipidi (più abbondanti), glicolipidi,
steroidi.
Le proteine svolgono un ruolo crititico nel funzionamento della
membrana
Supporto
strutturale
Adesione al citoscheletro ed alla
matrice extracellulare.
Riconoscimento
Alcune glicoproteine (proteine
con brevi catene glicidiche)
agiscono da segnali di
identificazione riconosciuti da
altre cellule
Comunicazione
Una proteina di membrana può avere
un sito di legame di forma
complementare rispetto ad un
messaggero chimico, come ad
esempio, un ormone. Il messaggero
esterno (il segnale) induce un
cambiamento conformazionale delle
proteine che trasmette il messaggio
all’interno della cellula
Trasporto
Proteine canale o
proteine carrier
«Il mare in cui un tempo gli esseri viventi erano immersi, ora è
racchiuso entro i loro corpi»
 mantiene il turgore
 è il maggior costituente della massa cellulare
 come solvente fornisce il mezzo per lo
spostamento delle molecole
 influenza struttura e proprietà di molte
macromolecole (ac. nucleici, proteine,
polisaccaridi)
 è l’ambiente dove avvengono la maggior parte
delle reazioni biochimiche
 ha alta capacità di trattenere calore per cui
all’interno della pianta permette che le
fluttuazioni termiche avvengano lentamente
 di quella assorbita dall’apparato radicale il
97% viene persa per traspirazione
 l’acqua è il mezzo in cui sopravvivono e si
muovo i gameti
Processi di trasporto dell’acqua e dei soluti
1. diffusione semplice (gradiente di concentrazione)
2. flusso di massa (gradiente di pressione)
3. Osmosi (entrambi i gradienti influiscono sul trasporto)
Diffusione
i soluti si muovono
secondo un gradiente di
concentrazione finchè non
sono omogeneamente
distribuiti (l’entropia del
sistema aumenta)
Processo esoergonico (ΔG<0)
Processo endoergonico (ΔG>0)
La diffusione è rapida per distanze brevi (dimensioni cellulari), ma
molto lenta per le lunghe distanze (risalita delle soluzioni nelle
piante)
 Per attraversare una cellula di 50m una molecola di glucosio impiega 2,5 sec
 Per attraversare una foglia di mais lunga 1 m una molecola di glucosio impiega 32 anni
Infatti dalla legge di Fick sulla
diffusione si ricava che:
t c=1/2 = (distanza)2/Ds
Tempo necessario ad una
sostanza s per raggiungere
un punto, situato ad una
distanza d dal punto di
partenza,
tale
che
la
concentrazione sia metà di
quella iniziale
t c=1/2 = metà del valore di concentrazione dal punto di partenza
Ds = coefficiente di diffusione (glucosio in acqua = 10-9 m2 s-1)
Ricapitolando, la diffusione è:
 veloce su piccole distanze, ma molto lenta su grandi distanze
 Il tempo che una molecola impiega a diffondere è proporzionale al
quadrato della distanza
 una molecola piccola diffonde più velocemente
 molto più veloce nei gas che nei liquidi
L’acqua , sotto forma di vapor acqueo, DIFFONDE dalle foglie
all’atmosfera
Esempio di diffusione delle molecole di H2O nella pianta
Dalla camera sottostomatica all’atmosfera
Come spiegare il movimento dell’acqua su lunga
distanza
Flusso di massa
Nel flusso di massa le molecole si muovono in risposta a un
gradiente di pressione: da [P] alta  [P] bassa
La velocità del flusso è espressa in questo caso dalla legge di Poiseuille
che è funzione del raggio del tubo, della viscosità del liquido e del
gradiente di pressione
Dalla formula si evidenzia come al raddoppiare del raggio la velocità
aumenti di un fattore 16 (24)
Il flusso di massa dell’acqua generato da un gradiente di pressione
è il meccanismo responsabile del trasporto a lunga distanza
dell’acqua nella pianta tramite il sistema vascolare dello xilema e
del floema.
Le cellule vegetali si comportano come osmometri
artificiali
Il movimento tra le cellule avviene attraverso il plasmalemma.
Questo movimento avviene per osmosi che è un tipo speciale di
diffusione, cioè il movimento di un solvente (acqua) attraverso una
membrana semipermeabile (plasmalemma)
 pressione osmotica (π). I soluti riducono il potenziale idrico. Per
questo motivo π è per definizione negativo
 pressione idrostatica (P). La pressione positiva si chiama pressione di
turgore; quella negativa, che si sviluppa specialmente nello xilema e
nelle pareti cellulari, si chiama tensione ed è di grande importanza
per il trasporto dell’acqua nella pianta.
Se una cellula è immersa in una soluzione
ipotonica (ha una minore concentrazione di
soluti), il movimento netto dell'acqua sarà
verso l'interno della cellula aumentando la
pressione di turgore (pressione idrostatica
esercitata dal contenuto della cellula nei
confronti della parete).
Se invece la soluzione è isotonica rispetto
alla cellula, la concentrazione del soluto
sarà la stessa su entrambi i lati della
membrana, quindi l'acqua si muoverà in
entrambe le direzioni in modo uniforme
Una soluzione ipertonica ha invece una
maggiore quantità di soluti, quindi il
movimento netto dell'acqua sarà verso
l'esterno della cellula (plasmolisi)
La pressione di turgore si sviluppa grazie alla presenza
di parete
Distensione delle pareti
cellulari durante la
crescita delle cellule
Se Ψ intracellulare < Ψ extracellulare
l’acqua entra nella cellula
(principalmente vacuolo)
Aumenta la rigidità
meccanica delle cellule
e tessuti giovani non
lignificati
http://4e.plantphys.net/article.php?ch=3&id=31
Plasmolisi di una cellula di Allium cepa in
seguito all’aggiunta di nitrato di calcio (la
membrana plasmatica si stacca dalla parete)
Le membrane biologiche sono selettivamente permeabili
• Più una molecola è piccola e
solubile nei lipidi e più
facilmente attraversa la
membrana
• Molecole grosse e polari non
diffondono spontaneamente
attraverso la membrana
Piccole molecole
idrofobiche
O2, CO2
N2
Benzene
Piccole molecole
polari neutre
H2 O
Glicerolo
Etanolo
Grosse molecole
polari neutre
Amminoacidi
Glucosio
Nucleotidi
Ioni
H+, Na+,
HCO3K+, Ca2+,
Cl-, Mg2+
• Trasporto Passivo
– Diffusione semplice o facilitata
– Segue il gradiente di concentrazione o quello elettrochimico
– Le molecole si muovono “in discesa” (senza ATP)
• Trasporto Attivo
– Muove un soluto contro un gradiente di concentrazione od
elettrochimico
– Le molecole si muovono “in salita”.
– Richiede enzimi e consumo di energia (ATP)
• Trasporto Vescicolare
– invaginazioni delle membrane che formano vescicole (per
grandi molecole)
DIREZIONE DI MOVIMENTO PER DIFFUSIONE DI UNA SOSTANZA ATTRAVERSO LA
MEMBRANA PLASMATICA
1. Per una molecola non carica (es. H2O, CO2, O2)
• Differenza della sua concentrazione ai due lati della
membrana (gradiente di concentrazione)
2. Per una molecola carica (es. H+, K+, Cl-, Ca2+)
• Differenza della sua concentrazione ai due lati della
membrana (gradiente di concentrazione)
• Gradiente elettrico totale o voltaggio elettrico
attraverso la membrana (potenziale di membrana)
Gradiente
elettrochimico
Trasporto passivo
Diffusione semplice
Il movimento dell’acqua nelle cellule vegetali è guidato dalla differenza
di concentrazione dei soluti tra interno ed esterno (è di tipo passivo e
non richiede energia) :
OSMOSI
da esterno (sol. ipotonica) ad interno (sol. ipertonica).
Anche le sostanze solubili nei lipidi, cioè le sostanze idrofobe, così come
piccole molecole non polari possono passare attraverso la membrana
plasmatica per DIFFUSIONE SEMPLICE
Diffusione facilitata: trasporto ionico
I canali ionici sono come delle “ciambelle molecolari”
Sono specifici per lo ione trasportato
La selettività è data dall’ampiezza del “buco” e da cariche di superficie all’interno
del poro
Si possono aprire o chiudere. L’apertura/chiusura del “cancelletto” è regolata
(voltaggio, ormoni, luce)
Diffusione facilitata: le acquaporine
proteine canale che formano un “passaggio idrofilo” in grado di
modificare la velocità di trasporto dell’acqua. Il movimento dell’acqua
attraverso le acquaporine di membrana avviene per flusso di massa.
Diffusione facilitata: proteine carrier
Il trasporto attivo consiste nel trasferimento di soluti contro il
gradiente elettrochimico ed implica l’uso di energia
Il movimento delle sostanze può avvenire anche contro il gradiente di
concentrazione, ma richiede uso d’energia sotto forma di ATP.
1. Primario: basato su proteine di membrana che trasportano ioni quali
H+ o Ca2+. Queste proteine sono dette pompe.
2. Secondario (cotrasporto): sfrutta il flusso di ioni per trasportare altre
molecole nella stessa (SINPORTO) o in direzione opposta (ANTIPORTO).
 voltaggio del plasmalemma (-50/-200 millivolt) dovuto ad una
distribuzione diseguale di anioni e cationi sui lati opposti della
membrana. Il segno meno indica che l’interno è negativo (contiene più
anioni) rispetto all’esterno)
 il potenziale di membrana agisce come una batteria , una fonte
energetica che influenza il movimento di tutte le sostanze cariche
attraverso la membrana
 a causa della differenza di carica tra interno ed esterno, il trasporto di
membrana favorisce il trasporto passivo di cationi verso l’interno ed
anioni verso l’esterno
 quindi due tipi di forze implicate: una chimica (il gradiente di
concentrazione dello ione) ed una elettrica (l’effetto del potenziale di
membrana sul movimento dello ione)
Alcune pompe ioniche generano una differenza di potenziale
attraverso le membrane
Nella membrana plasmatica, nel tonoplasto e in altre
endomembrane delle cellule vegetali la pompa elettrogenica
principale è una pompa protonica (H+- ATPasi) che trasporta
attivamente ioni idrogeno (protoni) fuori dalla cellula.
Pompa H+-ATPasi
Membrana plasmatica
ADP
Alta
concentrazione
di H+
H+
H+
ATP
+
Esterno della
cellula
+
P
Bassa
concentrazione
di H+ (pH 7,4)
_
Interno della
cellula
Il gradiente protonico ed il potenziale di membrana forniscono la forza motrice
che muove attraverso la membrana plasmatica molte altre sostanze. 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
Nel cotrasporto una proteina di membrana accoppia il
trasporto di due soluti
Esterno
Interno
Durante il cotrasporto non viene speso direttamente ATP ma viene sfruttata la
differenza di potenziale elettrochimico creata dai trasportatori attivi che pompano
ioni al di fuori della cellula. Il saccarosio “accompagna” il rientro dello ione
idrogeno seguendo il gradiente di concentrazione protonica mantenuto dalla
pompa
La pompa protonica genera
un
gradiente
di
concentrazione di protoni
ed un potenziale elettrico.
Specifiche proteine di
trasporto forniscono un
percorso per il flusso
passivo
di protoni che
ritornano nella cellula
seguendo il gradiente di
concentrazione
e
accoppiano questo flusso di
protoni al trasporto degli
ioni all’interno o all’esterno
della cellula
RICORDA. Le membrane sono
imermeabili ai protoni!
Esterno della
cellula
Interno della
cellula
ADP
H+
+ P
H+
ATP
Alta concentrazione
di protoni
K+
Fosfato
NO3SO42Na+
K+
•Bassa concentrazione di protoni
•Potenziale elettrico negativo
H+
H+
Simporto
H+
H+
H+
Antiporto
Canali
Ca2+
Membrana plasmatica
Le molecole più grandi sono trasportate per endocitosi ed
esocitosi
endocitosi (ingestione), esocitosi (secrezione)
mediante la formazione di vescicole).
di
sostanze
Endocitosi può
avvenire secondo due
modalità
• Fagocitosi (“la cellula
mangia"). Ad es:
amebe e muffe
• Pinocitosi (“la cellula
beve"). Sostanze
liquide.
Esoicitosi