Le modalità di trasporto attraverso la membrana
plasmatica
Esperimento sulla diffusione
di diversi tipi di composti
attraverso un doppio strato
lipidico sintetico
Le membrane biologiche
sono semipermeabili in
quanto presentano una
permeabilità selettiva
La velocità con cui una
molecola diffonde attraverso
un doppio strato lipidico
dipende dalle dimensioni e
dalla solubilità : la diffusione
semplice è permessa solo a
piccole
molecole
apolari
mentre il passaggio di
molecole fondamentali come
p.e. aminoacidi e zuccheri
necessita di proteine di
trasporto
Alberts et al. Essenziale biologia
molecolare cellula. Zanichelli
I canali si aprono e si chiudono in seguito a uno stimolo
elettrico o chimico
I trasportatori cambiano conformazione legandosi al soluto
da trasportare
Alberts et al. Zanichelli
Modalità di TRASPORTO attraverso la membrana
plasmatica di PICCOLE MOLECOLE e IONI
Trasporto PASSIVO (secondo gradiente e senza consumo energia)
del soluto: DIFFUSIONE
- semplice (es. O2 e di CO2)
- facilitata tramite proteine :
canale (es. Cl - )
trasportatore o carrier(es.glucosio)
di H2O : OSMOSI
Trasporto ATTIVO (contro gradiente e con consumo di energia)
es. pompa Na +/K +
FIBROSI CISTICA (CF) : un esempio di malattia ereditaria dovuta a
un difetto in una proteina di trasporto della membrana plasmatica
Cell. CF
Cell. normali
Becker et al.
CF è dovuta a un difetto (alterazione o assenza) di una proteina di membrana che ha
funzione di canale dello ione cloro in diversi tipi di cellule. Il difetto della proteina
(dovuto a mutazione del gene cha la codifica) causa un’alterazione della secrezione di
ioni cloro con conseguente elevato riassorbimento di ioni sodio e di acqua. Ne
consegue un quadro clinico caratterizzato da secrezioni dense causa di
compromissione respiratoria , insufficienza pancreatica ecc.
Diffusione facilitata attraverso trasportatori: l’esempio
del glucosio
I trasportatori funzionano in modo analogo ad un enzima in quanto
realizzano il trasporto grazie a cambiamenti conformazionali; pertanto la
velocità di transito è minore rispetto a quella attraverso canali
OSMOSI : diffusione dell’acqua attraverso la membrana
plasmatica verso il compartimento con la maggiore
concentrazione di soluti
Interno
cellula
Esterno
cellula
La diffusione di acqua è facilitata da canali chiamati acquaporine . La
funzione di queste proteine è importante in molti tipi di cellule umane;
p.e. nelle cellule dell’epitelio intestinale dove l’acqua dei liquidi secreti
nella digestione viene riassorbita per osmosi
Trasporto
uniporto e
accoppiato
Uniporto: passaggio di una sola sostanza in un’unica direzione (p.e. ioni
calcio trasportati contro gradiente dal citoplasma al lume del reticolo
endoplasmatico).
Accoppiato :
Simporto: passaggio di due sostanze nella stessa direzione (p.e. glucosio
e ioni sodio a livello intestinale nel trasporto contro gradiente del
glucosio).
Antiporto : passaggio di due sostanze in direzione opposta (p.e. pompa
sodio-potassio).
Le tre modalità sono utilizzate nel trasporto sia passivo sia attivo
Il Trasporto contro gradiente permette :
-l’assorbimento di sostanze nutritive dall’ambiente
anche quando le loro concentrazioni esterne sono più
basse rispetto all’interno (p.e. trasporto attivo di
glucosio a livello delle cellule dell’epitelio intestinale )
-la rimozione di varie sostanze di rifiuto dalla cellula o
dall’organulo anche quando la concentrazione esterna è
più elevata rispetto all’interno
- l’attuazione e il mantenimento di
attraverso le membrane
gradienti ionici
TRASPORTO ATTIVO: la pompa ionica Na+/K+
La cellula vitale è caratterizzata da uno squilibrio nella concentrazione
intra/extra cellulare di diversi tipi di ioni.
In particolare :
K+ > in ambiente intracellulare
Na+ > in ambiente extracellulare
Per mantenere questa situazione è necessario trasportare i soluti
contro il gradiente elettrochimico utilizzando ATP (trasporto attivo
primario). Questa funzione è svolta dalla proteina di trasporto chiamata
pompa Na+/K+-ATPasi che attua una forma di antiporto (K+ entra nella
cellula e Na+ esce)
TRASPORTO
ATTIVO: la
pompa ionica
Na+/K+
La Na+ /K+ ATPasi è una pompa ionica di tipo”P” in quanto
l’idrolisi di ATP porta a fosforilazione della stessa proteina
di trasporto e il conseguente cambiamento conformazionale
permette il rilascio di 2 ioni K+ all’interno della cellula e di 3
Na+ all’esterno
Quale è il ruolo della pompa Na+/K+ ?
a. mantenere l’equilibrio osmotico cellulare. Infatti l’elevata
concentrazione intracellulare di numerosi soluti richiamerebbe
acqua dall’esterno all’interno della cellula provocando un
eccessivo rigonfiamento e conseguente lisi e morte della cellula
stessa. L’estromissione degli ioni Na+
fuori della cellula
impedisce all’acqua di entrare nella cellula
b. permettere indirettamente il trasporto contro gradiente di alcuni
tipi di molecole (p.e. trasporto attivo secondario del glucosio)
c. permettere la propagazione dei segnali elettrici nelle cellule
muscolari e nervose
Modalità di
trasporto
attraverso la
membrana
plasmatica di
GRANDI
MOLECOLE e
PARTICELLE
Endocitosi : Fagocitosi, Pinocitosi (processi non specifici)
Endocitosi mediata da recettori : processo specifico mediato da un
recettore proteico sulla membrana plasmatica p.e. ingresso del
colesterolo trasportato dal sangue dalle particelle LDL all’interno delle
cellule
Quali sono i meccanismi che
permettono
alle
cellule
di
procurarsi energia ?
Flusso dell’energia e
circolazione delle
molecole organiche
negli ecosistemi
RESPIRAZIONE CELLULARE aerobica
: il processo
catabolico di demolizione del glucosio che le cellule utilizzano per
ottenere ATP
C6H12O6 + 6 O2
6CO2 + 6H2O + energia (ATP)
La demolizione del glucosio è un processo esoergonico con variazione di energia libera
(ΔG) pari a - 686kcal/mole
La respirazione cellulare richiede ossigeno e comporta una serie di
reazioni redox con un composto che si ossida (perde elettroni ) e un altro
che si riduce (acquista elettroni ) (nella reazione complessiva il glucosio
viene ossidato l’ossigeno viene ridotto) : il rilascio graduale di energia
permette la sintesi di ATP
Il ribonucleoside ATP (adenosina trifosfato) è la “valuta” energetica di
tutti gli organismi viventi utilizzato per tutte le attività cellulari
Quale è la struttura
chimica dell’ATP ?
Ribosio
Il 90% dell’energia libera dei legami del
glucosio viene trasferita ai COENZIMI NAD
e FAD che si riducono a NADH e FADH
Il NAD (nicotinammide) è una molecola composta da due
nucleotidi. Svolge il ruolo di “navetta” di elettroni
ovvero accetta elettroni da substrati e in tal modo
accumula temporaneamente grandi quantità di energia .
La
respirazione
cellulare
aerobica avviene a tappe per
permettere
il
graduale
rilascio di energia
Attenzione!!! Nelle cellule procariotiche
i processi avvengono nel citosol e nella
membrana plasmatica
Sede delle 4 fasi nelle cellule
eucariotiche :
1. GLICOLISI: citosol
2. ACETIL CoA: matrice mt
3. Ciclo di Krebs: matrice mt
4.Trasporto elettroni: creste mt
Glicolisi
E’ l’unico
processo che
fornisce
energia alla
cellula in
assenza di O2
glucosio
Fosforilazione a
livello del
substrato : un
fosfato è trasferito
dal substato a ADP
piruvato
piruvato
In assenza di ossigeno la glicolisi è seguita dalla
FERMENTAZIONE : processo necessario per riossidare il NADH2
prodotto durante la fase anerobica e ripristinare così il NAD necessario
per la glicolisi
COOCO
Piruvato : accettore di H2
CH3
muscolo
lievito
In presenza di ossigeno
il piruvato entra nella matrice
mitocondriale per trasporto attivo
e qui subisce una serie di reazioni
(decarbossilazione ossidativa) che
portano alla formazione di AcetilCoA e di NADH e alla liberazione di
CO2
Acetil CoA
Ciclo dell’acido citrico o c.di Krebs
o c. degli acidi tricarbossilici
Avviene nella matrice
mitocondriale ed è
una serie ciclica di
reazioni redox in cui
atomi di H sono
trasferiti dai substrati
agli accettori NAD e
FAD, è sintetizzato
ATP e viene liberata
CO2
Creste mitocondriali: catena di trasporto
degli elettroni attraverso 4 complessi
multiproteici contenenti anche molecole
non proteiche
I
II
III
IV
Gli elettroni presenti nel NADH e nel FADH vengono trasferiti attraverso
reazioni redox ad accettori intermedi e infine all’ossigeno in modo da
permettere il graduale rilascio di energia che è utilizzata per sintetizzare
ATP : fosforilazione ossidativa
Parte dell’energia liberata dal passaggio degli elettroni viene utilizzata dai
complessi I,III e IV per pompare protoni nello spazio intermembrana. Data
la differenza di concentrazione, gli ioni H+ tendono a diffondere verso la
matrice mitocondriale (forza protono-motrice) attraverso il complesso
proteico della ATP sintasi questo processo è esoergonico e l’energia
liberata è utilizzata per sintetizzare ATP
L’ATP sintasi funziona come un complesso “rotore” o mulino molecolare
che permette il passaggio secondo gradiente degli ioni H+. Questo
processo è chiamato CHEMIOSMOSI : l’energia depositata in un gradiente
protonico è utilizzata per produrre ATP
Membrana mitocondriale esterna
M.mit.
interna
Matrice
ATP sintatsi
2
6
6
18
2
4
4
34
Quantità
di
ATP (con qualche
approssimazione)
prodotto nella
respirazione
aerobica e resa
energetica
La maggior parte
dell’ATP
è
sintetizzato nella
fosforilazione
ossidativa
Resa energetica :
7,3Kcal/mole per
fosforilare ADP a ATP
7,3 x 38 / 686 = 0,4
Circa 40% dell’energia
del glucosio è trasferita
all’ATP
Eterotrofi : organismi che ricavano molecole organiche
(p.e. glucosio) da organismi di cui si nutrono
Autotrofi : organismi in grado di sintetizzare molecole
organiche partendo da molecole inorganiche e utilizzando
una fonte di energia esterna come, nella maggior parte
dei casi, la luce
Fotosintesi : cellule che possiedono pigmenti come la
clorofilla in grado di assorbire l’energia luminosa attuano
un processo anabolico ovvero una serie di reazioni
chimiche per trasformare CO2 e H2O in glucosio
Clorofilla + Luce
solare
Ossidazione
6CO2 + 12H2O
Riduzione
C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
La localizzazione
della fotosintesi
Cellula del mesofillo
Cloroplasto
Cloroplasto :
- doppia membrana
- stroma (sintesi di
carboidrati )
- tilacoidi (sistema di
membrane con clorofilla,
sintesi di ATP e NADPH)
Luce
(fotone)
Cloroplasto
Struttura della clorofilla
Campbell, Reece- Pearson
Figura 10.10
Campbell-Reece, Biologia © 2009 Pearson
Paravia Bruno Mondadori S.p.A
Purves,Sadava Zanichelli
Centro di reazione con
Clorofilla con picco
assorbimento 680 nM
Centro di reazione con
Clorofilla con picco
assorbimento 700 nM
FASE LUMINOSA : L’energia luminosa eccita un elettrone della clorofilla a o di altri
pigmenti (organizzati insieme a proteine in Fotosistemi II e I presenti nei tilacoidi dei
cloroplasti) determinando un flusso non ciclico di elettroni con rilascio di energia e
conseguente sintesi di ATP e NADPH che saranno utilizzati nella fase di fissazione del
Carbonio (Ciclo di Calvin)
La scissione dell’H2O in H+ e OH- fornisce gli elettroni da rimpiazzare nella clorofilla
e produce come conseguenza la liberazione di O2
- La produzione di ATP (fotofosforilazione mediata da ATPsintasi) è il risultato
di un processo chemiosmotico: il passaggio di elettroni attraverso i
Fotosistemi determina il rilascio e quindi alta concentrazione di H+ all’interno
dei tilacoidi; questi ioni diffondono verso lo stroma attraverso l’ATP sintasi e
la liberazione di energia determina sintesi di ATP
Figura 10.17
Campbell, Reece- Pearson
Campbell-Reece, Biologia © 2009 Pearson
Paravia Bruno Mondadori S.p.A
IL CICLO DI CALVIN è un
insieme di reazioni che
permettono la fissazione del
carbonio ovvero legare CO2 a
molecole
organiche
preesistenti per ottenere
gliceraldeide 3P e quindi
glucosio. Il processo utilizza
l’energia dell’ATP e del
NADPH formati nella fase
luminosa.
L’enzima che
catalizza la fissazione del
carbonio è
il ribulosio
difosfato carbossilasi noto
come
rubisco ed è la
proteina più abbondante del
pianeta terra
Ribulosio 1-5 bifosfato
Ciclo di
Calvin
