non richiede ulteriore energia richiede atp endocitosi ... · -non crea uno stato di equilibrio ma...
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Diffusione
Semplice
Diffusione
Facilitata
DIFFUSIONE
Non richiede ulteriore energia
oltre a quella derivata dal
movimento molecolare
Molecole attraversano
il doppio strato lipidico
Caratteristiche Strutturali
Trasporto mediato
da proteine di membrana
Trasporto
Attivo
PRIMARIO
Richiede ATP
Trasporto
Attivo
SECONDARIO
Crea
gradienti
per
Vescicole rivestite
da membrana
ESOCITOSI
FAGOCITOSI
ENDOCITOSI
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Trasporto attivo
Biofisica e Fisiologia
Corso di Laurea Magistrale in
“Medicina e Chirurgia”
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TRASPORTO ATTIVO
• I soluti si muovono CONTRO un gradiente di concentrazione
• È richiesta energia metabolica (ATP)
Tipi di trasporto attivo
• Trasporto attivo primario
• Trasporto attivo secondario WWW.SUNHOPE.IT
Trasporto attivo primario : l’energia deriva dal legame fosfato dell’ATP interessa il trasferimento contro gradiente di ioni inorganici (Na+, K+) - pompe ioniche Trasporto attivo secondario: utilizza l’energia potenziale accumulata dal gradiente di concentrazione creato dal trasporto attivo primario. (L’energia spesa dalla pompa ed accumulata in forma potenziale dal gradiente creato per uno ione, viene utilizzata per operare il trasferimento contro gradiente di una seconda molecola sfruttando la tendenza dello ione a riattraversare in senso retrogrado, secondo gradiente, la membrana)
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TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO -muove molecole attraverso la membrana citoplasmatica contro gradiente di concentrazione -non crea uno stato di equilibrio ma di dis-equilibrio rendendo la differenza di concentrazione più pronunciata (consente di creare ex-novo un gradiente di concentrazione) -richiede rifornimento di energia dall’esterno che deriva dal legame fosfato ad alta energia dell’ATP -meccanismo del carrier flip-flop (ma i cambiamenti di conformazione richiedono rifornimento di energia dall’ATP)
Data l’origine metabolica dell’energia che li sostiene, i trasporti attivi si estinguono rapidamente per effetto di una compromissione del metabolismo
cellulare, come avviene ad esempio in carenza di ossigeno (anossia), per azione di veleni della respirazione cellulare come il cianuro o il dinitrofenolo,
o per abbassamento della temperatura.
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cistifellea
dotto epatico
Il dotto cistico diventa fibrotico (invaso da tessuto fibroso)
La pelle è salata (normalmente il primo segno). Un muco spesso e viscoso copre i tratti respiratorio e digestivo. Infezioni respiratorie. Sterilità maschile
intestino tenue
La fibrosi cistica è una malattia ereditaria (con esito fatale fino a poco tempo fa) che impedisce il trasporto del cloro negli epiteli, altera la conduttanza ionica della membrana plasmatica e causa uno sbilanciamento dei fluidi. Queste alterazioni locali provocano ostruzione polmonare, insufficienza pancreatica, sterilità, e u ’alta concentrazione di elettroliti nel sudore. È la malattia autosomica recessiva più comune nelle popolazioni Caucasiche.
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Un canale Cl- 2 insiemi di 6 domini transmembrana
assette di lega e pe l’ATP p otei a di t aspo to ABC
N
C dominio-R
Cl- est
int
ATP ATP
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N
C
dominio-R
est
int
ATP ATP
protein kinasi A cAMP-dipendente
CFTR è un canale al Cl- attivato dalla fosfo ilazio e e dall’id olisi dell’ATP
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N
C
Cl- est
int
-O
O
PO
O
-O
O
PO
O-O
O
PO
O
O-
O
PO
OO-
O
PO
O
dominio-R
ADP ADP
CFTR è un canale al Cl- attivato dalla fosforilazione e dall’idrolisi dell’ATP
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Na+ Na+ 1. I canali al Na+ degli epiteli sono di solito aperti, ma un intenso flusso di Na+ richiede un controione.
Cl-
2. Se il CFTR è aperto, il Cl- diventa il controione. Quindi NaCl fluisce attraverso la membrana nel lume.
Cl-
4. Risultato: una soluzione isotonica di NaCl fluisce dal sangue al lume*
. l’a ua ui di fluis e attraverso le cellule per mantenere la pressione osmotica.
acqua
La supe fi e asale ivolta ve so il sangue) è normalmente molto permeabile agli ioni
superfice api ale
4. CFTR aiuta a controllare il flusso di acqua attraverso gli epiteli
- particolarmente importante è questo processo a livello degli epiteli polmonari -
lume
* nel caso degli epiteli polmonari ciò diluisce il muco favorendo gli scambi respiratori
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La mutazione più comune (70% dei mutanti): una delezione di un singolo codon (3-nt) in posizione 508
nella ATP-binding cassette #1. Una fenilalanina è deleta.
N
C dominio-R
Cl- est
int
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WT CFTR
CFTR-DF508
CFTR-DF508 normalmente non raggiunge la membrana plasmatica;
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Esempio di un trasporto attivo primario
• Il sistema di trasporto è un enzima che idrolizza l’ATP (ATPasi)
•La pompa Na+/K+ATPasi consiste di 2 subunità principali ( e )
Subunità = 1000 aa; 110 Kda contiene i siti di legame per Na+ e ATP e un sito di fosforilazione nel dominio citoplasmatico; nel dominio extracellulare ha i siti di legame per il K+ e la ouabaina
Subunità = 300 aa, 45 kda senza attività enzimatica e di trasporto La sua associazione con la -subunità è necessaria per l’attività della pompa in quanto stabilizza la subunità all’interno della membrana
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3 Na+ intracell. ATP
b
a
La pompa, con ATP legata, lega 3 ioni Na+
intracellulari
ATP viene idrolizzata, portando alla fosforilazione della subunità a della pompa
P
3 Na+ fuori
La pompa cambia conformazione esponendo gli ioni Na+ fuori dalla cellula dove vengono rilasciati
P
2 K+ extrac.
La pompa lega 2 ioni K+ extracellulari, causando la
defosforilazione della subunità a
P
P P
2 K+ dentro
ATP
ATP si lega alla pompa che si riorienta rilasciando i 2 ioni K+ all’interno della cellula
Na+/K+ATPasi
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3Na+
2K+
il concetto di stato stazionario: La velocità con cui il Na+ entra nella cellula, muovendosi passivamente secondo il suo gradiente elettrochimico, coincide con la velocità di uscita del Na+ dalla cellula
mediante la pompa Na+/K+ATPasi. Lo stesso dicasi per il K+
2K+
Na+
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Regolazione della pompa
Regolazione intrinseca: la cinetica di trasporto è rallentata da una diminuzione (e accelerata da un aumento) della concentrazione intracellulare di Na e di K extracellulare
Adrenalina – fosforilazione aumenta il rateo di trasporto della pompa
ormoni tiroidei, l’insulina e l’aldosterone – stimolano la trascrizione deigeni codificanti la proteina
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Aspetti farmacologici
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Pompa sodio-potassio
Dal punto di vista energetico, la rilevante quantità di energia spesa dalla pompa Na+/K+ per trasferire i due ioni contro gradiente si ritrova in buona parte accumulata in forma potenziale negli elevati gradienti elettrochimici che essa crea a cavallo della membrana. L’importanza fisiologica del gradiente di concentrazione del sodio viene dal fatto che è una fonte di energia potenziale che la cellula può usare per altre funzioni: le cellule nervose per trasmettere segnali elettrici e le cellule epiteliali per la captazione di nutrienti, ioni e acqua. La pompa Na+/K+ contribuisce al mantenimento dell’equilibrio osmotico. Il blocco della pompa porta al rigonfiamento e infine alla lisi cellulare.
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Ruolo della Na+/K+ATPasi
• I gradienti del Na+ sono importanti per i trasporti attivi secondari di: – Soluti organici (glucosio, aminoacidi), Ca2+, Cl-, H+
Crea gradienti per Na+ e K+ necessari per:
•Potenziali d’azione •Potenziali sinaptici •Potenziali generatori
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Ca2+ SERCA
PMCA
reticolo endoplasmico
PMCA: utilizzato per espellere all’esterno della cellula il Ca2+ attraverso la membrana cellulare
Ca2+ ATPasi: PMCA e SERCA Trasporti attivi primari
Idrolisi di ATP accoppiata al movimento del Ca2+
SERCA: Importante per sequestrare il Ca2+ nel reticolo sarcoplasmatico/ endoplasmatico
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Pompa del Calcio Ha carattere di uniporto È una ATPasi Ca-dipendente detta anche Ca/Mg-ATPasi È presente sia nella membrana plasmatica (PMCA) che nella membrana del reticolo endoplasmatico (SERCA) e dei mitocondri Trasferisce contro gradiente ioni calcio dal citoplasma sia all’esterno della cellula che all’interno degli organuli in modo da mantenere la concentrazione citosolica di questo ione bassa (100 nM) rispetto al LEC (2 mM). Infatti, il calcio quando si trova nel citosol può stimolare vari processi come l’attivazione di molti enzimi e dell’apparato contrattile.
Inibitore (SERCA) Tapsigargina Acido ciclopiazonico
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Pompa di scambio H+/K+, pompa protonica -contro-trasporto primario che trasferisce ioni K+ verso l’interno della cellula in scambio con H+ espulsi all’esterno -Questa ATPasi H/K-dipendente è localizzata nelle cellule ossintiche (o parietali) delle ghiandole gastriche. Durante la digestione gastrica, essa provvede ad immettere nel citoplasma delle cellule ossintiche ioni K (presenti nel contenuto dello stomaco) in scambio con ioni H che conferiscono acidità al succo gastrico. L’efficienza del processo è tale che il pH può scendere anche fino ad 1.
Inibitore omeprazolo
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TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO Consente di trasferire attraverso la membrana, contro-gradiente, molecole anche complesse, utilizzando come fonte di energia il passaggio transmembranale secondo-gradiente di uno ione che funge da “motore” per il trasporto stesso. La sua dipendenza (indiretta) dell’attività di una pompa ionica è dimostrata dal fatto che esso viene bloccato da tutte le condizioni che bloccano la produzione di ATP come i veleni della respirazione cellulare, cianuro e dinitrofenolo.
Molti di questi trasporti utilizzano quale ione “motore” il Na+, che è spinto ad entrare nella cellula dall’elevato gradiente mantenuto dalla costante attività della pompa Na+/K+ WWW.SUNHOPE.IT
Trasporti attivi
secondari basati sul
gradiente del Na+
alcuni esempi:
2Na+
glucosio
Na+
I-
Na+
3HCO3-
Na+
H+ Na+
HPO4-
3Na+
Ca2+
Na+ K+ 2Cl- WWW.SUNHOPE.IT
L’antiporo Na/H è determinante nel controllo del pH intracellulare e a livello renale permette di arricchire il liquido del lume tubulare di ioni H e di acidificare le urine. L’antiporto Na/Ca ha un ruolo chiave nel controllo del Ca intracellulare specialmente a livello cardiaco.
Questi simporti mediano il trasporto di Glu, AA, Cl e K all’interno delle cellule dell’epitelio gastrointestinale e renale contribuendo al loro assorbimento
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Simporto Na+ Glucosio
Le proteine che operano questo trasporto sono denominate SGLT. Sono presenti principalmente nella membrana delle cellule assorbenti dell’intestino
tenue ove presiedono all’ingresso nella cellula del glucosio alimentare. Analogamente sono molto presenti nelle cellule epiteliali dei tubuli contorti prossimali del rene, ove consentono il recupero della rilevante quantità di
glucosio filtrato dai glomeruli (nell’uomo circa 180g/24h) che non deve essere perduto con l’urina.
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TRASPORTO TRANSEPITELIALE Le molecole che passano attraverso un epitelio devono attraversare due membrane cellulari: una prima membrana quando entrano nella cellula epiteliale, e una seconda quando lasciano la cellula epiteliale per entrare nel liquido extracellulare
Gli epiteli di trasporto dell’intestino e del rene sono specializzati nel trasporto di molecole
Le cellule degli epiteli di trasporto sono polarizzate e presentano una membrana apicale che si affaccia verso il lume dell’organo rivestito dall’epitelio e una membrana basolaterale che si affaccia verso il liquido extracellulare. Queste due superfici presentano proteine differenti e, di conseguenza, possiedono differenti proprietà di trasporto. La polarizzazione di queste cellule permette il trasporto direzionale di materiale dal lume verso il liquido extracellulare o dal liquido extracellulare verso il lume.
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Trasporto transepiteliale del glucosio dal lume del tubulo renale o dell’intestino al liquido extracellulare
Il glucosio entra nella cellula dal versante apicale utilizzando il simporto Na+-glucosio
L’Na+ viene pompato fuori dalla cellula sul versante basolaterale dalla pompa Na+-K+ utilizzando l’energia dell’ATP, mentre il glucosio diffonde verso l’esterno per mezzo di un carrier per la diffusione facilitata
La captazione apicale del glucosio dipende dall’energia accumulata nel gradiente del sodio. Se la pompa Na+-K+ smette di funzionare, il sodio entrato nella cellula non viene pompato all’esterno, il gradiente del sodio non è più presente e la captazione del glucosio si arresta.
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Simporto Na+ Aminoacidi
Le proteine di questo simporto, oltre che nei
microvilli del polo luminale delle cellule assorbenti
degli epiteli intestinale e dei tubuli renali, operano in
tutte le cellule di tutti i tessuti ove alimentano, insieme alla diffusione
facilitata, la sintesi di tutte le proteine.
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Contro trasporto Na+/H+: partecipa alla regolazione dell’equilibrio acido-base ed osmo-volumetrico di tutte le cellule. Provvede all’espulsione nel LEC dell’eccesso di ioni H+, liberati nel citoplasma dalle deidrogenazioni dei substrati, in scambio con l’ingresso di ioni Na+, che contribuiscono al mantenimento della tonicità cellulare.
Contro trasporto 3Na+/2Ca2+: gli ioni Na+ vengono spinti dal proprio gradiente elettrochimico ad attraversare la membrana in entrata, ciò determina il trasferimento in uscita di ioni Ca2+ .
Simporto Na+/K+/2Cl-: consente l’entrata congiunta degli ioni Cl-, Na+ e K+.
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L’antiporto Na+/H+ (regolazione del pH intracelluare;
anche implicato nella regolazione del volume cellulare)
Na+
H+
Na+
K+
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Nel digiuno concorre a recuperare una frazione di NaHCO3 proveniente dalla bile e dal succo pancreatico. La membrana luminale degli enterociti del digiuno non possiede un sistema di trasporto per HCO3-, che deve essere disidratato a CO2 per poter entrare sotto forma di gas nell’enterocita. A ciò provvede lo scambiatore Na+/H+ che trasporta nel lume intestinale gli H+ necessari alla trasformazione dellHCO3- in CO2. questa viene poi trasformata in HCO3- all’interno dell’enterocita che uscirà per controtrasporto col Cl-
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Scambiatore Na+/Ca2+
Superficie citoplasmatica: lo scambiatore carica il Ca2+ nonostante la bassa concentrazione, a causa della grande affinità.
Superficie extracellulare: lo scambiatore carica il Na+
nonostante la bassa affinità, a causa dell’alta
concentrazione.
La transizione conformazionale
comporta aumento di affinità per il Na+ e
diminuzione di affinità per il Ca2+
Superficie citoplasmatica: lo scambiatore libera il Na+,
nonostante la maggiore affinità, a causa della bassa
concentrazione Superficie extracellulare: lo scambiatore libera il Ca2+
nonostante l’alta concentrazione, a causa
della bassa affinità.
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Antiporto Na+/Ca2+
3Na+ Ca2+
Il Ca2+ intracellulare aumenta e di conseguenza aumenta la forza di contrazione del cuore
Ruolo del Na+/Ca2+
nel cuore Na+
K+
I glicosidi cardiaci inibiscono la Na+/K+ATPasi
Il Na+ intracellulare aumenta diminuendone il suo gradiente di concentrazione
Il Ca2+ è espulso più lentamente dall’antiporto
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Azione delle droghe stimolanti sui terminali assonici catecolaminergici.
Possiamo osservare un terminale noradrenergico sulla sinistra ed un terminale dopaminergico sulla destra. Sia la NA che la DA sono sintetizzate a partire da tirosina. L’azione di NA e di DA si conclude normalmente con un loro riassorbimento nel terminale assonico. Cocaina ed anfetamina bloccano tale riassorbimento, permettendo a NA e DA di restare più a lungo nella fessura sinaptica.
Simporti Na+/neurotrasmettitori
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Depressione
• la depressione è una malattia neurologica
associata ad una deficienza di serotonina e
noradrenalina a livello del SNC.
• si cura con il Prozac (fluoxetina) che inibisce
il trasportatore del re-uptake (presinaptico) della
serotonina rilasciata
• in questo modo la concentrazione di serotonina
nello spazio intersinaptico e l’attività delle sinapsi serotoninergiche aumentano.
trasportatore
(re-uptake)
ACh-esterasi
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Contro-trasporto Cl-/ HCO3
-
-Riassorbimento di bicarbonato a livello della membrana basolaterale del digiuno e del tubulo contorto prossimale e distale del rene. -Ingresso di Cl esterno nelle cellule ossintiche dell’epitelio gastrico, che rappresenta la riserva di Cl per la produzione di HCl. -Produzione di HCO3
- del succo pancreatico per mantenere il pH a valori basici tale da poter controbilanciare il basso pH del chimo nel lume duodenale e a ottenere pH ottimali per il funzionamento degli enzimi pancreatici
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Il contro trasporto HCO3-/Cl- è tipicamente reversibile per cui opera
ugualmente bene sia “in ingresso” che “in uscita” dalle cellule. Questa reversibilità è particolarmente evidente nella fondamentale funzione che esso svolge nel trasporto dei gas respiratori affidato ai globuli rossi, nota come fenomeno di Hamburger o passaggio dei cloruri. WWW.SUNHOPE.IT
TRASPORTI TRANSMEMBRANALI MEDIATI DA VESCICOLE La maggior parte delle macromolecole è troppo grande per attraversare la membrana tramite le proteine carrier, esse si muovono dentro e fuori la cellula con l’aiuto di vescicole. Il processo ha carattere attivo, richiede dispendio energetico da parte della cellula Fagocitosi endocitosi recettore mediata Endocitosi pinocitosi Esocitosi
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FAGOCITOSI
E’ il processo con cui una cellula avvolge una particella in una vescicola. Nell’uomo questo processo è limitato a determinati globuli bianchi, i fagociti, cellule che riescono ad inglobare macromolecole e corpuscoli di grosse dimensioni, come batteri e frammenti di cellule danneggiate
La fagocitosi richiede l’energia dell’ATP per il movimento del citoscheletro e per il trasporto intracellulare della vescicola
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ENDOCITOSI
- Differisce dalla fagocitosi in quanto la superficie della membrana forma un incavo piuttosto che protrudere all’esterno - E’ un processo attivo che richiede energia dall’ATP - Non coinvolge il citoscheletro come nella fagocitosi - Può essere non selettiva permettendo al liquido extracellulare di entrare nella cellula (pinocitosi) - Può essere altamente selettiva permettendo solo a molecole specifiche di entrare nella cellula (endocitosi recettore-mediata)
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Endocitosi
IN
OUT
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Pinocitosi
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Endocitosi recettore-mediata 1. I recettori proteici sulla membrana cellulare si legano al loro ligando specifico
2. Il complesso recettore-ligando migra verso una regione definita “fossetta rivestita” 3. La fossetta rivestita si invagina per creare una piccola vescicola rivestita da membrana
4. La vescicola si separa dalla membrana . La proteina di rivestimento si separa dalla vescicola e ritorna verso la membrana cellulare
5. La vescicola si sposta nella cellula e il recettore e il ligando si separano formando due vescicole distinte
6. Le vescicole contenenti i ligandi si muovono verso il citoplasma dove possono essere processate dai lisosomi o dall’apparato di Golgi
7. Le vescicole secretorie con i recettori tornano verso la membrana cellulare e si fondono con essa
8. La regione di fusione si apre e la membrana della vescicola diviene di nuovo parte della membrana cellulare
Con questo meccanismo vengono trasportate una varietà di sostanze, tra cui ormoni proteici, fattori di crescita e proteine
plasmatiche che funzionano da carrier per il ferro e il colesterolo.
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Esocitosi
• Serve all’ espulsione di prodotti di scarto o alla secrezione di ormoni
• La membrana della vescicola secretoria si fonde con la membrana plasmatica rilasciando il contenuto all’ esterno
- E’ il modo con cui le cellule secernono grosse molecole - Richiede energia in forma di ATP - Ormoni e neurotrasmettitori attraversano la membrana con questo meccanismo -La tappa iniziale è la fusione delle vescicole secretorie con la membrana cellulare, processo che viene innescato da un aumento di calcio intracellulare - Coinvolge due famiglie di proteine Rab, che aiutano le vescicole ad aderire alla membrana, e SNARE, che facilitano la fusione delle membrane.
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