0:01 La membrana cellulare non è una semplice barriera ma un complesso filtro. Può determinare quando e quanto una sostanza possa attraversarla raggiungendo l’interno della cellula o fuoriuscendo da essa. La forma più semplice di trasporto è la diffusione semplice di soluti secondo gradiente. I soluti per passare dall’ambiente extracellulare a quello intra e viceversa devono attraversare lo strato idrofobico della membrana. Per questo motivo possono passare solo molecole apolari, generalmente gas ma anche oleei, e piccole molecole polari. Le molecole devono avere tuttavia una certo grado di solubilità anche nell’acqua perchè devono diffondere da un ambiente acquoso ad un altro.
0:47 Se sono eccessivamente apolari si bloccano nel doppio strato lipidico. Ovviamente il processo di diffusione avviene sempre secondo gradiente di concentrazione e la velocità di attraversamento della membrana dipende proprio da questo gradiente ma anche dalla dimensione e dalla polarità delle molecole. Più sono piccole ed apolari e più facilmente attraversano la membrana. Per molecole più grandi e polari la semplice diffusione non è possibile ed è necessaria quindi la facilitazione da parte di proteine trasportatrici presenti sulla membrana. I carrier sono delle molecole che modificano la loro conformazione terziaria aprendosi e chiudendosi sui due versanti della membrana permettendo a molecole come zuccheri e amminoacidi
1:36 di attraversare la membrana. Chiaramente questo attraversamento avviene sempre secondo gradiente. Il carrier permette semplicemente di bypassare l’ostacolo della membrana. In realtà i carrier possono trasportare anche due molecole diverse contemporaneamente. Questa forma di trasporto è molto particolare perchè è sufficiente che solo una delle due molecole diffonda secondo gradiente di concentrazione, l’altra molecola viene trascinata dalla prima, talvolta anche contro il suo gradiente di concentrazione. Questo meccanismo è molto importante nel trasporto attivo secondario che vedremo tra poco. Se queste due molecole vengono trasportate nella stessa direzione il trasporto viene definito “simporto” Se invece vengono trasportate in due direzioni
2:24 opposte, il trasporto viene definito antiporto. Nella diffusione facilitata la dimensione e la polarità della molecola diventano ininfluenti perchè essa non deve più interagire direttamente con la membrana ma con il suo trasportatore. La differenza di concentrazione tra il comparto intra ed extra cellulare influenza ancora la velocità di trasporto della molecola ma entro certi limiti. Questa forma di trasporto è infatti saturabile. Una volta occupati tutti i trasportatori, le altre molecole di soluto, per diffondere, dovranno aspettare che si liberino i trasportatori già impegnati nel trasporto di altre molecole. Quindi, mentre la velocità della diffusione passiva è direttamente proporzionale alla
3:10 differenza di concentrazione, la velocità della diffusione facilitata cresce fino a stabilizzarsi ad una velocità massima. Questa è una caratteristica importante e non un limite perchè le cellule, regolando la quantità di trasportatori sulla membrana, possono decidere la velocità massima a cui una molecola deve essere scambiata. Il muscolo, ad esempio, quando è sottoposto ad un forte carico di lavoro, espone numerosi trasportatori del glucosio sulla sua superficie per avere a disposizione più energia per svolgere il suo lavoro. Uno stesso carrier può trasportare più molecole diverse tra loro ma con affinità diversa. Il trasportatore del glucosio GLUT1, ad esempio, può trasportare anche mannosio e galattosio
3:58 ma con affinità e quindi velocità diverse. Per il trasporto degli ioni e piccole molecole cariche ci sono degli specifici trasportatori che creano dei canali polari o addirittura carichi attraverso la membrana. Questo poro può essere più o meno specifico per uno ione in base alla sua dimensione e carica Il mantenimento delle corrette concentrazioni ioniche è fondamentale per la sopravvivenza e il funzionamento della cellula. Per questo motivo lo stato di apertura e chiusura dei canali è finemente regolato. I principali meccanismi di regolazione sono il legame di una specifica molecola come un ormone o un neurotrasmettitore. L’aggiunta di un gruppo fosforico. Questo processo prende il nome di fosforilazione.
4:43 La fosforilazione è il principale meccanismo con cui la cellula regola l’attività delle sue proteine. I canali ionici possono essere regolati anche della differenza di potenziale ai capi della membrana. Approfondiremo maggiormente questo argomento nella prossima lezione. Anche la temperatura può determinare la apertura e la chiusura di un canale. Questo è proprio il meccanismo alla base del funzionamento dei nostri termocettori. Un ultimo meccanismo di regolazione è lo stiramento meccanico della membrana. Come possiamo intuire la apertura di canali e la conseguente modificazione delle concentrazioni degli ioni che trasportano è un sistema con cui la cellula può percepire gli stimoli esterni. Oltre ai soluti, anche l’acqua, il solvente della vita, può attraversare la membrana.
5:31 L’acqua è una molecola molto polare e l’attraversamento della membrana è troppo lento. Per questo motivo esistono dei canali, chiamati acquaporine, per consentire l’osmosi. Il principale soluto a determinare l’osmosi cellulare è il Sodio. La cellula è relativamente impermeabile al sodio e per questo variazioni della sua concentrazione intra ed extra cellulare vengono equilibrate dal motico dell’acqua. Se la cellula viene immersa in una soluzione ipotonica, ovvero meno concentrata dell’ambiente intracellulare, la cellula assorbe acqua fino a scoppiare. Al contrario, se viene immersa in una soluzione ipertonica, la cellula perde acqua fino a disidratarsi. Tutte le forme di trasporto che abbiamo visto finora non richiedono dispendio di energia
6:20 in quanto dipendono dal gradiente di concentrazione del soluto. Per trasportare molecole contro gradiente è necessario invece un dispendio di energia sotto forma di ATP. In che modo la cellula fornisce questa energia? L’energia nella cellula è accumulata sotto forma di Adenosina Trifosfato, un nucleotide appartenente all’ultimo gruppo di molecole organiche che approfondiremo verso la fine del corso. Questa molecola è composta da uno zucchero, il ribosio, una base azotata, l’adenina e tre gruppi fosfato carichi negativamente. Il legame di questi ultimi gruppi è altamente energetico e dalla loro rottura viene sprigionata una energia che la cellula può utilizzare per i suoi processi più impegnativi, come trasportare delle molecole contro gradiente. Riprenderemo il discorso sull’ATP quando ci avvicineremo ai mitocondri. Esistono due tipi di trasporto attivo. Quello primario è la forma più intuitiva di trasporto attivo. L’energia dell’ATP viene spesa direttamente da dei trasportatori per spingere le molecole contro gradiente. Per questo motivo vengono chiamati Pompe Le pompe vengono chiamate ATP-asi perchè rompono un legame fosforico dell’ATP per funzionare. La più semplice di queste pompe è quella di tipo P. È l’equivalente di un carrier che trasporta ioni come sodio, potassio, idrogeno e calcio contro gradiente a spese dell’ATP.
7:07 Il nome P deriva proprio dal fatto che il gruppo fosfato che viene rimosso, indicato con P, resta legato al carrier finchè non torna nella sua conformazione di riposo. Questa pompa si trova sulla membrana cellulare e sul reticolo endoplasmatico che vedremo tra qualche lezione. Una pompa molto più complessa è la ATPasi di tipo V. V perchè si trova sulle vescicole contenute all’interno delle cellule e la sua funzione è quella di acidificarle. L’acidità di un ambiente dipende proprio dal suo contenuto di protoni. Più protoni vengono pompati in una vescicola e più sarà acida. Il meccanismo di funzionamento di questa pompa è molto più articolato. La testa ha tre domini, uno in cui si lega l’ATP, uno in cui l’ATP viene idrolizzato
7:54 in ADP e fosfato ed un ultimo in cui l’ADP viene rilasciato. L’idrolisi dell’ATP su questi domini crea una tensione interna nella pompa che fa ruotare la porzione trans-membrana che, come il tamburo di un revolver, spara i protoni nel versante da acidificare. La ATP asi di tipo F è molto simile per struttura e funzione a quella di tipo V. Tuttavia le cellule la utilizzano al contrario, come un canale per far passare i protoni secondo gradiente e utilizzare l’energia di questo flusso, un po’ come un mulino, per riunire l’ADP ad un gruppo fosfato riformando così l’ATP. Questa “pompa” è coinvolta quindi nella zione ossidativa, il processo che permette
8:40 alla cellula di rifornirsi di ATP. Il nome F sta proprio per “Fattore fosforilante”. Esiste infine un altro tipo di trasportatore attivo, il trasportatore ABC che, è in grado di trasportare una grande quantità di sostanze tra i due versanti cellulari. Questo trasportatore è particolarmente importante in quanto fornisce alle cellule la resistenza a molti farmaci ed è particolarmente sfruttato da batteri e cellule tumorali. Tuttavia questo trasportatore è utilizzato anche fisiologicamente dalla cellula per acquisire nutrienti e metaboliti Vediamo ora il trasporto attivo secondario. In questa forma di trasporto meno intuitiva è coinvolta una pompa attiva di quelle che abbiamo visto ed un carrier passivo in grado di trasportare due molecole alla volta.
9:29 Il ruolo della pompa è quello di creare un gradiente di concentrazione di un determinato soluto. mo momentaneamente il potassio che è lo ione che viene cotrasportato con il sodio e concentriamoci su quest’ultimo. Il carrier sfrutta questo gradiente riportando indietro il soluto pompato attivamente e trascinandosi dietro il glucosio da trasportare contro gradiente. In questo caso, al netto, il glucosio viene “pompato” contro gradiente dal carrier che però non ha speso ATP in quanto ha sfruttato il gradiente generato della pompa sodio potassio. Il trasporto di una singola sostanza può essere molto complesso, questo è l’esempio dell’assorbimento intestinale di glucosio che sfrutta da un lato un trasporto attivo secondario, e dall’altro un trasporto passivo secondo gradiente.
10:18 Tenete bene a mente questi concetti perchè saranno fondamentali nella prossima lezione sul complesso argomento del potenziale di membrana. Alla prossima.
