Lezione 12 Lipidi membrane biologiche 20032019 S Passamonti

Lezione 12 Lipidi membrane biologiche 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 0

Capitolo 11 Membrane biologiche e trasporto continua

Trasporto di molecole attraverso le membrane La cellula scambia molecole con l’ambiente – import – export • In gran parte, le molecole sono polari, solubili in acqua – monosaccaridi, amminoacidi, altri composti a 3 atomi di C (lattato, glicerolo, ecc. ) • In piccola parte, le molecole sono apolari, trasportate sotto forma di complesso reversibile con proteine plasmatiche (es: albumina, lipoproteine) – acidi grassi, colesterolo LA MEMBRANA E’ UNA BARRIERA 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 2

Trasporto di molecole attraverso le membrane La cellula scambia molecole con l’ambiente • import • export LA MEMBRANA E’ UNA BARRIERA • La membrana separa due compartimenti – intra-cellulare – extracellulare • La DIFFUSIONE delle molecole avviene lungo il GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE della specifica molecola • dal compartimento dove la concentrazione è maggiore verso quello dove è minore 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 3

DOMANDE • In quale direzione vanno le molecole? – import? – export? • slides 5 -6 -7 • A quale velocità si trasferiscono le molecole? • slides 8 e seguenti J. M. Berg et al. , BIOCHIMICA, 7/E, Zanichelli editore S. p. A. Copyright © 2012 12 | 4

Ineguale concentrazione di molecola nei due compartimenti Il sistema tende all’equilibrio La molecola diffonde verso il compartimento dove la sua concentrazione è minore La forza che determina la direzione del trasporto di una molecola neutra è detta driving force – forza traente 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 5

L’ineguale distribuzione di cariche sui due lati della membrana genera un potenziale di membrana, Vm Il sistema tende all’equilibrio Lo ione diffonde verso il compartimento dove la sua concentrazione è minore 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 6

La forza netta che determina la direzione del trasporto di una MOLECOLA carica è la risultante della forza chimica ed elettrica potenziale elettrochimico 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 7

La diffusione di soluti attraverso le membrane tende all’equilibrio chimico, elettrochimico e osmotico D. L. Nelson, M. M. Cox, Introduzione alla biochimica di Lehninger-Sesta edizio ne, Zanichelli editore 2018 8

Principi di diffusione attraverso le membrane OSMOSI 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 9

I trasportatori di membrana accelerano gli scambi • Sono diversi dagli enzimi, perché le molecole NON vengono trasformate • Sono uguali agli enzimi, perché – hanno elevata specificità per il substrato di trasporto – agiscono da catalizzatori di diffusione 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 10

Descriviamo i fenomeni di trasporto importanti in biologia Quasi tutti sono mediati da trasportatori 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 11

I diversi tipi di trasporto di membrana 1. Diffusione passiva – segue il gradiente di concentrazione 2. Diffusione facilitata – segue il gradiente di concentrazione 3. Trasporto attivo – va contro il gradiente di concentrazione 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 12

Diffusione passiva e facilitata • Diffusione passiva – le molecole diffondono secondo il loro gradiente di concentrazione – detta PASSIVA se sembra non mediata da trasportatori • certi farmaci diffondono passivamente, ma si ritiene che sia un fenomeno apparente, e la diffusione sia mediata da trasportatore/i • Diffusione facilitata – trasporto di molecole o ioni accelerato da trasportatore 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 13

Diffusione passiva e facilitata 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 14

Trasporto attivo Le molecole diffondono contro il loro gradiente di concentrazione Questo trasporto è “lavoro” • Trasporto attivo primario – L’energia libera è fornita dall’idrolisi dell’ATP • Trasporto attivo secondario – L’energia libera è fornita dal trasporto di altre molecole o ioni lungo il loro gradiente di concentrazione 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 15

Il trasporto attivo 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 16

Il trasporto di membrana 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 17

D. L. Nelson, M. M. Cox, Introduzione alla biochimica di Lehninger-Sesta edizio ne, Zanichelli editore 2018 18

La catalisi del trasporto di membrana • Per entrare nell’ambiente idrofobico della membrana, una molecola deve perdere le molecole di acqua di idratazione – Aumenta l’energia libera • Quando la molecola esce dalla membrana, si riassocia con l’acqua – Diminuisce l’energia libera • Durante il trasporto, si ha un’aumento di energia libera – ENERGIA LIBERA DI TRASPORTO 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 19

D. L. Nelson, M. M. Cox, Introduzione alla biochimica di Lehninger-Sesta edizio ne, Zanichelli editore 2018 20

I trasportatori abbassano l’energia libera di trasporto Il substrato di trasporto: • perde l’interazione con l’acqua – Energia libera di desolvatazione, Gdesolv • interagisce con il sito specifico di trasporto – Energia libera di legame, Glegame • ΔGtrasporto= Gdesolv - Glegame • Le interazioni di S con il trasportatore sono dello stesso tipo che per gli enzimi: LEGAMI DEBOLI (idrogeno, idrofobici, ionici, van der Waals) 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 21

L’acua di idratazione degli ioni è un sistema molto ordnato 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 22

La struttura dell’acqua intorno al glucosio 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 23

Trasportatori e Canali ionici sono diversi • Diversi tipi di struttura • Diversi meccanismi funzioni 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 24

Trasportatori • Agiscono mediante transizione conformazionale provocata dal legame di una molecola di substrato • Le molecole di substrato possono essere traslocate sia “in salita” che” in discesa” dei loro gradienti di concentrazione – in salita: trasportatore attivo secondario (symporter o antiporter) – in discesa: facilitatore. • Durante ogni ciclo di trasporto, il substrato non viene mai esposto su entrambi i lati della membrana contemporaneamente. • I trasportatori obbediscono alla cinetica di Michaelis-Menten che assomiglia agli enzimi, anche se catalizzano una reazione topologica piuttosto che una reazione chimica. • La maggior parte dei trasportatori sono monomeri costituiti da diversi segmenti 10 α-elicoidali (TMS) di transmembrana. 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 25

Canali • Un canale un poro acquoso continuo, • maggior parte dei casi, questo poro è limitato dai cosiddetti filtri di selettività e controllato da domini o porte di gating (mostrato in rosso). • Una volta attivato o aperto, un canale consente la traslocazione continua di diverse molecole di substrato • Un canale può solo mediare la diffusione facilitata delle molecole del substrato lungo i loro gradienti di concentrazione. – obbediscono alla cinetica di Michaelis-Menten • La maggior parte dei canali funziona come omo-oligomeri composti da 2 o più, per lo più α-elicoidali, sottounità. 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 26

I canali e i trasportatori hanno diversi numeri di turnover 108 vs 10 -104 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 27

Il trasporto del glucosio negli eritrociti • Mediato dal trasportatore GLUT 1 • Accelerato di 50. 000 volte rispetto alla diffusione passiva • Il modello del trasporto (Glucosio=S): 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 28

L’equazione del trasporto eritrocitario del glucosio • E’ simile all’equazione di Michaelis-Menten • Kt è analogo a Km – [glucosio] extracellulare (= glicemia) alla quale GLUT 1 trasporta a alla velocità Vo= Vmax/2 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 29

Attenzione CORREGGI. . . , Il GLUT 1 è quasi sempre semi-saturo e la velocità del suo trasporto è Vmax/2 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 30

GLUT 1 è specifico per D-glucosio Valori di Kt per diversi substrati di trasporto D-glucosio = 6 m. M L-glucosio = 3000 m. M D-mannosio = 20 m. M D- galattosio = 30 m. M GLUT 1 è stereospecifico 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 31

D. L. Nelson, M. M. Cox, Introduzione alla biochimica di Lehninger-Sesta edizio ne, Zanichelli editore 2018 32

La struttura primaria di GLUT 1 e omologhi indicati i domini transmembrana ad α-elica 20/03/2019 - S. Passamonti 785 ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA 33