TRASPORTI NELLA MEMBRANA CELLULARE
In Fisiologia con il termine trasporto si indica
qualunque tipo di passaggio di sostanze attraverso la
membrana cellulare
Classificazione dei trasporti
TRASPORTI IN FORMA LIBERA
I trasporti che avvengono in questa forma sono tutti trasporti
passivi; infatti una particella che si trovi in forma libera, sia in
una soluzione sia all'interno di una membrana, non potrà mai
muoversi contro la forza che su di essa agisce cioè contro il
gradiente di concentrazione.
Diffusione nella matrice lipidica
La diffusione delle particelle di una sostanza (i) attraverso la tela
fosfolipidica della membrana cellulare richiede
necessariamente due fasi:
1) l'ingresso delle particelle nella struttura lipidi a della
membrana cellulare; questa fase sarà tanto più facile quanto
maggiore è il coefficiente di ripartizione olio/acqua () della
sostanza;
2) la loro successiva diffusione nello spessore della matrice
lipidica fino a superarla; questa sarà tanto più facile, a parità
di altri fattori, quanto maggiore è il coefficiente di diffusione
(Dmi) della sostanza nei lipidi membranali.
TRASPORTI TRAMITE PROTEINE DI MEMBRANA
Proteine canale
Proteine trasportatrici (o carrier)
Differiscono per il meccanismo molecolare attraverso il quale
attuano la permeazione.
Migrazione nei canali membranali
Le dimensioni dei canali membranali (costituiti da macromolecole
proteiche integrali), dedotte dalla dimensione delle più grosse
particelle che possono attraversarli, corrisponderebbero ad un
diametro non maggiore di 8 Å; essi quindi non possono essere
percorsi dalla maggior parte delle molecole indissociate che si
trovano nei liquidi organici, mentre lasciano passare, in modo più
o meno selettivo nei diversi casi, molti ioni inorganici (Na+, K+,
Cl-, Mg2+, Ca2+, ecc.) grazie alle loro dimensioni relativamente
piccole.
Sono possibili due casi per il passaggio delle particelle idrofile nei
canali membranali:
1) che essa avvenga per diffusione libera, cioè come in un grande
volume;
2) che essa avvenga per diffusione ristretta.
Le due possibilità dipendono dal diverso rapporto tra le dimensioni
delle particelle e quelle dei canali in cui esse devono passare: la
diffusione libera si osserverà quando il diametro dei canali è
molte volte (almeno 10 volte) maggiore di quello delle particelle
che li percorrono; la diffusione ristretta, invece, quando il
diametro dei canali è appena superiore a quello delle particelle
che vi transitano.
Passaggio per diffusione libera
In questo caso le dimensioni di ogni canale devono essere molto
più grandi della dimensione della particella in modo da costituire
una "via idrica" in cui la loro mobilità è simile a quella che esse
avrebbero in un grande volume. Sono ancora valide allora le leggi
della diffusione nelle soluzioni; occorrerà solo tener presente, nel
valutare la permeabilità della membrana, che l'effettiva superficie
disponibile per la diffusione non è più la sua intera area ma quella
che deriva dalla somma delle sezioni di tutti i canali in essa
presenti.
Passaggio per diffusione ristretta
Quando la dimensione dei
canali membranali è appena
superiore a quella delle
particelle che debbono
passare, la loro diffusione è
notevolmente ostacolata
dalle interazioni che
intervengono con le pareti
del canale. Le particelle
sono costrette a disporsi in
singola fila.
All'interno di canali di piccolo diametro, il coefficiente di diffusione di
un soluto sarà quindi molto minore che in un volume di soluzione e di
conseguenza risulterà ridotto il coefficiente di permeabilità della
membrana. Alla diffusione ristretta non è applicabile la legge di Fick.
Canali ionici provvisti di porte (o gates)
Molti canali ionici oltre la selettività possiedono un’altra
caratteristica: la controllabilità cioè la facoltà di passare
da uno stato aperto (on) ad uno stato chiuso off grazie
alla presenza di almeno una “porta”.
Canali ionici voltaggio- e chemio-dipendenti
Canali ionici senza porta detti canali “di leakage”
Detti anche “non-gated channels” sono meno numerosi
dei “gated channels”.
Tendono a cancellare i gradienti ionici (differenze di
concentrazione) ai lati della membrana e ciò potrebbe
essere negativo.
La loro presenza, invece, limita il gradiente ionico
creato dalle pompe ioniche (trasporti attivi)
contribuendo al mantenimento degli “equilibri
stazionari”.
Trasporti mediati
I trasporti mediati presentano alcune caratteristiche
generali:
1) la specificità
2) la saturazione
3) la competizione
la specificità: ogni trasporto mediato è affidato ad un "sistema" che
opera solo per una particolare sostanza, o per un gruppo di sostanze
molto simili; ad esempio il sistema di trasporto degli amino acidi è
diverso da quello dei monosaccaridi. La specificità del trasporto
sarebbe una conseguenza della specificità del legame tra la
particella trasportata e la molecola del carrier; questa reazione
implica l'esistenza di almeno un "sito di legame" sulla molecola del
carrier elettivamente capace di combinarsi con le particelle
trasportate.
la competizione: quando due sostanze simili attraversano la
membrana utilizzando lo stesso sistema di trasporto, il trasporto
dell'una tende ad inibire il trasporto dell'altra; questa inibizione
reciproca tra i due flussi è detta competitiva perché spiegabile con
una competizione delle particelle trasportate di diverso tipo con le
molecole di un "trasportatore" comune;
la saturazione: nel trasporto mediato, l'intensità del flusso
transmembranario della sostanza trasportata non aumenta in modo
proporzionale al gradiente di concentrazione (come è previsto dalla
legge di Fick per la diffusione) ma, al crescere del gradiente, tende
asintoticamente ad un limite massimo, detto Fmax. Quando viene
raggiunto un flusso transmembranario pari a Fmax, si dice che il
sistema di trasporto mediato è saturato.
Accoppiamento tra trasporti mediati
Proteine integrali e il modello del “flip-flop” o “ping-pong”
Proteine integrali e il modello del “flip-flop” o “ping-pong”
Trasporto passivo
Trasporto attivo
DIFFUSIONE FACILITATA
Questo tipo di trasporto mediato deve il suo nome al
fatto che le particelle trasportate sono vincolate alle
molecole di un "trasportatore" membranale, ma il
complesso che si forma può migrare attraverso la
membrana solo secondo gradiente.
Verrà descritto un esempio di diffusione facilitata di
fondamentale importanza per tutte le cellule: il
trasporto del glucosio.
Diffusione facilitata del glucosio
La proteina trasportatrice del
glucosio essa è stata denominata
glucosiopermeasi ed ha un p.m. di
circa 50.000.
Tutti i sistemi di trasporto del glucosio per
diffusione facilitata sono specificamente
bloccati da una stessa sostanza
farmacologica: la floretina
La misura della velocità d'ingresso del glucosio in vescicole
ottenute da membrane eritrocitarie ha permesso di definire con
esattezza la cinetica del processo di trasporto, mettendo in luce le
strette analogie che sussistono tra la cinetica dei trasporti mediati e
quella delle reazioni enzimatiche.
La sequenza delle reazioni che intervengono nel trasporto del glucosio:
glucosioext + permeasi  glucosio-permeasi  permeasi + glucosioint
può essere assimilata alla sequenza delle reazioni di una reazione
enzimatica:
substrato + enzima  complesso enzima-substrato  enzima + prodotto
È possibile quindi esprimere la relazione tra la velocità iniziale di ingresso
del glucosio (Fin) e la concentrazione esterna del glucosio [g]e con la
seguente equazione:
Fin =
Fmax
1 + Km/[g]e
formalmente identica a quella di Michaelis-Menten per le reazioni
enzimatiche.
Nella relazione Fmax (analogamente a Vmax delle reazioni
enzimatiche) esprime la massima velocità di trasporto che viene
raggiunta quando le molecole di glucosio-permeasi presenti nella
membrana sono tutte impegnate nel trasporto, mentre la costante
Km (in modo del tutto analogo alla costante di Michaelis-Menten),
corrisponde alla concentrazione extracellulare di glucosio [g]e alla
quale la velocità d'ingresso è uguale a Fmax/2, e può essere
utilizzata come indice (inversamente correlato) dell’affinità della
glucosio-permeasi per le molecole di glucosio.
TRASPORTI ATTIVI
Caratteristica dei trasporti attivi, come si è accennato, è la loro
capacità di trasferire le particelle trasportate attraverso la
membrana cellulare anche contro-gradiente.
Esso deve quindi spendere energia traendola dal metabolismo
cellulare.
Si distinguono due tipi di trasporto attivo: i trasporti attivi
primari ed i trasporti attivi secondari.
I trasporti attivi primari sono la forma basilare di
trasporto attivo ed interessano il trasferimento contro
gradiente di ioni inorganici essenziali (quali il Na+,
il K+ e il Ca2+) attraverso le membrane cellulari; per
questo vengono denominate pompe ioniche.
Si tratta di un sistema di trasporto che trae l'energia, necessaria
per trasferire le particelle trasportate controgradiente, direttamente
dalla scissione dell'ATP in ADP. Ciò richiede che la molecola
"trasportatrice" che costituisce la "pompa" non assolva solo la
semplice funzione di "veicolo" per lo ione trasportato, ma anche
partecipi all'immissione dell'energia richiesta dal trasporto; per
questo essa ha sempre il carattere di una ATPasi, quindi di un
enzima, che viene attivata dallo ione medesimo oggetto del
trasporto.
Il principio di un trasporto attivo primario secondo
un modello meccanico
La pompa di scambio Na+/K+
I trasporti attivi secondari consentono di trasferire
attraverso la membrana cellulare, contro-gradiente,
molecole anche complesse, utilizzando come fonte
d'energia il passaggio transmembranale secondogradiente di uno ione che funge, per così dire, da
"motore" per il trasporto stesso. La maggior parte di
questi trasporti utilizzano il Na+ come ione motore.
Essi non sono totalmente separabili da quelli attivi
primari poiché il "primum movens" di un trasporto
attivo secondario è comunque sempre, anche se
indirettamente, una pompa ionica; essi appartengono
sempre ai trasporti accoppiati: sono quindi cotrasporti
o controtrasporti.
Il principio di un trasporto attivo secondario secondo un modello
meccanico e secondo il modello modello del flip flop
Dipendenza del trasporto attivo secondario dal trasporto attivo
primario
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Un trasporto attivo, sia primario che secondario, si
estingue più o meno rapidamente per effetto di una
compromissione del metabolismo cellulare, come
avviene ad esempio in carenza di ossigeno (anossia), per
azione di veleni metabolici come il cianuro, o per
abbassamento della temperatura.
Le pompe ioniche che sono meglio conosciute e rivestono
maggiore importanza nelle cellule sono: la pompa di scambio
Na+/K+, la pompa di scambio H+/K+ e la pompa del Calcio.
I sistemi di trasporto attivo secondario Na-dipendenti più diffusi e
meglio conosciuti sono: il co-trasporto Na+/glucosio, il cotrasporto Na+/aminoacidi, il contro-trasporto Na+/H+ ed il
controtrasporto Na+/Ca2+.
Tra quelli non-Na-dipendenti ricorderemo il co-trasporto Cl-/K+
ed il contro-trasporto Cl-/HCO3-.