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:   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: 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 =   formalmente identica a quella di Michaelis-Menten per le reazioni enzimatiche. Fmax 1 + Km/[g]e

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 secondo-gradiente 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 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

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 co-trasporto 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.