Citologia 13 - Trasporto attraverso le membrane

Citologia 13 - Trasporto attraverso le membrane

Le membrane che costituiscono la cellula (oltre alla membrana plasmatica, anche gli

organelli interni sono rivestiti da una membrana) trasportano selettivamente le molecole e gli ioni che devono entrare o uscire dalla cellula. Questo permette alla cellula di ottenere le sostanze di cui ha bisogno ed eliminare i prodotti di scarto.

Il trasporto di sostanze attraverso la membrana avviene attraverso 2 meccanismi:

● Trasporto passivo ​ (sfruttando il gradiente di concentrazione)

● Trasporto attivo ​ (consumando energia accumulata sotto forma di ATP)

Trasporto passivo

Le molecole si spostano secondo il gradiente di concentrazione e per questo non

consumano energia (sotto forma di ATP) per attraversare la membrana. Esistono tre diversi meccanismi di trasporto passivo: diffusione semplice, diffusione facilitata ed osmosi.

Diffusione semplice

Le molecole si muovono liberamente attraverso la membrana seguendo il gradiente di concentrazione. È il trasporto tipico molecole apolari come gas (O2, N2, CO2, NO, NO2...) ma anche olei. Anche piccole molecole polari (quali acqua, etanolo, urea, etc) riescono ad attraversare la membrana. La velocità con cui queste molecole diffondono attraverso la membrana dipende essenzialmente da 3 elementi:

1. gradiente di concentrazione (se aumenta, aumenta la velocità);

2. lipofilia delle molecole (più sono lipofile, più la diffusione è veloce). Le molecole però devono comunque diffondere da soluzioni acquose (l’ambiente extra ed intra

cellulare). Queste molecole devono quindi avere comunque una certa capacità di sciogliersi nell’acqua. Se sono troppo lipofile si arrestano nel doppio strato fosfolipidico.

3. dimensioni delle molecole (più sono grandi, minore è la velocità di diffusione).

Diffusione facilitata

Le molecole più grandi e polari passano attraverso la membrana grazie a proteine di trasporto. Queste possono essere di due tipi:

● Carrier: ​ noti anche come permeasi, Permettono il passaggio di molecole polari troppo grandi per diffondere liberamente (glucosio, saccarosio, amminoacidi).

Funzionano con un cambiamento di forma

aprendosi prima in un versante e poi nell’altro.

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 differenza di

concentrazione, la velocità della diffusione facilitata cresce fino a stabilizzarsi ad una velocità massima. Questa è una

caratteristica importante 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.

I carrier possono essere specifici per una molecola o trasportarne diverse e con velocità che variano in base alla loro affinità per il carrier.

● Canali ionici ​: Permettono il trasporto di ioni,

indispensabili per la cellula (come H+, Na+, K+, Cl-,HCO3-, Ca++...). I canali generlamente sono selettivi, cioè riescono a trasportare solo lo ione per il quale sono

predisposti (ad esempio, il canale ionico per il potassio trasporta solo lo ione K+ e non l’Na+). La selettività dipende dalla interazione tra lo ione trasportato ed alcune regioni interne della proteina canale (quelle che circondano il tunnel di passaggio dello ione), interazione che a sua volta dipende dalla carica elettrica e dalle

dimensioni dello ione. Il funzionamento dei canali ionici è regolato da meccanismi di apertura e chiusura.

Il meccanismo di chiusura dei canali è regolato, a sua volta, da controlli che possono essere di vario tipo, in particolare:

1. controllo da ligando (molecole segnale che provengono dall’esternoche si legano a specifiche regioni del canale, inducendone la chiusura o la apertura);

2. controllo da fosforilazione, ovvero la aggiunta di un gruppo fosfato (indicato come P).

La fosforilazione è il principale meccanismo con cui la cellula controlla la attività delle sue proteine

3. controllo da potenziale (attraverso variazioni del potenziale di membrana). Vedi la lezione 13 (potenziale della membrana)

4. controllo da temperatura;

5. controllo da stiramenti meccanici della membrana;

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.

Osmosi

Oltre ai soluti, anche l’acqua, il solvente delle cellule e dell’ambiente extracelulare, può attraversare la membrana. 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 lo ione Sodio (Na+). La cellula è relativamente impermeabile al sodio e per questo variazioni della sua concentrazione intra ed extra cellulare vengono equilibrate dal flusso osmotico dell’acqua.

Essendo un processo di osmosi, le molecole di acqua si spostano in direzione del compartimento con una maggiore concentrazione di soluto per diluirlo .

Trasporto attivo

È un meccanismo di trasporto più complesso rispetto alla diffusione; esso, infatti:

● avviene contro gradiente di concentrazione;

● avviene sempre con l’aiuto di proteine di membrana;

● richiede consumo di energia (per questo “attivo”). L’energia per il trasporto attivo è fornita dall’adenosina trifostato (ATP), una molecola formata da ribosio, adenina (adenosin-) e 3 gruppi fosfato (-trifosfato). Questi ultimi sono gruppi molto negativi, uniti tra di loro. Quando il legame tra due di loro viene rotto (idrolisi) si libera una gran quantità di energia, che può essere utilizzata per il trasporto .

Il trasporto attivo può essere di due tipi: primario e secondario.

Trasporto attivo primario

L’energia derivante dall’idrolisi dell’ATP viene utilizzata direttamente per il trasporto delle molecole contro gradiente.

Le proteine che intervengono nel trasporto primario sono di due tipi:

● pompe ​, che a loro volta si suddividono in:

○ P-ATPasi ​: così chiamate perché hanno un sito in cui si lega il gruppo fosfato (P) proveniente dall’ATP. Il legame con il gruppo P determina un

cambiamento conformazionale della proteina, che le permette di svolgere la sua funzione. Queste pompe trasportano soprattutto ioni positivi

(Na+/K+,K+/H+, Ca++).

○ V-ATPasi ​, così chiamate perchè si trovano nelle vescicole intracellulari.

Trasportano solo ioni H+. La loro funzione è quella di acidificare vescicole intracellulari. Si trovano sulla membrana dei lisosomi e degli endosomi che verranno approfonditi in seguito.

1

Ricordiamo che la concentrazione è data dal soluto/solvente. Se il solvente aumenta la concentrazione diminuisce. Rivedere la lezione 04 (Osmosi e diffusione) per maggiori chiarimenti.

2

1 Possedendo 3 gruppi fosfato, l`ATP possiede 2 legami energetici. Alla rottura del primo legame,

perde un gruppo fosfato e diventa ADP. Alla rottura del secondo diventa AMP. Sia l`ADP che l`AMP

possono essere ricaricati e tornare alla forma di ATP.

○ F-ATPasi ​, strutturalmente simili a quelle di tipo V e come queste sono in grado di trasportare ioni H+ idrolizzando ATP. Queste pompe, però, vengono prevalentemente usate dalla cellula al contrario, trasportando ioni H+

secondo gradiente per riformare l’ATP a partire dall’ADP. Vengono usate dalla cellula per produrre energia. Le rivedremo nella lezione sui mitocondri.

● Trasportatori ABC ​ (ATP binding cassette): si tratta di proteine che trasportano grandi quantità di sostanze e farmaci (in quest’ultimo caso si chiamano MDR – multi- drug-resistance). Grazie alla loro

azione l’organismo riesce a smaltire molti farmaci che altrimenti

risulterebbero dannosi e a far accumulare nelle cellule farmaci che se non si accumulano non

funzionano. Grazie a questo tipo di pompe alcuni batteri sopravvivono agli antibiotici.

Il trasporto attivo può avvenire in diversi modi, a seconda di come le molecole attraversano la membrana. Si parla di:

● uniporto ​, se viene trasportata una sola molecola in una sola direzione;

● antiporto ​, se il trasporto avviene contemporaneamente in due direzione opposte (es.

pompa Na+/K+).

Trasporto attivo secondario

In questo caso, l’energia derivante dall’idrolisi dell’ATP viene utilizzata per creare un nuovo gradiente di concentrazione con un’altra molecola (solitamente Na+). Questa molecola, detta driver, permette il trasporto delle molecole interessate che avviene con un meccanismo passivo (cioè senza dispendio di energia) e grazie a delle proteine trasportatrici dette vettori.

A seconda di come si spostano le molecole, il trasporto attivo secondario può essere di 2

tipi:

● antiporto ​, se il gradiente serve per trasportare due sostanze contemporaneamente, ma in direzioni opposte (es. trasporto di Na+ all’interno e di Ca++ all’esterno, grazie a gradiente creato da Na+);

● simporto ​, se il gradiente serve per trasportare due sostanze contemporaneamente e nella stessa direzione (es. trasporto del glucosio con Na+, grazie a gradiente creato da Na+).

Una stessa molecola può essere trasportata quindi con modalità diverse. Ad esempio, il glucosio entra nelle cellule dell’intestino grazie al simporto con l’Na+ (trasporto attivo secondario). Al contrario, il passaggio dalle cellule dell’intestino al compartimento

extracellulare avviene per diffusione facilitata, quindi con un meccanismo di tipo passivo.