Pompa ionica e pompa sodio-potassio

Esistono anche proteine di trasporto della membrana cellulare, che sono le pompe ATPdipendenti, o ATPasi, che utilizzano l’energia d’idrolisi dell’ATP per traslocare ioni o piccole molecole contro gradiente attraverso un processo chiamato trasporto attivo.
Le proteine canale trasportano H2O o specifici ioni sfruttando il loro gradiente chimico o elettrico, e possono esistere in conformazione chiusa o aperta.
Questo non è un vero e proprio trasporto ma è un fluire di molecole attraverso una porta aperta. Le proteine trasportatrici spostano una gran varietà di ioni e molecole attraverso la membrana legando una o poche molecole di substrato, in maniera abbastanza specifica per il substrato, si parla infatti di trasporto facilitato.

Scambi cellulari,trasporto attivo,diffusione

I trasportatori si dividono in uniporto (trasporto di una sola molecola), che segue il gradiente di concentrazione, mentre i trasportatori per antiporto e simporto trasportano due molecole per volta, con sempre una molecola contro il gradiente di concentrazione mentre l’altra molecola viene trasportata secondo gradiente di concentrazione senza spendere ATP.

L’ambiente ionico intracellulare è molto diverso dall’ambiente extracellulare, in particolare le concetrazioni di potassio (molto maggiore all’interno della cellula), di sodio e calcio (molto maggiori all’esterno della cellula) sono molto diverse. I gradienti di concentrazione e i movimenti selettivi di ioni attraverso la membrana creano una situazione di potenziale di -70 mV all’interno della cellula rispetto all’esterno, i gradienti ionici ed il potenziale di membrana forniscono energia per molti processi biologici, ma per il mantenimento di questi gradienti si spende molta energia, la cellula è chiamata ad un lavoro dispendioso in termini d’energia per mantenere questo gradiente di concentrazione.

Il trasporto attivo prende in considerazione innanzitutto pompe ioniche di classe P, a cui appartengono le ATPasi Na+/K+ e varie ATPasi Ca++ che pompano nello spazio extracellulare o nel reticolo sarcoplasmatico gli ioni calcio. L’ATPasi Na+/K+ è molto importante perchè i 2/3 dell’ATP della cellula sono spesi per mantenere il gradiente sodio-potassio, vengono cioè portati tre ioni sodio all’esterno della cellula mentre due ioni potassio vengono portati all’interno della cellula.

L’ATPasi Ca++ può espellere gli ioni calcio dalla cellula, deve essere infatti molto bassa la sua concentrazione perchè possa fungere da secondo messaggero all’interno della cellula, mentre altre pompe provocano l’aumento di concentrazione di calcio come effetti transitori nella cellula, dovuti a iniziali segnali ad esempio come ormone-recettore, importante per la trasmissione del segnale dell’ingresso degli ioni calcio. Durante la contrazione ad esempio la concentrazione di calcio aumenta nell’ambiente intracellulare per la mobilizzazione del calcio nel reticolo sarcoplasmatico, mentre nel rilassamento la concentrazione nel reticolo risale e nel citoplasma la situazione viene rinormalizzata a concentrazioni di calcio bassissime.

Le pompe ioniche di classe F e V sono solo pompe protoniche, presenti ad esempio nelle membrane dei lisosomi e degli endosomi, e nelle membrane di cellule a secrezione acida, come gli osteoclasti. In questo caso sono molto importanti per la funzione che devono andare a svolgere i lisosomi e gli osteoclasti.

La superfamiglia ABC è un gruppo di proteine che ha un’alta specificità per un solo substrato o gruppi ristretti di substrati. Sono pompe ATP-dipendenti ed una loro forte attività c’è quando ad esempio vengono somministrati nella cellula dei farmaci, creando un’efficienza molto bassa ed una risposta farmacologica scarsa nei confronti del paziente. Uno di questi tipi di proteine è l’MDR, che usa l’energia d’idrolisi di ATP per fare ciò, infatti il gene MDR1 è amplificato in pazienti con resistenze multiple, cioè è presente in multiple copie e non in una sola, la proteina viene dunque più espressa e complessivamente la sua azione è più efficace.

L’uniporto è un tipo di trasporto facilitato molto specifico, caratterizzato per trasportare una molecola alla volta, secondo il loro gradiente di concentrazione, mentre la velocità di trasferimento è maggiore della diffusione passiva, se osserviamo infatti il grafico delle velocità vediamo che l’uniporto segue un andamento iperbolico con saturazione del trasporto quando sale indefinitivamente la concentrazione della sostanza da trasportare, è simile a quello di un enzima, mentre la diffusione passiva segue un andamento a retta con una pendenza molto bassa, avvente un valore assoluto piuttosto basso. Il trasporto facilitato del glucosio avviene ad esempio attraverso proteine chiamate GLUT1 o GLUT2, che lo trasportano secondo gradiente di concentrazione: una molecola di glucosio alla volta viene legato nel sito di binding sulla faccia esterna della membrana, inducendo un cambiamento di conformazione della proteina trasportatrice che può così rilasciare il glucosio sulla faccia esterna, per poi tornare alla sua conformazione originaria.

Il cotrasporto può essere per simporto o antiporto, si ha il trasferimento di una molecola per gradiente di concentrazione che fornisce l’energia per cotrasportarne un’altra contro gradiente di concentrazione. Si parla di simporto se le due molecole si muovono nella stessa direzione, mentre si parla di antiporto se si muovono nella direzione inversa.


Ad esempio le proteine di simporto Na+ dipendenti fanno entrare due ioni sodio per gradiente di concentrazione, accoppiandolo ad un processo non favorito da un punto di vista energetico, ad esempio la fuoriuscita di glucosio, il bilancio è quindi pareggiato. Queste proteine servono per trasportare glucosio contro gradiente di concentrazione, accoppiando questo movimento al trasporto di due ioni sodio, favorito sia dal gradiente di concentrazione che dal potenziale di membrana.

 

Questo succede ad esempio a livello dell’intestino, a livello delle cellule epiteliali, ma come si caratterizzano le cellule epiteliali? Le cellule epiteliali formano assieme un epitelio che riveste le superfici interne ed esterne del nostro corpo, dove le cellule sono interconnesse tra loro da particolari sistemi di giunzione che impermeabilizzano il tessuto e lo rendono più rigido. La cellula epiteliale è polarizzata nel senso che la superficie apicale è specializzata nell’assorbire sostanze, ad esempio con la presenza di microvilli che aumentano la superficie d’assorbimento della cellula, formano l’orletto a spazzola ricoperto da glicocalice, mentre la superficie basolaterale è specializzata nel trasporto di sostanze nutritizie dalla cellula ai fluidi circostanti.

A livello di questo epitelio le proteine pompano glucosio contro gradiente dal lume all’esterno della cellula, grazie anche alla attivita della Atpasi Na+/K+ sulla superficie basale, poi la molecola di glucosio esce per uniporto dalla superficie basale, nella cellula intestinale è infatti molto concentrato, esce attraverso la proteina GLUT2 e raggiunge il sangue, innalzando la glicemia e viene poi trasferito ai tessuti. Le proteine AE1 sono importanti perchè costituiscono un sistema ad antiporto anionico che scambia ioni Cl- con HCO3-, in particolare questo è molto importante per il trasporto della CO2 fino agli alveoli polmonari. Quando siamo nei tessuti periferici l’anidride carbonica viene infatti trasformata ad HCO3- a livello dei globuli rossi, da dove poi fuoriesce attraverso le proteine AE1 nel sangue scambiandosi con Cl-, mentre nei capillari polmonari l’HCO3- rientra nei globuli rossi scambiandosi sempre con un Cl- e sempre per effetto dell’anidrasi carbonica viene ricatalizzata la reazione inversa, portando alla formazione di CO2 che viene così eliminata sottoforma di gas a livello degli alveoli polmonari.

Per quanto riguarda le giunzioni cellulari, esistono le giunzioni strette che sigillano tra loro le membrane plasmatiche, localizzate proprio al di sotto della superficie apicale limitano la diffusione dei componenti della membrana plasmatica. Queste giunzioni sono costituite da sottili nastri di proteine di membrana, le claudine e le occludine, che si legano ad altre proteine adiacenti sull’altro lato della membrana, impermealizzando la struttura ad acqua e lipidi. Altre importanti giunzioni sono le giunzioni desmosomiali ed emidesmosomiali, costituite da un ispessimento della membrana cellulare che internamente si lega a numerosi filamenti intermedi, mentre sulla porzione esterna abbiamo le caderine che legano questi ispessimenti tra le due cellule che contraggono la giunzione, nelle giunzioni emidesmosomiali però abbiamo solo una struttura desmosomiale che si lega alla lamina basale sottostante. Queste giunzioni hanno più una funzione di sostegno meccanico, mentre le giunzioni comunicanti permettono il passaggio di piccole molecole o ioni attraverso piccoli canali delimitati da particolari proteine chiamate connessine che mettono direttamente in comunicazione il citoplasma di due cellule adiacenti.

L’osmosi è il flusso acquoso da una soluzione più diluita ad una più concentrata separate da una membrana semipermeabile solamente al solvente, ad esempio attraverso le membrane biologiche, dove il flusso acquoso è favorito da particolari proteine chiamate acquaporine. Quando le due soluzioni a confronto sono isotoniche, ovvero si ha la stessa concentrazione di soluti da una parte e dall’altra, non si ha spostamento di acqua, ma quando una soluzione è ipotonica (meno concentrata rispetto all’altra soluzione, tende a diminuire in volume) o ipertonica (più concentrata rispetto all’altra soluzione, tende ad accrescere in volume) si ha uno spostamento di liquido. Ma anche in soluzione isotonica le cellule devono controllare il proprio volume, infatti le macromolecole cariche che sono contenute nel citoplasma attraggono ioni di carica opposta ( Ca++, K+, PO4=), ed inoltre Na+ e Cl- entrano continuamente secondo il loro gradiente di concentrazione: in assenza di un meccanismo compensatorio la concentrazione di soluti tenderebbe ad aumentare, con richiamo osmotico di H2O e conseguente lisi cellulare.

L’esocitosi è quel processo che porta alla fuoriuscita di molecole dalla cellula attraverso vescicole membranose che originano dalla cellula stessa, mentre il processo di fagocitosi rappresenta il processo d’internalizzazione di molecole piuttosto grosse sempre attraverso vescicole membranose. La pinocitosi è un tipo di trasporto che avviene nella stessa maniera ma in questo caso vengono internalizzate gocciole di liquido. L’endocitosi mediata da recettore è invece un processo che coinvolge il complesso recettore-ligando, ad esempio nelle LDL e nella transferrina.

Le LDL sono lipoproteine plasmatiche formate da lipidi e proteine, in particolare trasportano il colesterolo dal fegato alle cellule che lo utilizzano nella membrana o lo utilizzano come precursore di ormoni. Queste lipoproteine sono composte da una membrana esterna di fosfolipidi e colesterolo in cui all’interno viene trasportato colesterolo, mentre la struttura possiede anche una porzione proteica, la proteina APO-B. Queste proteine si legano al loro recettore (avente un unico tratto extramembrana), vanno a formare una vescicola rivestita esternamente di clatrina che poi si dissocia, vanno poi incontro alla fusione con un endosoma per arrivare ad abbassare il pH, poi prima che tutti i componenti vengano scissi nei loro componenti più semplici per essere utilizzati dalla cellula, attraverso la fusione della vescicola con un lisosoma, i recettori escono dall’endosoma e si tornano a porre all’esterno sulla membrana cellulare.

L’endocitosi della trasferrina (proteina che trasporta ferro dal fegato o dall’intestino alle cellule che lo utilizzano, in particolare l’apotransferrina che si lega a tre atomi di ferro carichi positivamente con tre cariche va a formare la ferrotransferrina) avviene con un meccanismo simile, la proteina infatti si lega al suo recettore sulla membrana, viene tutto internalizzato in un endosoma rivestito da clatrina che poi si distacca dalla vescicola, si ha la fusione di un endosoma che serve ad attivare la fuoriuscita di ferro nel citoplasma della cellula attraverso una serie di reazioni chimiche, l’endosoma non viene però lisato ma i suoi componenti vengono riciclati, i recettori tornano sulla membrana mentre la transferrina, che è legata al recettore, può tornare a svolgere i suoi compiti fuori dalla cellula.

 

Per quanto riguarda il fenomeno di transcitosi, è un fenomeno che avviene solamente nelle cellule polarizzate dell’intestino, viene internalizzata ad esempio una proteina da un lato cellulare per poi esocitarla sul lato opposto. Questo è molto importante nei primi quattro mesi di vita del nascituro, nel latte materno sono infatti presenti immunoglobuline che sono efficaci nella difesa del piccolo, che possono dall’intestino per transcitosi entrare nel circolo sanguigno.