Biochimica avanzata - parte 1

PERMEABILITÀ

La modalità con la quale le membrane risultano essere selettivamente permeabili è rilevante ai fini

della comunicazione cellulare. La permeabilità della membrana ad una serie di molecole, ioni e gas,

è determinata da un coefficiente, ossia la velocità di movimento delle molecole (v = s/t = nm/s):

Il doppio strato è praticamente impermeabile a molecole di una certa dimensione, come il glucosio

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(peso 180 Dalton, permeabilità pari a 10 circa) o il saccarosio (disaccaride), che è caratterizzato da

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un maggiore ingombro sterico (360 Dalton, permeabilità pari a 10 circa). Quindi aumentando le

dimensioni della molecola del doppio, la permeabilità si riduce di 100 volte. Il glicerolo invece, che

ha 3 atomi di carbonio, ossia la metà del glucosio, è permeabile 100 volte in più.

Un altro aspetto di cui tenere conto è la polarità delle molecole. Ad esempio l’indolo (l’anello

indolico caratterizza il triptofano) è piuttosto ingombrante, è superiore per dimensioni al glucosio;

tuttavia, essendo idrofobico, ha più facilità nel superamento del doppio strato.

Anche l’acqua può passare attraverso il doppio strato, essendo piccola, permeabile, anche se polare.

Infatti rappresenta un caso limite.

I gas, come O e CO , attraversano liberamente il doppio strato. È una caratteristica indispensabile

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per la vita.

Gli ioni (sodio, potassio, ione cloruro, ecc.), anche se caratterizzati da un peso molecolare basso,

non passano comunque il doppio strato, in quanto portano cariche elettriche.

Non tutte le molecole indispensabili per il metabolismo attraversano facilmente la membrana.

Alcune sono polari, altre cariche elettricamente. Dunque, dove non c’è la possibilità di passare

liberamente (per diffusione semplice), esistono proteine che agiscono attivamente per il loro

trasporto.

La diffusione semplice caratterizza le molecole che sono in grado di attraversare la membrana

esclusivamente in funzione della loro permeabilità.

In presenza di un setto poroso (la membrana) che separa due compartimenti, e di conseguenza

anche le molecole presenti in concentrazioni diverse, queste si muoveranno spontaneamente in una

direzione precisa: dal compartimento dove sono maggiormente concentrate a quello in cui sono

meno concentrate, costituendo un gradiente di concentrazione, al fine di raggiungere l’equilibrio. Il

movimento che avviene è spontaneo e dipende dalla permeabilità della molecola alla membrana e

dalle sue caratteristiche chimico-fisiche.

In molte circostanze la diffusione semplice non riesce a rendere conto delle necessità metaboliche

delle cellule. Questo perché vi sono delle reazioni chimiche che sono spontanee, ma che nelle cellule

avvengono solo perché c’è un enzima che le catalizza. Ad esempio l’anidrasi carbonica è un enzima

determinante per la vita, in quanto accelera di molte volte la reazione spontanea, così che nel giro

di millisecondi il substrato diventa prodotto; se si attendesse lo svolgersi della reazione

passerebbero minuti e le cellule potrebbero morire. Il trasporto passivo è un processo spontaneo,

caratterizzato da un ΔG negativo ed è

suddivisibile in 2 modalità:

- diffusione semplice, che non dipende da

vettori, ma solo dalle proprietà chimico-fisiche

della molecola (es. molecole d’acqua);

- diffusione facilitata, o trasporto passivo

mediato (da una proteina, es. anidrasi

carbonica), che dipende da vettori, oltre che

dalla spinta termodinamica che a sua volta è

data dal movimento della molecola secondo

gradiente di concentrazione o elettrochimico.

Il traporto attivo è un processo endoergonico, caratterizzato da un ΔG positivo, che richiede il

consumo di energia. Anch’esso è suddivisibile in 2 modalità:

- trasporto attivo primario, in cui la proteina media il trasporto in condizioni non favorite,

contro gradiente;

- trasporto attivo secondario.

Trasporto passivo

Le proteine che mediano i processi di trasporto passivo sono identificate come trasportatori (o

carrier) e come proteine canale. La differenza tra carrier e canali sta nel meccanismo di

funzionamento e negli effetti che vengono determinati.

Per un carrier si può sempre definire una stechiometria delle molecole che vengono trasportate,

poiché innanzitutto lega in maniera specifica una o più molecole, poi cambia conformazione ed

infine rilascia il carico dalla parte opposta della membrana. Prevede elevata specificità ma anche

maggiore lentezza.

Nel canale invece si crea una cavità/poro che è percorribile da ioni, per questo sono definibili canali

ionici. Il loro passaggio è descritto come un flusso costante per il quale non si può identificare una

forma di stechiometria. È solo possibile quantificare gli ioni che passano nell’unità di tempo

(nell’ordine delle migliaia, più spesso dei milioni).

La reazione chimica deve raggiungere dei livelli

energetici superiori affinché possa realizzarsi. Nello

specifico si tratta dell’energia di attivazione, che è

attenuata dalla presenza di un enzima.

In rosso è rappresentato il processo di diffusione

semplice, mentre in blu il processo in presenza di

trasportatore, che abbassa l’energia di attivazione.

L’ostacolo energetico è dovuto al fatto che le

molecole idrofiliche in soluzione sono circondate da

H O. Quando queste molecole solvatate devono

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attraversare il doppio strato, è necessario che

perdano le molecole di H O, che rappresentano un

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notevole ingombro sterico, per poi assumerle

nuovamente una volta attraversata la membrana.

La proteina che media il trasporto instaura dei

legami con la molecola d’interesse, che favoriscono

il distacco delle molecole d’acqua. In questo modo

si abbassa l’energia di attivazione.

Quindi il trasportatore è una proteina che accelera la velocità di trasporto, perché riduce l’energia

di attivazione, e favorisce lo spostamento della molecola senza alterare l’equilibrio che ne

determina la distribuzione ai lati della membrana.

È possibile misurare la velocità di trasporto in

funzione della concentrazione della molecola

trasportata. Per quanto riguarda il trasporto

mediante diffusione semplice, si ottiene una retta

che indica che la velocità è proporzionale alla

concentrazione della molecola. Invece per quanto

riguarda la diffusione facilitata, il trasporto è

rappresentato da una curva iperbolica, che

raggiunge un asintoto che indica la V di

max

trasporto. Questa non può aumentare, perché tutte

le proteine di trasporto sono impegnate (ovvero

saturate dal ligando).

IL TRASPORTO DEL GLUCOSIO

Il glucosio è in grado di attraversare la membrana cellulare, nonostante questa non abbia una

permeabilità spiccata per la molecola, data la presenza del doppio strato fosfolipidico (che è un

ambiente non favorevole al passaggio di strutture polari). Ciò è dovuto alla presenza di proteine

specifiche.

Nel torrente circolatorio il glucosio è presente sempre a una concentrazione discreta, che può

oscillare, a seconda dei libri di testo, tra i 4,5 mmol e gli 8 mmol. A livello cellulare, concentrazioni

superiori a 1 mmol sono significativamente rilevanti. Al di sotto di queste concentrazioni, i

metaboliti non sono abbondanti.

Il glucosio presente nel sangue arriva ad essere disponibile anche nel liquido extracellulare, per poi

raggiungere le cellule di tutti i vari tessuti. Nello specifico, a livello delle cellule periferiche, il glucosio

è in grado di essere assunto attraverso la membrana plasmatica grazie alla presenza di proteine

specifiche che ne mediano il trasporto.

Il glucosio, una volta entrato nelle cellule, non si accumula come tale. Infatti, se si va a misurare la

concentrazione di glucosio libero a livello cellulare, questo è ben inferiore alla sua concentrazione

nel sangue. Ciò accade perché diviene substrato di un enzima, un’esochinasi, che usando ATP

fosforila il glucosio a glucosio 6-fosfato, a sua volta impiegato in varie vie metaboliche.

Per esempio nella via dei pentoso fosfati il glucosio viene ossidato, comportando diversi effetti a

livello cellulare: produzione di pentosi o di coenzimi piridinici ridotti.

Inoltre rappresenta il punto di partenza della glicolisi. In tutte le cellule, il glucosio 6-fosfato viene

quindi ossidato a piruvato nella glicolisi aerobia. Il piruvato a sua volta può essere decarbossilato ad

acetil-CoA nel ciclo di Krebs ed infine ossidato ad anidride carbonica ed acqua.

Tuttavia, in alcune cellule come quelle muscolari e i globuli rossi, il piruvato non viene

completamente ossidato nel ciclo di Krebs. Bensì viene ridotto in lattato nella glicolisi anaerobia,

una via metabolica che può procedere in assenza di ossigeno. Quando questo si verifica, il lattato

viene rilasciato dalla cellula nel torrente circolatorio, per poi essere impiegato a livello epatico nella

gluconeogenesi (via esclusiva del fegato). Il piruvato, in questo caso, si ottiene per ossidazione del

lattato.

La gluconeogenesi è la via opposta alla glicolisi, che porta alla formazione di glucosio 6-fosfato ex

novo, partendo da metaboliti che non sono zuccheri. Un’altra molecola importante per rendere

possibile la gluconeogenesi è il glicerolo, disponibile nel torrente circolatorio quando c’è

mobilizzazione di trigliceridi a livello del tessuto adiposo.

La gluconeogenesi renale è stata molto discussa e, dal punto di vista dell’efficacia metabolica, si è

osservata essere poco rilevante. Ha quindi più senso focalizzarsi su quella epatica.

Infine, sempre a livello del fegato, il glucosio 6-fosfato viene trasformato in glucosio libero grazie

all’intervento della glucosio 6-fosfatasi, l’ultimo enzima della gluconeogenesi. Il fegato è quindi

l’unico distretto in grado di produrre glucosio libero, dato che una qualsiasi altra cellula non epatica

non presenta gli enzimi della gluconeogenesi. Per cui il glucosio libero presente è solitamente

glucosio di recente assorbimento, che non è ancora stato fosforilato a glucosio 6-fosfato.

Nel fegato, il glucosio libero si genera con il fine di essere immesso nel torrente circolatorio.

Quando i valori di glicemia sono sufficientemente elevati, il fegato, come tutti gli altri distretti, è in

grado di assumere glucosio dall’esterno. Ha infatti questa duplice possibilità d’azione: a seconda

della disponibilità di glucosio nell’organismo, può trasportare la molecola dall’esterno all’interno o

viceversa.

Le cellul