Struttura e funzione delle membrane

LE CELLULE E I MECCANISMI DI

TRASPORTO

In genere, per sopravvivere e funzionare

correttamente le cellule devono

mantenere un ambiente interno costante

molto diverso dall’ambiente

extracellulare, un processo detto

omeostasi. La corretta regolazione del

trasporto cellulare è essenziale per

garantire l’omeostasi e l’appropriato

funzionamento della cellula.

La maggior parte delle sostanze che si

muovono attraverso le membrane sono

gas, ioni e piccole molecole organiche: in

soluti.

altre parole, i I gas includono

ossigeno (O ), anidride carbonica (CO ) e

2 2

azoto (N ). Alcuni degli ioni più comuni

2

che vengono trasportati attraverso le

+

membrane sono il sodio (Na ), il potassio 2

+ 2+ - +

(K ), il calcio (Ca ), il cloruro (Cl ) e l’idrogeno (H ). La maggior parte delle piccole

metaboliti:

molecole organiche è rappresentata da substrati, composti intermedi e

prodotti delle varie vie metaboliche che operano nelle cellule o in specifici organelli.

Il trasporto, quindi, rappresenta un aspetto fondamentale delle funzioni cellulari: è la

capacità di ioni e di molecole organiche di spostarsi attraverso le membrane in

maniera selettiva.

I soluti attraversano le membrane per diffusione

semplice, per diffusione facilitata, per trasporto

attivo e per trasporto passivo

1. Diffusione semplice: un movimento diretto, spontaneo, di molecole di soluto

attraverso il doppio strato lipidico nella direzione imposta dalla differenza di

concentrazione del soluto ai due lati della membrana.

Per la maggior parte dei soluti, tuttavia, il movimento attraverso le membrane a

una velocità efficiente è possibile soltanto grazie alla presenza di proteine di

trasporto: proteine integrali di membrana in grado di riconoscere le sostanze

in maniera altamente specifica e facilitare il loro spostamento attraverso la

membrana.

2. In alcuni casi, le proteine di trasporto trasferiscono soluti lungo il loro gradiente

di energia libera nella direzione dell’equilibrio termodinamico. Questo gradiente

rappresenta la differenza di carica, di concentrazione o di entrambe (carica e

concentrazione) sui lati opposti della membrana. Questo processo è noto come

trasporto passivo)

diffusione facilitata dei soluti (a volte indicato come e non

richiede apporto di energia.

3. In altri casi, le proteine di trasporto mediano il trasporto attivo dei soluti,

trasportandoli contro i loro rispettivi gradienti di energia libera, con un

meccanismo che richiede energia. Il trasporto attivo può essere sostenuto da un

processo che libera energia, come l’idrolisi dell’ATP, o dal trasporto

+

contemporaneo di un altro soluto, in genere uno ione, come per esempio H o

+

Na , secondo il suo gradiente di energia libera.

4. La diffusione di una sostanza attraverso una membrana biologica viene detta

trasporto passivo perché la cellula non richiede apporto di energia. 2

L’osmosi

Per comprendere le modalità di interazione fra due soluzioni che presentano diverse

concentrazioni di soluto, è opportuno considerare un tubo di vetro a forma di U in cui è

presente una membrana semipermeabile che separa due soluzioni di zucchero a

concentrazione diversa (Figura 7.12).

I pori di questa membrana artificiale

sono troppo piccoli per essere

attraversati dalle molecole di

zucchero, ma sono allo stesso tempo

sufficientemente grandi da

consentire il passaggio delle

molecole di acqua. Tuttavia, la

stretta associazione delle molecole

d’acqua che circondano le particelle

dei soluti idrofili impedisce ad alcune

di queste molecole di attraversare la

membrana. Di conseguenza, la

soluzione con una maggiore

concentrazione di soluto possiede

una minore concentrazione di acqua

libera. L’acqua diffonde attraverso la

membrana dalla zona con maggiore

concentrazione di acqua libera

(minore concentrazione di soluto) a 2

quella con minore concentrazione di acqua libera (maggiore concentrazione di soluto)

fino a che le concentrazioni di soluto ai due lati della membrana divengono pressoché

uguali. La diffusione di acqua libera attraverso una membrana semipermeabile,

artificiale o cellulare che sia, è chiamata osmosi.

Bilancio idrico nelle cellule senza pareti cellulari

Per spiegare il comportamento di una cellula in una soluzione dobbiamo considerare

sia la concentrazione di soluto sia la permeabilità di membrana. Il concetto di

tonicità, ossia la capacità di una soluzione circostante di determinare il guadagno o la

perdita netta di acqua da parte di una cellula, tiene conto di entrambi i fattori. La

tonicità di una soluzione dipende, in parte, dalla sua concentrazione relativa di soluti

che non possono attraversare la membrana (soluti non penetranti) rispetto all’interno

della cellula.

Quando una cellula priva di parete, come una cellula animale, viene immersa in un

iso

ambiente isotonico rispetto alla cellula ( significa “stesso”), non si avrà alcun

netto

movimento di acqua e l’acqua diffonderà attraverso la membrana citoplasmatica

con la stessa velocità in entrambe le direzioni. In un ambiente isotonico il volume di

una cellula animale rimane costante.

Il trasferimento della stessa cellula in una soluzione ipertonica rispetto alla cellula

(iper significa “più”, in questo caso riferito ai soluti non penetranti) porterà a una

perdita di acqua verso l’ambiente, e la cellula andrà incontro a raggrinzimento e

probabilmente morirà.

L’assunzione di quantità elevate di acqua da parte di una cellula animale è tuttavia

pericolosa quanto la perdita di acqua. Se si immerge una cellula in una soluzione

(ipo

ipotonica significa “meno”), l’acqua penetra nella cellula più velocemente di

quanto fuoriesca, la cellula si rigonfierà e andrà incontro a lisi (rottura): scoppierà

come un palloncino troppo gonfio. 2

Una cellula priva di pareti rigide non è in grado di tollerare né un’eccessiva assunzione

né un’eccessiva perdita di acqua

L’acqua di mare è isotonica per diversi invertebrati marini; le cellule che costituiscono

la maggior parte degli

animali terrestri sono

bagnate da un liquido

extracellulare che è

isotonico rispetto a

queste cellule. In

ambienti ipertonici o

ipotonici, però, gli

organismi privi di pareti

cellulari rigide devono

possedere altri sistemi di

adattamento per

l’osmoregolazione,

ossia per il controllo

delle concentrazioni di

soluto e del bilancio idrico.

Diffusione facilitata e sue proteine di trasporto

Come affermato in precedenza, numerose molecole polari e ioni non sono in grado di

attraversare liberamente il doppio strato lipidico e diffondono passivamente grazie

all’aiuto di proteine di trasporto inserite nella membrana. Questo fenomeno è noto

come diffusione facilitata.

Come accennato in precedenza, le

proteine di trasporto possono essere di

due tipi: le proteine canale e i

trasportatori. Le prime forniscono

semplicemente dei corridoi idrofili che

permettono a specifiche molecole o ioni

di attraversare molto rapidamente la

membrana da una parte all’altra.

Le proteine canale che trasportano gli

ioni sono chiamate canali ionici. Molti

canali ionici funzionano come canali ad

accesso regolato che si aprono o si

chiudono in risposta a uno stimolo. 2

LA DIFFUSIONE FACILITATA: MOVIMENTO

SECONDO GRADIENTE MEDIATO DA

PROTEINE trasportatori permeasi)

Le proteine carrier (dette anche o si legano a una o più

molecole di soluto su un lato della membrana e poi subiscono un cambiamento

conformazionale che determina il trasferimento del soluto sul lato opposto della

membrana. Agendo in questa maniera, una proteina carrier presumibilmente si lega

alle molecole del soluto in modo tale da proteggerne i gruppi polari o provvisti di

carica dalla parte interna apolare della membrana.

Le proteine carrier trasportano uno o due soluti

Sebbene le proteine carrier si assomiglino per le loro cinetiche e per il loro presunto

meccanismo di azione che implica conformazioni alternative, esse possono differire

anche in maniera significativa. La differenza più importante riguarda il numero dei

soluti trasportati e la direzione in cui questi si spostano

Quando una proteina carrier trasporta attraverso la membrana un singolo soluto, il

processo viene chiamato uniporto. La proteina carrier per il glucosio è un

trasportatore uniporto. Quando due

soluti vengono trasportati

contemporaneamente, e il loro

trasporto è accoppiato in modo tale

che il trasporto dell’uno si interrompe

se l’altro è assente, il processo viene

definito trasporto accoppiato. Nel

trasporto accoppiato, il processo viene

chiamato simporto (o cotrasporto)

se i due soluti si spostano nella stessa

direzione, o antiporto (o

controtrasporto) se i due soluti si 2

spostano in direzioni opposte. Le proteine di trasporto che mediano questi processi

vengono chiamate rispettivamente, simportatori e antiportatori.

Il trasportatore del glucosio e la proteina

scambiatrice di anioni dell’eritrocita sono esempi di

proteine carrier

Trasportatore del glucosio: un carrier uniporto

 Come abbiamo visto, il passaggio del glucosio all’interno di un eritrocita è un

esempio di diffusione facilitata attraverso la membrana plasmatica, mediato da

una proteina carrier uniporto. L’eritrocita (come quasi tutte le cellule in contatto

con il sangue) è capace di assorbire glucosio mediante diffusione facilitata

grazie alla sua bassa concentrazione intracellulare di glucosio e alla presenza

nella sua membrana plasmatica di una proteina carrier per il glucosio, o

trasportatore del glucosio (GLUT). Il trasporto del glucosio mediato da

GLUT1 mostra di avere tutte le caratteristiche tipiche della diffusione facilitata:

è specifico per il glucosio (e per pochi zuccheri correlati, come il galattosio e il

mannosio), procede secondo il gradiente di concentrazione senza apporto di

energia, mostra una cinetica di saturazione ed è sensibile all’inibizione

competitiva da parte dei monosaccaridi correlati.

La proteina scambiatrice di anioni dell’eritrocita: una proteina carrier

 antiporto Un altro esempio molto studiato di diffusione facilitata è la

proteina scambiatrice di anioni (proteina a scambio anionico) presente nella

membrana plasmatica degli eritrociti. Questa proteina antiporto, chiamata

scambiatore cloruro-bicarbonato,

anche facilita lo scambio reciproco degli ioni

- 3-

cloruro (Cl ) e degli ioni bicarbonato (HCO ) in direzione opposta