Appunti di citologia

IL TRASPORTO ATTRAVERSO LE MEMBRANE: le membrane permettono il passaggio di molecole in

entrambe le direzioni essendo selettivamente permeabili. La maggior parte delle molecole che

attraversano le membrane sono soluti come ioni in soluzioni e piccole molecole organiche. Questi

soluto passano la membrana singolarmente. Alcuni degli ioni più comuni che vengono trasportati sono

il sodio, il potassio, il calcio, il cloro e l'idrogeno. La maggior parte delle piccole molecole sono anche

metaboliti come gli zuccheri, i nucleotidi e gli aminoacidi. Nel movimento dei solito attraverso la

membrana sono implicati tre tipi diversi di trasporto diversi tra loro. Alcune piccole molecole apolari

come l'ossigeno, l'anidride carbonica e l'etanolo si spostano attraverso le membrane per Diffusione

Semplice: un movimento diretto e 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, comunque, il movimento attraverso le membrane è possibile ad una velocità

efficiente solo per la presenza di proteine di trasporto integrali di membrana che sono in grado di

riconoscere le sostanze in maniera specifica per facilitare il loro spostamento attraverso la membrana.

In alcuni casi le proteine di trasporto trasferiscono soluti secondo il gradiente di energia libera nella

direzione dell'equilibrio termodinamico. Questo è il processo della Diffusione Facilitata dei soluti che

viene anche indicato come Trasporto Passivo e caratterizzato dal fatto che non necessiti energia. In

altri casi, si ha il Trasporto Attivo dei soluti con un trasporto che richiede energia libera come l'idrolisi di

Atp o dal trasporto contemporaneo di un altro soluto in genere uno ione come l'idrogeno. Il movimento

di una molecola attraverso una membrana dipende dal suo gradiente di concentrazione a cavallo di una

membrana. La diffusione facilitata avviene secondo gradiente di concentrazione mentre al contrario, il

trasporto contro gradiente di concentrazione necessita la presenza di una forza trainante. Il modo più

semplice per un tessuto di passare attraverso una membrana è la diffusione semplice che consiste

nello spostamento del movimento spontaneo di una molecola da una zona in cui la sua concentrazione

è maggiore ad una zona in cui la sua concentrazione è minore. L'ossigeno è un esempio di molecola

piccola e apolare che può attraversare il doppio strato lipidico con facilità. Molte molecole presenti nelle

cellule sono invece troppo grandi e troppo polari per poter attraversare le membrane per diffusione

semplice e con una velocità ragionevoli anche se il processo è esoergonico. Questi soluti si spostano

all'interno e all'esterno delle cellule e degli organelli a velocità apprezzabili solo con l'aiuto di Proteine

di Trasporto che mediano il movimento delle molecole del soluto attraverso la membrana. Se un tale

processo è esoergonico viene definito diffusione facilitata, perchè il soluto diffonde secondo il gradiente

di concentrazione nel caso di molecole non cariche o secondo il gradiente elettrochimico nel caso degli

ioni senza che via sia necessità di energia. Un esempio di diffusione facilitata è il movimento del

glucosio attraverso la membrana dell'eritrocita. La concentrazione di glucosio è più elevata nel sangue

che nell'eritrocita cosicché il trasporto del glucosio verso l'interno della cellula è esoergonico, ovvero

non richiede apporto di energia. Tuttavia, il glucosio è troppo grande e troppo polare per diffondere da

solo attraverso la membrana e per facilitare il suo trasporto è necessaria la presenza di una proteina

trasportatrice specifica. Tutte le proteine di trasporto sono proteine integrali di membrana che

attraversano la membrana diverse volte. Si distinguono proteine carrier e proteine canale. Le proteine

carrier 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. Una proteina carrier si lega alle molecole di soluto in modo tale da proteggerne i gruppi

polari o provvisti di carica dalla parete interna della membrana. Le proteine canale invece formano dei

attraverso la membrana dei canali idrofili che permettono il passaggio dei soluti senza alcun

cambiamento di conformazione della proteina. Alcuni canali sono larghi e aspecifici come i pori presenti

nella membrana esterna di cloroplasti,mitocondri e batteri. I pori sono formati da proteine

trasmembrana chiamate porine che permettono a soluti idrofili di diffondere attraverso la membrana. Le

proteine carrier sono talvolta chiamate Permeasi perchè analoghe agli enzimi per il necessario legame

iniziale con il substrato con un sito specifico presente sulla superficie di una proteina. Inoltre, sono delle

proteine altamente specifiche spesso per un singolo composto o un piccolo gruppo do composti

correlati. Quando la proteina carrier si occupa del trasporto di un singolo soluto viene definito trasporto

uniporto come nel caso della proteina del glucosio, quando invece vengono trasportati

contemporaneamente due soluti, il trasporto è accoppiato in modo tale che il trasporto dell'uno si

interrompe per il trasporto dell'altro. Il processo viene definito accoppiato. Il processo viene chiamato

Simporto se i due soluti si spostano nella stessa direzione e Antiporto se i due soluti vengono spostati

in direzioni opposte. Il passaggio del glucosio è mediato da una proteina carrier uniporto specifica per il

glucosio detta Glut. Il glut degli eritrociti viene chiamato glut1 per poter essere distinto da tutti gli altri

tessuti. È un trasporto che avviene verso gradiente di concentrazione senza apporto di energia e

mostra una cinetica di saturazione ed è sensibile all'inibizione competitiva da una parte dei

monosaccaridi correlati. glut1 è una proteina integrale di membrana con 12 segmenti idrofobi

transmembrana e questi sono ripiegati e organizzati nelle membrana a formare un canale

transmembrana rivestito da catene laterali idrofile. Il trasporto inizia con il legame di una molecola di

glucosio e il legame porta ad un cambiamento conformazionale che facilita il rilascio del glucosio

all'interno della cellula e la molecola di glut1 poi ritorna alla sua conformazione iniziale con il sito di

legame rivolto di nuovo all'esterno. Una proteina carrier antiporto è la Proteina Scambiatrice di Anioni

presente nella membrana plasmatica degli eritrociti. Questa proteina antiporto chiamata scambiatore di

anioni cloruro bicarbonato facilita lo scambio reciproco degli ioni cloruro e ioni bicarbonato in direzione

opposta attraverso la membrana plasmatica. L'accoppiamento del trasporto del cloruro e del

bicarbonato è obbligato e si interromperà se uno degli anioni è assente. La proteina scambiatrice degli

anioni funziona alternandosi tra due cambiamenti conformazionali e richiede il legame simultaneo di

due soluti, uno su ciascun lato della membrana.

Altre proteine trasportano le molecole attraverso la formazione di canali transmembrana che lo fanno

con la formazione di canali specifici come gli io i. Tre tipi di proteine canale sono: i canali ionici, le

porine e le acquaporine. I canali ionici sono notevolmente selettivi e la maggior parte di essi permette il

passaggio di un solo tipo di ione come sodio, potassio, calcio e cloro. Tale selettività è notevole date le

piccole differenze di dimensioni e di carica che esistono tra questi ioni. Molti canali ionici sono

controllati e possono quindi essere aperti o chiusi in base a determinati stimoli come il voltaggio in cui si

aprono e si chiudono in risposta a cambiamenti del potenziale di membrana, il ligando in cui il legame

con una particolare molecola permette apertura o chiusura del canale, e il controllo meccanico in cui

apertura e chiusura sono dovuti a forze meccaniche che agiscono sulla membrana.

Paragonati ai canali ionici, i pori presenti nelle membrane esterne dei mitocondri, dei cloroplasti e di

molti batteri sono molto più larghi e specifici. Questi pori sono costituiti di proteine transmembrana

multipasso chiamate porine. I segmenti transmembrana delle molecole di porina attraversano la

membrana come foglietto Beta cilindrico chiuso denominato barile beta che ha nella sua parte centrale

un poro pieno di acqua. La parte interna del poro è tappezzata da catene laterali polari mentre la parte

esterna della struttura è costituita principalmente da catene laterali apolari che interagiscono con la

porzione idrofobica interna della membrana.

L'acqua attraversa le membrana con una velocità elevata e per le cellule di alcuni tessuti questo

movimento è dovuto alla presenza di proteine canale specifiche denominate Acquaporine che facilitano

il flusso di acqua. Tutte le acquaporine fino ad oggi descritte sono proteine integrali di membrana con

sei segmenti transmembrana elicoidali.

Tali situazioni richiedono un Trasporto Attivo, che a differenza della diffusione facilitata richiede

energia. Il trasporto attivo assolve tre funzioni principali nelle cellule e negli organelli. Esso rende

possibile l'assorbimento di sostanze nutritive essenziali dall'ambiente o dai liquidi circostanti anche

quando le loro concentrazioni all'interno della cellula sono alte. In più, permette a varie sostanze come i

prodotti di secrezione e i materiali di rifiuto di essere rimosse dalla cellula o dall'organello. Le proteine di

membrana che sono spesso coinvolte nel trasporto attivo vengono definite pompe. Il trasporto attivo

possiede, al contrario della diffusione, unidirezionalità perchè un sistema di trasporto che trasferisce un

soluto attraverso una membrana in una direzione non trasporterà quello stesso soluto in direzione

opposta. Il trasporto attivo viene considerato diretto o indiretto. Nel trasporto attivo diretto il trasporto di

una molecola da un lato all'altro della membrana viene accoppiato direttamente ad una reazione

chimica esoergonica come l'idrolisi dell'ATP. Il trasporto attivo indiretto invece dipende dal trasporto

simultaneo di due soluti in cui il movimento di un soluto secondo il suo gradiente attiva il movimento

dell'altro soluto contro il suo gradiente. Questo trasporto può essere sia simporto che antiporto a

seconda delle direzioni che i soluti hanno uno rispetto all'altro. Nella maggior parte dei casi uno è uno

ione come il sodio o l'idrogeno. Il trasporto attivo dipende tutto da quattro tipi generali di ATPasi di

trasporto classificati come: ATPasi di tipo P, di tipoV, di tipo F e di tipo ABC che differiscono tra loro per

la loro struttura. Le atpasi di tipo P vengono fosforilate in maniera reversibile dall'ATP come parte del

meccanismo di trasporto e viene fosforilato un residuo di acido aspartico. Possiedono in un singolo

polipeptide 8