Biochimica dei sistemi, terzo modulo Biochimica

Sistemi di Trasporto

Non tratteremo tutti i sistemi di trasporto, ma solo alcuni. Vedremo i sistemi di trasporto attraverso il sangue e i sistemi di trasporto attraverso la membrana.

• Sistemi di trasporto attraverso il sangue

Per quanto riguarda i sistemi di trasporto attraverso il sangue vedremo, in particolare, il trasporto dei lipidi. I lipidi sono composti scarsamente solubili in acqua. Gli acidi grassi, essendo anfipatici, possono avere proprietà detergenti, quindi possono andare a danneggiare quelle che sono le membrane delle cellule (rivedere il discorso sul veleno del cobra). I trigliceridi, invece, tendono a formare delle grosse micelle che possono causare delle embolie di grasso anche molto gravi. Queste molecole, dunque, non possono circolare libere nel sangue. È necessaria la presenza di sistemi di trasporto biochimico che si occupino di trasportare questi lipidi. Gli acidi grassi di piccole dimensioni (fino a C10, es acido acetico 2C o acido butirrico 4C) possono.muoversi liberamente nel sangue, in quanto la carica negativa che essi possiedono permette loro di interagire efficacemente con l'acqua, quindi possono sciogliersi nel sangue senza problemi. Gli acidi grassi a catena medio-lunga (C12 - C20), rilasciati dalle cellule del tessuto adiposo bianco che li conserva sotto forma di trigliceridi, nel sangue devono necessariamente legarsi a proteine di trasporto. I trigliceridi, il colesterolo e i suoi esteri, i fosfolipidi e le vitamine liposolubili vengono trasportati nel sangue tramite complessi lipoproteici idrosolubili chiamati lipoproteine. Le lipoproteine sono complessi multimolecolari costituiti da un monostrato di fosfolipidi che circonda un enorme nucleo di trigliceridi, esteri del colesterolo e vitamine liposolubili. Accanto ai fosfolipidi c'è il colesterolo (lipide anfipatico) e delle proteine specializzate dette apolipoproteine. Anticipando ciò che diremo quando si parlerà di digestione: gli acidi grassi della

Dieta: prelevati dagli enterociti o sintetizzati dagli epatociti, i lipidi vengono metabolizzati per formare trigliceridi e inviati ai tessuti sotto forma di lipoproteine.

Esistono 5 diverse classi di lipoproteine: ciò che le differenzia è la dimensione e la densità (maggiore è la quantità di proteine presenti nella lipoproteina, maggiore è la sua densità).

A sinistra abbiamo le lipoproteine più grandi e meno dense, mentre a destra abbiamo le lipoproteine più piccole e più dense:

• Chilomicroni
• VLDL (Very Low-Density Lipoprotein)
• IDL (Intermediate Density Lipoprotein)
• LDL (Low Density Lipoprotein)
• HDL (High Density Lipoprotein)

I chilomicroni sono le lipoproteine caratterizzate dalla minor densità (contengono una percentuale elevata di lipidi, che sono meno densi delle proteine) e dal maggior diametro. Vengono sintetizzati dalle cellule dell'intestino (enterociti) dopo un pasto ricco in lipidi.

Raccolgono i trigliceridi ed il colesterolo introdotti con la dieta per poi andarli a distribuire in tutte le cellule del corpo. Dopo essere stati prodotti a livello di intestino tenue, passano nel sistema linfatico e da questo nella circolazione sanguigna fino a raggiungere i capillari dei tessuti che sfruttano il colesterolo e i trigliceridi, come il tessuto adiposo ed il tessuto muscolare. Ciò che resta dei chilomicroni raggiunge il fegato e tramite endocitosi entra all'interno degli epatociti, terminando così il suo viaggio.

VLDL

Le VLDL vengono prodotte dagli epatociti (in piccola parte anche dagli enterociti) e secrete nel circolo sanguigno. Il fegato è importante come sede di sintesi di lipidi endogeni, tra cui acidi grassi e colesterolo. Questi lipidi vengono trasferiti dal fegato verso i tessuti periferici attraverso le VLDL.

IDL, LDL e HDL

IDL, LDL e HDL sono i prodotti del rimaneggiamento delle VLDL, perché quando queste lipoproteine passano dal fegato

Ai tessuti vengono metabolizzate: vengono estratti trigliceridi, colesterolo e proteine dalla struttura, per cui la loro composizione cambia → si noti come cambia la composizione in trigliceridi: 50-65% di trigliceridi nelle VLDL, 22% nelle IDL, 7-10% nelle LDL, 3-5% nelle HDL.

Man mano che le lipoproteine vengono metabolizzate dai tessuti si ha una diminuzione della percentuale di trigliceridi e un aumento della percentuale di proteine, per cui la densità cresce.

HDL e LDL sono lipoproteine fondamentali per il metabolismo dei lipidi, in particolare dei trigliceridi e del colesterolo → disfunzioni a carico di una o dell'altra sono all'origine di diverse forme di malattia.

LDL = Trasferiscono il colesterolo dal fegato ai tessuti periferici. Nel fegato viene prodotto il colesterolo endogeno, ma un accumulo causa problemi. Il colesterolo trasportato dalle vescicole può causare accumuli su pareti dei vasi sanguigni e formare ateromi (o placche).

aterosclerotiche). HDL = Vengono prodotte in forma immatura dagli epatociti e dagli enterociti. Hanno la funzione di partecipare alla maturazione di chilomicroni e VLDL e di rimuovere il colesterolo in eccesso dai tessuti periferici per portarlo al fegato. Questo viene utilizzato come precursore per la vitamina D o per i sali biliari.

Apolipoproteine

Le apolipoproteine sono proteine capaci di legare lipidi. Le apolipoproteine sono indispensabili nel mantenimento dell'integrità strutturale e della solubilità delle lipoproteine, fungono da sito di riconoscimento per i recettori cellulari deputati alla captazione delle lipoproteine (solo le cellule che riconoscono queste apolipoproteine possono arrestare il movimento delle lipoproteine attraverso il sangue e dirigere i processi metabolici che liberano dalla struttura gli acidi grassi presenti) e svolgono un ruolo importante nella regolazione di alcuni enzimi nel metabolismo delle lipoproteine stesse.

Queste sono le

modalità con cui le cellule del corpo sono in grado di trasferire dalla sede di sintesi alla sede di utilizzo i trigliceridi, il colesterolo e i suoi esteri.

• Sistemi di trasporto attraverso la membrana

La membrana cellulare è una barriera costituita da un doppio strato fosfolipidico in cui sono parzialmente o interamente inserite delle proteine. I fosfolipidi sono disposti con le teste polari rivolte verso l'ambiente acquoso e con le code apolari rivolte verso l'interno del doppio strato. È caratterizzata da permeabilità selettiva, per cui consente il passaggio solo a determinate sostanze.

Le piccole molecole idrofobiche come l'ossigeno, l'anidride carbonica, l'azoto e gli ormoni steroidei sono in grado di attraversare la membrana.

Le piccole molecole polari senza carica come l'acqua, l'urea e il glicerolo sono in grado di attraversare la membrana cellulare, ma hanno bisogno di più tempo.

Le grosse molecole polari

senza carica come il glucosio e il saccarosio non sono in grado di attraversare la membrana. Gli ioni non sono in grado di attraversare la membrana. La velocità con cui una molecola attraversa una membrana biologica dipende dalla sua dimensione (più la molecola è piccola e più facilmente attraversa la membrana), dalla sua polarità (meno la molecola è polare e più facilmente attraversa la membrana) e dalla sua eventuale carica elettrica (il movimento degli ioni attraverso la membrana è guidato non soltanto dal gradiente di concentrazione, ma anche dal gradiente elettrico. Gli ioni positivi sono presenti in lieve eccesso nel lato esterno della membrana, mentre gli ioni negativi lo sono all'interno). Nel diagramma viene rappresentata la velocità di passaggio di una molecola polare attraverso la membrana. Il glucosio, come l'acqua, può attraversare la membrana biologica senza ausilio di un specifico trasportatore proteico.

seguendo il suo gradiente di concentrazione, ma lo fa molto lentamente. Ci vuole una concentrazione di glucosio esterna estremamente elevata per avere una velocità apprezzabile, poiché la velocità aumenta molto lentamente con l'aumentare della concentrazione del soluto.

In presenza di un trasportatore, il trasporto della stessa molecola attraverso la membrana avviene con una velocità molto maggiore. La cinetica del trasportatore, che garantisce il passaggio di molecole che non possono attraversare la membrana in modo autonomo, è molto simile alla cinetica di un enzima, quindi una cinetica che segue un andamento iperbolico, con una determinata Km, una Vmax e una velocità semi massimale (quello che abbiamo visto per gli enzimi lo possiamo applicare anche al trasporto mediato).

Tipi di trasporto:

• Trasporto passivo: non richiede energia metabolica e permette il passaggio di soluti secondo gradiente di concentrazione (si spostano da un'area ad

della concentrazione di soluto, la velocità di trasporto raggiunge un limite massimo, poiché tutti i trasportatori sono già impegnati nel trasporto delle molecole. o È regolabile: la velocità di trasporto può essere regolata in base alle necessità della cellula. Ad esempio, il trasporto del glucosio può essere aumentato o diminuito a seconda dei livelli di zucchero nel sangue. ▪ Trasporto attivo: richiede l'utilizzo di energia sotto forma di ATP. Il trasporto attivo può avvenire contro il gradiente di concentrazione, cioè dalla bassa alla alta concentrazione. Questo tipo di trasporto è fondamentale per il mantenimento di gradienti di concentrazione diversi all'interno e all'esterno della cellula. Un esempio di trasporto attivo è la pompa sodio-potassio, che sposta ioni sodio all'esterno della cellula e ioni potassio all'interno. ▪ Trasporto vescicolare: coinvolge la formazione di vescicole, piccole sacche di membrana, che trasportano molecole all'interno o all'esterno della cellula. Questo tipo di trasporto è utilizzato per il trasporto di grandi molecole, come proteine e lipidi, e per il rilascio di sostanze all'esterno della cellula attraverso l'esocitosi. In conclusione, la membrana cellulare utilizza diversi meccanismi di trasporto per regolare il passaggio di molecole all'interno e all'esterno della cellula. La diffusione semplice e facilitata permettono il passaggio di piccole molecole, mentre il trasporto attivo e vescicolare sono necessari per il trasporto di molecole più grandi e per il mantenimento di gradienti di concentrazione diversi.della concentrazione di soluto, l'incremento del flusso diminuisce fino a che, ad un certo punto, il meccanismo va in saturazione (tutte le molecole di trasportatore sono occupate), per cui ulteriori incrementi di concentrazione non provocano un corrispondente aumento della velocità di diffusione. Abbiamo quindi delle costanti cinetiche analoghe a quelle degli enzimi: la Km, che corrisponde alla concentrazione di soluto in corrispondenza della quale il trasportatore è semisaturo e si ha quando la velocità di trasporto è pari alla velocità semimassimale, e la Vmax, che corrisponde al flusso massimo che quel trasportatore è in grado di garantire attraverso la membrana e dipende dalla quantità di trasportatore presente sulla membrana stessa. Esempi: - L'acqua è una molecola di piccole dimensioni, per cui può passare attraverso la membrana cellulare per diffusione semplice. Tuttavia, poiché l'acqua è una molecola polare, la sua diffusione può essere facilitata da canali proteici chiamati acquaporine. - Alcuni ioni, come il sodio (Na+) e il potassio (K+), sono trasportati attraverso la membrana cellulare da proteine di trasporto chiamate pompe ioniche. Queste pompe utilizzano l'energia fornita dall'ATP per spostare gli ioni contro il loro gradiente di concentrazione. - Alcuni nutrienti, come il glucosio, vengono trasportati attraverso la membrana cellulare da proteine di trasporto chiamate trasportatori di membrana. Questi trasportatori possono essere saturabili e presentano una Km e una Vmax caratteristiche.

molecola polare, questo processo è relativamente lento. La maggior parte