Cellule e organelli

TRASPORTO ATTIVO

La diffusione facilitata, seppur avviene per mezzo di proteine di membrana, rende consto solo del trasporto

delle molecole verso l’equilibrio, cioè avviene solo secondo gradiente; tale processo è quindi esoergonico.

Molte sostanze invece necessitano di un trasporto contro gradiente e quindi richiedono di un trasporto

attivo. Tale processo è endoergonico e richiede sempre impiego di energia (solitamente l’idrolisi dell’ATP).

Tale tipologia di trasporto assolve a tre funzioni fondamentali:

• Assorbimento di sostanze nutritive dall’esterno, anche quando la loro concentrazione interna è

molto alta

• Secrezione di sostanze di rifiuto

• Mantenimento delle concentrazioni intracellulari di ioni inorganici specifici, tra cui

. Questo stato stazionario di non equilibrio è fondamentale per la vita della

cellula.

Le proteine di membrana coinvolte nel trasporto attivo sono spesso chiamate pompe. In base alla fonte di

energia, il trasporto attivo viene considerato diretto (primario) o indiretto (secondario): 20

Trasporto attivo diretto

A seconda della localizzazione, della struttura e del meccanismo di distinguono quattro generali tipi di

ATPasi di trasporto:

• ATPasi di tipo P: (P = fosforilazione) sono una famiglia di proteine che vengono fosforilate in

maniera reversibile dall’ATP durante il meccanismo del trasporto. Esse sono site nella membrana

citoplasmatica . esistono differenti di P-ATPasi, tra cui la nota come pompa

(sodio potassio).

• ATPasi di tipo V: (V = vacuolo) pompano protoni in organelli quali vescicole, vacuoli, lisosomi,

endosomi e complesso di Golgi. Sono formate da due componenti, a loro volta suddivise in più

subunità.

• ATPasi di tipo F: (F = fattore) sono presenti nei batteri, nei mitocondri e nei cloroplasti e sono

implicate anch’esse nel trasporto di protoni. Sono formate da due componenti comprendenti più

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subunità. Le F-ATPasi sfruttano, come detto, l’energia proveniente dall’idrolisi dell’ATP; tuttavia

esse possono comportarsi come ATP sintetasi fornendo l’energia necessaria alla sintesi dell’ATP

mediante il flusso esoergonico di protoni durante la respirazione cellulare e la fotosintesi.

• ATPasi di tipo ABC: ampia famiglia di proteine collocate in vari tipi di membrana. Sono contenute in

tutti gli organismi. Possono fungere sia da importatori che da esportatori.

ESEMPIO: Pompa sodio-potassio

La pompa sodio-potassio, o pompa Na+/K+ ATPasi, rappresenta il tipico esempio di trasporto attivo ed è,

allo stesso tempo, un fondamentale argomento per la comprensione di altri eventi fisiologici tra cui la

trasmissione del segnale elettrico. Essa richiede, per funzionare, l’idrolisi di una molecola di ATP; la reazione

di ossidazione avviene a livello di una zona della proteina localizzata nel versante intracellulare. Lo scopo

funzionale della pompa sodio potassio è di far uscire il sodio dalla cellula e permettere al potassio di

entrarvi. La concentrazione intracellulare del sodio è, grazie anche al lavoro svolto dalla proteina in

questione, relativamente bassa al contrario della concentrazione di potassio che si mantiene su livelli più

apprezzabili. Questa proteina possiede una sua direzionalità intrinseca: gli ioni potassio sono sempre

pompati all’interno, mentre gli ioni sodio all’’esterno. Si tratta di una proteina allosterica, che assume

conformazioni diverse a seconda che deve legarsi al sodio o al potassio.

Meccanismo:

a) Legame di tre ioni sodio al sito intracellulare della pompa con conseguente fosforilazione della

subunità alfa dell’enzima da parte dell’ATP

b) Cambiamento conformazionale; la proteina rilascia all’esterno i tre ioni sodio.

c) a pompa è ora aperta esternamente verso gli ioni potassio, che si legano alla subunità

provocandone la defosforillazione.

d) La proteina libera gli ioni potassio all’interno e torna alla conformazione iniziale., pronta ad

accettare altri ioni sodio. 22

Trasporto attivo indiretto

Il trasporto attivo indiretto è guidato dal

movimento di uno ione secondo il suo

gradiente elettrochimico (solitamente ioni

sodio nelle cellule animali e protoni in

tutte le altre). Il trasporto di amminoacidi

e zuccheri secondo questa modalità è

considerato un trasporto attivo indiretto,

perché non trainato dall’idrolisi dell’ATP,

anche se va considerato che il continuo

pompaggio verso l’esterno di ioni sodio

mediante la pompa sodio-potassio

richiede molta energia. Ecco perché si

tratta di una forma di trasporto attivo

indiretto.

ESEMPIO: Simporto

Benché il glucosio viene trasportato mediante diffusione facilitata, le cellule epiteliali che tappezzano

l’intestino contengono delle proteine di trasporto che le rendono capaci di assumere glucosio e

amminoacidi anche quando le loro concentrazioni esterne sono molto più basse di quelle interne. Il

trasporto è reso possibile grazie al contemporaneo passaggio degli ioni sodio secondo il loro gradiente.

Questi trasportatori di glucosio sodio-dipendenti sono detti anche proteine SGLT. 23

1) Il processo ha inizio con il legame di due ioni sodio extracellulari ai loro siti sul trasportatore per

simporto, che è aperto sul lato esterno della membrana.

2) Una molecola di glucosio dunque si lega al sito, provocando un cambiamento conformazionale che

espone gli ioni sodio e la molecola di glucosio sulla superficie interna della membrana.

3) Qui i due ioni sodio si dissociano, in seguito alla bassa concentrazione intracellulare di tali ioni.

4) Anche il glucosio si dissocia.

5) Il trasportatore torna alla sua conformazione precedente. 24

IL CITOSCHELETRO

il citoscheletro è una complessa rete di filamenti proteici che si riorganizza continuamente e rappresenta una

struttura assai dinamica. È quasi totalmente assente nei batteri. Le principali funzioni del citoscheletro sono: 25

• Organizzazione spaziale del citoplasma

• Movimento intracellulare degli organelli

• Segregazione dei cromosomi durante la divisione cellulare

• Citocinesi

• Movimento delle cellule sul substrato

• Contrazione muscolare

I tre principali elementi strutturali del citoscheletro sono i microtubuli, i microfilamenti e filamenti intermedi.

Ciascuno di questi elementi ha dimensioni, struttura e distribuzione cellulare diverse, ed è formato dalla

polimerizzazione di diversi monomeri o dimeri. La maggior parte delle cellule assemblano e disassemblano in modo

dinamico tali strutture, polimerizzando o depolimerizzandole varie unità di cui sono composte.

MICROTUBULI

I microtubuli sono gli elementi più grossi del citoscheletro e sono presenti

in tutte le cellule. Si dividono principalmente in due gruppi:

• Microtubuli citoplasmatici: mantengono la forma polarizzata della cellula

e formano il fuso mitotico e meiotico durante la divisione cellulare.

Contribuiscono inoltre alla disposizione nello spazio e al movimento di

vescicole e organelli, creando un sistema di fibre guida per il loro

movimento (come se fossero delle “rotaie”).

• Microtubuli assonemali: si trovano in strutture cellulari altamente

specializzate e associate al movimento, quali le ciglia, i flagelli e i corpi

basali a cui tali strutture sono attaccate. Tale strutture hanno funzione

portante e prendono il nome di assonema.

Al microscopio elettronico i microtubuli appaiono come strutture cilindriche di

25nm di diametro esterno e 15nm di diametro interno. In sezione longitudinale

appaiono invece come bastoncelli di lunghezza variabile (20-60 m). I microtubuli

sono formati da fasci longitudinali di polimeri lineari detti protofilamenti (in genere 13) arrotolati attorno a una cavità

detta lume. In realtà alcuni microtubuli possono contenere anche doppietti o tripletti cilindrici.

tubulina

La subunità base di ogni protofilamento è un eterodimero della proteina globulare tubulina, un dimero di 110 KDa

formato da una molecola di tubulina alfa (α) e una di tubulina beta (β). Ogni dimero di tubulina presenta tre domini:

• Un dominio ammino-terminale cui è legato il GTP

• Un dominio centrale che lega la colchicina

• Un dominio carbossi-terminale che interagisce con le proteine legate ai microtubuli

All’interno del microtubulo, i dimeri di tubulina sono polimerizzati sempre con lo stesso orientamento, determinando

una polarità intrinseca della struttura. Conseguenza di ciò è che un’estremità polimerizza più velocemente rispetto

all’altra; l’estremità in crescita rapida è detta estremità positiva, mentre l’altra è definita estremità negativa.

Instabilità dinamica

Il GTP legato alla tubulina β è idrolizzato a GDP quando l’eterodimero si associa a un microtubulo. è stato dimostrato

inoltre che alcuni microtubuli possono polimerizzare mentre altri depolimerizzano. Questo fenomeno è alla base del

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modello dell’instabilità dinamica dei microtubuli, che prevede l’esistenza di due tipi di popolazioni di microtubuli, una

che cresce per polimerizzazione in lunghezza all’estremità positiva, e l’altra che si accorcia per depolimerizzazione. Ciò

che distingue queste due popolazioni è la presenza di un cappuccio di GTP associato all’estremità positiva, che ne

determina la continua crescita; l’estremità che si accorcia lega invece il GDP. L’instabilità dinamica dei microtubuli è

quindi dovuta alla presenza del cappuccio di GTP.

Oltre che dalla polarità intrinseca, la dinamicità (velocità di polimerizzazione) dei microtubuli è influenzata anche

dalla concentrazione di tubulina libera: maggiore è la concentrazione di tubulina libera, maggiore sarà la

polimerizzazione. Tale concentrazione viene adeguatamente regolata dalla cellula in base ai suoi bisogni. I microtubuli

crescono quando la tubulina libera supera la concentrazione critica, mentre depolimerizzano quando la

concentrazione di tubulina è minore di quella critica. Quando il livello di polimerizzazione e di depolimerizzazione si

eguagliano, si dice che i microtubuli sono in fase di stabilizzazione.

Centro di organizzazione dei microtubuli

I microtubuli originano da una struttura cellulare detta centro di

organizzazione dei microtubuli (MTOC). Gli MTOC sono

fondamentali per organizzare la disposizione dei microtubuli nelle

cellule. Essi sono quindi responsabili della nucleazione e

dell’ancoraggio dei microtubuli, i quali si estendono dai MTOC alla

periferia, con le estremità positive rivolte verso questa e ancorate ai

MTOC mediante le estremità negative. Gli MTOC influenzano anche il

numero di microtubu