Citologia - trasportatori e canali

classi: I TRASPORTATORI ED I CANALI.

I TRASPORTATORI sono proteine integrali di membrana che subiscono delle modificazioni

allosteriche, in conseguenza delle quali queste proteine sono capaci di aprirsi e formare una

cavità particolare verso il lato intracellulare e quello extracellulare della membrana. Questo

serve alla molecole organiche o allo ione per poter essere trasportato perché il trasportatore legherà

la molecola da trasportare e la rilascerà dal lato opposto.

I CANALI sono sempre proteine trans-membrana che formano una cavità attraverso la

membrana. Le porine formano un poro di varia dimensione, ma molti canali sono specifici e fanno

passare un solo ione o l’acqua (acquaporine).

A differenza del trasportatore, che deve subire un cambiamento allosterico per consentire alla

molecola di passare, il canale forma un poro per cui la molecola lo attraversa semplicemente e

lo fa in condizioni particolari, per essere selettivo.

IL trasporto mediato da queste proteine segue delle logiche dovute a fenomeni di pura chimica-

fisica.

Consideriamo un caso semplice di molecole che non possiedono una carica, come gli zuccheri. Lo

zucchero seguirà un gradiente di concentrazione; spontaneamente un soluto tenderà a diffondere

verso il comparto dove è meno presente. Se è libero di diffondere, diffonderà dove è meno diffuso,

se è più concentrato extracellularmente, ad esempio, tenderà ad entrare attraverso il doppio strato

lipidico.

Questa caratteristica è usata per il TRASPORTO PASSIVO, che può avvenire con canali o

trasportatori e praticamente avviene quando una molecola segue il proprio gradiente chimico.

In determinate situazioni è necessario mobilizzare il glucosio da determinate cellule che lo

contengono e fungono da riserva; è necessario riversarlo nel sangue. A volte bisogna pomparlo in

una direzione opposta, da dove è meno concentrato a dove è più concentrato. Ciò è vero per

sostanze tossiche, prodotti cataboliti che sono più concentrati nella cellula.

Una delle cose che la cellula fa è l'andare contro gradiente ed espellere, ad esempio, gli ioni Ca++,

che devono essere presenti nella cellula. Per farlo è necessario un TRASPORTO ATTIVO che

richiede energia. È come se spostassimo qualcosa e avessimo una forza contraria che preme; come

quando prendiamo un pallone e lo immergiamo in acqua ed esso tende a tornare su per la spinta di

Archimede.

Oltre a quello chimico c’è anche il gradiente elettrico. Gli ioni non solo si muovono cercando di

uniformare la concentrazione ma si muoveranno anche attratti da cariche elettriche opposte alla

loro. All’interno della cellula c’è una carica elettrica tendenzialmente negativa. Lo ione Ca++ ed il

Na+ sono favoriti ad entrare non solo seguendo il gradiente chimico perché effettivamente sono

molto meno concentrati, ma anche perché all’interno c'è una carica - .Il K+ tende a restare in virtù

della carica negativa presente nella cellula. Meno facilmente tende ad uscire dalla cellula il K+

anche se il gradiente chimico lo porterebbe ad uscire. La cellula non ha difficoltà a regolarizzare

l’ambiente ionico del K+, ma deve operare attivamente per pompare fuori Ca+ e Na+, che altrimenti

entrerebbero.

I TRASPORTATORI E I CANALI

Come avviene il trasporto:

- si parla di UNIPORTO quando il trasportatore opera il trasporto di una singola molecola; di un

singolo tipo di molecola, non necessariamente di una singola molecola. Potrebbe anche trasportare

cinque o sei molecole contemporaneamente ma tutte dello stesso tipo;

- si parla di SIMPORTO quando il trasportatore trasporta insieme due molecole (o uno ione e una

molecola, o due ioni assieme); due tipi diversi di molecole. Nel simporto ambedue le molecole sono

trasportate nella stessa direzione. Per esempio: il GLUCOSIO è catturato dal trasportatore insieme

con lo ione Na+ dall’esterno della cellula, il trasportatore subisce cambiamento di conformazione e lo

ione Na+ e la molecola di glucosio vengono quindi rilasciati all’interno della cellula;

- si parla di ANTIPORTO quando i due tipi di molecole viaggiano in direzioni opposte. In questo caso

il trasportatore ne lega prima una, potrebbe legare una molecola sul lato extracellulare, questo

produce un cambiamento di conformazione quindi il trasportatore chiude il contatto con la parte

extracellulare per aprire la parte intracellulare, si lega l’altra molecola nel lato citoplasmatico e viene

rilasciata quella che si era legata nell’ambiente extracellulare. Questo produce di nuovo un

cambiamento di conformazione e quindi il trasportatore ritorna ad aprirsi verso l’ambiente

extracellulare e questo permette il rilascio della seconda molecola in quest’ambiente.

Questo tipo di trasporto è chiamato trasporto facilitato. È facilitato rispetto alla diffusione passiva attraverso

la membrana. Questo è un confronto tra il trasporto facilitato del

glucosio e la diffusione passiva. Anche il glucosio,

come gli ioni, riesce a passare attraverso la

membrana ma ciò avviene con una progressione

molto lenta. La diffusione passiva attraverso la

membrana è di fatto irrilevante. Anche aumentando di

molto la concentrazione di glucosio all’esterno della

membrana, la concentrazione interna (uptake) non è

mai elevata.

Il trasporto facilitato (mediato da un trasportatore) è

molto efficiente a basse concentrazioni esterne di

glucosio e poi raggiunge un plateau. Questo perché

tale trasporto avviene grazie a delle molecole che

hanno delle superfici in grado di interagire con il

glucosio. Quando la concentrazione esterna del

glucosio è troppo elevata, dato che c’è un numero finito di trasportatori sulla membrana, questi andranno a

saturarsi.

Quando questi si saturano, quando tutti i siti di legame per il glucosio saranno occupati, pur aumentando la

quantità di glucosio in ambiente extracellulare, non si potrà avere un numero maggiore di trasportatori

occupati da glucosio. Essendo finito il numero di trasportatori, la capacità di trasporto attraverso il doppio

strato lipidico arriva ad un plateau e quindi il trasporto facilitato può essere molto efficiente solo fino ad un

determinato livello di concentrazione.

Si definisce come costante di mobilità (Km) attraverso la membrana mediata dal trasportatore, la metà

della Vmax (metà del valore di plateau). È la concentrazione del soluto trasportato per cui si ottiene la metà

della Vmax raggiungibile da quel trasportatore per quel soluto.

TRASPORTO FACILITATO DEL GLUCOSIO

Il trasporto facilitato del glucosio è operato da due trasportatori; esistono trasportatori in uniporto che

funzionano legando il glucosio nel sito extracellulare, questo porta al cambiamento di conformazione per cui

il glucosio è fatto passare all’interno e da questo ambiente interno del trasportatore poi il glucosio può essere

scambiato con l’ambiente citoplasmatico. Il trasportatore ritorna in uno stato di conformazione atto a poter

ricevere, nell’ambiente extracellulare, una nuova molecola di glucosio.

Esistono, inoltre, trasportatori in simporto con l’Na+: la cellula usa il gradiente elettrochimico dell’Na+

(elettrico perché c’è una polarizzazione della membrana e quindi l’Na+ contribuisce a dare una carica netta

positiva all’ambiente extracellulare; chimico perché la concentrazione di Na+ è maggiore all’esterno della

cellula) per promuovere e velocizzare il trasporto del glucosio. Utilizza, quindi, dei trasportatori che legano

contemporaneamente due ioni Na+ e una molecola di glucosio; entrambe le specie chimiche sono

trasportate nel lato intracellulare.

ESEMPIO D TRASPORTATORE IN ANTIPORTO

Trasportatore in antiporto: PROTEINA AE1

Trasporta lo ione bicarbonato HCO3- e lo ione cloro Cl-.

Lo ione bicarbonato è un altro ione fondamentale per la vita della

cellula pertanto deve essere costantemente controllato.

Tale ione regola contemporaneamente:

- il pH della cellula;

- la concentrazione di anidride carbonica CO2;

Lo ione bicarbonato si forma mediante reazione tra l’anidride carbonica

e l’acqua.

Tale reazione avviene spontaneamente ma è ulteriormente favorita

dall’enzima ANIDRASI CARBONICA. Come tutti gli enzimi anche

l’anidrasi carbonica può lavorare sia in una direzione che nell’altra (è

un catalizzatore) .

I trasportatori non sono enzimi, in quanto non fanno avvenire delle

reazioni chimiche, ma hanno delle proprietà simili a quelle degli enzimi.

I trasportatori, in effetti, hanno la caratteristica di poter trasportare le

molecole sia in un senso che nell’altro; la direzione con cui avviene il

trasporto mediante il trasportatore non è data dal trasportatore ma

dalle concentrazioni delle molecole che devono essere trasportate.

In figura: esempio del GLOBULO ROSSO

È mostrato un sistema integrato che serve per il trasporto dell’ossigeno O2 e dell’anidride carbonica CO2 da

parte del globulo rosso.

L’O2 è catturato dai globuli rossi tramite una molecola proteica: l’emoglobina. Il legame all’O2 avviene

attraverso un gruppo funzionale, legato all’impalcatura proteica, che è il GRUPPO EME. La capacità di

legare l’ossigeno è modificata dal pH dell’ambiente in cui si trova l’emoglobina; in ambiente con pH basso,

quindi con elevato numero di ioni H+, l’emoglobina tende a rilasciare l’ossigeno. In ambiente con pH più

elevato, invece, l’emoglobina tende a trattenere l’ossigeno. Questo viene combinato con la capacità del

globulo rosso a trattenere l’anidride carbonica. L’anidride carbonica, infatti, penetrando dentro il globulo

rosso reagisce con l’acqua tramite l’intervento dell’anidrasi carbonica; tale reazione produce lo ione

bicarbonato HCO3- e uno ione H+. Lo ione idrogeno interagisce poi con l’emoglobina sfavorendo il legame

con l’ossigeno. Quando il globulo rosso si trova in un ambiente ricco di CO2, questa spontaneamente entra

nel globulo rosso ed è trasformata in uno ione bicarbonato favorendo il rilascio dell’ossigeno; lo ione

bicarbonato non deve accumularsi all’interno del globulo rosso perché in tal caso tamponerebbe il protone. Il

globulo rosso lo elimina tramite antiporto con il Cloro (Cl-). Quando il globulo rosso arriva, tramite la

circolazione sanguigna, nei capillari polmonari degli alveoli, dove la concentrazione di O2 è elevata e la

concentrazione di CO2 è relativamente bassa rispetto al resto del corpo, si ha la spontanea conversione di

ioni bicarbonato in anidride carbonica. Gli ioni HCO3- ancora presenti nel globulo rosso sono quindi<