Fisiologia generale

Trasporto di membrana

Quei trasporti che prevedono passaggio di sostanze ai due lati della membrana cellulare, quindi permettono passaggio di sostanze dall'ambiente extra-cellulare verso l'interno della cellula o viceversa. Di fatto, perché questo passaggio avvenga, serve che le sostanze attraversino la membrana plasmatica, costituita dal doppio strato lipidico.

In realtà la membrana plasmatica ha una composizione un po' più complessa, in quanto all'interno del doppio strato lipidico sono immerse moltissime proteine. Alcune proteine possono essere presenti solo sul versante esterno del doppio strato lipidico, altre solo sul versante citoplasmatico e altre invece attraversano per intero il doppio strato lipidico quindi hanno una porzione che sporgerà sul versante esterno e una porzione che invece sporgerà su versante citoplasmatico.

Proteine transmembranarie

Queste proteine che attraversano per intero il doppio strato lipidico sono chiamate proteine transmembranarie. Le proteine transmembranarie possono avere diverse funzioni:

• Fungere da recettore per eventuali ligandi che arrivano da altre cellule e che devono comunicare qualcosa.
• Possono essere enzimi e, una volta attivate, possono avere una loro attività enzimatica intrinseca.

Oltre alle proteine transmembranarie abbiamo le proteine trasportatrici.

Trasporto di molecole

Una regola generale riguardo il trasporto di molecole che attraversano la membrana cellulare è che se questo trasporto richiede energia, quindi la cellula ha bisogno di consumare ATP perché questo trasporto avvenga, quest’ultimo viene chiamato trasporto attivo. Qualsiasi trasporto di molecole in cui non è richiesto un consumo di energia da parte delle cellule è invece chiamato trasporto passivo.

Regole generali che mediano i trasporti

Trasporto attraverso la membrana plasmatica permette passaggio di sostanze dall'interno all'esterno della cellula e viceversa. Quali sono le leggi che decidono la direzione delle sostanze?

Ci sono diverse forze che possono entrare in gioco:

• Forza chimica: Se consideriamo un contenitore diviso in due compartimenti e se in un compartimento abbiamo alta concentrazione di una sostanza e nel secondo compartimento la sostanza è completamente assente, di fatto ci troviamo in una situazione che non è attualmente all'equilibrio, ed è caratterizzata da una zona ad alta concentrazione della sostanza e da una zona a bassa o nulla concentrazione. Una situazione così che non è all'equilibrio viene definita gradiente di concentrazione.

La presenza di un gradiente di concentrazione e quindi di due compartimenti in cui il solido è più altamente concentrato da un lato rispetto all'altro genera una potenziale energia che può essere sfruttata dalla molecola stessa per spostarsi passivamente, ovvero senza consumo di energia.

Ogni volta in cui ci si trova in condizione in cui vi è un gradiente chimico o di concentrazione, il soluto tenderà sempre a spostarsi dalla zona in cui è più altamente concentrato alla zona in cui è a più bassa concentrazione. In questo caso nel pannello A il soluto è più altamente concentrato all’interno della cellula rispetto all’esterno e spontaneamente tende ad uscire dalla cellula. Al contrario, nel pannello B vi è l’esempio in cui un soluto che è altamente concentrato all'esterno della cellula rispetto all'ambiente citoplasmatico tende ad entrare nella cellula.

Man mano che le particelle passano dalla zona a più alta concentrazione a quella a più bassa concentrazione, il numero di particelle nel primo comparto diminuirà e aumenterà nel secondo comparto. Tale situazione di diffusione e passaggio di molecole permane fintanto che la concentrazione nei due comparti non sarà uguale. Nel momento in cui la concentrazione nei due comparti diventa uguale, di fatto abbiamo annullato quello che è il gradiente chimico, che era la forza chimica che spingeva le molecole da un comparto all'altro. Quindi senza consumo di energia tutti i sistemi evolvono verso una situazione di equilibrio. Raggiunto lo stato di equilibrio, senza consumo di energia non ci possiamo spostare da quella situazione.

Una volta raggiunta la condizione di equilibrio, non possiamo dire però che le molecole non si spostano più. A livello biologico niente è fermo, nessuno ione, nessuna molecola sono fermi: Quello che succede è che le molecole sono sempre soggette a spostamenti, ma quando abbiamo un gradiente di concentrazione è più alta la probabilità che tali molecole passino dal comparto ad alta concentrazione a quello a bassa concentrazione. Quando siamo all'equilibrio invece, il numero di particelle che passano dal compartimento di sinistra a quello di destra è probabilisticamente uguale al numero di particelle che si spostano dal compartimento di destra a quello di sinistra. In questo caso, all'equilibrio, si dice che il flusso netto è nullo.

Movimento secondo gradiente

Tornando ad una situazione in cui vi è gradiente di concentrazione, il movimento di molecole che vanno dal comparto più altamente concentrato a quello meno concentrato, è detto movimento secondo gradiente. Siccome questo movimento utilizza l’energia creata dal gradiente stesso, senza consumo di energia, si dice che è passivo.

Al contrario, le poche molecole che si trovano nella zona a più bassa concentrazione, se si dovessero spostare nella zona a più alta concentrazione, si muoverebbero contro gradiente e questo movimento può avvenire, ma a livello biologico avviene soltanto con consumo di ATP, cioè di energia.

Gradienti di concentrazione e gradiente elettrico

A livello biologico abbiamo delle forze chimiche, dei gradienti di concentrazione: il comparto citoplasmatico è ricco di ioni K e il comparto extra-cellulare è più povero in ioni K. Al contrario però l’esterno è ricco in Na mentre ne è povero l’interno.

Per ogni ione abbiamo un gradiente di concentrazione che può avere diversa direzione tra l’interno e l’esterno della cellula. Analizzando la stessa situazione, ci rendiamo conto che gli ioni sono dotati di cariche: molti ioni presenti a livello cellulare hanno carica positiva, altri carica negativa come il cl o anioni più grossi (proteine e residui di DNA a livello citoplasmatico contengono delle cariche negative).

La presenza di sostanze cariche tra interno ed esterno della cellula può determinare non solo un gradiente chimico, ma anche un gradiente elettrico. Le forze elettriche sono le seconde che possono determinare quale è la direzione del flusso e quindi del movimento di sostanze attraverso la membrana.

A livello cellulare succede che nel compartimento interno ed esterno sono disciolti nei liquidi intracellulari ed extracellulari tutti questi ioni che possono portare cariche positive (+) o negative (-). Lontano dalla membrana plasmatica abbiamo distribuzione uniforme delle cariche positive e negative e questo porta alle proprietà fisiche intrinseche delle cariche elettriche: positivo attrae negativo e questo porta a distribuirsi in maniera uniforme.

L’ambiente citoplasmatico, più ricco in cariche negative, ha la proprietà per cui in tutto l'interno della cellula le cariche positive e negative sono disposte equamente, mentre l’eccesso di cariche negative (-) si va a disporre a ridosso del versante citoplasmatico del doppio strato lipidico.

Stessa situazione si verifica sul versante extracellulare, dove vi è eccesso di cariche positive (+), che si vanno a disporre a ridosso del doppio strato lipidico. Questo eccesso di cariche negative all'interno e positive all'esterno crea un gradiente elettrico che ha tanto maggiore potenziale da sfruttare nel trasferimento delle sostanze, tanto maggiore è il numero di cariche in eccesso sul lato esterno ed interno della membrana.

La condizione in cui non vi è gradiente elettrico è quella in cui nell’interno ed esterno della cellula non vi è alcun eccesso di carica: il che vuol dire che le cariche sono equamente distribuite senza alcun accumulo a ridosso dei lati della membrana plasmatica. Questo accumulo di cariche negative all’interno della cellula fa in modo che quest’ultima abbia una polarità negativa rispetto all'esterno.

Potenziale di membrana

Per convenzione l'ambiente esterno della cellula si considera come 0 mVolt, quindi come valore di riferimento. Quando abbiamo una cellula in condizioni di riposo, generalmente il suo interno si trova intorno a -70 mVolt, nel momento in cui per convenzione il potenziale extracellulare equivale a 0 mVolt. Tale valore di -70 mVolt è chiamato potenziale di membrana, perché è il valore di potenziale che assume la membrana plasmatica.

Spesso si fa riferimento anche al termine differenza di potenziale tra l’interno e l’esterno. Siccome l’esterno per convenzione è 0 mVolt, la differenza di potenziale rispecchia il valore di potenziale di membrana. Il fatto che all’interno della membrana plasmatica, quindi sul versante citoplasmatico, la cellula abbia un potenziale di membrana di -70 mVolt, vuole dire che la cellula è polarizzata, ovvero ha una polarità.

Questa polarità si può misurare appoggiando degli elettrodi in grado di misurare le differenze di potenziale, in cui l’elettrodo che deve misurare il valore viene appoggiato sulla membrana cellulare, l’elettrodo di riferimento è messo nell’ambiente extracellulare e ci fornisce il nostro zero.

Il nostro sistema è in grado di misurare la differenza di potenziale tra interno ed esterno della cellula: quello che si registra è una traccia che si trova a 0mVolt finché l’elettrodo non tocca la cellula. Appena l’elettrodo tocca la cellula, da subito si ha una regressione negativa, che corrisponde al potenziale della membrana.

Il potenziale di membrana o comunque il potenziale che la membrana assume in un determinato momento va a determinare le forze elettriche che possono andare ad influire sul movimento di specie cariche dall’esterno all’interno della cellula o viceversa.

Una carica positiva posta nell’ambiente extracellulare verrà attratta verso l’interno della cellula che porta una carica negativa, quindi per attrazione di cariche. Al contrario, un eventuale carica negativa all’interno della cellula più spontaneamente verrà esternata poiché attratta dalla carica positiva che si trova all’esterno della cellula.

A livello biologico quello che succede è che le forze chimiche ed elettriche vanno entrambe a determinare e ad influire sulla direzione del flusso di molecole attraverso la membrana plasmatica. E dal punto di vista matematico avviene la somma delle due componenti: la forza totale che va a spingere una molecola da una parte all’altra della membrana plasmatica è detta forza elettromotrice ed è data dal gradiente elettrochimico a sua volta dovuto alla somma del gradiente chimico e del gradiente elettrico.

Ione K

Concentrazione 150 mmol all’interno della cellula e 5 mmol all’esterno della cellula e porta una carica positiva. Punto di vista chimico: il gradiente chimico del K spinge il K dall’interno all’esterno della cellula. Punto di vista elettrico: il gradiente elettrico tende a portare il K dall’esterno all’interno della cellula: spinge lo ione in direzione opposta rispetto al gradiente chimico.

Questo ione si sposta nella direzione della forza che prevale, quindi se la F chimica è prevalente sulla F elettrica, il movimento netto di ioni K va dall’interno all’esterno della cellula. Questo è ciò che si verifica in quasi tutte le condizioni fisiologiche. Ma se noi artificialmente aumentiamo il valore negativo all’interno della cellula e la portiamo a -100mVolt, andiamo ad aumentare enormemente la forza elettrica che spingerebbe lo ione dall’esterno all’interno, senza però aver modificato le concentrazioni di K nei due ambienti: di fatto quindi la F chimica rimane uguale a prima.

La F elettrica invece risulta maggiore come valore assoluto alla F chimica ma di segno contrario, quindi prevale e porta gli ioni K dall’esterno all’interno. Per fare questo però abbiamo dovuto portare artificialmente la cellula a -100 mVolt. Giocando su F chimica e F elettrica la direzione del flusso può essere direzionata verso interno o esterno. Anche in questo caso è possibile avere una condizione di equilibrio: F Chimica uguale e contraria alla F elettrica. (F chimica = - F elettrica)

Considerando il fatto che la F chimica non andiamo a variarla artificialmente, per raggiungere condizione di equilibrio occorre cambiare il potenziale di membrana per fargli raggiungere un valore per cui risultino le due forze uguali e contrarie. Il valore di potenziale che la membrana deve assumere perché la F chimica e F elettrica siano uguali e contrarie e quindi il gradiente elettrochimico sia nullo, è chiamato potenziale di equilibrio per quel particolare ione. Il potenziale di equilibrio per lo ione K è intorno ai -90 mVolt.

Esiste un'equazione chiamata equazione di Nernst che permette di calcolare qual è il potenziale di equilibrio per ogni particolare ione presente a livello cellulare. Tale equazione è data da alcune costanti legate alla temperatura, alla valenza è legata al logaritmo della differenza di concentrazione del particolare ione di cui stiamo calcolando l'equilibrio fra i due lati della membrana.

Il potenziale di equilibrio degli ioni è diverso poiché caratterizzato da concentrazioni citoplasmatiche ed extracellulari che sono diverse per ogni ione. Quindi il potenziale di equilibrio per il K è intorno ai -90 mVolt mentre il potenziale di equilibrio per il Na è intorno ai +60 mVolt.

Velocità di attraversamento della membrana

La velocità con cui una sostanza attraversa la membrana è chiamata flusso ed è indicata come numero di particelle in unità di tempo. In realtà, per energia termica intrinseca ad ogni molecola, ci sarà sempre spostamento di particelle in entrambe le direzioni, ma dal punto di vista biologico ci interessa il flusso netto, ovvero la prevalenza di soluto che si sposta in una direzione piuttosto che in quella opposta.

Tipi di trasporto a livello della membrana plasmatica

Questi possono essere divisi in alcuni tipi di categorie:

• Trasporti passivi: di cui fanno parte i canali ionici e la diffusione facilitata (non richiedono consumo di energia).
• Trasporti attivi: di cui fanno parte il trasporto attivo primario e il trasporto attivo secondario.

Trasporto passivo: diffusione semplice

Passaggio di sostanze attraverso il doppio strato fosfolipidico. Avviene sempre secondo gradiente di concentrazione: dalla zona in cui il soluto è più concentrato alla zona in cui è meno concentrato. Non coinvolge specie cariche, quindi le forze elettriche non entrano in gioco.

La diffusione semplice si arresta nel momento in cui si è raggiunto l'equilibrio, ovvero la stessa concentrazione di soluto ai due lati della membrana plasmatica. Il flusso netto (velocità delle molecole) per diffusione semplice aumenta linearmente con l'aumentare del gradiente di concentrazione: più alta è la differenza di concentrazione tra i due comparti, più alta è l'energia che sposta le molecole e quindi più velocemente tali molecole si spostano.

Nella situazione intermedia (in cui non tutte le molecole si sono spostate da un compartimento all'altro) il gradiente di concentrazione è diminuito, e quindi la velocità di flusso è più bassa rispetto alla situazione iniziale. Ovviamente una sostanza è in grado di passare dalla zona in cui è più altamente concentrata a quella in cui è meno concentrata nel momento in cui è in grado di diffondere attraverso la membrana plasmatica ovvero il doppio strato fosfolipidico. Nel momento in cui la membrana non è permeabile ad un particolare soluto, anche se c'è un gradiente di concentrazione questo non può essere sfruttato e non avverrà diffusione.

Trasporto passivo: diffusione facilitata

Diffusione di sostanze per mezzo di proteine trasportatrici chiamate “carrier”.

Esempio: trasportatore del glucosio, disposto in modo da legare il glucosio dal versante extracellulare della membrana plasmatica. Nel momento in cui il glucosio si lega, il trasportatore subisce una modificazione conformazionale che lo rende in grado di rilasciare il glucosio dal versante opposto della membrana, ovvero sul versante citoplasmatico. Una volta che il trasportatore ha rilasciato il glucosio, subisce nuovamente una modificazione conformazionale che lo fa tornare alla situazione iniziale in cui è in grado di legare il glucosio dal versante extracellulare. Il trasportatore del glucosio porta sempre il glucosio dall'esterno verso l'interno della cellula.

La diffusione facilitata fa in modo che la velocità di trasporto delle molecole utilizzando proteine carrier aumenti con l'aumentare del gradiente di concentrazione del soluto da trasportare, fino a raggiungere una situazione di saturazione, ottenuta nel momento in cui tutti i trasportatori sono occupati da molecole di glucosio. Quindi un ulteriore aumento di glucosio da trasportare di fatto non è in grado di aumentare la velocità di trasporto perché tutti i trasportatori stanno lavorando a pieno regime.

Trasporto passivo: diffusione attraverso canali ionici

Sono proteine transmembranarie che hanno la particolarità di contenere un poro canale all'interno della proteina. La sezione dall'alto permette di vedere la proteina canale che è costituita da tante subunità distribuite in modo da creare e lasciare un poro centrale all'interno, attraverso il quale sono in grado di passare le specie ioniche.

Trasporti attivi

Avvengono contro gradiente di concentrazione e con consumo di energia. Sono divisi in due categorie:

• Trasporti attivi primari: utilizzano particolari proteine chiamate “ponte” che hanno una duplice funzione.