Fisiologia- Trasporto attraverso le membrane

TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO

Nel trasporto attivo primario l'energia viene ricavata direttamente dalla degradazione dell'ATP o di altri composti del fosforo contenenti legami ad alto contenuto energetico.

Pompa sodio-potassio (Na+-K+ ATPasi)

Tra le sostanze che vengono trasferite attraverso il trasporto attivo primario abbiamo ioni Na, K, Ca, H, Cl. Un esempio di trasporto attivo è la pompa sodio potassio, un processo di trasporto attraverso la membrana cellulare che trasferisce ioni sodio all'esterno della cellula e ioni potassio dall'esterno all'interno della cellula. Questa pompa è responsabile del mantenimento delle differenze di concentrazione del sodio e del potassio tra un lato e l'altro della membrana cellulare e contribuisce ad instaurare un potenziale elettrico negativo all'interno delle cellule. Questa pompa ha un ruolo importante nel processo di trasmissione dei segnali nel sistema nervoso. Nella pompa Na -K la proteina trasportatrice

è formata da due sistinte proteine+ +globulari: una più grande, definita subunità α (100.000 Da) e l’altra più piccola detta subunità β(55.000 Da e si ritiene che possa avere un ruolo nell’ancoraggio del complesso proteico nei lipididi membrana).

La subunità α ha 3 caratteristiche:

1. ha 3 siti recettoriali per gli ioni sodio sulla porzione della proteina interna alla cellula;
2. ha 2 siti recettoriali per gli ioni potassio sulla porzione esterna della proteina;
3. la porzione interna della proteina adiacente ai siti recettoriali per il sodio ha attività ATPasica.

La funzione ATPasica viene attivata quando 2 ioni potassio si legano alla porzione esterna dellaproteina trasportatrice e 2 ioni sodio si legano alla porzione interna. Viene scissa una molecoladi ATP con formazione di ADP e liberazione dell’energia immagazzinata in un legame fosforicoad alto contenuto energetico. Questa energia determina poi una

modificazione conformazionale e chimica della molecola della proteina trasportatrice a seguito della quale gli ioni sodio vengono estrusi dalla cellula e gli ioni potassio vengono trasferiti all'interno. La pompa può anche funzionare in direzione inversa. Se il gradiente elettrochimico per il Na-K viene modificato in modo tale che l'energia immagazzinata nei loro gradienti sia maggiore dell'energia chimica di idrolisi dell'ATP, questi ioni si muovono secondo il loro gradiente e la pompa sintetizza ATP da ADP e Pi. La forma fosforilata della pompa può sia cedere fosfato all'ADP per formare ATP sia utilizzare l'energia per cambiare la sua conformazione e pompare Na fuori dalla cellula e K all'interno della cellula. La direzione della reazione enzimatica è controllata dalle concentrazioni relative di ATP, ADP e fosfato e dai gradienti elettrochimici per Na e per il K. Per le cellule nervose il pompaggio del Na all'esterno

e del K all'interno è circa il 60-70% della spesa energetica complessiva. Ad ogni ciclo della pompa si ha un movimento netto di una carica positiva dall'interno all'esterno della cellula. Ne consegue una carica positiva all'esterno della cellula ed un deficit di ioni positivi all'interno della cellula (carica negativa intracellulare). La pompa Na-K è definita elettrogenica poiché grazie a questa si genera una differenza di potenziale elettrico attraverso la membrana cellulare, requisito fondamentale per la trasmissione di segnali. Una delle più importanti funzioni della pompa Na-K è il controllo del volume cellulare. Infatti, in assenza di questa la maggior parte delle cellule del corpo aumenterebbe di volume fino a scoppiare. Il controllo del volume è dovuto al fatto che all'interno della cellula sono presenti molte proteine e altri composti organici che non possono uscire. La maggior parte di

queste sostanze è carica negativamente ed esercita un'attrazione su molti ioni Na e K e altri ioni positivi.

La presenza di queste molecole nella cellula richiama acqua verso l'interno per osmosi che in assenza di controllo causerebbe lo scoppio della cellula. Il meccanismo che impedisce che ciò avvenga è la pompa sodio-potassio che espelle appunto 3 ioni sodio per 2 ioni potassio che entrano.

Inoltre, la membrana è molto meno permeabile agli ioni Na che agli ioni K quindi gli ioni Na una volta espulsi hanno una forte tendenza a rimanere all'esterno della cellula. Si ha quindi una continua perdita di ioni da parte della cellula che promuove un'opposta tendenza osmotica a richiamare acqua verso l'esterno della cellula. Quando una cellula inizia a gonfiarsi si attiva la pompa Na-K che trasferisce ioni all'esterno e per effetto osmotico anche acqua. Questa pompa svolge un ruolo nel mantenimento del normale volume di ogni

cellula.Trasporto attivo primario degli ioni calcio

Un altro meccanismo di trasporto attivo è la pompa del calcio (Ca ATPasi). Gli ioni Ca si trovano in bassa concentrazione a livello intracellulare e in elevata concentrazione a livello extracellulare. Ciò è dovuto all'attività di due pompe: una nella membrana cellulare ed espelle calcio all'esterno della cellula, l'altra invece trasferisce ioni calcio all'interno di uno o più organuli intracellulari (es. reticolo sarcoplasmatico in cellule muscolari e mitocondri in tutte le cellule). La proteina trasportatrice è situata nella membrana ed ha attività ATPasica ed ha siti recettoriali ad alta attività per il calcio.

Trasporto attivo primario degli ioni idrogeno

Sono presenti anche degli importanti sistemi di trasporto attivo di ioni idrogeno (H ATPasi) nelle ghiandole gastriche e nei tubuli distali e nei dotti collettori corticali renali. Le cellule parietali

Le ghiandole gastriche hanno il più potente meccanismo di trasporto di ioni idrogeno in tutto l'organismo. Questo processo è alla base della secrezione di acido HCl dei succhi gastrici. Nella parte secretoria delle cellule parietali la concentrazione di ioni H+ può aumentare anche di 1 milione di volte. Gli ioni idrogeno vengono rilasciati insieme al Cl sotto forma di HCl.

Nei tubuli renali si trovano cellule intercalate situate nelle porzioni più distali dei tubuli e dei dotti collettori corticali. In questo caso grandi quantità di idrogeno vengono secrete nei tubuli per eliminare l'eccesso di ioni idrogeno dai liquidi corporei. Gli ioni idrogeno possono essere secreti nell'urina contro un gradiente di concentrazione di circa 900 volte.

Energetica del trasporto attivo: La quantità di energia necessaria per il trasporto attivo di una sostanza attraverso una membrana dipende da quanto viene concentrata la sostanza durante il trasporto.

Confrontando l'energia necessaria per concentrare una sostanza 10, 100, 1000 volte, la spesa energetica aumenta rispettivamente di 1, 2, 3 volte. L'energia richiesta è proporzionale al logaritmo del grado di concentrazione cui viene portata la sostanza: Energia (in cal x Osm) = 1400 log C / C. Sono necessarie circa 1400 calorie per concentrare 10 volte 1 osmole di una sostanza e circa 2800 calorie per concentrarla 100 volte. Per concentrare sostanze all'interno delle cellule o per eliminarle all'esterno contro un gradiente di concentrazione la spesa energetica può essere enorme. Le cellule dei tubuli renali e molte cellule ghiandolari spendono fino al 90% della loro energia per svolgere queste funzioni di trasporto. TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO. CO-TRASPORTO E CONTRO-TRASPORTO Nel trasporto attivo secondario l'energia deriva da un processo secondario di immagazzinamento energetico sottoforma di un gradiente di concentrazione di altri ioni o molecole tra idue lati dellamembrana, generato da un processo di trasporto primario. Quando gli ioni sodio vengonotrasportati fuori alla cellula con trasporto attivo primario in genere di stabilisce un forte gradientedi concentrazione di sodio con una concentrazione elevata all'esterno ed una bassa concentrazioneall'interno. Questo rappresenta una riserva di energia poiché il sodio accumulato in eccessoall'esterno della membrana cellulare tende a diffondere all'interno. Questa energia di diffusionedel sodio può far si che insieme al sodio si trasferiscano attraverso la membrana cellulare anchealtre sostanze. Si parla di co-trasporto (o simporto) ed è una forma di trasporto attivo secondario.È necessario un meccanismo di accoppiamento che consenta al sodio di trasportare con sé un'altrasostanza e ciò avviene grazie ad un'altra proteina trasportatrice presente nella membranacellulare. In questo caso il trasportatore serve

Come elemento di legame sia per lo ione sodio sia per la sostanza che deve essere co-trasportata. Dopo che entrambi si sono legati, il gradiente di energia dello ione sodio permette che sia lo ione sodio sia l'altra sostanza vengano trasportati insieme all'interno della cellula. Anche nel contro-trasporto (o antiporto) si usa la tendenza degli ioni sodio a diffondere all'interno della cellula per gradiente di concentrazione. In questo caso la sostanza da trasportare si trova all'interno della cellula e deve essere portata all'esterno. Quindi lo ione sodio si lega alla porzione del trasportatore che si estende nella superficie esterna della membrana mentre la sostanza oggetto del contro-trasporto si lega alla porzione interna. Dopo che entrambi si sono legati, si attua una modificazione conformazionale e l'energia degli ioni sodio che si muovono verso l'interno consentono il trasporto dell'altra sostanza verso l'esterno.

Co-trasporto

Il glucosio e molti amminoacidi vengono trasportati nella maggior parte delle cellule controgradiente di concentrazione molto elevato: il trasferimento avviene mediante il meccanismo di co-trasporto. La proteina trasportatrice ha 2 siti di legame esternamente, uno per il sodio e l'altro per il glucosio. La concentrazione degli ioni sodio è alta all'esterno e bassa all'interno e ciò fornisce l'energia per il trasporto. La proteina trasportatrice è caratterizzata dal fatto che la modifica conformazionale che permette il movimento del sodio verso l'interno della cellula non si verifica se prima non si è legata con la proteina anche una molecola di glucosio. Quando sodio e glucosio si sono legati alla proteina, la modifica conformazionale avviene automaticamente ed entrambi vengono trasportati all'interno. È un meccanismo di co-trasporto sodio-glucosio. È importante

soprattutto nel trasporto di glucosio nelle cellule epiteliali, renali ed intestinali. Nel co-trasport