Fisiologia- Trasporto attraverso le membrane

TRASPORTO DI SOSTANZE ATTRAVERSO LA MEMBRANA CELLULARE

Il liquido extracellulare contiene molto Na e poco K e anche molto Cl mentre si ha il contrario nel

liquido intracellulare. La concentrazione di fosfati delle proteine è

superiore nel liquido intracellulare. La membrana cellulare è

costituita da un doppio strato fosfolipidico che non è miscibile né

con il liquido extracellulare né con quello intracellulare e quindi

funge da barriera al passaggio delle molecole di acqua e delle

sostanze idrosolubili tra i due compartimenti liquidi. Alcune

sostanze però possono penetrare questo strato fosfolipidico

(sostanze lipofile) per entrare o uscire dalla cellula passando

direttamene attraverso la matrice lipidica stessa della membrana.

Le molecole proteiche della membrana sono caratterizzate da

proprietà di trasporto completamente differenti e interrompono la

continuità del doppio strato fosfolipidico, rappresentando una via

alternativa di passaggio attraverso la membrana cellulare. Svolgono

quindi la funzione di proteine di trasporto. Tra queste ci sono le

proteine canale che contengono spazi acquosi che si estendono

attraverso tutta la molecola permettendo il libero movimento di ioni

o molecole e abbiamo anche le proteine trasportatrici (carrier) che

si combinano prima con le sostanze destinate ad essere trasportate e poi mediante modificazioni

conformazionali della struttura proteica, operano il trasferimento di queste sostanze negli interstizi

della proteina stessa verso l’altro lato della membrana. Le proteine di trasporto sono entrambe

selettive nei confronti del tipo o dei tipi di molecole o ioni ai quali consentono il passaggio attraverso

la membrana. Il passaggio di ioni o molecole attraverso la membrana cellulare,

sia direttamente attraverso il doppio strato fosfolipidico, sia

attraverso le proteine avviene secondo due meccanismi

fondamentali: diffusione (movimento molecolare del tutto casuale

sia attraverso spazi intermolecolari della membrana sia in

combinazione con proteine trasportatrici. L’energia per la

diffusione è l’energia cinetica della materiale) e trasporto attivo

(movimento di ioni o di altre sostanze attraverso la membrana in

combinazione con una proteina trasportatrice che fa muovere le

sostanze contro un gradiente di concentrazione ad un livello più alto. Questo richiede un apporto

energetico addizionale, oltre all’energia cinetica posseduta dalle molecole della sostanza.

DIFFUSIONE

Nei liquidi dell’organismo tutti gli ioni e le molecole dell’acqua e

delle sostanze in soluzione sono in costante movimento; ogni

particella si muove seguendo una sua propria direzione. Il

movimento di queste particelle viene definito calore e tale

movimento non si arresta mai, eccetto alla temperatura

corrispondente allo zero assoluto. Maggiore è il movimento

maggiore sarà la temperatura. Quando una molecola A, in

movimento si avvicina ad una molecola B, stazionaria, le forze

elettrostatiche e le forze nucleari della molecola A respingono la

molecola B, trasferendole parte della propria energia cinetica. La molecola B di conseguenza

acquisisce energia cinetica e accelera il suo movimento, mentre la molecola A perde parte della

propria energia cinetica e rallenta il suo movimento. Nella figura 4.3 una molecola in soluzione va

rimbalzando tra le altre molecole nelle varie direzioni spostandosi a caso. Questo continuo

movimento molecolare nei liquidi e nei gas si definisce diffusione. Le particelle colloidali diffondono

ad una velocità minore a causa a delle maggiori dimensioni rispetto alle molecole e agli ioni.

DIFFUSIONE ATTRAVERSO LA MEMBRANA CELLULARE

Può avvenire mediante due processi che sono la diffusione semplice e

la diffusione facilitata. La diffusione semplice è il movimento di

molecole o di ioni attraverso un’apertura della membrana o spazi

intermolecolari, senza alcuna interazione con proteine trasportatrici

presenti nella membrana stessa. La velocità di diffusione è

determinata dalla quantità di sostanza disponibile, dalla velocità di

movimento e dal numero e dalle dimensioni delle aperture nella

membrana cellulare attraverso le quali le molecole o gli ioni possono

muoversi. La diffusione semplice di una sostanza può avvenire

attraverso gli interstizi del doppio strato lipidico se è una sostanza

liposolubile e attraverso canali acquosi che si trovano all’interno di

alcune grandi proteine di trasporto. La diffusione facilitata richiede

l’interazione con una proteina, che agevola il passaggio delle molecole o degli ioni attraverso la

membrana, combinandosi chimicamente con essi e trasferendoli sotto questa forma attraverso la

membrana.

Diffusione di sostanze liposolubili attraverso il doppio strato fosfolipidico

Uno dei fattori più importanti che determina la rapidità di diffusione di una sostanza attraverso il

doppio strato fosfolipidico è la liposolubilità della sostanza stessa. L’ossigeno, l’azoto, l’anidride

carbonica e gli alcol sono molto solubili e possono sciogliersi direttamente nel doppio strato

fosfolipidico e possono sciogliersi direttamente nel doppio strato lipidico e passare attraverso la

membrana cellulare attraverso una diffusione, esattamente come si verifica quando due soluti

idrosolubili diffondono in soluzione acquosa. La velocità di diffusione è direttamente proporzionale

alla loro liposolubilità. L’ossigeno attraversa la membrana in questo modo in quantità molto

elevate, affluendo facilmente all’interno della cellula.

Diffusione dell’acqua e di altre molecole non liposolubili attraverso i canali proteici

L’acqua non è solubile nei lipidi di membrana, ma passa molto bene attraverso canali proteici che

penetrano l’intero spessore della membrana. Molte delle membrane dell’organismo contengono

pori costituiti da proteine dette “acquaporine”, che permettono il passaggio rapido e selettivo

dell’acqua attraverso la membrana. Le acquaporine sono altamente specializzate e nei mammiferi

ne esistono 13 tipi differenti caratterizzate da uno stretto diametro che permette alle molecole di

acqua di diffondere attraverso la membrana una alla volta. Il poro è invece troppo piccolo per il

passaggio degli ioni idratati. La densità di alcune acquaporine, ad esempio l’acquaporina2, nelle

membrane cellulari non è stabile ma varia in base alle condizioni fisiologiche. La quantità totale

di acqua che diffonde in un secondo attraverso la membrana di un globulo rosso è pari a 100 volte

il volume del globulo rosso stesso. Altre molecole insolubili nei lipidi possono attraversare il doppio

strato lipidico come l’acqua se sono sufficientemente piccole. Con l’aumentare delle dimensioni

molecolari la capacità di penetrazione diminuisce molto. Ad esempio il diametro dell’urea è

maggiore di quello dell’acqua di circa il 20% ed ha una capacità di penetrare attraverso i pori delle

membrana di circa 1000 volte inferiore. In ogni caso l’urea passa comunque rapidamente. I pori

sono costituiti da proteine integrali della membrana cellulare che formano, attraverso la

membrana cellulare che formano dei tubi sempre aperti. Sono comunque dotati di una certa

selettività in quanto, in base al proprio diametro e alla propria carica elettrica consentono il

passaggio soltanto di determinate molecole. I pori proteici che prendono il nome di acquaporine o

canali per l’acqua consentono il rapido passaggio attraverso la membrana cellulare di molecole di

acqua, ma non di altre molecole.

DIFFUSIONE ATTRAVERSO I CANALI PROTEICI

Si tratta di vie di comunicazione a forma di tubi che collegano il fluido extracellulare con quello

intracellulare. Le sostanze si possono muovere per diffusione semplice attraverso questi pori e

canali da una parte all’altra della membrana. I canali proteici sono selettivamente permeabili a

diverse sostanze e molti di essi possono essere aperti o chiusi mediante porte regolate da segnali

elettrici (canali voltaggio dipendenti) o sostanze chimiche che si legano alle proteine canale (canali

ligando-dipendenti).

Permeabilità selettiva dei canali proteici

I canali proteici sono altamente selettivi per il trasporto di uno o più ioni o molecole. Questa

selettività è dovuta alle caratteristiche del canale, quali diametro, forma e natura delle cariche

elettriche e dei legami chimici disposti lungo le pareti interne.

I canali del potassio consentono il passaggio degli ioni K con una rapidità di

circa 1000 volte maggiore rispetto al passaggio degli ioni Na anche se gli ioni K

sono più grandi degli ioni Na. Ciò è dovuto al fatto che questi canali sono dotati

di una struttura tetramerica composta da 4 subunità proteiche disposte

attorno ad un poro centrale. ogni subunità è dotata di 2 eliche transmembrana.

La parte del poro del canale rivolta verso l’esterno è formata da anse rivestite

internamente da atomi di ossigeno carbonilico che costituiscono un filtro

selettivo poiché sono siti di legame temporaneo di ioni potassio idratati.

Quando questi ioni entrano nel filtro selettivo, interagiscono con l’ossigeno

carbonilico rilasciando la maggior parte di molecole di acqua ad essi legati e

permettendo il passaggio degli ioni disidratati attraverso il canale. Gli atomi di

ossigeno carbonilico sono troppo distanti tra loro per interagire con gli ioni sodio che sono più

piccoli e che quindi non possono passare attraverso il filtro selettivo del poro. È proprio la presenza

di diversi filtri selettivi a consentire il passaggio di ioni.

I canali del sodio ha una sezione trasversale di soli 0,3-0,5 nm,

ma la sua superficie interna è rivestita da amminoacidi dotati di

una forte carica elettrica negativa: questa può trascinare

all’interno dei canali piccole molecole di sodio disidratate,

separandoli dalle molecole di acqua che normalmente li

idratano. Una volta attratti gli ioni sodio possono diffondere in

entrambe le direzioni. Anche questo canale è molto selettivo.

Meccanismi di apertura e chiusura delle porte dei canali proteici

Questi meccanismi di apertura e di chiusura consentono il controllo della permeabilità dei canali.

Queste porte possono chiudersi sull’imboccatura del canale oppure sollevarsi da essa per effetto

di una variazione conformazionale che modifica la forma della molecola proteica. Possiamo

distinguere: - Porte voltaggio-dipendenti (voltage gating): la conformazione della

porta o i suoi legami chimici variano al variare del potenziale

elettrico transmembrana. Una forte negatività sulla faccia interna

della membrana può mantenere le porte esterne dei canali del sodio

fermamente chiuse; quando all’interno della membrana si riduce

la carica negativa, le porte possono aprirsi improvvisamente

lasciando entrare il Na. Questo sta all’origine dei potenziali d’azione

nelle fibre nervose, responsabili dei segnali nervosi. Le

porte si trovano nella parte intracellulare dei canali del

potassio, si aprono quando la parte interna della

membrana cellulare assume una carica positiva.

L’apertura di queste porte è una delle cause della

conclusione del potenziale di azione;

- a controllo chimico o a ligando dipendenti (chemical

Porte

gating o ligand gating): le porte dei canali proteici si aprono per effetto della combinazione di

una sostanza chimica (ligando) con la proteina canale, combinazione che causa una

modificazione della conformazione o dei legami chimici della molecola proteica determinando

così l’apertura o la chiusura della porta. Un esempio è l’acetilcolina sui canali dell’acetilcolina.

Questa apre la porta del canale, rendendo permeabile un poro di circa 0,65 nm di diametro

con carica negativa che permette il passaggio di tutte le molecole senza carica elettrica e degli

ioni positivi di diametro inferiore a quelli del canale. Questa porta è molto imporante nella

trasmissione di segnali da un neurone ad un altro e dai neuroni alle fibre muscolari per

determinare la contrazione.

Stato di apertura e stato di chiusura delle porte dei canali

In figura sono mostrate due registrazioni del flusso di corrente attraverso

un canale del Na per un gradiente di potenziale di circa 25mV tra un

versante e l’altro della membrana cellulare. La porta del canale si apre e

si chiude di scatto e il canale può rimanere aperto per un tempo variabile

da una frazione a parecchi millisecondi. Le modificazioni si verificano

quindi con estrema rapidità. Ad un determinato potenziale il canale può

restare sempre o quasi sempre aperto mentre ad un altro può restare

sempre o quasi sempre chiuso. A voltaggi intermedi i canali tendono ad

aprirsi e a chiudersi a intermittenza dando luogo ad un flusso intermedio

medio di corrente di intensità compresa tra il minimo ed il massimo.

Metodo del “patch-clamp” per la registrazione del flusso di corrente ionica

È un metodo per la registrazione del flusso di corrente ionica attraverso i

singoli canali. Una micropipetta con una punta di 1-2 µm viene appoggiata

sul lato esterno della membrana. Si esercita un’aspirazione all’interno della

pipetta in modo da attrarre leggermente la membrana all’interno della punta

della micropipetta e può essere registrato il flusso di corrente attraverso la

minuscola porzione di membrana che si trova sotto la punta. La piccola

porzione di membrana può anche essere rimossa e posta in una soluzione

mantenendola aderente alla punta della micropipetta. Ciò permette di

variare a piacimento la concentrazione degli ioni sia nella soluzione interna

della pipetta che in quella esterna. Anche il voltaggio può essere impostato

ad un valore (clamped). In questo modo si può studiare una singola proteina

canale usando porzioni di membrana sufficientemente piccole. Variando la

concentrazione degli ioni e il voltaggio ai due lati della membrana è possibile

determinare le caratteristiche di diffusione degli ioni nel singolo canale

isolato e anche le modalità di apertura e di chiusura delle porte.

DIFFUSIONE FACILITATA RICHIEDE PROTEINE TRASPORTATRICI DI MEMBRANA

La diffusione facilitata viene anche definita diffusione mediata da un

trasportatore in quanto una sostanza trasportata secondo questa

modalità diffonde attraverso la membrana per azione di una specifica

proteina trasportatrice che facilita la diffusione della sostanza da un lato

all’altro della membrana. La velocità di diffusione attraverso un canale

aperto aumenta proporzionalmente alla concentrazione della sostanza

che diffonde mentre la velocità della diffusione

facilitata tende verso un valore massimo (V ).

max

All’aumentare della concentrazione della

sostanza la velocità di diffusione in un canale

continua ad aumentare proporzionalmente mentre nella diffusione

facilitata non può superare il limite rappresentato dalla V nella figura

max.