Trasporto passivo: Esame Fisiologia generale, libro consigliato Fondamenti di Fisiologia generale ed integrata, V. Taglietti

Trasportatori

Oltre ai canali ionici deputati al trasporto di piccoli ioni, le grandi molecole utilizzano un trasportatore. Esso funziona grazie al legame con il suo ligando (molecola che deve trasportare) che ne modifica la conformazione operando la traslocazione della molecola all’interno della membrana. Sono stechiometrici quindi riconoscono i diversi enantiomeri della molecola. Tutti i trasportatori sono anche bidirezionali, funzionano secondo gradiente di concentrazione. Ricordiamo che nelle condizioni passive quello che guida (la forza che spinge le molecole attraverso la membrana) è il gradiente di concentrazione o di carica in presenza di ioni.

Tipi di trasportatori

I trasportatori possono essere:

• Uniporto: Trasportano solo una molecola in entrambe le direzioni.
• Co-trasporto: Possono trasportare contemporaneamente o alternativamente 2 (a volte anche 3) molecole diverse. I co-trasportatori per funzionare devono legare tutte le molecole che andranno a trasportare.

Il co-trasporto può avvenire:

• Nella stessa direzione → Simporto, esempio il co-trasportatore Na-glucosio;
• In direzioni opposte → Antiporto, una molecola entra e una esce;

Questi passaggi possono avvenire in maniera:

• Simultanea: come il tip top simultaneo, in cui il trasportatore lega contemporaneamente le due molecole e il legame con entrambe fa cambiare conformazione.
• Consequenziale: prima ne lega uno e lo porta all’interno, questo cambiamento conformazionale rende visibile il sito di legame per la seconda molecola che si lega e lo rilascia.

Ogni volta che le molecole si attaccano e si staccano vi è cambiamento conformazionale. La modalità consecutiva o simultanea avviene anche in antiporto. Vengono utilizzati simporto e antiporto perché sono efficienti per l'ottimizzazione dei tempi. Questo tipo di trasporto viene impiegato quando una delle due molecole deve andare contro il gradiente di concentrazione. La molecola che va secondo il proprio gradiente, se presente, spinge la seconda molecola e si ha uno spostamento senza consumo di energia.

Trasportatore vs. Canale ionico

Affinché il trasporto sia effettuato, con i trasportatori ci devono essere variazioni conformazionali che però richiedono tempo per cui il passaggio con trasportatori è più lento rispetto ai canali ionici. La velocità di passaggio di una sostanza attraverso la membrana dipende strettamente dalla permeabilità e dal tipo di supporto utilizzato.

• In un flusso passivo a diffusione semplice come urea o uretano che diffondono secondo gradiente per cui maggiore è la concentrazione più veloce sarà il passaggio.

Le cose cambiano quando vengono impiegati degli ausili per passare attraverso la membrana. Da questi grafici è possibile comprendere di che natura sia il passaggio di una sostanza attraverso la membrana, basandosi sulla sua velocità di attraversamento (flusso).

• Diffusione semplice: Più aumenta la concentrazione del soluto, tanto più aumenta la velocità di flusso, perché non ci sono impedimenti (è una diffusione libera).
• Per gli ioni il fattore limitante è la quantità dei canali ionici aperti: quando si aprono riescono a far trasportare milioni di ioni al secondo. Aumentando la differenza di concentrazione ionica ai due lati della membrana, la velocità di diffusione aumenta; ad un certo punto, però, comincerà a rallentare fino a raggiungere una velocità massima (plateau) in cui gli ioni non potrebbero passare fino a che non si liberano i canali (fenomeno di saturazione).
• Usando dei trasportatori: possono essere specifici per una o un piccolo gruppo di molecole simili.

Sono presenti in numero minore sulla membrana per cui il fenomeno di saturazione avverrà prima.

• All’aumentare della quantità di soluto, ci sarà un momento in cui tutti i carriers saranno occupati, e la velocità massima sarà stata raggiunta.
• Hanno un funzionamento più macchinoso rispetto ai canali, per cui il passaggio sarà più lento.

Confrontando le diffusioni passive libera e facilitata (non richiedono energia e avvengono secondo gradiente), si nota che quella facilitata avrà una velocità di flusso inferiore rispetto alla diffusione semplice. Inoltre, mentre la diffusione semplice non è selettiva, i trasportatori della diffusione facilitata sono più specifici, il che contribuisce alla semipermeabilità della membrana. Ci sono sostanze per cui le cellule non hanno trasportatori (o ne hanno pochi), per cui non possono uscire o entrare agevolmente.

Caratteristiche del trasporto facilitato

Ricapitolando, quando si parla di trasporto facilitato mediato da trasportatori, bisogna tenere a mente varie caratteristiche:

• Avviene solo se c’è un gradiente di concentrazione/elettrochimico/elettrico.
• I trasportatori sono selettivi per una molecola o per poche molecole affini.
• Vanno incontro a saturazione.
• Sono stereospecifici.
• Presentano inibizione competitiva.

Inoltre a volte è possibile incontrare il fenomeno dell'inibizione competitiva: avviene quando una molecola che ha una porzione simile al ligando naturale di un certo trasportatore, si sistema nel sito di legame bloccando il carrier che non può funzionare. Queste molecole quindi competono con il ligando e inibiscono l’attività del trasportatore. Ci sono anche inibizioni non competitive quando una molecola riconosce un altro sito, diverso dal sito di riconoscimento sul trasportatore, e quando vi si lega si ha l’inibizione del trasportatore, che non è più in grado di riconoscere i ligandi.

Trasporto del glucosio

Il primo trasportatore identificato è stato quello del glucosio, poiché è ubiquitario: è la forma energetica che tutte le cellule utilizzano nei mitocondri per produrre ATP. Per questo il glucosio entra ed esce molte volte nella cellula, ma essendo una molecola grande, non può farlo da solo → ci sono molti trasportatori.

Cinetica tipica dei trasportatori: aumentando la concentrazione del glucosio, all’inizio la velocità di passaggio è elevata, poi rallenta fino ad arrivare al plateau → la velocità è massima perché tutti i trasportatori stanno lavorando e finché non si liberano non possono trasportare altro glucosio.

I trasportatori del glucosio sono riuniti in una grande famiglia, detta GLUT. Cellule diverse possono avere trasportatori diversi, e anche nella stessa cellula si possono trovare un tipo di trasportatore nella zona apicale e un altro tipo nella zona basale.

Meccanismo di trasporto

Il meccanismo di trasporto è spontaneo:

1. Si lega il ligando (glucosio);
2. Il legame carrier-ligando fa cambiare conformazione;
3. La proteina ruota all’interno della membrana e apre il sito di legame verso il lato citoplasmatico;
4. Il contatto con l’ambiente citoplasmatico e il cambiamento di concentrazione fanno perdere affinità per il glucosio al trasportatore;
5. Il glucosio si stacca ed entra nella cellula;

I trasportatori sono molecole molto grandi, poiché appartengono alla famiglia di proteine di membrana a passaggio multiplo: durante la sintesi nel RER, la proteina viene proiettata verso l’interno, passa attraverso la membrana e si avvolge ad α-elica, poi si forma un’ansa, poi di nuovo un’α-elica transmembrana e così via, fino ad avere 12 passaggi. Il trasportatore GLUT1 può anche essere glicosilato: l’aggiunta di gruppi glucidici può derivare dal RER, e si parla di:

• N-glicosilazione: una molecola di glucide viene legata all’azoto dell’asparagina; questo processo avviene anche nel Golgi;
• O-glicosilazione → nel Golgi, in cui i gruppi glucidici vengono legati a un ossigeno;

La parte glicosilata viene poi esposta all’esterno degli organuli, nel citoplasma.

SGLT

SGLT → Un altro trasportatore per il glucosio diffuso in varie tipologie cellulari, ad esempio gli epiteli che rivestono delle cavità: gli enterociti che rivestono l’intestino, l’epitelio del nefrone dove avviene il filtraggio e il riassorbimento del glucosio ecc.

Caratteristiche:

• È un trasportatore sodio/glucosio, che effettua co-trasporto: fa passare sia il sodio sia il glucosio nella cellula.
• È un trasporto passivo (non usa energia), che funziona quando il glucosio deve essere trasportato nella cellula contro il gradiente di concentrazione.

In questo caso si parla di trasporto attivo secondario, perché il trasportatore non utilizza direttamente energia, ma essa viene “prestata” dal sodio poiché è più concentrato fuori dalla cellula e ha un forte gradiente elettrochimico che lo sposta verso la cellula. Comunque dell'energia viene consumata sotto forma di ATP per mantenere basso il gradiente di sodio nella cellula poiché da solo non uscirebbe → se ne occupano le pompe Na+/K+. Meccanismo del trasportatore. Quando sono presenti sia il sodio sia il glucosio sul lato extracellulare:

1. Si legano due ioni sodio (Na+);
2. Si lega una molecola di glucosio;
3. Il legame di tutte e tre le molecole attiva il trasportatore, che rilascia nella cellula sia il sodio (a favore di gradiente elettrochimico) sia il glucosio (contro gradiente);
4. Per mantenere il gradiente, il sodio deve poi uscire dalla cellula, e questo avviene tramite la pompa Na+-K+-ATPasi, una pompa ubiquitaria, poiché contribuisce a mantenere la differenza di carica tra ambiente intracellulare ed extracellulare.

È stato dimostrato che questo sistema dipenda dal Na+ → se si inverte il gradiente elettrochimico tra ambiente interno ed esterno della cellula facendo entrare delle molecole di Na+, il trasportatore del glucosio funziona anche nella direzione opposta (dall’interno all’esterno della cellula), quindi è guidato dalla presenza del sodio e dalla sua differenza di concentrazione.

Un ulteriore esempio è costituito da un trasportatore del D-glucosio, che si trova negli enterociti, che rivestono la parete intestinale. Tutto ciò che viene assorbito deve attraversare l’epitelio, entrando dalla parte apicale e uscendo dal lato basale, per poi essere smistato tramite i capillari nelle varie cellule dell’organismo.

Si può osservare la diversa distribuzione di questi trasportatori nella membrana apicale rispetto a quella basale:

• La parte apicale mostra trasportatori sodio/glucosio e sodio/galattosio: entrambi gli zuccheri devono entrare contro gradiente.

Questi trasportatori sono assenti nella parte laterale o basale della cellula, in quanto unidirezionali: devono portare il glucosio o il galattosio all’interno della cellula, contro gradiente.