Trasporti attivi e passivi attraverso le membrane cellulari

TRASPORTI ATTIVI

TRASPORTI PASSIVI Non richiede altra energia che quella del moto molecolare Diffusione Diffusione semplice Diffusione facilitata

Trasporti passivi: caratteristiche

1. Non richiedono energia
2. Vanno da concentrazione maggiore a quella minore
3. Sono equilibrativi

TRASPORTI ATTIVI

Cations Anions 150 100 EXTRACELLULAR 50 Na+ Ca++ CI- HCO3 MEq/L 0 K Mg+ Protein 50 100 PO"4 and organic anions INTRACELLULAR 150

Per poter funzionare un sistema biologico ha bisogno anche una serie di trasporti attivi. Non è vero che nei sistemi biologici tutte le sostanze sono distribuite all'equilibrio, cioè non è vero che Na, K, glucosio e aa sono alla stessa concentrazione all'interno e all'esterno della cellula, bensì hanno concentrazioni molto diverse. L'esempio più canonico sono gli ioni: alcuni sono molto presenti nell'ambiente extracellulare, come il Na, e altri invece sono più presenti nell'ambiente intracellulare, come il K. Se nella membrana plasmatica ci fosse solo la diffusione, quindi il trasporto passivo, non avremmo queste caratteristiche.

• Per creare dei gradienti, abbiamo bisogno di un altro sistema di trasporto, i trasporti attivi.

Caratteristiche fondamentali - trasporto attivo

1. Avviene contro gradiente di concentrazione.
2. Utilizza energia metabolica (ATP) per compiere il lavoro.
3. Crea gradienti di concentrazione di ioni e soluti.

Quindi, oltre al sistema di trasporti passivi che sono comodi perchè spostano le sostanze senza bisogno di energia, abbiamo necessariamente bisogno di avere in tutte le cellule dei sistemi di trasporto attivi, cioè che usano ATP, per spostare le molecole contro il loro gradiente creando così gradienti di concentrazione.

ATP: riserva di energia

La forma di energia presente all'interno del nostro organismo è energia ricavata dagli alimenti e che è contenuta nei legami chimici dei nutrienti, il più importante dei quali è il glucosio, ma non è l'unico. L'energia presente nei legami del glucosio, grazie all'attività mitocondriale e ad una serie di enzimi, vengono resi disponibili sotto forma di un'altra molecola, rappresentata dall'ATP.

• Metabolismo del glucosio - ATP.

Che vantaggio ha l'ATP?

L'ATP contiene legami ad alta energia, in particolare l'ultimo gruppo fosfato è legato alla molecola di adenosinadifosfato (ADP) attraverso un legame ad elevata energia: l'idrolisi di questo legame libera circa 30,5 KJ/mole, cioè una quantità di energia molto alta che può essere utilizzata dalle molecole per svolgere un lavoro. In questo caso viene utilizzata dai sistemi di trasporto di membrana per svolgere un lavoro contro gradiente di concentrazione.

36Glucosio Glucosio Glicolisi ATP Calore Ciclo CA H2O STE + CO2 O2 + Na+ ATP ATP K ADP+P Alta [K+] Bassa [Na+] Bassa [K*] Alta [Na+] LEGENDA Na+ Trasporto attivo secondario Ciclo CA = Ciclo dell'acido citrico K+ 2 Cl- STE = Sistema di trasporto degli elettroni L'energia del gradiente del Na+ può essere usata per spostare altre molecole attraverso la membrana contro il loro gradiente di concentrazione.

Distinzione dei trasporti attivi

Possiamo distinguere:

• Trasporto attivo primario L'energia liberata dall'idrolisi dell'ATP viene utilizzata direttamente per il trasporto. Porta le molecole, che sono soprattutto ioni, contro gradiente di concentrazione, ma per poterlo fare deve usare ATP. Quindi, queste proteine trasportatrici sono anche ATPasi: legano l'ATP, la idrolizzano e questa idrolisi fornisce l'energia necessaria per muovere contro gradiente questi ioni. Cioè, in altre parole, per attuare le variazioni conformazionali che consentono a questi trasportatori di spostare gli ioni contro il loro gradiente di concentrazione.

2K+ ATP Trasporto attivo primario ADP + P Na+ 3Na+ Ca2+ Na+ Trasporto attivo secondario Ca2+

• Trasporto attivo secondario Accoppiato indirettamente a ATP. Ci serviamo sempre di trasportatori e, sempre all'interno di essi, una specie (uno ione, glucosio, aa) viene portato contro gradiente di concentrazione. Per poter fare questo utilizzano una forma di energia che è rappresentata dai gradienti degli ioni che sono creati dai trasporti attivi primari.

• I trasporti attivi secondari sfruttano un gradiente ionico creato dai trasporti attivi primari. Se bloccassimo i primari non potrebbero avvenire i secondari.
• Anche i trasporti attivi secondari dipendono dall'ATP, anche se indirettamente: in altre parole, i trasportatori che agiscono come sistema di trasporto attivo secondario, non sono ATPasi.

NH2 1 Adenina N 2 H-C =0 C. SC-H N N Adenosina 0 O O O HỌC O-P-O~P-O~P-O Ribosio H H OH OH Gruppi fosfato Metabolismo Adenosina difosfato (ADP) L'energia di legame chimico è convertita in legami ad alta energia dell'ATP. Adenosina trifosfato (ATP) Trasporto attivo primario L'energia nel legame fosfato ad alta energia dell'ATP è utilizzata per spostare K+ e Na+ contro i loro gradienti di concentrazione. Questo genera energia potenziale, immagazzinata nei gradienti di concentrazione ionica. 0-1=0 0-4=0 =0 O Piruvato L'energia è importata nella cellula come energia immagazzinata in legami chimici di nutrienti quali il glucosio.

• Principale differenza: primari sono ATPasi, quindi idrolizzano loro stessi l'ATP, i secondari no.

37Trasporto attivo primario (Dalla prima immagine di pagina 37) H2O > CO2 L'energia -Na+ dell'ATP ATP ATP contro i l K+ Questo ç immagaz Alta [K+] Bassa [K*] di conce V L'energia liberata dall'idrolisi di ATP viene utilizzata direttamente per il trasporto. VI trasportatori hanno attività enzimatica e idrolizzano l'ATP. V L'energia liberata dall'idrolisi dell'ATP è responsabile del cambio di conformazione della molecola carrier. L'ATP viene legato direttamente dalle proteine carrier e l'idrolisi di questa molecola viene sfruttata per generare i cambiamenti conformazionali della molecola che rendono possibile il passaggio degli ioni da un ambiente all'altro della cellula contro il loro gradiente di concentrazione. In pratica, queste ATPasi generano delle forme di energia che verranno utilizzate dalla cellula per fare altro lavoro.

Classificazione delle ATPasi di membrana

Exoplasmic face 2H' 4H B T T A A A A A G B B B F. 8 ATP ADP + P ADP + P. ATP P-class pumps V-class proton pumps F-class proton pumps ABC superfamily Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H' pump) Bacterial plasma membrane Inner mitochondrial membrane Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and peptide transporters) Plasma membrane of higher eukaryotes (Na'/K* pump) Apical plasma membrane of mammalian stomach (H'/K' pump) Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump) Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump) Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi Endosomal and lysosmal membranes in animal cells Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells Thylakoid membrane of chloroplast Mammalian plasma membranes (transporters of phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other small molecules) Le ATPasi sono anche dette "pompe" e le più comuni nelle membrane biologiche, che vedremo essere implicate nei meccanismi fisiologici, appartengono alla classe P.

Pompe P

Vengono definite pompe P perchè queste molecole, costituite da più subunità, hanno la capacità di idrolizzare l'ATP legandolo e il gruppo fosfato (P) liberato va a fosforilare direttamente la proteina.

• Sono proteine presenti in uno stato fosforilato e defosforilato.

A questa classe appartengono:

• Pompa Na+/K+ ATPasi - ATPasi di membrana ubiquitaria, quindi presente in tutte le cellule, è fondamentale proprio perchè crea il gradiente di Na o di K che contraddistingue le cellule vitali.
• Pompa H+/K+ - è in grado di spostare contro gradiente questi due ioni e si trova soprattutto a livello della membrana apicale dello stomaco; è molto importante perchè genia il gradiente protonico, quindi quell'ambiente acido che si trova normalmente nello stomaco, fondamentale per innescare i processi digestivi.

38 ATP ADP A V. B ADP + P D -2H* Y +4H* Cytosolic face ATP· Pompa Ca2+ ATPasi - anche in questo caso è un trasportatore importante di Ca contro gradiente e sfrutta l'ATP per generare questo gradiente di Ca; lo troviamo nella membrana plasmatica, ma anche nel reticolo endoplasmico, in modo particolare è presente nelle cellule muscolari e si trova sul reticolo sarcoplasmatico: qui è estremamente importante perchè regola il Ca richiesto per la contrazione muscolare.

Pompe protoniche V

"V" sta per "vacuolare" perchè normalmente queste pompe protoniche si trovano sui compartimenti vacuolari di lieviti, funghi, piante, ma anche nelle cellule. I compartimenti intracellulari, soprattutto quelli lisosomiali ma non solo, hanno pH acido: questo vuol dire che sono in grado di mantenere un quantitativo di protoni all'interno di questi organelli, estremamente più elevato rispetto a quello del citosol, e lo possono fare (cioè creare questo gradiente) perché ci sono delle pompe che sfruttano l'ATP per spostare i protoni all'interno di questi organelli. Queste pompe si trovano sulle vescicole sinaptiche, dove sono molto importanti perchè hanno il compito proprio di creare questo gradiente protonico all'interno delle vescicole. Il lume delle vescicole è acido, perchè sulla membrana di queste vescicole esistono queste pompe che spostano protoni all'interno del lume: questo è fondamentale perchè serve come gradiente per caricare queste vescicole con il vero e proprio neurotrasmettitore. Anche nel rene si possono trovare queste pompe protoniche, soprattutto negli ultimi tratti del rene, e servono per acidificare l'urina e quindi eliminare fonti di protoni che normalmente vengono prodotte all'interno del nostro organismo.

Pompe protoniche F

Hanno una struttura molto simile alle V, ma funzionano al contrario. Si trovano nelle membrane interne dei mitocondri. Sfruttano un gradiente di protoni, quindi i protoni si muovono secondo gradiente attraverso queste strutture e questo movimento dà origine alla sintesi di ATP, usato poi nei sistemi biologici.

Superfamiglia ABC

Contiene una serie di trasporti interessante dal punto di vista fisiologico, perchè conferiscono proprietà a volte molto peculiari all'interno di alcune cellule. Sono anch'esse ATPasi, quindi legano l'ATP e lo idrolizzano, ma questa volta la molecola non viene direttamente fosforilata.

• Mediano il trasporto di alcuni lipidi, che come sappiamo possono muoversi attraverso il doppio strato lipidico, ma in alcuni contesti per trasportarli più velocemente ci serviamo di questi sistemi di trasporto.
• Legano e trasportano degli ioni, forse il più importante è il Cl.
• Sono trasportatori anche per piccole molecole organiche.

Una grossa categoria di proteine che appartengono a questa famiglia è rappresentata dai cosiddetti multidrug resistance, cioè sono ATPasi che si trovano nelle cellule tumorali. Sono molto particolari perchè sfruttano l'ATP per spostare contro gradiente delle molecole organiche, che molto spesso sono farmaci usati per trattare appunto le cellule tumorali. Le cellule tumorali che esprimono queste ATPasi specifiche, diventano tutto d'un tratto resistenti, perché queste ATPasi usano l'ATP per ributtare all'esterno della cellula queste molecole organiche usate come farmaci.

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