Istologia ed Embriologia: Lezione 3 sul trasporto cellulare e membrane

Modelli di funzionamento delle proteine trasportatrici

In questo esempio è rappresentato il cosiddetto meccanismo a poro oscillante, tipico della diffusione facilitata. Le due proteine trasportatrici (A e B) raffigurano due diversi momenti dell'attività lavorativa. In A il sito attivo della proteina è rivolto sul versante esterno della membrana, in cui può inserirsi la molecola da trasportare. Quando la molecola si aggancia al sito attivo, viene a determinarsi un cambio conformazionale della proteina trasportatrice, che provoca l'esposizione del sito attivo sul lato opposto (B). Ciò consente alla molecola di passare liberamente nel versante opposto.

A volte, le proteine trasportatrici possono essere modulate nel loro funzionamento dal legame di sostanze particolari. Nella figura è rappresentata la K+ Ca2+Na+A glycine antagonists L-glutamate glycine * glu gly . R1 R2 channel blocker extracellular Mg2 MK-801 intracellular Closed lon Channel Open lon Channel 1regolazione di un canale ionico con due configurazioni possibili: nella prima (a sinistra) il canale ionico è chiuso, mentre nella seconda (a destra) è aperto. A sinistra le frecce indicano dei siti attivi dove possono legarsi due ligandi che, in questo caso, sono due amminoacidi: l'L-glutammato e la glicina. Il legame di queste due sostanze ai siti attivi determina una modificazione conformazionale del carrier con relativa apertura del canale e passaggio degli ioni. Questo tipo di canale viene definito a controllo di ligando.

SUPERFICIE ESTERNA SUPERFICIE INTERNA METABOLICA - In questa immagine a sinistra si può vedere il modello di funzionamento detto "a porta girevole", relativo al trasporto attivo. In alto vediamo come il legame specifico di una sostanza con il sito attivo di una proteina trasportatrice (1), determina un cambio conformazionale di questa (2), la quale riesce a ruotare e ad esporre il sito attivo della molecola sul versante opposto (3). La proteina, ruotando, può liberare il ligando sul versante opposto del plasmalemma. Quando si assiste alla liberazione del ligando dal sito attivo (4), si determina nel carrier un nuovo cambio conformazionale (5).

Per far sì che la proteina possa assumere la conformazione iniziale occorre energia, cioè ATP, che consenta alla proteina di cambiare conformazione nuovamente, assumendo l'assetto originario.

Infine, bisogna specificare che oltre alla situazione più frequente di uniporto, che si riferisce alla situazione di transito di una singola molecola, si può avere anche un trasporto definito accoppiato, che comporta il transito di due molecole diverse. In questo ultimo caso si distingue il simporto, che avviene quando le due molecole sono trasportate nella stessa direzione, dall'antiporto, che avviene quando le due molecole attraversano la membrana in direzione opposta (una entra e l'altra fuoriesce dalla cellula).

Trasporto di informazioni

Un dato che va tenuto sempre presente è che tra le sostanze che vengono trasportate, alcune di queste possono rappresentare un'informazione, cioè dei segnali che dall'ambiente extracellulare devono giungere all'interno della cellula. Questi segnali possono essere:

• segnali mitotici, che promuovono la mitosi e impartiscono alla cellula l'ordine di dividersi;
• segnali differenziativi, che inducono la cellula a intraprendere un determinato percorso differenziativo ed evolutivo;
• stimoli per la sintesi di particolari molecole.

Tutti questi segnali che sono diretti alla cellula possono essere trasportati attraverso la membrana plasmatica in tre modi diversi. In particolare:

1. La prima modalità coinvolge le molecole effettrici liposolubili, per esempio gli ormoni steroidei (ormoni lipidici), che riescono ad attraversare liberamente il doppio strato fosfolipidico e, una volta che si trovano nel citoplasma, vanno a legarsi a specifici recettori che sono all'interno della cellula (recettori intracellulari), eventualmente presenti. Questi ormoni, quindi, riescono a penetrare un po' in tutte le cellule, ma faranno sentire il loro effetto soltanto in quelle cellule che presentano il recettore specifico che possono accogliere le molecole segnale effettrici.
2. La seconda possibilità riguarda molecole effettrici proteiche, che si legano a specifici recettori presenti sulla superficie delle cellule. Questi recettori, di solito, sono delle proteine integrali transmembrana. Il legame recettore-ligando provoca una modifica conformazionale della proteina recettoriale, che permette di trasferire al citoplasma l'informazione portata dal ligando. Il trasferimento avviene attraverso l'attivazione di un secondo messaggero. Molti di questi recettori sono degli enzimi che si attivano proprio quando si verifica l'ancoraggio della molecola segnale. Una volta che si attiva, l'enzima riesce a modificare altre molecole che sono nel citoplasma, cioè i secondi messaggeri. Il secondo messaggero più diffuso è l'AMP-ciclico, il quale andrà ad attivare nella cellula specifiche vie metaboliche diverse a seconda del tipo di cellula. L'attivazione di una specifica via metabolica rappresenta la risposta di quella specifica cellula al legame iniziale tra ligando e recettore.
3. La terza modalità di trasporto di un'informazione riguarda tutte le cellule eccitabili, cioè le cellule nervose e cellule effettrici, ad esempio le cellule muscolari. Questo meccanismo viene chiamato neurotrasmissione. In questo caso, un trasmettitore chimico, chiamato neurotrasmettitore, viene liberato dalla cellula nervosa nelle adiacenze di un'altra cellula eccitabile andrà a legarsi a specifici recettori della cellula bersaglio. Il legame determina l'apertura di specifici canali ionici presenti nella membrana capaci di modificare la distribuzione delle cariche elettriche sui due versanti della membrana, dove, quindi, il potenziale elettrico di riposo della cellula bersaglio eccitabile verrà trasformato in potenziale di azione. In questo caso, un segnale inizialmente chimico viene trasformato in un segnale di tipo elettrico, che si viene a formare sulla membrana della cellula bersaglio.

Ruolo dei lipidi di membrana

I lipidi di membrana hanno un ruolo fondamentale nel conservare l'integrità strutturale della membrana, di cui regolano struttura e organizzazione. Il ruolo maggiore è svolto dai fosfolipidi, i quali, essendo molecole anfipatiche, si organizzano in maniera spontanea a formare il bilayer fosfolipidico. Questa loro proprietà permette al bilayer non solo di assemblarsi ma anche di autoripararsi in caso di rottura, danneggiamento e lacerazione. I lipidi di membrana, ad eccezione dei lipidi di delimitazione, cioè i lipidi che circondano una proteina integrale, costituiscono un mezzo fluido. Questa loro fluidità è controllata da alcuni parametri:

• la temperatura, il cui aumento comporta una maggiore fluidità del bilayer;
• il grado di insaturità, cioè il numero dei doppi legami degli acidi grassi dei fosfolipidi. Infatti, più sono insaturi, meno potranno disporsi strettamente a contatto tra di loro perché gli acidi grassi insaturi sono meno rettilinei, per cui sarà impedito il corretto appaiamento e risulteranno meno 3associati. Per tale motivo il bilayer sarà più fluido. Quindi, il doppio strato sarà tanto più fluido tanto sarà maggiore il numero di doppi legami;
• la presenza del colesterolo. Questo è un alcol steroideo formato da una piccola testa polare rappresentata da un gruppo ossidrilico (-OH) libero. Questa testa polare conferisce alla molecola un carattere anfipatico che gli consente di disporsi tra i fosfolipidi. La struttura del colesterolo è costituita da 27 atomi di Carbonio. É costituito da quattro anelli fusi tra di loro: uno a 5 atomi di carbonio e i restanti tre a 6 atomi di carbonio. Il colesterolo, intercalandosi tra i fosfolipidi, rende il bilayer più rigido e meno permeabile. Quindi, ha l'importante ruolo di stabilizzazione della membrana, cioè riduce la sua fluidità e ne controlla l'eccessiva fluidità; CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 HO Colesterolo
• la lunghezza delle code dei fosfolipidi, le quali più sono corte meno potranno interagire tra di loro, e quindi sarà maggiore la fluidità.

I fosfolipidi vanno anche ricordati per un altro motivo. Infatti, per l'azione dell'enzima fosfolipasi viene a formarsi, per degradazione dei fosfolipidi, un precursore, cioè l'acido arachidonico, di due importanti vie metaboliche:

• la prima inizia con l'attività enzimatica della cicloossigenasi, la quale porta alla produzione di molecole flogistiche (molecole prodotte in corso di eventi infiammatori) e cioè le prostaglandine e i trombossani;
• l'altra via metabolica prende origine dall'attività enzimatica della lipossigenasi, che agendo sull'acido arachidonico, comporta la formazione di leucotrieni, un'altra classe di molecole infiammatorie FOSFOLIPIDI Spesso, nel corso di un'infiammazione si fa uso FANS CORTISONE FOSFOLIPASI di questa classe di farmaci indicati nel complesso con 4 CIELOOSSIGENASI ACIDO ARACHIDONICO LIPOSSIGENASI (Po sintetasi) l'acronimo FANS (farmaci antiflogistici non steroidei, cioè farmaci non PGG2 PGH2 IDROPEROSSIDI ENDOPEROSSIDI HPETE HETE cortisonici), tra cui si possono trovare l'aspirina, l'ibuprofene ecc. Tutte PGE2 - PG12 - PGF2 TXA2 (Trombossani) (Prostaglandine) LTB4 LTC4 -D4 -E1 (Leucotrieni) queste sostanze svolgono la loro azione andando ad agire sulla cicloossigenasi, inibendola, bloccando la produzione di prostaglandine e trombossani. La formazione dei leucotrieni, invece, non subisce alcuna alterazione perché i FANS non agiscono sulla lipossigenasi.

Durante eventi di flogosi estrema, come un episodio asmatico drammatico, non si può somministrare un FANS, ma si deve far ricorso a un farmaco antiflogistico steroideo, cioè il cortisone. Durante un evento del genere, basta la sola presenza di leucotrieni a non far diminuire il processo flogistico. Per questo, si fa ricorso al cortisone perché è capace di inibire direttamente 4