Capire cosa sono i trasportatori di membrana risulta indispensabile per apprendere diversi concetti della fisiologia umana.

Molte molecole sono in grado di attraversare le membrane cellulari con meccanismi tra loro differenti. INfatti, questo fenomeno dipende dalla tipologia di molecola.

Ad esempio molecole non polari come l’ossigeno, l’anidride carbonica e l’azoto sono in grado di attraverso il doppio strato fosfolipidico con diffusione semplice.

Ma queste non sono le uniche molecole a godere di questa interessante proprietà. Infatti, nel nostro corpo l’acqua, gli ormoni steroidei e i gas molecolari sono in grado di attraversare liberamente la membrana.

Però, ora, cerchiamo di dare un ordine alle cose.

Che cosa sono i trasportatori di membrana?

I trasportatori di membrana sono polipeptidi in grado di trasportare delle molecole all’interno della cellula.

Infatti, alcune sostanze non sono in grado di attraversare il doppio strato fosfolipidico. Ne sono un esempio le diverse molecole polari e di grandi dimensioni, incapaci di attraversare la membrana senza che vi sia la mediazione di proteine di trasporto.

Prima è stato anticipato il meccanismo di trasporto più semplice che prende il nome di diffusione semplice.

Come sappiamo questo permette alle molecole di attraversare passivamente la membrana cellulare senza che vi sia la presenza di proteine dedicate.

Questo è il passaggio dal versante esterno della cellula a quello interno avviene per osmosi, in base al gradiente di concentrazione.

In altre parole le sostanze si spostano da una zona con concentrazione maggiore ad una zona con concentrazione minore.

La diffusione semplice non richiede spesa energetica da parte della cellula.

Risulta necessario fare un discorso a sé sulle molecole di acqua. L’acqua è in grado di attraversare la membrana per diffusione semplice, ma spesso e volentieri in alcune cellule specifiche è necessario controllare il passaggio dell’acqua per evitare inconvenienti anche seri per la nostra salute.

I reni ne sono un tipico esempio, dove i trasportatori di membrana dedicati si occupano del passaggio delle molecole di acqua. Questi trasportatori sono chiamati acquaporine. L’acqua inoltre attraversa le membrane in entrambe le direzioni.

Inoltre ricordiamo che se ci fosse solamente la diffusione come sistema di trasporto, si impedirebbe alla cellule di eseguire le reazioni biochimiche.

Ora, conclusa questa introduzione su sistemi di trasporto, ci dedichiamo alla descrizione dei trasportatori di membrana.

Caratteristiche dei trasportatori di membrana

I trasportatori di membrana possiedono le seguenti proprietà:

• saturabili;
• specifici;
• regolatori competitivi.

La regolazione competitiva si verifica quando due molecole affini possono essere utilizzate dalla medesima proteina di trasporto. In questo caso il trasporto coinvolgerà una sola delle due sostanze e l’altra verrà automaticamente inibita.

Trasportatori di membrana nelle cellule procariote

Se dovessimo fare un distinguo nelle cellule procariote, rispetto alle eucariote del nostro corpo, ci accorgeremmo che gli organismi procarioti avrebbero principalmente tre sistemi di trasporto:

• semplice: caratterizzato da una sola proteina di trasporto;
• di gruppo: una serie di proteine compartecipano al trasporto di diverse sostanze;
• ABC: una proteina lega la sostanza da trasportare (substrato), un trasportatore è integrato nella membrana e un ultimo idrolizza ATP.

Dobbiamo inoltre distinguere i sistemi di trasporto con gli eventi di trasporto. Nei procarioti, così come negli eucarioti, sono tre:

• uniporter: trasportano in una sola direzione;
• symporter: trasportano due molecole contemporaneamente;
• antiporter: trasportano una sostanza all’interno della cellula e una sostanza all’esterno.

Per concludere la parte sulle cellule procariote poniamo l’esempio degli Escherichia Coli. Questi batteri fanno entrare nella cellula il lattosio mediante trasporto semplice grazie alla lac permeasi, un symporter in grado di far entrare nella cellula anche un protone (H+). Il lattosio così internalizzato nella cellula è importante per la produzione di ATP.

Trasportatori di membrana nelle cellule eucariote

Abbiamo accennato poco fa al fatto che i trasportatori di membrana funzionano con un trasporto di tipo attivo, cioè utilizzano energia metabolica.

Al contrario, i sistemi di trasporto passivi no.

Queste due caratteristiche permettono di fare un’ulteriore precisazione: i trasporti attivi si arrestano rapidamente alla compromissione del metabolismo cellulare. Un esempio è il cianuro che compromette il sistema della respirazione cellulare.

Invece, il trasporto passivo non si arresta finché non c’è una sovra-esposizione ad un veleno o con la morte dell’organismo.

Ora, vediamo alcuni trasportatori di membrana nel nostro corpo.

Il GLUT-2 quale esempio di trasportatore passivo

Un classico esempio di trasporto passivo è quello operato dal GLUT-2, presente sia nel fegato che nei reni.

Questo trasportatore del glucosio è in grado di operare in entrambi i sensi a seconda della necessità di riversare il glucosio all’interno oppure all’esterno della cellula.

I canali ionici

I canali ioni sono trasportatori selettivi per una o poche molecole. Infatti, solitamente i canali ionici trasportano una sola molecola dall’ambiente extracellulare all’interno della cellula.

Inoltre, sono muniti di una caratteristica importante: la controllabilità. Per semplificare, hanno la facoltà di far passare o bloccare le molecole a seconda della necessità. Rispondono al concetto di “porta chiusa” o “porta aperta”, cioè il cosiddetto gated channels.

Infine, a seconda di cosa apre o chiude un canale, possiamo distinguere i canali ioni in:

• voltaggio-dipendenti: lo stato del canale è determinato dalle variazioni del potenziale di membrana;
• chemio-dipendenti: lo stato del canale è influenzato da specifiche molecole.

Ricordiamoci che questi canali sono fondamentali per la comunicazione tra le cellule.

Il trasporto attivo primario

Quando parliamo di meccanismi di trasporto, dobbiamo conoscere attentamente quello che è il meccanismo di trasporto che utilizza direttamente l’energia ricavata dalla degradazione dell’ATP. Questo si chiama meccanismo di trasporto primario.

Questo genere di trasportatori agisce solitamente contro gradiente. Alcuni di essi possiedono delle F-ATPasi che utilizzano il flusso contro gradiente per produrre ATP. Ad esempio, nei mitocondri è nota l’ATP-sintasi presente nella membrana interna.

Il trasporto attivo secondario

A questa categoria appartengono i trasportatori che sono soliti utilizzare un fonte di energia diversa dall’ATP.

Solitamente usano i gradienti ionici di concentrazione. Ad esempio, la pompa sodio-potassio crea un elevato gradiente per lo ione sodio. Quest’ultimo diventa importante per il funzionamento dei trasportatori secondari.

Ebbene, questi sono quelli che precedentemente abbiamo visto come symporter. Quindi, oltre a trasportare la molecola di interesse, utilizzano il sodio e lo trasportano.

Alcuni esempi di questo genere di trasportatori sono:

• sodio (Na)-glucosio;
• Na-amminoacidi;
• Na-neurotrasmettitori.

A cosa serve sapere tutto questo?

Conoscere i meccanismi di regolazione del trasporto nelle cellule ci permette di avere due grandi vantaggi nella comprensione della biochimica e della fisiologia:

• sapere che si utilizza una forma di energia anche differente dall’ATP e in alcuni casi il meccanismo è osmotico;
• comprendere che le cellule hanno una fine regolazione ed ogni processo è comprensibile con lo studio del “come” la cellula si procuri le sostanze nei compartimenti intra ed extra-cellulari.

A cura del Dottor Giulio Merlini

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APPROFONDIMENTI:

1. Alberts B. (2002). Molecular Biology of the Cell. 4th edition
2. Sadée W,  Drübbisch V, Amidon GL (1995). Biology of membrane transport proteins, Pharm Res; 12(12):1823-1837.