Trasporto Attivo

Non richiede ulteriore energia
oltre a quella derivata dal
movimento molecolare
Richiede ATP
ENDOCITOSI
DIFFUSIONE
ESOCITOSI
FAGOCITOSI
Diffusione
Semplice
Diffusione
Facilitata
Molecole attraversano
il doppio strato lipidico
Trasporto
Attivo
SECONDARIO
Crea
gradienti
per
Trasporto mediato
da proteine di membrana
Caratteristiche Strutturali
Trasporto
Attivo
PRIMARIO
Vescicole rivestite
da membrana
Corso di Laurea Magistrale in
“Medicina e Chirurgia”
Biofisica e Fisiologia
Trasporto attivo
TRASPORTO ATTIVO
• È richiesta energia metabolica (ATP)
• I soluti si muovono CONTRO un
gradiente di concentrazione
Tipi di trasporto attivo
• Trasporto
attivo
primario
• Trasporto
attivo
secondario
Trasporto attivo primario : l’energia deriva dal legame
fosfato dell’ATP
interessa il trasferimento contro gradiente di ioni
inorganici (Na+, K+) - pompe ioniche
Trasporto attivo secondario: utilizza l’energia potenziale
accumulata dal gradiente di concentrazione creato dal
trasporto attivo primario. (L’energia spesa dalla pompa ed
accumulata in forma potenziale dal gradiente creato per uno
ione, viene utilizzata per operare il trasferimento contro
gradiente di una seconda molecola sfruttando la tendenza
dello ione a riattraversare in senso retrogrado, secondo
gradiente, la membrana)
TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO
-muove molecole attraverso la membrana citoplasmatica contro
gradiente di concentrazione
-non crea uno stato di equilibrio ma di dis-equilibrio rendendo la
differenza di concentrazione più pronunciata (consente di creare exnovo un gradiente di concentrazione)
-richiede rifornimento di energia dall’esterno che deriva dal legame
fosfato ad alta energia dell’ATP
-meccanismo del carrier flip-flop (ma i cambiamenti di conformazione
richiedono rifornimento di energia dall’ATP)
Data l’origine metabolica dell’energia che li sostiene, i trasporti attivi si
estinguono rapidamente per effetto di una compromissione del metabolismo
cellulare, come avviene ad esempio in carenza di ossigeno (anossia), per
azione di veleni della respirazione cellulare come il cianuro o il dinitrofenolo,
o per abbassamento della temperatura.
Esempio di un trasporto attivo
primario
• Il sistema di trasporto è un enzima che
idrolizza l’ATP (ATPasi)
•La pompa Na+/K+ATPasi consiste di 2 subunità principali
(α e β)
Subunità α = 1000 aa; 110 Kda
contiene i siti di legame per Na+ e ATP e un sito di fosforilazione
nel dominio citoplasmatico; nel dominio extracellulare ha i siti di
legame per il K+ e la ouabaina
Subunità β = 300 aa, 45 kda
senza attività enzimatica e di trasporto
La sua associazione con la α-subunità è necessaria per l’attività della
pompa in quanto stabilizza la subunità α all’interno della membrana
La pompa, con ATP
legata, lega 3 ioni Na+
intracellulari
b
ATP
a
3 Na+ intracell.
ATP si lega alla pompa che si
riorienta rilasciando i 2 ioni
K+ all’interno della cellula
3
La pompa cambia
conformazione esponendo gli
ioni Na+ fuori dalla cellula
dove vengono rilasciati
Na+ fuori
P
ATP viene idrolizzata,
portando alla fosforilazione
della subunità a della pompa
Na+/K+ATPasi
P
2 K+ extrac.
P
P
ATP
2 K+ dentro
La pompa lega 2 ioni K+
extracellulari, causando la
defosforilazione della
subunità a
il concetto di stato stazionario:
La velocità con cui il Na+ entra nella cellula, muovendosi
passivamente secondo il suo gradiente elettrochimico,
coincide con la velocità di uscita del Na+ dalla cellula
mediante la pompa Na+/K+ATPasi. Lo stesso dicasi per il K+
Na+
3Na+
2K+
2K+
Regolazione della pompa
Regolazione intrinseca: la cinetica di trasporto è rallentata da
una diminuzione (e accelerata da un aumento) della
concentrazione intracellulare di Na e di K extracellulare
Adrenalina – fosforilazione aumenta il rateo di trasporto della pompa
ormoni tiroidei, l’insulina e l’aldosterone – stimolano la trascrizione dei
geni codificanti la proteina
Aspetti farmacologici
Pompa sodio-potassio
Dal punto di vista energetico, la rilevante quantità di energia
spesa dalla pompa Na+/K+ per trasferire i due ioni contro
gradiente si ritrova in buona parte accumulata in forma
potenziale negli elevati gradienti elettrochimici che essa crea
a cavallo della membrana. L’importanza fisiologica del
gradiente di concentrazione del sodio viene dal fatto che è una
fonte di energia potenziale che la cellula può usare per altre
funzioni: le cellule nervose per trasmettere segnali elettrici e
le cellule epiteliali per la captazione di nutrienti, ioni e acqua.
La pompa Na+/K+ contribuisce al mantenimento dell’equilibrio
osmotico. Il blocco della pompa porta al rigonfiamento e infine
alla lisi cellulare.
Ruolo della
+
+
Na /K ATPasi
Crea gradienti per Na+ e K+ necessari
per:
•Potenziali d’azione
•Potenziali sinaptici
•Potenziali generatori
• I gradienti del Na+ sono importanti per i
trasporti attivi secondari di:
– Soluti organici (glucosio, aminoacidi),
Ca2+, Cl-, H+
Ca2+ ATPasi: PMCA e SERCA
Trasporti attivi primari
Idrolisi di ATP accoppiata al movimento del Ca2+
PMCA
PMCA: utilizzato per espellere all’esterno della
cellula il Ca2+ attraverso la membrana cellulare
Ca2+
SERCA
reticolo
endoplasmico
SERCA: Importante per sequestrare il
Ca2+ nel reticolo sarcoplasmatico/
endoplasmatico
Pompa del Calcio
Ha carattere di uniporto
È una ATPasi Ca-dipendente detta anche Ca/Mg-ATPasi
È presente sia nella membrana plasmatica (PMCA) che nella membrana del reticolo
endoplasmatico (SERCA) e dei mitocondri
Trasferisce contro gradiente ioni calcio dal citoplasma sia all’esterno della cellula che
all’interno degli organuli in modo da mantenere la concentrazione citosolica di questo
ione bassa (100 nM) rispetto al LEC (2 mM). Infatti, il calcio quando si trova nel
citosol può stimolare vari processi come l’attivazione di molti enzimi e dell’apparato
contrattile.
Inibitore (SERCA)
Tapsigargina
Acido ciclopiazonico
Pompa di scambio H+/K+, pompa protonica
-contro-trasporto primario che trasferisce ioni K+ verso l’interno della cellula
in scambio con H+ espulsi all’esterno
-Questa ATPasi H/K-dipendente è localizzata nelle cellule ossintiche (o
parietali) delle ghiandole gastriche. Durante la digestione gastrica, essa
provvede ad immettere nel citoplasma delle cellule ossintiche ioni K (presenti
nel contenuto dello stomaco) in scambio con ioni H che conferiscono acidità al
succo gastrico. L’efficienza del processo è tale che il pH può scendere anche
fino ad 1.
Inibitore
omeprazolo
TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO
Consente di trasferire attraverso la membrana, contro-gradiente,
molecole anche complesse, utilizzando come fonte di energia il passaggio
transmembranale secondo-gradiente di uno ione che funge da “motore” per
il trasporto stesso. La sua dipendenza (indiretta) dell’attività di una pompa
ionica è dimostrata dal fatto che esso viene bloccato da tutte le condizioni
che bloccano la produzione di ATP come i veleni della respirazione
cellulare, cianuro e dinitrofenolo.
Molti
di
questi
trasporti
utilizzano
quale ione “motore” il
Na+, che è spinto ad
entrare nella cellula
dall’elevato gradiente
mantenuto
dalla
costante attività della
pompa Na+/K+
2Na+
glucosio
Na+
I-
Trasporti attivi
secondari basati sul
gradiente del Na+
alcuni esempi:
Na+
3HCO3Na+
HPO43Na+
Ca2+
Na+
H+
Na+
K+
2Cl-
Questi simporti mediano il trasporto di Glu, AA, Cl e K all’interno delle
cellule dell’epitelio gastrointestinale e renale contribuendo al loro
assorbimento
L’antiporo Na/H è determinante nel controllo del pH intracellulare e a livello
renale permette di arricchire il liquido del lume tubulare di ioni H e di acidificare
le urine.
L’antiporto Na/Ca ha un ruolo chiave nel controllo del Ca intracellulare specialmente
a livello cardiaco.
Simporto Na+ Glucosio
Le proteine che operano questo trasporto sono denominate SGLT. Sono
presenti principalmente nella membrana delle cellule assorbenti dell’intestino
tenue ove presiedono all’ingresso nella cellula del glucosio alimentare.
Analogamente sono molto presenti nelle cellule epiteliali dei tubuli contorti
prossimali del rene, ove consentono il recupero della rilevante quantità di
glucosio filtrato dai glomeruli (nell’uomo circa 180g/24h) che non deve essere
perduto con l’urina.
TRASPORTO TRANSEPITELIALE
Le molecole che passano attraverso un epitelio devono attraversare due
membrane cellulari: una prima membrana quando entrano nella cellula
epiteliale, e una seconda quando lasciano la cellula epiteliale per entrare nel
liquido extracellulare
Gli epiteli di trasporto dell’intestino e del rene sono specializzati nel trasporto di molecole
Le cellule degli epiteli di trasporto
sono polarizzate e presentano una
membrana apicale che si affaccia verso
il lume dell’organo rivestito dall’epitelio
e una membrana basolaterale che si
affaccia verso il liquido extracellulare.
Queste due superfici presentano
proteine differenti e, di conseguenza,
possiedono differenti proprietà di
trasporto.
La polarizzazione di queste cellule
permette il trasporto direzionale di
materiale dal lume verso il liquido
extracellulare
o
dal
liquido
extracellulare verso il lume.
Trasporto transepiteliale del glucosio dal lume del tubulo
renale o dell’intestino al liquido extracellulare
Il glucosio entra nella cellula dal
versante apicale utilizzando il
simporto Na+-glucosio
L’Na+ viene pompato fuori dalla
cellula
sul
versante
basolaterale dalla pompa Na+-K+
utilizzando l’energia dell’ATP,
mentre il glucosio diffonde
verso l’esterno per mezzo di un
carrier per la diffusione
facilitata
La
captazione
apicale
del
glucosio dipende dall’energia
accumulata nel gradiente del
sodio. Se la pompa Na+-K+ smette
di funzionare, il sodio entrato
nella cellula non viene pompato
all’esterno, il gradiente del sodio
non è più
presente e la
captazione
del
glucosio
si
arresta.
Simporto Na+ Aminoacidi
Le proteine di questo
simporto, oltre che nei
microvilli del polo luminale
delle cellule assorbenti
degli epiteli intestinale e
dei tubuli renali, operano in
tutte le cellule di tutti i
tessuti ove alimentano,
insieme alla diffusione
facilitata, la sintesi di tutte
le proteine.
Contro trasporto Na+/H+: partecipa alla regolazione dell’equilibrio
acido-base ed osmo-volumetrico di tutte le cellule. Provvede
all’espulsione nel LEC dell’eccesso di ioni H+, liberati nel citoplasma dalle
deidrogenazioni dei substrati, in scambio con l’ingresso di ioni Na+, che
contribuiscono al mantenimento della tonicità cellulare.
Contro trasporto 3Na+/2Ca2+:
gli ioni Na+ vengono spinti dal
proprio gradiente elettrochimico ad attraversare la membrana in entrata, ciò
determina il trasferimento in uscita di ioni Ca2+ .
Simporto Na+/K+/2Cl-: consente l’entrata congiunta degli ioni Cl-, Na+ e
K+.
L’antiporto Na+/H+
(regolazione del pH intracelluare;
anche implicato nella regolazione del volume cellulare)
Na+
Na +
H+
K+
Nel digiuno concorre a recuperare una frazione di NaHCO3 proveniente dalla
bile e dal succo pancreatico. La membrana luminale degli enterociti del
digiuno non possiede un sistema di trasporto per HCO3-, che deve essere
disidratato a CO2 per poter entrare sotto forma di gas nell’enterocita. A ciò
provvede lo scambiatore Na+/H+ che trasporta nel lume intestinale gli H+
necessari alla trasformazione dellHCO3- in CO2. questa viene poi
trasformata in HCO3- all’interno dell’enterocita che uscirà per
controtrasporto col Cl-
Scambiatore Na+/Ca2+
Superficie citoplasmatica:
lo scambiatore carica il
Ca2+ nonostante la bassa
concentrazione, a causa
della grande affinità.
Superficie extracellulare:
lo scambiatore carica il Na+
nonostante la bassa
affinità, a causa dell’alta
concentrazione.
La transizione
conformazionale
comporta aumento di
affinità per il Na+ e
diminuzione di
affinità per il Ca2+
Superficie citoplasmatica:
lo scambiatore libera il Na+,
nonostante la maggiore
affinità, a causa della bassa
concentrazione
Superficie extracellulare:
lo scambiatore libera il Ca2+
nonostante l’alta
concentrazione, a causa
della bassa affinità.
Antiporto Na+/Ca2+
K+
Na+
Ca2+
3Na+
Ruolo del
Na+/Ca2+
nel cuore
I glicosidi cardiaci inibiscono la Na+/K+ATPasi
Il Na+ intracellulare aumenta diminuendone il suo gradiente di
concentrazione
Il Ca2+ è espulso più lentamente dall’antiporto
Il Ca2+ intracellulare aumenta e di conseguenza aumenta la
forza di contrazione del cuore
Simporti Na+/neurotrasmettitori
Azione delle droghe stimolanti sui terminali assonici catecolaminergici.
Possiamo osservare un terminale noradrenergico sulla sinistra ed un terminale dopaminergico sulla destra.
Sia la NA che la DA sono sintetizzate a partire da tirosina. L’azione di NA e di DA si conclude normalmente
con un loro riassorbimento nel terminale assonico. Cocaina ed anfetamina bloccano tale riassorbimento,
permettendo a NA e DA di restare più a lungo nella fessura sinaptica.
Depressione
• la depressione è una malattia neurologica
associata ad una deficienza di serotonina e
noradrenalina a livello del SNC.
• si cura con il Prozac (fluoxetina) che inibisce
il trasportatore del re-uptake (presinaptico) della
serotonina rilasciata
• in questo modo la concentrazione di serotonina
nello spazio intersinaptico e l’attività delle
sinapsi serotoninergiche aumentano.
ACh-esterasi
trasportatore
(re-uptake)
Contro-trasporto Cl-/ HCO3-Riassorbimento di bicarbonato a livello della
membrana basolaterale del digiuno e del tubulo
contorto prossimale e distale del rene.
-Ingresso di Cl esterno nelle cellule ossintiche
dell’epitelio gastrico, che rappresenta la riserva di
Cl per la produzione di HCl.
-Produzione di HCO3- del succo pancreatico per
mantenere il pH a valori basici tale da poter
controbilanciare il basso pH del chimo nel lume
duodenale e a ottenere pH ottimali per il
funzionamento degli enzimi pancreatici
Il contro trasporto HCO3-/Cl- è tipicamente reversibile per cui opera
ugualmente bene sia “in ingresso” che “in uscita” dalle cellule. Questa
reversibilità è particolarmente evidente nella fondamentale funzione che
esso svolge nel trasporto dei gas respiratori affidato ai globuli rossi, nota
come fenomeno di Hamburger o passaggio dei cloruri.
TRASPORTI TRANSMEMBRANALI MEDIATI DA VESCICOLE
La maggior parte delle macromolecole è troppo grande per attraversare la membrana
tramite le proteine carrier, esse si muovono dentro e fuori la cellula con l’aiuto di
vescicole. Il processo ha carattere attivo, richiede dispendio energetico da parte
della cellula
Fagocitosi
Endocitosi
Esocitosi
endocitosi recettore mediata
pinocitosi
FAGOCITOSI
E’ il processo con cui una cellula avvolge una particella in una vescicola. Nell’uomo
questo processo è limitato a determinati globuli bianchi, i fagociti, cellule che
riescono ad inglobare macromolecole e corpuscoli di grosse dimensioni, come
batteri e frammenti di cellule danneggiate
La fagocitosi richiede l’energia
dell’ATP per il movimento del
citoscheletro e per il trasporto
intracellulare della vescicola
ENDOCITOSI
- Differisce dalla fagocitosi in quanto la superficie della membrana forma un incavo
piuttosto che protrudere all’esterno
- E’ un processo attivo che richiede energia dall’ATP
- Non coinvolge il citoscheletro come nella fagocitosi
- Può essere non selettiva permettendo al liquido extracellulare di entrare nella
cellula (pinocitosi)
- Può essere altamente selettiva permettendo solo a molecole specifiche di entrare
nella cellula (endocitosi recettore-mediata)
Endocitosi
OUT
IN
Pinocitosi
Endocitosi recettore-mediata
1. I recettori proteici sulla membrana cellulare si
legano al loro ligando specifico
2. Il complesso recettore-ligando migra verso una
regione definita “fossetta rivestita”
3. La fossetta rivestita si invagina per creare
una piccola vescicola rivestita da membrana
4. La vescicola si separa dalla membrana . La
proteina di rivestimento si separa dalla vescicola
e ritorna verso la membrana cellulare
5. La vescicola si sposta nella cellula e il
recettore e il ligando si separano formando due
vescicole distinte
6. Le vescicole contenenti i ligandi si muovono
verso il citoplasma dove possono essere
processate dai lisosomi o dall’apparato di Golgi
7. Le vescicole secretorie con i recettori tornano
verso la membrana cellulare e si fondono con
essa
8. La regione di fusione si apre e la membrana
della vescicola diviene di nuovo parte della
membrana cellulare
Con questo meccanismo vengono trasportate
una varietà di sostanze, tra cui ormoni
proteici, fattori di crescita e proteine
plasmatiche che funzionano da carrier per il
ferro e il colesterolo.
Esocitosi
- E’ il modo con cui le cellule secernono grosse molecole
- Richiede energia in forma di ATP
- Ormoni e neurotrasmettitori attraversano la membrana con questo
meccanismo
-La tappa iniziale è la fusione delle vescicole secretorie con la
membrana cellulare, processo che viene innescato da un aumento di
calcio intracellulare
- Coinvolge due famiglie di proteine Rab, che aiutano le vescicole ad
aderire alla membrana, e SNARE, che facilitano la fusione delle
membrane.
• Serve all’ espulsione di prodotti di scarto o alla secrezione
di ormoni
• La membrana della vescicola secretoria si fonde con la
membrana plasmatica rilasciando il contenuto all’ esterno