Trasportatori e
pompe ioniche
Canali, pompe ioniche e trasportatori
bersaglio diretto ed indiretto di numerosi farmaci
Concentrazione intracellulare ed extracellulare
dei principali ioni
Na+
K+
ClCa2+
Mg2+
Concentrazione
Extracellulare
Concentrazione
Intracellulare
145 mM
4 mM
110 mM
15 mM
150 mM
10 mM
2 mM
2 mM
10 nM
0.5 mM
Pi
2 mM
H+
10-7 M
Proteine 0.2 mM
40 mM
10-7 M
4 mM
Trasportatori e pompe ioniche:
due grandi superfamiglie
SLC (Solute carrier)
–Diffusione facilitata
–Trasporto attivo
•SERT, DAT
–Bidirezionale
ABC (ATP binding cassette)
–Trasporto attivo
•MDR, glicoproteina P
–Unidirezionale
Trasportatori:
il movimento può coinvolgere una o più sostanze
Un esempio di uniporto:
GLUT1 (glucosio permeasi)
diffusione passiva e
trasporto facilitato
Molecular Cell Biology, 2000.
Rapporto tra insulina e glucosio
Yip et al, 2008
PLASMALEMMA GLUCOSE TRANSPORTERS
Porter
Mechanism
Glucose
Km
Location
Tissues
Characteristics
GLUT-1
passive
20 mM
-
brain, red cells, endothelium, β
cells
constitutive
porter
GLUT-2
passive
42 mM
mobile
kidney, ileum, liver, pancreatic
β cells
low-affinity
porter
GLUT-3
passive
10 mM
apical
neurones, placenta
(trophoectoderm)
high-affinity
porter
GLUT-4
passive
2 - 10 mM
-
skeletal muscle, heart,
adipocytes
insulinresponsive
GLUT-5
passive
-
both
widely distributed
fructose
transport
SGLT-1
Na+
dependent
high
affinity
apical
small intestine, kidney tubules
high affinity
uptake
SGLT-2
Na+
dependent
low affinity apical
kidney proximal tubule
high capacity
uptake
Glucose reabsorption from the glomerular filtrate through
a proximal tubule epithelial cell into the blood.
SGLT3
White J R Clin Diabetes 2010;28:5-10
Serglifozin
Remoglifozin
Canaglifozin
DAPAGLIFOZIN
Nature Reviews Drug Discovery 9, 551-559 (July 2010)
GLUT1-12
(SLC2A)
uniporto
Interruttore a bilanciere
(rocker switch)
SGLT1 e SGLT2
simporto
Il trasportatore presenta, in una zona
centrale, una cavità interna dove le
specie trasportate vengono legate
Un altro esempio di simporto: Pept1 (SLC15)
penicilline
cefalosporine
fosinopril
valaciclovir
TIPS, 23:434-440, 2002
Altri sistemi di simporto ionico
Controllano le concentrazioni ioniche intracellulari.
Sfruttano il gradiente di Na+ e/o K+
creato dalla pompa sodio-potassio.
Trasportatori di Cl-: regolano la concentrazione intracellulare
di Cl- e conseguentemente il volume cellulare:
•K+/Cl- (KCC): trasporta Cl- verso l’esterno della cellula
•Na+/K+/2Cl- (NKCC): trasporta Cl- verso l’interno della cellula
Sistemi di antiporto ionico
Scambiatore Na+/Ca2+
Scambiatori Na+/H+ e Cl-/HCO3Neurotrasportatori vescicolari (dipendenti da ATPasi
protoniche che pompano H+ verso l’interno delle vescicole)
Un esempio di antiporto:
lo scambiatore Na+/Ca2+
riposo
(diastole):
Ca2+ OUT
depolarizzata
(sistole)
Ca2+ IN
Sodium-Calcium Exchange nella cellula cardiaca
Selected human transport proteins for drugs and
endogenous substances.
Nature Reviews Drug Discovery 9, 215-236 (March 2010)
Nature Reviews Drug Discovery 9, 215-236 (March 2010)
….. riassumendo: i trasportatori
I trasportatori, detti anche carrier o sistemi di trasporto, sono delle
proteine di membrana che hanno il compito di trasportare all’interno
della cellula piccole molecole (mediatori, nutrienti, ecc.) che
altrimenti non potrebbero attraversare la membrana in quanto
idrofile.
Queste molecole, indispensabili al funzionamento dell’organismo,
sono accumulate all’interno della cellula anche contro il loro
gradiente di concentrazione. L’energia per questo movimento è in
genere fornita dal movimento abbinato di uno o più ioni che si
muovono lungo i loro gradienti elettrochimici.
…. quindi, il ruolo dei trasportatori:
Farmacocinetica
–Assorbimento
–Distribuzione
•Organi bersaglio
–Eliminazione
•Farmacoresistenza
Farmacodinamica
− Ricaptazione amine
SERT, DAT
− Captazione colesterolo
− Captazione glucosio
Il trasporto attivo primario e
le 4 classi di proteine di trasporto ATP-dipendenti.
49 geni in 7 famiglie
Principali tipi di pompe (ABC)
ATPasi protoniche, trasportano H+ all’esterno della
cellula
ATPasi per il Ca2+, mantengono basso il livello di Ca2+
intracellulare:
Plasma Membrane Ca2+ ATPase (PMCA)
Sarcoplasmatic-Endoplasmatic Reticulum Ca2+ ATPase
(SERCA)
ATPasi Na+/K+ dipendente (pompa sodio-potassio),
mantiene la differenza di concentrazione ionica tra
interno ed esterno della cellula, coinvolta nella genesi
del potenziale di membrana
Un esempio di pompa: la pompa protonica
MeO
MeO
Me
Me
Me
MeO
Me
H+
N
N
S
MeO
Me
Me
N
H
O
N
MeO
H
Omeprazolo
MeO
Me
Me
N
N
S
H
O
N
MeO
H
Forma protonata attivata
N
N
S
H
O
N
N
N
MeO
H
H
Intermedio spiro labile
H2O
MeO
MeO
Me
Me
S
N
N
NH
MeO
Me
S
Me
Enz SH
Enz
Me
Me
N
N
N
N
S
N
H2O
S OH
N
H
MeO
OMe
OMe
Solfenamide
Acido solfenico
Enzima inattivato
Enz SH
Formazione del ponte disolfuro
Attivazione per idrolisi acida
nei canalicoli
S OH
OH
Emivita bassa
Le pompe per il calcio:
i meccanismi che abbassano la [Ca2+]i (“off”)
pompe di membrana del Ca2+ (PMCA e SERCA) e
scambiatore Na+/Ca2+ (NCX)
Ca2+ 10-7-10-8 M
Ca2+ 2 mM
ATP
Ca2+
PMCA
2Ca2+
SERCA
Ca2+
mM
NCX
Na+
ADP+Pi
Reticolo
endoplasmico
TAPSIGARGINA
(ARTEMISININA)
PMCA = Plasma Membrane Calcium ATPase
SERCA = Smooth Endoplasmic Reticulum Calcium ATPase
Un altro esempio di pompa: MDR1
Inibiscono la pompa:
Progesterone
Verapamile
Diltiazem
Chinidina
Reserpina
Polimorfismo genetico = variabilità individuale in assorbimento e disposizione dei farmaci
La più studiata e la più famosa:
la pompa sodio/potassio
La pompa Na+/K+ è un antiporto che sposta Na+ fuori dalla cellula (3 ioni) e
K+ dentro (2 ioni). Consuma un terzo delle risorse energetiche di una
cellula. Il trasporto e’ accoppiato all’idrolisi di ATP.
Ciclo della pompa Na+/K+ ATPasi
FUNZIONE:
mantenimento di un’alta concentrazione di K+ e di una
bassa concentrazione di Na+ all’interno delle cellule
Digitalis purpurea
Tossicità:
> Na +, < K+
> attività
spontanea
La droga è contenuta nella foglia.
I principi attivi sono dei glucosidi:
digitossina, gitossina, gitalossina.
Nature Reviews Drug Discovery 9, 215-236 (March 2010)
… riassumendo: le pompe ioniche
Le pompe ioniche sono degli enzimi (ATPasi) che hanno il compito
di trasportare gli ioni attraverso la membrana contro il loro
gradiente elettrochimico per ristabilire fra l’esterno e l’interno della
membrana quella differenza di concentrazione e potenziale che è
fondamentale per la vita della cellula.
L’accumulo nella cellula di soluti, mediato dai trasportatori, e di
ioni attraverso i canali ionici, causano un abbassamento dei
gradienti chimico ed elettrico di alcuni ioni (Na+, Ca2+).
Il compito delle pompe è quello di far fare il cammino inverso a
questi ioni e quindi ristabilire il gradiente elettrochimico di riposo.
Per fare questo, le pompe ioniche utilizzano l’energia metabolica
liberata dall’idrolisi dell’ATP.
Trasporto Vescicolare
• Esocitosi
– Trasporto verso l’esterno della cellula
• Endocitosi
– Trasporto verso l’interno della cellula
ENDOCITOSI
FAGOCITOSI
PINOCITOSI
ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORI
• Prodotti di scarto
• Particolari prodotti di secrezione
ormoni
• Fusione delle vescicole con la
membrana plasmatica determina
accrescimento
• Release di neurotrasmettitori
ESOCITOSI
COMUNICAZIONE TRA CELLULA E AMBIENTE
• TRASPORTO PASSIVO
– DIFFUSIONE SEMPLICE
– DIFFUSIONE FACILITATA (sono necessarie proteine integrali di membrana)
» Proteine canale
» Proteine trasportatrici
– OSMOSI
• TRASPORTO ATTIVO (sono necessarie proteine integrali di membrana)
(è necessaria energia)
CONTRO GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE
– UNIPORTO
– COTRASPORTO:
SIMPORTO
ANTIPORTO
– ENDOCITOSI (fagocitosi - pinocitosi)
– ENDOCITOSI MEDIATA DA UN RECETTORE
– ESOCITOSI
Classificazione delle proteine trasportatrici
Membrane Transport Proteins
Specific Carriers
Selective Channels
Primary Active Transport
ATP-powered pumps
ATPases:
P-type, F-type and ABC-type ATPases
(ABC transporters)
Primary active transport
Energy derived from hydrolysis of ATP
to ADP liberating energy from high
energy phosphate bond
Secondary Active Transport
Facilitated Diffusion
Uniporters
Glut1-5
Facilitated diffusion
Like any diffusion, transport from an area
of higher concentration to lower
concentration. Passive transport is
powered by the potential energy of a
concentration gradient and does not
require the expenditure of metabolic
energy
Symporters
Antiporters
Pept1
NHE
Secondary active transport
Use of energy from another source-another secondary
diffusion gradient set up across the membrane using
another ion. Because this secondary diffusion gradient
initially established using an ion pump, as in primary
active transport, the energy is ultimately derived from the
same source-ATP hydrolysis.
