I trasportatori di membrana sono proteine integrali specializzate nel trasferimento attraverso i doppî strati lipidici della gran parte delle piccole molecole idrosolubili e di specifici ioni inorganici. La loro attività è altamente selettiva: ciascun trasportatore riconosce con elevata specificità una o poche specie molecolari. Per assicurare un flusso ordinato di soluti tra citosol e organuli, ogni membrana biologica ospita un corredo distinto di trasportatori coerente con la funzione del compartimento. La membrana plasmatica, ad esempio, esprime trasportatori per l’ingresso di nutrienti quali zuccheri, amminoacidi e nucleotidi; la membrana lisosomiale contiene una pompa per H⁺ che acidifica il lume lisosomiale, oltre a trasportatori deputati a riversare nel citosol i prodotti della digestione; la membrana interna mitocondriale possiede carrier che importano piruvato, combustibile per la sintesi di ATP, e sistemi che scambiano nucleotidi, consentendo l’uscita dell’ATP neoformato (Figura 05.05-01). Seguono i principi generali di funzionamento dei trasportatori e i meccanismi molecolari che governano il movimento di soluti di rilevanza fisiologica.

Image Gallery

Trasportatori specifici delle membrane

Ogni membrana cellulare ha i propri trasportatori specifici. Grazie a tali trasportatori ciascun tipo di membrana può svolgere la sua specifica funzione. Nella figura ne sono indicati solo alcuni.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Un modello classico di trasporto passivo mediato da carrier è offerto dai trasportatori del glucosio presenti nella membrana plasmatica di numerosi tipi cellulari dei mammiferi. Queste proteine multipasso, costituite da un’unica catena polipeptidica che attraversa la membrana più volte, operano secondo il principio dell’accesso alternante: lo stesso sito di legame per il soluto viene esposto, in modo reversibile e stocastico, prima su un lato della membrana e poi sull’altro. Poiché il glucosio è elettricamente neutro, il suo gradiente elettrochimico coincide con il gradiente di concentrazione, descritto da: \(\Delta \mu = RT \ln\!\left(\frac{[glucosio]_{in}}{[glucosio]_{out}}\right)\). La direzione del flusso netto è quindi determinata dal segno di tale termine.

In condizioni di abbondanza di glucosio extracellulare, ad esempio dopo l’assorbimento intestinale post-prandiale, il legame del glucosio al sito esposto verso l’esterno favorisce la transizione conformazionale che ne consente il rilascio nel citosol, dove la concentrazione è inferiore (Figura 05.05-02). In molte cellule, l’immediata fosforilazione a glucosio-6-fosfato riduce ulteriormente la concentrazione di glucosio libero intracellulare, mantenendo favorevole l’ingresso. In senso opposto, durante il digiuno l’azione del glucagone sugli epatociti stimola la mobilizzazione del glicogeno e la gluconeogenesi; la concentrazione citosolica di glucosio può allora superare quella esterna e il trasportatore, esponendo il sito verso il citosol, facilita l’uscita del monosaccaride, che diventa disponibile per altri distretti.

Questi carrier sono sia selettivi sia saturabili: riconoscono il D-glucosio con alta affinità, mentre la forma enantiomera L non viene praticamente traslocata. La cinetica del trasporto mostra comportamento analogo a quello enzimatico, con velocità che tende a una soglia massima al crescere della concentrazione del substrato. Pur non determinando la direzione del flusso, tale specificità assicura che solo i soluti compatibili con il sito di legame vengano trasferiti con efficienza.

Image Gallery

Trasporto passivo del glucosio e cambiamenti conformazionali

I cambiamenti conformazionali in un trasportatore mediano il trasporto passivo di un soluto come il glucosio. Il trasportatore viene mostrato in tre conformazioni diverse: nella conformazione aperta verso l’esterno (a sinistra), i siti di legame per il soluto vengono esposti all’esterno; nella conformazione aperta verso l’interno (a destra), i siti vengono esposti all’interno del doppio strato; e nella conformazione occlusa (al centro), i siti non sono accessibili da nessuno dei due lati. La transizione tra le diverse conformazioni avviene in modo casuale, è totalmente reversibile e, fatto ancora più importante per la funzione del trasportatore mostrata nella figura, non dipende dall’occupazione o meno dei siti di legame. Pertanto, se la concentrazione del soluto è più elevata all’esterno del doppio strato, una quantità maggiore di soluti si legherà al trasportatore nella conformazione aperta verso l’esterno rispetto a quando è presente la conformazione verso l’interno, e si verificherà un trasporto netto di glucosio secondo il suo gradiente di concentrazione.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Il solo trasporto passivo non è sufficiente a mantenere l’omeostasi ionica e metabolica. Quando un soluto deve essere spostato contro il proprio gradiente elettrochimico, le cellule impiegano pompe transmembrana che forniscono energia al processo secondo tre strategie principali (Figura 05.05-03):

• trasportatori accoppiati, che collegano il movimento “a valle” di un soluto all’ingresso o all’uscita “in salita” di un altro soluto, realizzando simporto o antiporto;
• pompe ATP-driven, che ricavano energia dall’idrolisi di ATP e trasferiscono direttamente il gruppo fosfato o sfruttano cambi conformazionali indotti dall’energia liberata;
• pompe fotoattivate, tipiche soprattutto di procarioti, che utilizzano l’energia luminosa per generare gradienti ionici, come accade con la batteriorodopsina.

Questi meccanismi sono funzionalmente interconnessi. Nelle cellule animali, una pompa ATP-dipendente espelle Na⁺ creando un forte gradiente transmembrana; il rientro di Na⁺ lungo tale gradiente, attraverso trasportatori accoppiati, fornisce la forza motrice per l’importazione “secondaria attiva” di numerosi nutrienti e ioni. L’inibizione della pompa del sodio esaurisce rapidamente il gradiente, arrestando i processi dipendenti dall’accoppiamento al Na⁺. In piante, funghi e molti batteri, un ruolo analogo è svolto dalle pompe dei protoni che estrudono H⁺ e costruiscono un gradiente elettrochimico di protoni utilizzato in seguito per l’assorbimento di soluti.

Image Gallery

Modalità di funzionamento delle pompe

Le pompe alimentano il trasporto attivo principalmente in tre modi. La molecola trasportata attivamente è rappresentata in giallo, la fonte di energia in rosso.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

La Na⁺/K⁺-ATPasi è una P-type ATPasi cruciale per l’equilibrio ionico e il bilancio energetico cellulare. In molte cellule animali essa consuma una frazione consistente dell’ATP disponibile, spesso nell’ordine del 20–40% del totale. Ogni ciclo catalitico, accoppiato all’idrolisi di una molecola di ATP, trasferisce tipicamente 3 ioni Na⁺ verso l’esterno e 2 ioni K⁺ verso l’interno, generando un flusso elettrogenico. L’energia dell’idrolisi fosforila transitoriamente un residuo dell’enzima e innesca una sequenza ordinata di cambi conformazionali che alternano stati con siti ionici accessibili al citosol o al versante extracellulare (Figura 05.05-04).

Il ciclo di trasporto procede per tappe interdipendenti, ciascuna condizionata dalla precedente e dalla disponibilità degli ioni appropriati (Figura 05.05-05). Tale accoppiamento stretto previene l’idrolisi “futile” dell’ATP quando Na⁺ o K⁺ mancano. Molecole inibitrici come la ouabaina bloccano la pompa stabilizzando stati conformazionali specifici e impedendo, ad esempio, il legame del K⁺ extracellulare, con interruzione dell’intero ciclo. La cinetica è rapida: un ciclo completo richiede tipicamente pochi millisecondi, per esempio circa 8 ms. Oltre a sostenere il trasporto accoppiato al Na⁺, l’attività della Na⁺/K⁺-ATPasi contribuisce al potenziale di membrana e al controllo del volume cellulare, bilanciando l’osmosi e mantenendo la tonicità interna.

Image Gallery

La pompa Na⁺/K⁺

La pompa Na⁺-K⁺ si avvale dell’energia derivante dall’idrolisi dell’ATP per pompare Na⁺ all’esterno e K⁺ all’interno. In questo modo, la pompa permette di mantenere basse le concentrazioni citosoliche di Na⁺ ed elevate le concentrazioni di K⁺.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

Ciclo conformazionale della pompa Na⁺/K⁺

La pompa Na⁺ subisce una serie di cambiamenti conformazionali mentre scambia ioni Na⁺ con ioni K⁺. (1) Il legame del Na⁺ citosolico e la successiva fosforilazione da parte dell’ATP nella porzione citoplasmatica della pompa inducono cambiamenti conformazionali nella pompa stessa, in seguito ai quali il Na⁺ viene trasferito attraverso la membrana e rilasciato all’esterno della cellula. (2) Il legame ad alta energia del fosfato con la proteina fornisce l’energia che permette i cambiamenti conformazionali. (3) Il legame del K⁺ nello spazio extracellulare e la successiva defosforilazione consentono alla proteina di ritornare alla sua conformazione originale e quindi trasferire il K⁺ attraverso la membrana, rilasciandolo dentro la cellula. I cambiamenti conformazionali sono analoghi a quelli del trasportatore del glucosio, tranne che in questo caso la fosforilazione e la defosforilazione della proteina, dipendenti rispettivamente dal Na⁺ e dal K⁺, fanno sì che i cambiamenti conformazionali si verifichino in modo ordinato, permettendo alla proteina di effettuare un lavoro efficiente. Per semplicità viene mostrato un solo sito di legame per ogni ione, ma nelle cellule dei mammiferi la pompa contiene tre siti di legame per Na⁺ e due per K⁺. Il risultato netto di un ciclo della pompa è quindi il trasporto verso l’esterno di tre Na⁺ e il trasporto verso l’interno di due K⁺. La ouabaina inibisce la pompa impedendo il legame del K⁺.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

La Na⁺/K⁺-ATPasi, nota comunemente come “pompa del sodio e del potassio”, utilizza l’energia ricavata dall’idrolisi di ATP per espellere ioni Na⁺ dal citoplasma e importare ioni K⁺, con una stechiometria tipica di 3 Na⁺ estrusi per 2 K⁺ introdotti per ciascuna molecola di ATP consumata. In tal modo mantiene la concentrazione citosolica di Na⁺ da 10 a 30 volte inferiore rispetto a quella del liquido extracellulare e, al contempo, una concentrazione di K⁺ intracellulare da 10 a 30 volte più elevata (Tabella 05.05-02). Questa attività elettrogenica contribuisce sia al gradiente di concentrazione sia al potenziale di membrana che, insieme, determinano il gradiente elettrochimico di Na⁺ che favorisce l’ingresso dello ione nella cellula (Figura 05.05-12).

L’energia libera associata al gradiente di Na⁺ può essere espressa come differenza di potenziale chimico-elettrostatico: \[ \Delta \mu_{\mathrm{Na^+}} = RT \ln\!\left(\frac{[\mathrm{Na^+}]_{\mathrm{in}}}{[\mathrm{Na^+}]_{\mathrm{out}}}\right) + zF\Delta\Psi, \] dove \(R\) è la costante dei gas, \(T\) la temperatura assoluta, \(z\) la valenza dello ione (per Na⁺, \(z=+1\)), \(F\) la costante di Faraday e \(\Delta\Psi\) il potenziale transmembrana. Un valore intracellulare di Na⁺ basso e un potenziale negativo all’interno rendono \(\Delta \mu_{\mathrm{Na^+}}\) fortemente favorevole all’ingresso dello ione.

L’elevata concentrazione di Na⁺ al di fuori della cellula, in presenza di un potenziale di membrana negativo, rappresenta una riserva di energia paragonabile a un bacino d’acqua a monte di una diga: può essere “sfruttata” per alimentare trasporti secondari di numerosi soluti (Figura 05.05-06). Anche se l’enzima viene inibito farmacologicamente, ad esempio con ouabaina, il serbatoio energetico accumulato dal gradiente di Na⁺ è sufficiente a sostenere per alcuni minuti il funzionamento dei trasportatori accoppiati alimentati dal flusso di Na⁺ secondo gradiente, prima che il gradiente stesso si dissipi in modo significativo.

Image Gallery

Il gradiente elettrochimico

Il gradiente elettrochimico ha due componenti. La forza motrice netta (il gradiente elettrochimico) che tende a spostare un soluto dotato di carica (ione) attraverso una membrana è la somma di una forza derivante dal gradiente di concentrazione del soluto e di una forza derivante dal potenziale di membrana. Il potenziale di membrana viene qui rappresentato dai segni + e – sui due lati della membrana. La larghezza della freccia verde rappresenta l’ampiezza del gradiente elettrochimico. (A) Il gradiente di concentrazione e il potenziale di membrana collaborano al fine di incrementare la forza motrice per il movimento del soluto. Questo è il caso del Na⁺. (B) Il potenziale di membrana si oppone al gradiente di concentrazione, riducendo la forza motrice elettrochimica. Questo è il caso del K⁺.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

Concentrazione di Na⁺ ed energia potenziale

L’alta concentrazione di Na⁺ all’esterno della cellula ha analogie con un grande volume di acqua trattenuto da una diga. L’acqua trattenuta da una diga ha un’energia potenziale che può essere usata per alimentare processi che richiedono energia. In modo analogo, un gradiente ionico tra i due lati di una membrana può essere usato per guidare i processi attivi di altre molecole attraverso la membrana cellulare.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Il Ca²⁺ intracellulare libero è mantenuto su valori estremamente bassi, tipicamente intorno a 10⁻⁴ mM (≈100 nM), a fronte di concentrazioni extracellulari nell’ordine di 1–2 mM (Tabella 05.05-02). Tale differenza è cruciale perché il Ca²⁺ funge da segnale intracellulare: rapidi aumenti transitori del Ca²⁺ citosolico regolano processi come l’esocitosi sinaptica, la contrazione muscolare, la fecondazione e molte vie di segnalazione. Quanto più bassa è la concentrazione basale, tanto maggiore è la sensibilità della cellula ai segnali che ne incrementano il valore.

Il mantenimento di un Ca²⁺ citosolico basso dipende principalmente da pompe Ca²⁺-ATPasi localizzate nella membrana plasmatica (PMCA) e nel reticolo endoplasmatico/sarcoplasmatico (SERCA). Queste proteine appartengono alla famiglia delle ATPasi di tipo P e, analogamente alla pompa Na⁺/K⁺ (Figura 05.05-05), attraversano stati conformazionali fosforilati per traslocare lo ione. La pompa del Ca²⁺, tuttavia, completa il ciclo senza richiedere il legame e il co-trasporto di un secondo catione, come illustrato in (Figura 05.05-07). La similarità di sequenza e di architettura con la Na⁺/K⁺-ATPasi suggerisce un’origine evolutiva comune.

La cellula integra il lavoro delle pompe con sistemi di buffering e di compartimentalizzazione: proteine leganti Ca²⁺ (ad esempio calmodulina o calsequestrina), depositi nei lumi del reticolo endoplasmatico e del reticolo sarcoplasmatico, e assorbimento mitocondriale contribuiscono a limitare e modellare le oscillazioni del segnale calcio-dipendente. La rimozione attiva di Ca²⁺ dal citosol, contro il suo ripido gradiente, è pertanto un requisito per la corretta temporizzazione e chiusura dei processi regolati dal Ca²⁺.

Image Gallery

Ciclo conformazionale della pompa Na⁺/K⁺

La pompa Na⁺ subisce una serie di cambiamenti conformazionali mentre scambia ioni Na⁺ con ioni K⁺. (1) Il legame del Na⁺ citosolico e la successiva fosforilazione da parte dell’ATP nella porzione citoplasmatica della pompa inducono cambiamenti conformazionali nella pompa stessa, in seguito ai quali il Na⁺ viene trasferito attraverso la membrana e rilasciato all’esterno della cellula. (2) Il legame ad alta energia del fosfato con la proteina fornisce l’energia che permette i cambiamenti conformazionali. (3) Il legame del K⁺ nello spazio extracellulare e la successiva defosforilazione consentono alla proteina di ritornare alla sua conformazione originale e quindi trasferire il K⁺ attraverso la membrana, rilasciandolo dentro la cellula. I cambiamenti conformazionali sono analoghi a quelli del trasportatore del glucosio, tranne che in questo caso la fosforilazione e la defosforilazione della proteina, dipendenti rispettivamente dal Na⁺ e dal K⁺, fanno sì che i cambiamenti conformazionali si verifichino in modo ordinato, permettendo alla proteina di effettuare un lavoro efficiente. Per semplicità viene mostrato un solo sito di legame per ogni ione, ma nelle cellule dei mammiferi la pompa contiene tre siti di legame per Na⁺ e due per K⁺. Il risultato netto di un ciclo della pompa è quindi il trasporto verso l’esterno di tre Na⁺ e il trasporto verso l’interno di due K⁺. La ouabaina inibisce la pompa impedendo il legame del K⁺.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

La pompa Ca²⁺ nel reticolo sarcoplasmatico

La pompa Ca²⁺ nel reticolo sarcoplasmatico è la prima pompa ionica ATP-dipendente la cui struttura tridimensionale è stata determinata tramite cristallografia a raggi X. Quando una cellula muscolare viene stimolata, il calcio esce dal reticolo sarcoplasmatico (una forma specializzata di reticolo endoplasmatico) e fluisce nel citosol; ciò permette alla cellula di contrarsi. Nella fase di recupero, dopo la contrazione, il Ca²⁺ deve essere riportato nel reticolo sarcoplasmatico da questa pompa per il calcio. La pompa Ca²⁺ usa l’ATP per fosforilarsi, inducendo una serie di cambiamenti conformazionali che, quando la pompa è aperta verso il lume del reticolo sarcoplasmatico, eliminano i siti di legame per il Ca²⁺ e liberano i due ioni Ca²⁺ nell’organulo.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Un gradiente di concentrazione o di potenziale elettrico attraverso una membrana può essere convertito in lavoro utile per trasportare altri soluti contro gradiente. È il principio del trasporto attivo secondario: il flusso spontaneo del “soluto motore” fornisce l’energia necessaria per accumulare o espellere un secondo soluto. I trasportatori che realizzano tale accoppiamento sono detti trasportatori accoppiati (Figura 05.05-03):

• Se due soluti attraversano la membrana nella stessa direzione, il meccanismo è un simporto;
• se si muovono in direzioni opposte, si parla di antiporto;
• se il trasporto riguarda un solo tipo di soluto, si tratta di un uniporto non accoppiato (Figura 05.05-08).

Le combinazioni possibili includono ione/ione, ione/molecola organica o molecola organica/molecola organica. Un classico uniporto è il trasportatore passivo del glucosio, che consente il flusso secondo gradiente senza spesa diretta di ATP (Figura 05.05-02). In tutti i casi, l’efficacia del trasporto accoppiato dipende dall’entità del gradiente che lo alimenta e dalla cinetica del trasportatore stesso.

Image Gallery

Modalità di funzionamento delle pompe

Le pompe alimentano il trasporto attivo principalmente in tre modi. La molecola trasportata attivamente è rappresentata in giallo, la fonte di energia in rosso.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

Simporti, antiporti e uniporti

I trasportatori possono svolgere le proprie funzioni come simporti o antiporti. I trasportatori che trasportano diversi soluti nella stessa direzione sono detti simporti, mentre quelli che trasportano i diversi soluti in direzioni opposte sono detti antiporti. Gli uniporti, al contrario, facilitano solo il movimento di un soluto lungo il gradiente di concentrazione. Questo tipo di movimento non richiede un’ulteriore fonte di energia e pertanto gli uniporti non sono pompe.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

Trasporto passivo del glucosio e cambiamenti conformazionali

I cambiamenti conformazionali in un trasportatore mediano il trasporto passivo di un soluto come il glucosio. Il trasportatore viene mostrato in tre conformazioni diverse: nella conformazione aperta verso l’esterno (a sinistra), i siti di legame per il soluto vengono esposti all’esterno; nella conformazione aperta verso l’interno (a destra), i siti vengono esposti all’interno del doppio strato; e nella conformazione occlusa (al centro), i siti non sono accessibili da nessuno dei due lati. La transizione tra le diverse conformazioni avviene in modo casuale, è totalmente reversibile e, fatto ancora più importante per la funzione del trasportatore mostrata nella figura, non dipende dall’occupazione o meno dei siti di legame. Pertanto, se la concentrazione del soluto è più elevata all’esterno del doppio strato, una quantità maggiore di soluti si legherà al trasportatore nella conformazione aperta verso l’esterno rispetto a quando è presente la conformazione verso l’interno, e si verificherà un trasporto netto di glucosio secondo il suo gradiente di concentrazione.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Nelle cellule animali, i simporti guidati dall’ingresso di Na⁺ sono ampiamente impiegati per l’assorbimento di nutrienti e ioni. Le cellule epiteliali dell’intestino tenue ne forniscono un esempio paradigmatico: la membrana apicale, rivolta verso il lume, esprime simporti Na⁺/glucosio che utilizzano l’energia del gradiente elettrochimico del sodio per introdurre glucosio anche quando la sua concentrazione citosolica è superiore a quella luminale. Il legame di Na⁺ e glucosio al trasportatore è cooperativo, per cui l’affinità per uno dei due aumenta quando l’altro è già legato; in assenza di uno dei due ligandi, il ciclo di trasporto non procede (Figura 05.05-09).

Per realizzare il trasferimento vettoriale del glucosio dall’intestino al sangue, gli enterociti organizzano i trasportatori in domini di membrana distinti: i simporti Na⁺/glucosio sono confinati al polo apicale, mentre nella membrana baso-laterale sono presenti uniporti del glucosio che consentono il rilascio passivo verso l’interstizio e quindi nel circolo ematico (Figura 05.05-10). Le giunzioni strette, situate in prossimità dell’orlo apicale, costituiscono una barriera alla diffusione laterale delle proteine di membrana, preservando la polarità funzionale dell’epitelio.

Oltre ai simporti, anche diversi antiporti dipendono dal gradiente di Na⁺. Lo scambiatore Na⁺/H⁺ (NHE) utilizza l’ingresso di Na⁺ per allontanare H⁺ dal citosol, contribuendo in modo significativo al controllo del pH intracellulare e alla risposta a carichi acidi. In vari tessuti si trovano ulteriori sistemi accoppiati, come gli scambiatori Na⁺/Ca²⁺, che supportano l’estrusione di Ca²⁺ quando il fabbisogno di rimozione supera la capacità delle pompe Ca²⁺-ATPasi. Tutti questi processi richiedono che la Na⁺/K⁺-ATPasi mantenga il gradiente di Na⁺: se la pompa viene inibita, l’efficienza dei trasportatori accoppiati crolla via via che il gradiente si riduce.

Image Gallery

Simporto glucosio-Na⁺

La proteina di simporto glucosio-Na⁺ usa il gradiente elettrochimico del Na⁺ per alimentare il trasferimento attivo di glucosio dentro la cellula. La pompa oscilla in modo casuale tra due stati alternativi. In uno stato (“aperto verso l’esterno”) la proteina è aperta verso lo spazio extracellulare; in un altro stato (“aperto verso l’interno”) è aperta verso l’interno della cellula. Anche se il Na⁺ e il glucosio legano ugualmente bene la proteina in entrambi gli stati “aperti”, la pompa può passare da uno stato all’altro solo attraversando uno stato “occluso”. Per il simporto di Na⁺ e glucosio è possibile raggiungere lo stato occluso solo quando sono legati (“stato occluso-occupato”) o quando nessuno dei due è legato (“stato occluso-vuoto”). Poiché la concentrazione del Na⁺ è molto più elevata nello spazio extracellulare, il sito di legame del Na⁺ viene subito occupato nello stato aperto verso l’esterno e il trasportatore deve aspettare il legame di una rara molecola di glucosio. Nel momento in cui ciò si verifica, la pompa passa allo stato occluso-occupato, intrappolando entrambi i soluti. Dal momento che le transizioni conformazionali sono reversibili, può verificarsi una delle due situazioni: il trasportatore può passare allo stato aperto verso l’esterno, nel qual caso i soluti si dissociano senza trasporto alcuno; oppure il trasportatore può passare allo stato aperto verso l’interno, esponendo i siti di legame del soluto verso il citosol, dove la concentrazione di Na⁺ è molto bassa. Il solido quindi si dissocia rapidamente e viene pompato nuovamente fuori dalla cellula dalla pompa Na⁺ al fine di mantenere il suo gradiente. Il trasportatore a questo punto è intrappolato con un sito di legame in parte occupato fino a che non si dissocia anche la molecola di glucosio. A questo punto, in assenza di legame con i soluti, il trasportatore può passare allo stato occluso-vuoto e in seguito allo stato aperto verso l’esterno per ripetere il ciclo di trasporto.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

Trasporto del glucosio nell’epitelio intestinale

Il trasferimento del glucosio attraverso il rivestimento intestinale si avvale di due tipi di trasportatori delle cellule epiteliali. Per mantenere la concentrazione di Na⁺ bassa nel citosol e il ripido gradiente elettrochimico di Na⁺, il Na⁺ entra nella cellula tramite un simporto Na⁺-glucosio e successivamente viene pompato verso l’esterno tramite una pompa Na⁺ localizzata nella membrana basale e laterale, come indicato nella figura. La dieta apporta al lume intestinale abbondante Na⁺ per il funzionamento del simporto Na⁺-glucosio.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

A differenza delle cellule animali, la maggior parte delle cellule di piante, funghi (inclusi i lieviti) e batteri non fa affidamento su pompe del Na⁺ nella membrana plasmatica. In questi organismi, il gradiente elettrochimico di H⁺ costituisce la fonte energetica principale per i trasportatori accoppiati. Le pompe protoniche espellono H⁺ verso l’esterno, generando sia un potenziale di membrana sia una differenza di pH, che rendono l’ambiente esterno relativamente acido e l’interno negativo. Il rientro di H⁺ secondo gradiente può quindi essere utilizzato per co-trasportare zuccheri, amminoacidi e altri nutrienti, analogamente a quanto fa il Na⁺ nelle cellule animali.

Le vie di generazione del gradiente protonico sono diverse. In molti batteri fotosintetici, proteine fotopompe come la batteriorodopsina trasferiscono H⁺ attraverso la membrana sfruttando l’energia luminosa. In piante, funghi e numerosi batteri, le H⁺-ATPasi di tipo P della membrana plasmatica idrolizzano ATP per pompare H⁺ verso l’esterno, in maniera concettualmente simile alle pompe Na⁺ e Ca²⁺ dei mammiferi descritte in precedenza. Inoltre, un’ATPasi protonica distinta, di tipo V, è localizzata nelle membrane di organuli intracellulari, quali i lisosomi delle cellule animali e il vacuolo centrale nelle cellule vegetali e fungine: questi complessi trasferiscono H⁺ dal citosol al lume organellare, acidificando l’interno dell’organulo e contribuendo al mantenimento di un pH citosolico prossimo alla neutralità.

L’acidità intraluminale è essenziale per la funzione di numerosi compartimenti cellulari, ad esempio per l’attivazione di idrolasi lisosomiali o per l’accumulo di metaboliti nel vacuolo.