Caratteristiche generali dei trasporti mediati SPECIFICITA SATURAZIONE COMPETIZIONE
TRASPORTO MEDIATO PASSIVO secondo gradiente di concentrazione TRASPORTO MEDIATO ATTIVO contro gradiente di concentrazione In assenza di carrier - - -
TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO Le POMPE IONICHE: trasferiscono gli ioni contro gradiente e permettono di mantenere la diversa composizione ionica dei liquidi intra-ed extracellulari operano come enzimi ATP-asici la cui attività è innescata dal legame con lo ione specificamente trasportato. NON MANIFESTANO SATURAZIONE:infatti alle normali concentrazioni intracellulari di ATP non presentano un limite intrinseco alla loro capacità di trasporto (Vmax). Ciò tuttavia non significa che non esista un limite di differenza di concentrazione che una pompa ionica può creare ai due lati di una membrana cellulare: L intensità della fuga retrogada ( leakage ) cresce ovviamente man mano che aumenta il gradiente creato dalla pompa fino a render nullo il flusso ionico netto transmembranario; il gradiente allora non potrà essere ulteriormente innalzato. Per questo si dice che le pompe ioniche sono dei TRASPORTI ATTIVI GRADIENTE-LIMITATI.
famiglia di ATPasi trasportatrici: molecole proteiche complesse, spesso polimeriche, un dominio di trasporto, intrinseco alla membrana che costituisce la via in cui transitano gli ioni un dominio catalitico affacciato al lato citoplasmatico della membrana ove avviene la fosforilazione idrolitica dell ATP. mantengono attivamente l acidità all interno di molti organuli endocellulari La classe delle P-ATPasi (P perché vengono fosforilate): 1. sono tutte pompe cationiche: 2. la pompa di scambio Na/K, quella del Ca e la pompa di scambio H+/K+. 3. bloccati dai Sali dell acido vanadico (vanadati) 4. utilizzare il carbossile di un residuo aspartico (da cui il nome alternativo di enzimi aspartilfosforilati) per legare il gruppo fosforico (P) proveniente dall idrolisi dell ATP (e successivamente rilasciarlo nel mezzo in forma inorganica:pi).
uniporto Potenziale di riposo Secrezione HCl in lume gastrico Omeostasi intracellulare di calcio
Pompa Na + / K + Gradiente K + k + Na + Gradiente del Na+ E la pompa più diffusa. A seconda del tipo cellulare da 800mila a 30 milioni di molecole sulla membrana
Trasporti Attivi primari: Na + /K + -ATPasi Caratteristiche funzionali: Ouabaina: inibitore della pompa si lega al sito del K+ 3 in ----- ++++ out 2 Ouabaina È un controtrasporto o antiporto cationico che è responsabile del mantenimento dell elevata concentrazione di K e della bassa concentrazione di Na nel citosol: contro gradiente di concentrazione elevata selettività ATP-dipendente inibito da veleni metabolici e da agenti specifici (ouabaina) elettrogenico 3Na+ contro 2K+ Effetto osmotico: il blocco della pompa porta a rigonfiamento cellulare e lisi parametri cinetici (Km Na = 0.2 mm; Km K = 0.05 mm)
La Na + /K + -ATPasi mantiene i gradienti di Na + e K + tra l ambiente intra e quello extra-cellulare Il lavoro che la pompa deve compiere per trasferire entrambi i cationi controcorrente è enorme: si calcola che ammonta a quasi il 40% dell energia totale spesa per l attività vitale (nelle cellule nervose raggiungerebbe il 70%!). La rilevante quantità di energia spesa dalla pompa si ritrova in gran parte accumulata in forma potenziale negli elevati gradientielettrochimci dei due cationi che essa mantiene ai lati della membrana cellulare. Questi gradienti costituiscono una riserva di energia potenziale disponibile per sostenere svariati processi vitali 1. il mantenimento del potenziale di membrana 2. Alimenta i trasporti attivi secondari, 3. crea un gradiente osmotico che favorisce un processo di fondamentale importanza funzionale: l assorbimento di acqua dal lume dell intestino tenue e dei tubuli renali.
Caratteristiche strutturali: Complesso costituito da sub-unità: Alfa (100 KDa); Beta (45-50 KDa) K+ Na+ e ATP La molecole dell ATPasi Na/K dipendente è un tetramero: la sua molecola comprende infatti due subunitàα(p.m. ca. 100.000) che costituiscono la parte operativa della molecola e due subunità β (p.m. circa 45.000) di natura glicoproteica. Le subunità α, caratterizzata ciascuna da 10 segmenti transmembranari, sono la sede dei siti di legame sia per lo ione Na che per lo ione K e presentano inoltre, nella porzione che sporge al versante citoplasmatico, il dominio enzimatico che opera la scissione dell ATP in ADP, con liberazione dell energia necessario per il controtrasporto. La precisa funzione delle subunitàβ(che hanno un singolo segmento transmembranario) non è conosciuta, anche se la loro presenza è necessaria per la funzione della pompa: si fa l ipotesi che esse condizionino il corretto inserimento delle subunità α nel contesto della membrana.
L interconversione da E1 a E2 passa attraverso intermedi fosforilati
Residuo aspartile
Regolazione della pompa Na/K 1. Una prima regolazione è intrinseca e viene dal fatto che la pompa è depressa da una diminuzione e stimolata da un aumento della concentrazione di ioni Na nel mezzo intracellulare:. 2. Una seconda possibilità di regolazione consiste nel variare il grado di fosforilazione della subunitàα, ad esempio l adrenalina stimola il controtrasporto Na/K attivando una protein chinasi alla fine di una cascata fosforilativa. 3. Una terza possibilità è l aumento della densità membranali delle molecole di pompa stimolando la trascrizione dei geni codificanti la proteina della pompa: in questa maniera probabilmente operano vari fattori ormonali quali gli ormoni tiroidei, l insulina e l aldosterone. 4. La possibilità di regolare farmacologicamente l attività della pompa Na/K deriva dalla presenza sulla subunità α di un sito recettore dei glicosidi cardiaci altamente affine per le molecole dei glicosidi delle digitali che legandosi deprimo l attività della pompa. Ne consegua un aumento della concentrazione di Na nel citosol e che ciò basta a rendere meno efficiente l espulsione del Ca2+ operata dallo scambiatore Na/Ca2+. Ne deriva un aumento della concentrazione citosolica del Ca2+ che è la causa diretta dell azione terapeutica della digitale: l aumentata capacità contrattile delle fibrocellule miocardiche.
RUOLO DELLA POMPA Na/K il potenziale di membrana comprende quindi: 1. L attività di un trasporto attivo primario che fornisce l energia necessaria per garantire l effettiva stazionarietà dell equilibrio elettrochimico del sistema 2. La condizione di equilibrio richiede che i due flussi attivi di Na e K creati dalla pompa ionica di scambio siano costantemente di uguale intensità ai retro-flussi passivi dei due ioni 3. il primum movens che mantiene l ineguale concentrazione degli ioni e quindi l elettrogenesi nella membrana cellulare è in realtà la pompa di scambio Na/K che è un trasporto attivo gradiente limitato. Ciò significa che la pompa tende ad innalzare sempre più i gradienti ionici del Na e K fino al valore definito dalla retro-diffusione passiva (leakage) degli ioni trasportati: il che equivale a dire che all equilibrio i flussi attivi dei due ioni trasportati dalla pompa sono uguali e contrari a quelli passivi dovuti alla loro elettrodiffusione
POMPA DEL CALCIO Nella membrana cellulare di tutte le cellule (la PMCA= plasma membrane Calcium ATPasi) la PMCA ha una affinità maggiore rispetto alla SERCA. Per questo motivo la PMCA è costantemente attiva già alla naturale bassissima concentrazione di Ca2+ (circa 100 nm del Ca2+) L attività della PMCA è dipendente dalla calmodulina che ne è attivatrice quando sia legata al Ca2+, Nella membrana del reticolo endoplasmatico (SERCA= Smooth Endoplasmic Reticulum Calcium ATPasi) e mitocondri la SERCA entra in funzione solo quando la concentrazione del Ca2+ nel citosol aumenta di circa 10 volte dal livello basale. è regolata dal fosfolambano, una proteina associata alla pompa che,agendo per via fosforilativa, ne frena l attività.
POMPA DEL CALCIO: 1. La pompa del Calcio è uno dei pochi casi di trasporto attivo primario avente il carattere di uniporto. 2. La proteina di trasporto (pm circa 100.000) è una ATPasi Ca-dipendente detta anche Ca/Mg- ATPasi 3. è un membro della classe della P-ATPasi della quale possiede la struttura generale a 10 segmenti transmembranari e 4. la presenza nel dominio catalitico del residuo amminoacidico aspartile dove avviene la defosforilazione dell ATP. 5. La pompa trasferisce 2 ioni Calcio per ogni molecola di ATP che viene scissa ed è quindi sempre elettrogenica, nel senso che il suo funzionamento tende ad innalzare il potenziale di membrana 6. IL modello di funzionamento è concettualmente simile a quello descritto per la pompa Na/K:.
l affinità dei siti (esposti all interno) è elevata per gli ioni Ca l affinità per gli ioni Ca si abbassa di 1000 volte Si distacca il Ca Si ha la defosforilazione ed il distacco del Mg 2 Ca++ Mg++ Si lega sia Mg che ATP trasferimento del gruppo P terminale dell ATP al radicale aspartile presente al sito catalitico, con liberazione di energia 2 Ca++
POMPA DI SCAMBIO H+/K+ E SECREZIONE GASTRICA DI HCL Ghiandola ossintica Cellula parietale Cellule superficiali Cellule superficiali Cellule parietali Cellule mucose Cellule endocrine Pompa di produzione dell acido Cellule principali
POMPA DI SCAMBIO H+/K+ controtrasporto primario, noto anche come pompa protonica (non è comunque una H-ATPasi, ma è una P- ATPasi), che trasferisce ioni K+ verso l interno della cellula (contribuendo a mantenerne alta la concentrazione intracellulare) in scambio con H+ espulsi all esterno. Struttura e ciclo funzionale simile alle altre pompe Mg dipendente è elettroneutra, cioè non modifica il potenziale di membrana. LOCALIZZAZIONE Questa ATPasi H/K dipendente è localizzata: nella membrana del polo apicale (luminale) delle cellule ossintiche o parietali delle ghiandole gastriche
Apparato gastro-enterico: Ghiandole gastriche: Secrezione Acido cloridrico Modello secrezione HCl La scoperta, in tempi recenti, di inibitori specifici per la pompa H/K ha subito trovato una vasta applicazione nella cura delle disfunzioni gastriche. Si tratta di composti derivati dall omeprazolo, le cui molecole stabiliscono legami covalenti con i gruppi SH cisteinici della subunitàαdella pompa H/K, inibendola in modo irreversibile. Quando la somministrazione degli inibitori viene interrotta, la secrezione gastrica di HCl riprende solo con la sintesi di nuove molecole dell ATPasi che richiede circa 24 ore.
TRASPORTO ATTIVI SECONDARI
Ione motore secondo gradiente (per lo più il Na) Particella cotrasportata contro gradiente L attacco dello ione motore fa variare l AFFINITA per la particella cotrasportata Qual è il trasporto attivo primario che funge da fonte di energia? la pompa ionica di scambio Na/K (cianuro) REVERSIBILITA DEI TRASPORTI ATTIVI SECONDARI
Classificare in base alla dipendenza dallo ione Na come ione motore: TRASPORTI ATTIVI SECONDARI Na dipendenti TRASPORTI ATTIVI SECONDARI non Na-dipendenti Classificare in base alle molecole che trasportano. 1. Trasporti attivi secondari di molecole organiche (ione-sostanza organica) 2. Trasporti ionici accoppiati (ione-ione)
TRASPORTI ATTIVI SECONDARI DI MOLECOLE ORGANICHE simporti Na-dipendenti:SS (Sodium dipendent symporters) Le proteine che operano questi trasporti nutrizionali appartengono alla numerosa superfamiglia dei simporti Nadipendenti (SS: Sodium-dependent Symporters o Sodium/substrate Symporters) Le loro molecole comprendono una catena di 400-700 residui aa (pm 70-80000) inserita nella tela di membrana con 12-15 segmenti idrofobici Non possiedono un dominio ATPasico come quello delle pompe ioniche PRINCIPALI SIMPORTI Na-DIPENDENTI. 1. Simporto 2 Na, glucosio 2. Simporto Na, aminoacidi 3. Simporti Na, neurotrasmettitori
proteine SGLT1 Sodium dipendent glucose trasporters
a Meccanismo Cotrasporto Na + -Glucosio b d c i due siti liberi NON SI LEGANO nuovamente perché la configurazione con il sito caricato negativamente verso l interno è poco stabile e per questo subito dopo il rilascio di sodio e glucosio, la proteina riprende la configurazione più stabile cioè con i siti negativi rivolti all esterno.
Quale altro tipo di trasporto del glucosio ricordi?
Glut 1 Glut 2 Glut 3 Glut 4 GluT è presente sulla Membrana basale delle cellule assorbenti della mucosa intestinale e dell epitelio dei tubuli renali, dove facilita l uscita del glucosio
Trasporto Attivo Secondario Perché diffusione facilitata e trasporto attivo secondario per il glucosio? 2 molecole 1 molecola proteine SGLT1 Sodium dipendent glucose trasporters sono presenti : Le membrane del polo luminale (microvilli) delle cellule assorbenti dell intestino tenue, dove le proteine SGLT presiedono all ingresso in cellula del glucosio alimentare: prima tappa dell assorbimento di questa sostanza nutritizia La membrana luminale delle cellule epiteliali dei tubuli contorti prossimali del rene, dove svolgono una funzione simile, consentendo il recupero della rilevante quantità di glucosio filtrato dai glomeruli (nell Uomo circa 180g/24 ore) che non deve essere perduto con le urine. Il co-trasporto Na+-D-glucosio determina l assorbimento intestinale ed il riassorbimento renale del glucosio
SGLT-1 epitelio intestinale SGLT-2 epitelio renale SGLT Trasporto di glucosio attraverso una cellula epiteliale: esempio di come diversi sistemi di trasporto collaborino tra loro GLUT
Trasporti attraverso le membrane: Trasporto attivi secondario: il cotrasporto Na + -D-glucosio Enterociti Trasporto attivo secondario Il cotrasporto Na + -D-glucosio determina l assorbimento intestinale ed il riassorbimento renale del glucosio
Struttura del trasportatore SGLT Na + -glucosio nell intestino tenue (14STM) I segmenti compresi tra il 10 ed il 13 sono coinvolti nel trasporto del glucosio La SGLT1 detta anche NAGT, è maggiormente espressa nell epitelio intestinale: trasporta con uguale facilità D-glucosio e D-galattosio. Un difetto ereditario del gene di SGLT1 (localizzato sul cromosoma umano 22) produce la sindrome congenita di malassorbimento di glucosio e galattosio (GGM) ben nota patologia neonatale umana caratterizzata da gravi disturbi intestinali causati dall accumulo e dalla fermentazione nell intestino di glucosio e galattosio non assorbiti. La sindrome viene curata con una dieta a base di fruttosio (ugualmente nutritizio) il cui assorbimento avviene normalmente,. La SGLT2 E SGLT3 invece trasportano solo glucosio e non galattosio: La SGLT2 è maggiormente espressa nei tubuli contorti prossimali del rene ed è bloccata specificamente dalla florizina (alcaloide che occupa i siti di legame per gli ioni Na della molecola trasportatrice). Un difetto del gene che presiede alla sintesi di SGLT2 (localizzato sul cromosoma umano 16) può manifestarsi con la sindrome detta glicosuria ereditaria. La SGLT3 è espressa in molti tipi cellulari, ma soprattutto nelle cellule epatiche e nelle fibre muscolari scheletriche.
Digestione terminale e assorbimento carboidrati Assorbimento intestinale Digestione terminale
SIMPORTO Na +, aminoacidi Nei microvilli del polo luminare delle cellule assorbenti dell intestino Nei microvilli del polo luminare delle cellule assorbenti dei tubuli renali Localizzate anche altrove nella membrana delle cellule epatiche 1. La famiglia destinata al trasporto di aa acidi (come l acido aspartico) 2. La famiglia destinata al trasporto di aa basici (come l arginina) indicata anche con la sigla CAAT (Cationic Amino Acid Transporter) 3. La famiglia destinata al trasporti di aa neutri (come l alanina)
I peptidi possono essere assorbiti Transcitosi Non esiste una sindrome di maleassorbimento di aa. Soprattutto nelle cellule delle cripte intestinali I peptidi sono allergeni (allergie alimentari) Svezzamento: Glutine viene somministrato solo dopo alcuni mesi dalla nascita per permettere la maturazione villi intestinale ed una minore esposizione delle cripte al lume intestinali.
SIMPORTI Na +, neurotrasmettitori NSS: Neurotrasmitter-Sodium symporter Classificate in base al neurotrasmettitore che trasportano
Costituiscono il bersaglio di molte droghe e psicofarmaci, che in genere bloccano il reuptake del neurotrasmettitore prolungandone l effetto ed aumentandone l azione. In questo modo agiscono ad esempio alcune droghe eccitanti come la cocaina, gli antidepressivi triciclici e le anfetamine.
CICLO DELLE VESCICOLE
Trasporti ionici accoppiati
CONTRO-TRASPORTO HCO3-/ CL- GLOBULI ROSSI: PASSAGGIO DEI CLORURI (FENOMENO DI HAMBURGER) Controtrasporto ionico non Na dipendente Questo controtrasporto è reversibile per cui opera ugualmente bene in entrata ed in uscita. Emoglobina deossigenata Questa reversibilità è particolarmente evidente nella fondamentale funzione che svolge nel trasporto dei gas respiratori affidato ai GLOBULI ROSSI del sangue nota come FENOMENO DI HAMBURGER (o passaggio dei cloruri) Emoglobina ossigenata
POMPA DI SCAMBIO H+/K+ Simporto K+/Cl- Controtrasporto HCO3/Cl- Trasporti ionici non Na dipendenti
CONTRO-TRASPORTO HCO3-/ CL- Nel DIGIUNO: -recupero della rilevante quantità di bicarbonato riversato nel lume intestinale con la bile ed il succo pancreatico. NelL ILEO E COLON: -Recupero di NaCl dal succo enterico -formazione di acqua ed anidride carbonica nel lume intestinale
CONTRO-TRASPORTO Na+/H+
SIMPORTO Na/K/Cl SIMPORTO Na/Cl Tubulo renale Tutti e tre gli ioni possono attraversare la membrana attraverso i rispettivi canali ionici: tuttavia il gradiente è favorevole solo per il Na. Per questo motivo tale trasporto diviene la principale via di ingresso del Cl nella cellula e per il K affianca l ingresso attraverso la pompa Na/K. Si noti che il trasporto è elettroneutro E ubiquitario implicato nella regolazione osmo-volumetrica cellulare Nel tubulo contorto distale fa parte degli scambi idrosalini che portano la definitiva composizione urinaria Bumetamide:diuretici dell ansa Partecipa al complesso meccanismo che portano alla concentrazione dell urina Principio attivo del Lasix Diuretici tiazidici