Trasporto attivo e passivo: dal segnale all’azione

BIOCHIMICA DEI SEGNALI

Ogniqualvolta pensiamo o eseguiamo un compito, nel nostro corpo si creano cascate di eventi elettrici e biochimici che portano alla traduzione del segnale in azione, che sia questa «astratta» come ricordare un evento, o più «concreta» come calciare una palla. Trasporto attivo e passivo sono coinvolti in buona parte dei meccanismi di segnalazione, dove «segnale» indica un’informazione che viene passata di cellula in cellula fino al raggiungimento della propria destinazione. Quando pensiamo o ricordiamo un evento, nel nostro cervello vengono rilasciate molecole dette neurotrasmettitori sulla base di un segnale elettrico o chimico di partenza. Allo stesso modo, quando eseguiamo un’azione, una serie di indicazioni biochimiche ed elettriche comunicano al muscolo di contrarsi. Pare quindi che l’uomo agisca sulla base di impulsi elettrici, come una macchina. Tuttavia, senza il trasporto attivo e passivo che consentono il transito di ioni e molecole tra diverse zone cellulari, l’innesco e la trasmissione del segnale elettrico non sarebbe possibile.

La membrana cellulare come un condensatore

Le membrane sono composte da un doppio strato lipidico e internamente includono proteine particolari dette canali, proteine o pompe, a seconda del tipo di trasporto che regolano. Le membrane non sono liberamente permeabili a ioni e molecole, e questa caratteristica è importante per il mantenimento delle corrette composizioni ioniche degli ambienti extracellulare e intracellulare, alla base anche del potenziale elettrico, a sua volta importante per la trasmissione dei segnali. La differenza di ioni (particelle cariche elettricamente) tra esterno ed interno della cellula deve essere mantenuta, il trasporto attivo nello specifico è centrale nel processo di mantenimento del gradiente ionico. Si pensi ad un condensatore, la differenza di potenziale tra le due piastre genera un campo elettrico. Allo stesso modo è importante che nella cellula si crei una differenza di potenziale tra l’interno e l’esterno affinché vi sia un qualche tipo di dinamica elettrica. Tale differenza è dovuta alle diverse concentrazioni ioniche, e se non vi fosse la situazione sarebbe assolutamente statica.

Trasporto attivo, passivo e osmosi

Il nostro organismo è internamente saturo di liquidi. Siamo come delle botti piene di acqua e sale; le particelle disperse all’interno del fluido tendono spontaneamente a diffondere secondo gradiente, ovvero si muovono dalle zone a maggior concentrazione, a quelle a minor concentrazione, fino a quando non raggiungono una condizione di equilibrio. Se vi fossero delle sostanziali differenze di solvente, allora osserveremmo anche un movimento di liquidi e non solo di particelle: secondo il principio dell’osmosi cellulare, l’acqua tenderebbe a spostarsi dalle zone a minor concentrazione di soluto, a zone con concentrazioni più elevate. Questo continuo movimento di solventi e soluti ci rende dinamici, per questa ragione è importante che vengano mantenute le differenze di concentrazione, affinché non si arresti il movimento delle particelle. Con esso si arresterebbe anche la stessa vita, perciò è fondamentale che trasporto attivo e trasporto passivo assolvano la loro funzione.

A piedi o in limousine?

Alcune sostanze riescono autonomamente a spostarsi all’interno dei fluidi, mentre altre richiedono un ausilio esterno, un mezzo di trasporto, spesso privato e specifico per quelle particolari sostanze. I gas che si sciolgono facilmente nei liquidi cellulari possono passare per diffusione libera (o semplice), dunque per gradiente di concentrazione. Non è richiesto in questo caso alcun tipo di trasportatore. Anche altre molecole piccole non cariche come l’etanolo e l’urea possono attraversare liberamente la membrana secondo gradiente, l’etanolo nello specifico se si accumulasse potrebbe diventare pericoloso, quindi meglio che sia libero di muoversi. Anche l’acqua è libera di passare, ma utilizza dei canali specifici e «privati»: le acquaporine, scoperte poco tempo fa. Il glucosio è un altro esempio di molecola che richiede un trasporto privato, utilizza i cosiddetti trasportatori GLUT che comunque seguono il gradiente di concentrazione (diffusione facilitata). Se dunque «diffusione facilitata» = mediata da proteine deputate al trasporto specifico attraverso la membrana, solo «diffusione» indica invece la semplice e classica diffusione per gradiente attraverso un canale.

Differenza tra trasporto attivo e passivo

Quali sono i meccanismi molecolari che permettono ad una membrana di acquisire permeabilità? Abbiamo due modalità per quanto riguarda i meccanismi di trasporto. Il trasporto passivo consente il trasporto di una sostanza da una concentrazione maggiore ad una minore (secondo gradiente). Il meccanismo di trasporto in questo caso è spontaneo ed è alimentato dalla differenza di concentrazione, non è necessaria l’aggiunta di ulteriore energia chimica. Il trasporto attivo, tipico delle cosiddette pompe, si muove invece contro gradiente, motivo per cui richiede energia fornita tramite idrolisi del γ-fosfato dell’ATP (un legame chimico ad alta energia). L’energia prodotta dalla rottura del legame viene utilizzata dalla pompa per gettare lo ione al di là della membrana controcorrente.

IL TRASPORTO PASSIVO

Nell’ambito del trasporto passivo, rientrano la diffusione semplice e quella facilitata. Ricordiamo che diffusione semplice è la diffusione secondo gradiente e senza mediazione proteica o molecolare (es. i gas disciolti). Coinvolge più canali che trasportatori. I trasportatori sono perlopiù quelli utilizzati per la diffusione facilitata. Le pompe invece sono i trasportatori del trasporto attivo.

• Diffusione semplice: le molecole si spostano attraverso la membrana seguendo il gradiente di concentrazione nel tentativo di raggiungere l’equilibrio (che non deve essere mai raggiunto). Non vi è mai un canale costantemente aperto, ma vi sono proteine che si aprono in funzione delle indicazioni chimiche o elettriche che ricevono;
• Diffusione facilitata: le molecole seguono ancora il gradiente di concentrazione ma fanno uso di una proteina trasportatrice che cambia conformazione e permette il passaggio dello ione dalla parte a maggior concentrazione, a quella a minor concentrazione. Non vi è mai un trasportatore aperto, ma vi sono proteine che cambiano conformazione per consentire il passaggio selettivo;

I canali sono importanti sia per il passaggio di ioni che di acqua. Un canale esiste in forma chiusa per il grosso della sua vita. Si apre per pochi millisecondi in precisi momenti, che possono essere anche milioni, l’importante è che rimanga aperto per pochissimo tempo. È fondamentale che si aprano solo per periodi molto brevi, perché se fossero sempre aperti, nel giro di pochi secondi avremmo eliminato l’intero gradiente di concentrazione, e sappiamo che il gradiente è fondamentale per la cellula viva. Se lo dissipiamo (se andiamo a concentrazioni uguali da ambedue le parti), il neurone, ad esempio, non può più trasmettere segnali elettrici.

Come si aprono i canali? L’origine del movimento

È possibile che i canali si aprano per segnalazione chimica di un ligando se sono anche recettori per una precisa molecola-segnale. Ad esempio il recettore per l’acetilcolina nella giunzione neuromuscolare è un canale proteico che ha affinità proprio per l’acetilcolina. Quando viene rilasciata dalle sinapsi in seguito al segnale elettrico, raggiunge la membrana muscolare post-sinaptica della fibra muscolare. Qui viene ricevuta dai canali e la risposta viene tradotta nuovamente in segnale elettrico che di conseguenza comanda all’actina e alla miosina di scorrere per contrarre il muscolo. Tale meccanismo venne scoperto grazie al cosiddetto organo elettrico della torpedine. La torpedine è un pesce che sulla schiena presenta tante placche difensive ricche di recettori per l’acetilcolina. Toccandole si prende la scossa, causata proprio dal rilascio massivo della molecola.

Il canale per l’acetilcolina è costituito da 4 α-eliche per 5 sub-unità (in totale 20 α-eliche). Quando l’acetilcolina si lega ai due siti di legame, fa «aprire il cancello» del canale. L’apertura dura pochi millisecondi, ma è sufficiente per far entrare secondo gradiente nella cellula di milioni di ioni Na+ (sodio), più abbondanti nel versante extracellulare. Il cancello è circondato di cariche negative, in questo modo attira gli ioni positivi come Na+ e respinge quelli negativi. Non appena si apre, le particelle in attesa nei pressi del cancello, entrano. Quando il canale è chiuso, le α-eliche anfipatiche centrali, tengono chiuso il cancello grazie ad alcuni residui ingombranti che lo otturano. Non appena l’acetilcolina si lega ai due siti, si innesca un cambiamento conformazionale: una rotazione delle α-eliche che mettono al centro del canale dei residui più piccoli al posto di quelli ingombranti. Si crea uno spazio che consente agli ioni di entrare. Attenzione, il canale non è specifico per il sodio; tecnicamente è permeabile anche K+ (potassio) che come il sodio si avvicina al cancello attirato dalla carica negativa. Tuttavia K+ è più grande di Na+, il flusso massivo della cascata del sodio lo sommerge, quindi non riesce a muoversi dalla sua posizione.

Difficoltà nella contrazione e impulso elettrico

Vi sono molte patologie del sistema nervoso (e non solo) che sono legate al malfunzionamento dei canali. Si pensi ad esempio alla miastenia gravis spiegata da un malfunzionamento del recettore per l’acetilcolina. In questo disturbo, alcuni autoanticorpi vanno ad impedire alla sinapsi di funzionare bene perché attaccano e distruggono il recettore per l’acetilcolina. Questa con il tempo non riesce più a legarsi al sito e rende il muscolo impossibile da contrarre. Difatti, in condizioni fisiologiche, la concentrazione di Na+ è maggiore all’esterno, mentre quella di K+ è maggiore internamente. Se la situazione varia temporaneamente e localmente in seguito all’apertura di un canale, si verifica quella che viene detta depolarizzazione, che di conseguenza innesca la trasmissione elettrica della cellula. Il passaggio elettrico è mediato dai canali del sodio e i canali del potassio (che nulla hanno a che vedere con la pompa sodio-potassio) che appunto regolano l’entrata e l’uscita degli ioni specifici. Senza apertura dei canali, la cellula non si depolarizza e il segnale elettrico non raggiunge la propria destinazione (nel caso della miastenia gravis, il muscolo non si muove e si indebolisce).

A differenza del canale per l’acetilcolina, nel caso dei canali per il sodio e per il potassio la regolazione è voltage-dependent e non dipende da un ligando. Il canale si apre quando arriva un segnale che depolarizza la membrana ( = ambiente cellulare interno positivo anziché negativo come di consueto). Sul canale vi sono i cosiddetti sensori del voltaggio (α-elica S4) composti da cariche positive. Essi captano la differenza di polarizzazione e slittano verso l’alto per consentire al cancello del canale di aprirsi. Come dicevamo, il potassio è più grande del sodio, difatti il canale per il sodio lascia passare solo Na+, dunque la specificità del canale è dovuta alla dimensione dello ione rispetto al diametro del canale aperto: il potassio è troppo grande per riuscire ad attraversare il canale. il canale del potassio intuitivamente presenterà un poro ben più grande rispetto a quello del sodio. Ancora una volta S4 agisce come sensore di voltaggio. Questa volta K+ passa selettivamente perché ricordiamo che gli ioni sono disciolti in H₂O: l’energia di desolvatazione necessaria per staccare una molecola d’acqua dal potassio è minore rispetto a quella necessaria per disidratare uno ione sodio. Quindi il sodio rimarrà fuori non riuscendo a distaccarsi dalla molecola di acqua, che lo renderà più ingombrante rispetto al K+.

Programmati per sopravvivere

Il tempo che ci vuole per ripolarizzare una membrana è troppo lungo. Il canale deve essere in grado di chiudersi prima che la membrana si ripolarizzi, altrimenti uscirebbero troppi ioni. Il modello a palla incatenata del canale potassio è stato proposto come modello generale per spiegare come si chiudono i canali in anticipo, indipendentemente dalla ripolarizzazione. Quando la membrana è a riposo, vi è una certa distribuzione di carica, in particolare la porzione citoplasmatica del canale potassio (carica positivamente) sporge nel citosol, come fosse una palla collegata alla proteina di membrana tramite una corda. Quando arriva il potenziale, si inverte la polarità: dopo pochi millisecondi, parte delle cariche negative del canale slittano verso il basso e attirano la palla positiva che va ad ostruire il canale. Quando il potenziale si ristabilire la situazione torna alla baseline, ma nel frattempo la palla blocca il passaggio di altri ioni onde evitare che il gradiente si dissipi del tutto. Pare che l’evoluzione voglia vederci vivi, ci ha dato tutti i mezzi necessari per tirare avanti.

Altri tipi di trasporto

Come dicevamo, vi sono anche canali proteici specifici non per gli ioni ma per l’acqua: le acquaporine, costituite da sei α-eliche transmembrana. Rappresentano in realtà un’intera famiglia di canali e non identificano un solo canale. Non vanno confuse con le porine, canali costituiti da strutture β dette β-barrel. Sono presenti nella membrana mitocondriale esterna dei mitocondri, dei cloroplasti e di alcuni batteri. Si tratta di canali poco selettivi che consentono il passaggio di piccole molecole. Una volta superata la membrana esterna tuttavia la selettività viene imposta dalla membrana interna. Un’altra classe di molecole è quella dei trasportatori ABC (ATP-Binding Cassette), ovvero trasportatori particolari che utilizzano l’idrolisi dell’ATP ma non nel modo classico (non come le pompe quindi). Sono costituiti da 12 α-eliche suddivise in due domini, legati ad altri due domini contenenti ATP. Nella fibrosi cistica ad esempio vi è un difetto nel trasporto del cloro. CFTR è un trasportatore ABC specifico per il cloro che sembra essere problematico nel caso della fibrosi. In questo caso vi sono cinque domini: due domini α-elicoidali, due domini ABC con affinità per ATP e un dominio regolatore che influenza la funzione del canale. Come funzionano in generale questi trasportatori?

1. Trasportatore vuoto;
2. Lo ione entra nel canale;
3. Interazione con il ligando (ATP) che presenta affinità per i domini ABC. Segue un cambiamento conformazionale: i domini ABC sul versante citosolico si avvicinano per afferrare ATP mentre al di fuori della cellula si allontanano;
4. Lo ione esce dal canale;
5. L’idrolisi dell’ATP induce un nuovo cambiamento conformazionale;
6. Rilascio di ADP + Pi e ritorno alla conformazione iniziale vuota

Vi sono diverse modalità di trasporto, a prescindere dal tipo di canale. I canali descritti fino ad ora rientrano nel cosiddetto uniporto, dove un solo elemento entra/esce dalla cellula. Il simporto invece definisce un meccanismo di co-trasporto, proprio come l’antiporto. Nel primo caso due elementi specifici attraversano la membrana per raggiungere la stessa destinazione. Nel secondo caso due tipi chimici differenti attraversano contemporaneamente la membrana per andare in direzioni opposte. Tali modalità di trasporto riguardano sia il trasporto attivo che quello passivo, anche se più frequentemente il co-trasporto riguarda le pompe.

IL TRASPORTO ATTIVO

Segue una descrizione della pompa sodio-potassio (o sodio-potassio ATPasi), un classico esempio di trasporto attivo primario, nonché di antiporto. La pompa in questione è una proteina molto abbondante nelle membrane di tutte le cellule del nostro organismo perché è la responsabile del mantenimento della differenza ionica. Tale pompa consuma circa il 10% di tutta l’energia che utilizziamo ogni giorno al fine di mantenere la differenza di potenziale elettrochimico tra i due lati della membrana. Mentre il trasporto passivo fa spostare milioni di ioni al secondo per singolo canale aperto, la pompa riesce a spostare solo circa trenta ioni al secondo, per questo servono tantissime pompe che lavorano continuamente per ogni cellula. Maggiore è la differenza di concentrazione, maggiore è lo sforzo che la pompa deve compiere per favorire il processo di trasporto. Ai lati della membrana vi è anche una differenza di voltaggio: quanto maggiore è la differenza di millivolt, tanto più sforzo occorre per superare la barriera energetica della reazione chimica ed innescarla, per questo si parla di potenziale elettro-chimico.

Pompa sodio-potassio ATPasi

La pompa sodio-potassio, altrimenti detta Na⁺-K⁺ ATPasi, non è altro che un enzima e al tempo stesso un trasportatore. È uno di quei casi in cui una reazione chimica (idrolisi dell’ATP) si accoppia con un processo non-chimico (in questo caso il movimento del sodio e del potassio contro i loro rispettivi gradienti di concentrazione). Si parla di trasporto attivo perché entrambi i passaggi sono contro gradiente, primario perché vi è il meccanismo dell’idrolisi che permettere questi passaggi. Come i canali, anche le pompe sono proteine integrali di membrana, ma al contrario dei canali, non vi l’apertura di un poro che mette in comunicazione l’ambiente extracellulare con quello intracellulare. La pompa è composta da quattro subunità, due α e due β. Il passaggio avviene per mezzo di faticosi cambiamenti conformazionali. Possiamo suddividere il passaggio in due fasi:

1. Enzima (pompa) vuoto lega ATP. Il residuo del γ-fosfato dell’ATP viene passato all’enzima. Na+ esce dalla cellula;
2. A questo punto l’enzima fosforilato cambia conformazione. K+ entra nella cellula. L’idrolisi dell’ATP ne facilita l’ingresso e riporta la pompa nel suo stato iniziale di riposo per cominciare un nuovo ciclo.

In altri termini, la molecola ha internamente una tasca con affinità per il sodio. Quando questo entra nella tasca, l’enzima assume conformazione E1. Dopo la fosforilazione, viene rilasciato ATP e la pompa cambia conformazione in E2 con bassa affinità per il sodio che quindi viene rilasciato. 2 K+ si legano alla nuova conformazione con affinità per il potassio. Il gruppo aspartil-fosfato dell’enzima viene quindi defosforilato e si ritorna alla conformazione E1. 2 K+ vengono rilasciati all’interno, un nuovo ATP si lega e 3 Na+ entrano nella tasca…

Esistono tante altre ATPasi con funzione di pompa. Ad esempio la Ca²⁺ ATPasi pompa contro gradiente ioni Ca nel lume del reticolo endoplasmatico (non siamo più sulla membrana cellulare). Ca ATPasi è comunque una proteina integrale di membrana, ma siamo posizionati su un’altra membrana, quella del reticolo. In questo caso il meccanismo è di uniporto: vengono trasportati ioni dal citosol all’ambiente luminale, dove gli ioni Ca sono molto concentrati, infatti il reticolo endoplasmatico è una riserva di calcio per la cellula. Il meccanismo è più semplice rispetto a quello della sodio-potassio ATPasi.

Centrali idroelettriche lungo la membrana

In questo caso uno degli elementi passa contro gradiente (trasporto attivo), un’altra entità chimica passa secondo gradiente. Non viene utilizzata l’idrolisi dell’ATP per favorire la reazione, per questo si parla di trasporto attivo secondario. L’energia necessaria viene tratta dal collasso del gradiente chimico della sostanza che circola secondo gradiente. In pratica consiste in un antiporto frutto della combinazione tra trasporto attivo e diffusione facilitata: come così come in una centrale idroelettrica le turbine mosse dall’acqua producono energia, allo stesso modo gli ioni che si muovono secondo gradiente producono l’energia necessaria per alimentare il trasporto contro gradiente dell’altro ione. Un esempio è quello del co-trasporto Na-Ca. La concentrazione del Ca all’interno della cellula è submicromolare (molto bassa). Esternamente è superiore di quattro ordini di grandezza. Dunque l’ambiente extracellulare, come il lume del reticolo endoplasmatico, funge da riserva di Ca per la cellula. Per evitare danni irreversibili, è importante che i livelli di Ca all’interno della cellula rimangano bassi e al tempo stesso è importante che vi sia calcio a sufficienza fuori, perciò la pompa che lavora contro gradiente in questo caso è quella del calcio.

Cenni di farmacologia

La digitossina, isolata per la prima volta dalla digitalis purpurea, è uno steroide cardiotonico che stimola la contrazione del cuore. Potenzia e regola il battito in caso di insufficienza cardiaca. Agisce come inibitore della pompa sodio-potassio. I cardiotonici hanno affinità per la pompa e si legano ad essa nello stadio E2, impedendo alla proteina di tornare allo stadio E1. Intuitivamente, bloccando il ciclo di una pompa, si blocca l’intera pompa. Il cuore, come tutti i muscoli, è attivato da un aumento della concentrazione di Ca nella cellula. I farmaci cardiotonici che inibiscono parzialmente la pompa sodio-potassio (se la inibissero completamente sarebbero farmaci killer), rendono meno efficiente l’estrusione di Na. Dunque esce meno sodio ma comunque entra il potassio, quindi aumenta la concentrazione intracellulare di Na. Se aumenta la concentrazione, diminuisce il gradiente di sodio, quindi lo scambiatore attivo secondario Ca-Na funziona peggio avendo meno energia a disposizione (quella proveniente dal collasso del gradiente del sodio). Diminuisce l’estrusione di Ca, aumenta la concentrazione intracellulare di Ca: il battito cardiaco viene potenziato.

Trasporto attivo e passivo: fisiologia

Il trasporto attivo e passivo è fondamentale nella fisiologia umana. Senza canali, pompe e trasportatori non potremmo pensare, né muoverci, né assimilare le sostanze energetiche necessarie per il funzionamento della macchina biologica umana. Prendiamo ad esempio il traporto accoppiato di sodio e glucosio. I trasportatori GLUT rientrano nel trasporto passivo, quindi funzionano secondo gradiente. Se però all’interno della cellula vi è già molto glucosio, ma comunque esternamente ce n’è ancora, vista la sua importanza per il metabolismo è meglio farlo entrare comunque contro gradiente nella cellula anziché eliminarlo. Ancora una volta interviene il trasporto attivo secondario su base sodica. Di nuovo viene utilizzata la parziale dissipazione del gradiente di sodio per pompare il glucosio internamente. In questo caso però il meccanismo è quello del simporto e non più quello dell’antiporto come nel caso del Ca. Qualsiasi sia la situazione fisiologica che prendiamo in considerazione, vi è sempre un canale, o un trasportatore o una pompa che ne consente l’attuazione.