Il trasporto attivo guidato dall'ATP

Il trasporto attivo guidato dall'ATP

Il trasporto attivo è il trasporto di molecole attraverso la membrana plasmatica mediato da una proteina transmembrana  detta trasportatore di membrana. A differenza di quando avviene nel trasporto passivo, nel trasporto attivo è richiesta una spesa energetica, in quanto in questa forma di trasporto le molecole si muovono contro un gradiente elettrico, chimico o elettrochimico. Si distinguono due classi principali di trasporto attivo:
1.il trasporto attivo primario: in cui si usa direttamente l'energia per ottenere il trasporto;
2.il trasporto attivo secondario: in cui il trasporto di una sostanza è reso possibile dal trasporto primario di un'altra;
Nel trasporto primario il consumo di energia sotto forma di idrolisi di ATP è accoppiata direttamente al movimento della sostanza attraverso la membrana. Nella maggior parte dei casi il trasporto primario è eseguito da proteine trasportatrici dette pompe ATPasiche. In natura esistono quattro pompe differenti ma la più importante è sicuramente quella di tipo P, costituita da due subunità α (con attività catalitica) e da due subunità β (con attività regolativa). Nel trasporto secondario, invece, non viene speso direttamente ATP, ma viene sfruttata la differenza di potenziale elettrochimico creata dai trasportatori attivi che pompano ioni al di fuori della cellula. Questo significa che il trasporto secondario si basa comunque sul consumo di ATP, che permette di mantenere la differenza di potenziale elettrochimico senza la quale non ci sarebbe la possibilità di tale trasporto.
LA (NA+-K+)-ATPasi DELLA MEMBRANA PLASMATICA
La pompa sodio potassio, detta anche pompa Na+/K+ ATP dipendente, è una pompa ATPasica che si trova nella membrana delle cellule. Questa pompa è uno dei sistemi di trasporto attivo primario di sostanze attraverso la membrana plasmatica più studiato. Questa pompa è un antiporto che permette di trasportare contro gradiente di concentrazione tre ioni sodio verso l'ambiente extracellulare e due ioni potassio verso l'ambiente intracellulare, sfruttando l'energia derivante dall'idrolisi dell'ATP. Essa, inoltre, è elettrogenica in quanto escono dalla cellule tre cariche positive e ne entrano solo due. La pompa sodio potassio ha due stati conformazionali: E1 e E2. Il primo ha un sito di legame ad alta affinità per Na+ rivolto verso l'interno mentre E2, legato a P, ha un sito di legame ad alta affinità per il K+ rivolto verso l'esterno. Un meccanismo di reazione sequenziale ordinato spiega l'accoppiamento del trasporto attivo con l'idrolisi di ATP:
1.La forma E1 acquista lo ione Na+ dall'interno della cellula, lega l'ATP e forma un complesso ternario E1..ATP..3Na+.
2.Il complesso ternario reagisce generando un intermedio aspartil fosfato E1—P..3Na+ ad alta energia.
3.Questo intermedio ad alta energia assume la conformazione a bassa energia E2—P...3Na+ e rilascia gli ioni sodio legati all'esterno della cellula.
4.La forma E2—P lega due ioni potassio presenti all'esterno della cellula, formando l'intermedio E2—P...K+.
5.Il gruppo fosforico viene idrolizzato per produrre la forma E2...2K+.
6.E2...2K+ cambia di conformazione, rilascia i due ioni potassio all'interno della cellula e li sostituisce con tre ioni sodio, completando il ciclo di trasporto.
L'estrusione di sodio consente alle cellule animali di controllare osmoticamente il loro contenuto di acqua; senza la pompa potassio le cellule animali infatti si rigonfierebbero e scoppierebbero. Inoltre, la differenza di concentrazione tra sodio e potassio è alla base del funzionamento nervoso.
Ca2+-ATPasi
La Ca2+-ATPasi pompa attivamente il calcio dal citosol verso l'esterno della cellula a spese dell'idrolisi dell'ATP. La concentrazione di Ca2+ nello spazio extracellulare è quattro ordini di grandezza più grande di quella del citosol. Un aumento transitorio della concentrazione di questo ione innesca numerose risposte cellulari (contrazione muscolare, rilascio di neurotrasmettitori, demolizione del glicogeno). La regolazione della pompa del calcio nella membrana plasmatica viene operata dallo stesso ione Ca2+ con la mediazione della calmodulina (CaM). Il meccanismo dell'azione Ca2+-ATPasi è molto simile a quello della pompa sodio potassio e vi è, inoltre, una notevole somiglianza tra le sequenze di reazione di queste proteine che ci fa pensare che derivino da una singola proteina ancestrale. La calmodulina possiede quattro siti di legame ad alta affinità per il Ca2+, due in ciascun dominio globulare. Tutti i siti sono formati dallo stesso motivo strutturale elica-ripiegamento-elica noto come mano EF, presente anche in molte altre proteine che legano il calcio. Il legame del Ca2+ a uno di questi siti della CaM innesca una profonda variazione conformazionale che porta all'esposizione di una superficie non polare altrimenti non accessibile. Il complesso Ca2+-calmodulina attiva la Ca2+-ATPasi della membrana plasmatica. L'attivazione risulta da una diminuzione della KM dell'enzima per il Ca2+. Ora possiamo comprendere come il Ca2+ regoli la sua stessa concentrazione citoplasmatica: a concentrazioni di Ca2+ al di sotto del valore della costante di dissociazione della calmodulina per il calcio, la Ca2+-ATPasi è relativamente inattiva. Se però la concentrazione del Ca2+ aumenta oltre questo livello, lo ione si lega alla calmodulina che, a sua volta, si lega e attiva la pompa del calcio. Questa interazione fa diminuire il valore di KM della pompa per il calcio sotto la [Ca2+] dell'ambiente causando il trasporto di questi ioni dal citosol verso l'esterno. Quando la concentrazione del calcio diminuisce a sufficienza, lo ione si dissocia dalla calmodulina e si genera una serie di eventi, l'inverso di quelli che hanno portato all'attivazione, che spengono il processo.