I sistemi di trasporto della membrana

Le proteine di trasporto sono molto di più di semplici veicoli per l'attraversamento della membrana, in quanto permettono l'accumulo di soluti all'interno della cellula contro un gradiente di concentrazione. Infatti se la diffusione fosse l'unico meccanismo di trasporto disponibile. All'interno della cellula non si potrebbe mai stabilire un adeguata concentrazione di soluti per la realizzazione delle reazioni chimiche. A differenza dei sistemi di diffusione semplice, inoltre, il trasferimento mediato da trasportatori mostra un effetto di saturazione; se la concentrazione del substrato e sufficientemente elevata da saturare il trasportatore, e questo normalmente avviene anche a basse concentrazioni di substrato, il tasso di captazione è massimo e la velocità rimane la medesima anche in caso di un ulteriore aumento della concentrazione del substrato.
Questa caratteristica è di fondamentale importanza per la cellula, perché le permette di concentrare all'interno del citoplasma i nutrienti anche quando si trova in un ambiente che ne è particolarmente povero. Un'altra peculiarità del meccanismo di trasporto mediato è la sua natura altamente specifica. Molte proteine di trasporto reagiscono con una singola molecola, mentre altre mostrano affinità per un'intera classe di molecole: ci sono, per esempio, trasportatori che veicolano diversi zuccheri o diversi amminoacidi correlati tra loro. Inoltre, la sintesi delle proteine di trasporto è regolata dalla cellula, cosicché la presenza di specifici trasportatori sulla membrana è funzione sia dei nutrienti presenti sia della loro concentrazione nell'ambiente. Quindi, come ben si può capire, i procarioti hanno evoluto diversi tipi di trasporto, ognuno dei quali con caratteristiche uniche. Esistono almeno tre classi di sistemi di trasporto della membrana: trasporto semplice, traslocazione di gruppo e sistema ABC. La prima classe coinvolge soltanto componenti che attraversano lo spessore della membrana; la seconda classe si avvale di proteine di legame a localizzazione periplasmatica in aggiunta ai componenti di membrana; il sistema ABC coinvolge una proteina di legame del substrato, un trasportatore di membrana e una proteina per l'idrolisi del'ATP. Tutti i sistemi sopra descritti richiedono, comunque, energia nella forma sia di forza proton-motrice ,ATP, sia di altri composti ad alta energia. Dal punto di vista strutturale, questi trasportatori formano 12 α eliche che procedono avanti e indietro nello spessore della membrana per formare un canale attraverso il quale le sostanze trasportate sono portate all'interno della cellula. Gli eventi di trasporto implicano dei cambiamenti conformazionali nelle proteine dovuti al legame con il substrato specifico, grazie ai quali il composto è veicolato attraverso la membrana. Le diverse tipologie di trasporto sono: le proteine di tipo uniporter trasportano una sostanza unidirezionalmente da un lato all'altro della membrana; le proteine di tipo symporter trasportano attraverso la membrana nella stessa direzione una sostanza insieme con un'altra, frequentemente un protone (H+); le proteine di tipo antiporter trasportano una sostanza in una direzione e un'altra nella direzione opposta.
Un classico esempio di symporter è la Lac permeasi in Escherichia coli. Il primo operone ad essere stato scoperto è proprio operone Lac in Escherichia coli. Questo operone contiene tre geni che che codificano quegli enzimi che permettono al batterio di utilizzare lo zucchero lattosio, da cui il nome operone Lac. I tre enzimi sono: la β-galattosidasi (gene lacZ), la lattosio permeasi o galattoside permeasi (lacY) e la galattoside permeasi (lacA). Il primo enzima trasporta il lattosio all'interno della cellula, il secondo lo scinde nelle due subunità galattosio e glucosio, mentre la funzione del terzo è ancora poco chiara. Comunque, il prodotto del gene lacY è la lattosio permeasi un symporter, che trasporta insieme al lattosio, protoni. L'entrata di ioni H+ riduce l'energia della forza proton-motrice che viene poi ristabilita da reazioni che liberano energia e cambia anche la conformazione della proteina stessa che da E1 a bassa affinità si converte a E2 (lattosio+protone) per facilitare l'ingresso dello zucchero. Il lattosio viene rapidamente consumato e la diffusione continua. L'operone Lac risulta essere strettamente correlato. Infatti, intervengono due tipi di controllo. Il primo è un controllo negativo, che funziona come il freno di una macchina: è necessario lasciare il freno perché la macchina si muova. Il freno in questione è una proteina chiamata repressore Lac, che è espressa dal gene LacI, e mantiene l'operone in uno stato spento, fino a quando il lattosio è assente. Se il controllo negativo è come il freno di una macchina, il controllo positivo è come il pedale dell'acceleratore. Nel caso dell'operone Lac, la rimozione del repressore dell'operatore non è abbastanza per attivare l'operone. E' necessario un ulteriore fattore positivo, chiamato attivatore, che risponde a bassi livelli di glucosio stimolando la trascrizione dell'operone Lac, ma elevati livelli di glucosio mantengono bassa la concentrazione dell'attivatore impedendo in questo modo la stimolazione della trascrizione dell'operone. Nella traslocazione di gruppo,invece, una sostanza viene modificata chimicamente durante l'attraversamento della membrana. I sistemi maggiormente studiati riguardano il trasporto di zuccheri, quali il mannosio, il glucosio e il fruttosio in Escherichia coli. Questi composti vengono fosforilati durante il trasporto grazie al sistema della fosfotrasferasi. Questo sistema consiste di una famiglia di proteine, delle quali almeno cinque sono necessarie per il trasporto di un determinato zucchero. Prima che quest'ultimo venga trasportato all'interno della cellula, le proteine del sistema fosfotransferasico vengono anch'esse alternativamente fosforilate e defosforilate con un meccanismo a cascata, finché la proteina integrale di membrana, chiamata Enzima IIc, non riceve il gruppo fosfato e fosforila a sua volta lo zucchero nell'effettivo processo di trasporto. L'energia necessaria al sistema fosfotransferasico deriva dal composto ricco di energia fosfoenolpiruvato. Il glucosio fosforilato a questo punto può essere direttamente assunto in una via metabolica centrale. Il sistema ABC, invece, coinvolge tre componenti: proteine di legame periplasmatiche (periplasma nei batteri Gram-negativi spazio tra la membrana citoplasmatica e la membrana esterna), proteine integrali di membrana e proteine per l'idrolisi dell'ATP (chinasi). Queste ultime forniscono l'energia necessaria. Questi tipi di trasportatori sono chiamati sistemi di trasporto ABC, dove ABC sta per ATP-binding cassette. Questo sistema di trasporto esiste per molti nutrienti organici, come gli zuccheri e gli amminoacidi, per una serie di nutrienti inorganici e per i metalli in traccia. Una delle caratteristiche più interessanti dei sistemi di trasporto ABC è l'elevata affinità che le proteine di legame periplasmatiche mostrano per il substrato. Queste proteine sono mobili all'interno del periplasma e sono in grado di legare i loro substrati anche quando questi sono presenti a bassissime concentrazioni. Il substrato, una volta sequestrato dalla proteina di legame, forma un complesso che agisce con la proteina integrale di membrana e il trasporto avviene grazie all'energia prodotta dall'idrolisi dell'ATP. Anche se i batteri Gram-positivi, non possiedono un periplasma, questi sistemi di trasporto sono presenti in molti di questi organismi.