Trasporto attivo attraverso la membrana

Come abbiamo visto, tutti i canali proteici e la maggior parte delle proteine trasportatrici consentono ai soluti di attraversare la membrana passivamente senza alcuna spesa energetica e, quindi, il gradiente di concentrazione determina la direzione del trasporto passivo. Invece, nel caso di molecole dotate di carica, il trasporto è chiamato attivo ed è influenzato sia dal gradiente di concentrazione che dal gradiente elettrochimico attraverso la membrana. Tutte le membrane plasmatiche, infatti, hanno una differenza di potenziale elettrico attraverso di esse, con l'interno negativo rispetto all'esterno della cellula. Questa condizione, quindi, favorisce l'entrata di ioni carichi positivamente e tende ad ostacolare l'entrata di ioni carichi negativamente. Per questo, tutte le cellule viventi spendono continuamente energia chimica per mantenere le concentrazione dei soluti ai due lati della membrana ben lontane dalla condizione di equilibrio. L'energia necessaria per questo processo è resa disponibile sotto forma di ATP. I meccanismi che trasportano attivamente le sostanze contro gradiente vengono chiamati pompe di membrana. In generale, il trasporto attivo può essere suddiviso in due tipi.
Nel trasporto attivo primario (diretto) l'energia per spingere le molecole contro il loro gradiente di concentrazione deriva direttamente dal legame fosfato ad alta energia dell'ATP. Il trasporto attivo secondario (indiretto), invece, utilizza l'energia potenziale accumulata nel gradiente di concentrazione di una molecola per spingere altre molecole contro il gradiente di concentrazione. Tutti i trasporti attivi secondari, dipendono in ultima analisi dal trasporto attivo primario, poiché i gradienti di concentrazione  che li guidano sono creati utilizzando energia proveniente dall'ATP. Il meccanismo per entrambi i tipi di trasporto attico, comunque, sembra simile a quello della diffusione facilitata. Un substrato per essere trasportato si lega ad un carrier di membrana, che cambia conformazione rilasciando il substrato nel compartimento opposto. Il trasporto attivo, però, differisce dalla diffusione facilitata perché il cambiamento di conformazione della proteina carrier richiede appunto apporto di energia. Un esempio di trasporto attivo primario è sicuramente la pompa sodio potassio, Na+-K+-ATPasi. Questa pompa permette di trasportare contro gradiente 3 ioni sodio verso l'ambiente extracellulare e 2 ioni potassio verso l'ambiente intracellulare, sfruttando l'energia derivante dall'idrolisi dell'ATP (la concentrazione del potassio è circa 10-20 volte maggiore all'interno della cellula rispetto all'esterno, la condizione opposta per il sodio). La pompa ha due stati conformazionali E1 e E2. Il primo ha alta affinità per Na+ rivolto verso l'interno mentre E2 ha molta affinità per il K+ rivolto verso l'esterno. Il meccanismo di reazione è il seguente: la forma E1 acquista gli ioni Na+ all'interno della cellula, lega l'ATP e forma un complesso ternario E1–ATP–3Na+. Questo complesso reagisce generando un intermedio aspartil fosfato E1–P–3Na+ ad alta energia. Quindi questo intermedio assume la conformazione a bassa energia e rilascia gli ioni Na+ all'esterno delle cellula. A questo punto, la forma E2–P lega 2 ioni K+ presenti all'esterno della cellula formando l'intermedio E2–P–2K+. Il gruppo fosforico viene idrolizzato e quindi vengono rilasciati gli ioni K+ e si ritorna alla conformazione E1.
Un altro esempio di trasporto attivo primario e la pompa Ca2+-ATPasi che pompa attivamente il calcio dal citosol verso l'esterno della cellula sempre a spese dell'idrolisi dell'ATP (contrazione muscolare, rilascio neurotrasmettitori etc). La regolazione della pompa del calcio viene operata dallo stesso Ca2+ con la mediazione della calmodulina (CaM). Infatti a concentrazioni di Ca2+ al di sotto del valore della costante di dissociazione della calmodulina per il Ca2+, la pompa si inattiva. Se però la concentrazione di questo ione aumenta, il Ca2+ si lega alla CaM che a sua volta si lega e attiva la pompa. Questo fa sì che il calcio esca verso l'esterno.
Un esempio, invece, di trasporto attivo secondario, cioè guidato da un gradente ionico, è il simporto Na+-glucosio. Il gradiente di concentrazione di sodio, con Na+ concentrato nel liquido extracellulare e basso all'interno della cellula, è una sorgente di energia potenziale cui la cellula può attingere per altre funzioni. Per esempio, le cellule nervose utilizzano il gradiente di sodio per trasmettere segnali elettrici e le cellule epiteliali lo usano per pilotare la captazione di nutrienti, ioni e acqua. Come abbiamo detto, i trasportatori di membrana che usano l'energia potenziale immagazzinata in gradienti di concentrazione per spostare molecole si chiamano trasportatori attivi secondari. Il trasporto attivo secondario usa l'energia cinetica di una molecola che si muove lungo il suo gradiente di concentrazione per spingere altre molecole contro il loro gradiente. Nel meccanismo del trasportatore Na+-glucosio (SGLT), sia il Na+ sia il glucosio si legano alla proteina SGLT sul versante del liquido extracellulare. Il sodio si lega per primo e determina un cambiamento conformazionale della proteina che aumenta l'affinità del sito legante il glucosio. Quando il glucosio si lega a SGLT, la proteina cambia nuovamente la sua conformazione e apre il canale sul versante intracellulare. Il sodio viene rilasciato muovendosi lungo gradiente di concentrazione. Il distacco del sodio dalla proteina modifica il sito di legame per il glucosio verso la forma a bassa affinità, per cui il glucosio viene rilasciato e segue Na+ dentro il citoplasma. Il risultato finale è l'ingresso del glucosio dentro la cellula contro gradiente di concentrazione, accoppiato al movimento dell'Na+ dentro la cellula lungo gradiente di concentrazione.