Cinetica e meccanismi di trasporto

Vi sono due tipi di processi di trasporto: il trasporto non mediato e il trasporto mediato. Il trasporto non mediato avviene per diffusione semplice. Al contrario, il trasporto mediato avviene mediante l'azione di specifiche proteine trasportatrici, chiamate anche permeasi, portatori, traslocatori oppure trasportatori. Il trasporto mediato viene suddiviso in altre due categorie a seconda della termodinamica del sistema:
1.Il trasporto mediato passivo o diffusione facilitata, in cui specifiche molecole fluiscono da un compartimento ad alta concentrazione ad uno a bassa concentrazione fino a raggiungere l'equilibrio ed annullare il gradiente di concentrazione;
2.Il trasporto attivo, in cui specifiche molecole vengono trasportate da un compartimento a bassa concentrazione ad uno ad alta concentrazione, cioè contro il gradiente di concentrazione. Questo è un processo endoergonico e quindi deve essere accoppiato ad un altro sufficientemente esoergonico da favorire il trasporto.
IL TRASPORTO NON MEDIATO
Il trasporto non mediato è,quindi, il processo di trasporto più semplice in cui le specie trasportate si muovono attraverso la membrana nella direzione termodinamicamente favorevole senza l'aiuto di alcun sistema specifico di trasporto. Se assumiamo che A è una molecola non carica, la diffusione semplice è espressa dalla prima legge (della diffusione) di Fick:
JA = - DA(d[A]/dx)
dove DA è il coefficiente di diffusione di A nel mezzo in questione. Questa equazione stabilisce che la sostanza diffonde nella direzione che elimina il gradiente di concentrazione, d[A]/dx, ad una velocità proporzionale alla grandezza del gradiente. L'espressione della legge di Fick viene approssimata da:                               
JA = PA([A]fuori - [A]dentro)
dove PA = K(DA/x) è il coefficiente di permeabilità di A indice della tendenza del soluto di trasferirsi da un solvente acquoso al nucleo non polare di una membrana, K è il coefficiente di partizione, DA è il coefficiente di diffusione di A all'interno della membrana, x lo spessore della membrana e JA il flusso ossia la velocità del passaggio per unità di superficie. In questo modo il flusso di molti elettroliti varia in modo lineare con la differenza tra le loro concentrazioni ai due lati della membrana.
CINETICA DEL TRASPORTO MEDIATO: IL TRASPORTO DEL GLUCOSIO NELL'ERITROCITA
Vi sono, comunque, numerose combinazioni di soluti e di membrane che non obbediscono all'equazione precedente del trasporto non mediato. In questi sistemi, il flusso non è lineare con la differenza della concentrazione del soluto tra le facce della membrana corrispondente ed inoltre il coefficiente di permeabilità del soluto è maggiore di quanto ci si dovrebbe aspettare sulla base del coefficiente di partizione. Questo comportamento indica che questi soluti sono convogliati attraverso le membrane da molecole trasportatrici; cioè essi vanno incontro a un trasporto mediato. Il sistema che trasporta il glucosio attraverso la membrana dell'eritrocita è un buon esempio di questo trasporto. Il trasporto del glucosio dell'eritrocita presenta quattro caratteristiche che differenziano il trasporto mediato da quello non mediato:
1.la velocità: il trasporto mediato è molto più rapido del trasporto non mediato ( il flusso infatti non obbedisce alla legge di Fick e il coefficiente di partizione K è irrilevante);
2.la specificità: i sistemi del trasporto mediato distinguono un soluto da un altro;
3.la cinetica di saturazione: l'esistenza di una cinetica di saturazione è una prova concreta della presenza in una membrana di uno specifico numero di siti saturabili covalenti nel trasporto di una sostanza;
4.sensibilità all'inibizione competitiva e all'inattivazione chimica;
Il trasportatore del glucosio degli eritrociti è una glicoproteina con tre domini principali: (1) un fascio di α-eliche che attraversano la membrana, che forma un cilindro idrofobico che circonda un canale idrofilico attraverso cui passa il glucosio, (2) un grande dominio citoplasmatico e (3) un piccolo dominio esterno che contiene carboidrati. Questa proteina transmembrana ha due conformazioni alternative: una con un sito per il glucosio sulla superficie esterna che richiede un contatto con l'atomo di O(1), lasciando libero l'atomo di O(6); l'altra conformazione ha un sito per il glucosio sulla superficie interna e richiede un contatto con l'atomo di O(6), lasciando libero l'atomo O(1). Il trasporto mediato passivo avviene legando il glucosio alla proteina su una faccia della membrana, processo seguito da un cambio conformazionale che chiude il primo sito ed espone il secondo. Il glucosio si dissocia dalla proteina dopo essere passato attraverso la membrana. Il ciclo del trasporto viene completato dal ritorno del trasportatore alla sua conformazione iniziale in assenza di glucosio legato. Il ciclo può avvenire in qualsiasi direzione, ma la direzione del trasporto netto di glucosio è dal compartimento a concentrazione di zucchero più alta a quello a concentrazione più bassa. Il trasportatore del glucosio crea quindi la possibilità di equilibrare la concentrazione del glucosio tra le due facce della membrana dell'eritrocita. In generale, comunque, il trasporto mediato viene suddiviso in tre classi sulla base della stereochimica del processo di trasporto: (1) uniporto che è caratterizzato dal movimento di una singola molecola in ogni momento, come ad esempio il trasporto del glucosio nell'eritrocita, (2) simporto che trasporta simultaneamente due molecole diverse nella stessa direzione e (3) antiporto che trasporta simultaneamente due molecole diverse in direzioni opposte. Il carattere elettrico del trasporto ionico viene ulteriormente specificato come:
Elettroneutrale, se vi è una simultanea neutralizzazione della carica, mediante il simporto di ioni con carica opposta o mediante l'antiporto di ioni con stessa carica;
Elettrogenico, se il processo di trasporto risulta in una separazione delle cariche attraverso la membrana.
IONOFORI
La nostra comprensione del trasporto mediato è stata aumentata dallo studio degli ionofori, sostanze che aumentano la permeabilità delle membrane ad un particolare ione. Vi sono due tipi di ionofori:
I trasportatori, che aumentano la permeabilità delle membrane a un certo tipo di ione, legandosi ad esso, diffondendolo attraverso la membrana e rilasciandolo dall'altro lato della membrana stessa.
Formatori di canali, che generano canali o pori transmembrana attraverso cui può diffondere uno ione specifico.
Gli ionofori, comunque, sono molecole organiche di specie diverse, molti dei quali sono antibiotici di origine batterica. La valinomicina, lo ionoforo meglio caratterizzato è un depsipeptide ciclico (cioè oltre a legami peptidici contiene legami esteri) con D- e L-residui amminoacidici. Questo ionoforo lega in modo specifico il K+. Il complesso che si viene a creare K+-valinomicina è un complesso sferoidale con una superficie esterna idrofobica, che rende il composto solubile nel nucleo idrofobico del doppio strato lipidico, e con un interno polare costituito dallo ione K+ centrale circondato da sei legami dativi di coordinazione. In generale la valinomicina ha una conformazione più aperta nella forma complessata rispetto a quella che assume quando lega K+. La gramicidina A è un altro ionoforo formatore di canali che consente il passaggio di protoni e di cationi alcalini. Esso è un polipeptide lineare che alterna residui amminoacidici D ed L, tutti idrofobici. I canali di gramicidina A non possono formare α-eliche in quanto questa struttura manca di uno spazio centrale e non può essere costituita da un alternanza di residui amminoacidici D ed L. Inoltre, questi canali non possono formare foglietti β in quanto nella struttura β composta da soli residui L le catene laterali si trovano alternativamente ai lati della catena principale. Dunque, la gramicidina A forma un nuovo tipo di elica, detta β-elica, che ricorda una struttura β parallela arrotolata. Come conseguenza dell'alternanza dei residui D e L, le catene laterali di questa struttura β-elica si trovano alla periferia per generare un esterno idrofobica necessario ai canali. I gruppi polari dello scheletro covalente, invece, giacciono nel canale centrale e facilitano il passaggio degli ioni.