Le proteine di trasporto sono proteine che attraversano la membrana cellulare e trasportano molecole del tipo più diverso, presenti sia nei Procarioti sia negli Eucarioti.
Le proteine di membrana sono molecole proteiche associate strettamente alla membrana cellulare. Ne esistono di numerosi tipi e svolgono funzioni differenti.
La membrana cellulare è una caratteristica che accomuna tutte le cellule: separa il citoplasma dall'ambiente extracellulare, trasporta alcune molecole dentro e fuori dalla cellula, riceve gli stimoli esterni e risponde a essi.
È composta da molecole organiche chiamate fosfolipidi, steroli, proteine e altre molecole.
Mentre i fosfolipidi e gli steroli conferiscono struttura e fluidità alla membrana, le proteine sono particolarmente importanti per la sua funzione.
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In genere, esistono tante proteine di trasporto quanti sono i tipi di molecole da trasportare, ma esistono anche proteine in grado di operare con molti substrati differenti.
In genere l’interazione con il substrato e l’appropriata fonte di energia inducono una serie di variazioni conformazionali che determinano la traslocazione del substrato da un lato all’altro della membrana.
Tipi di proteine di membrana
Alcune sono legate alla superficie della membrana, altre la attraversano del tutto o in parte. Alcune di queste, collocate nella porzione esterna della membrana a contatto con la matrice extracellulare, presentano all'estremità libera delle componenti glucidiche e sono parte fondamentale del cosiddetto glicocalice.
La maggior parte delle proteine di membrana non sono collocate in una posizione fissa, ma sono libere di muoversi secondo lo schema della membrana a mosaico fluido.
Proteine estrinseche (o periferiche)
Alcune proteine presenti sulla membrana cellulare sono semplicemente legate alla membrana fosfolipidica. Queste proteine sono dette estrinseche (o periferiche), e possono aderire al lato interno della membrana cellulare, trovandosi quindi a contatto con il citosol, o possono ritrovarsi all'esterno, a contatto con la matrice extracellulare. Il legame con la membrana può essere di diversi tipi: legami non covalenti, ad esempio legami a idrogeno, o legami covalenti con i fosfolipidi. Tali legami possono essere diretti o mediati da piccole molecole di zucchero.
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Proteine intrinseche (o integrali)
Le proteine intrinseche (o integrali), invece, possiedono una porzione idrofobica e attraversano, del tutto o in parte, la membrana. Alcune fuoriescono solo da un lato (internamente o esternamente), altre da entrambi i lati. Queste ultime sono dette proteine trans-membrana e spesso mettono in comunicazione l'esterno e l'interno della cellula.
Funzioni delle proteine di trasporto
Le proteine presenti sulla membrana cellulare svolgono una molteplicità di funzioni. Innanzitutto, partecipano alla composizione strutturale della membrana e, come detto, alla formazione del glicocalice.
Le loro funzioni possono essere esemplificate dalla glicoproteina P (Pgp) che è un membro della superfamiglia ABC (ATP binding cassette) ed è la più diffusa e più studiata.
La sua capacità di estrudere dalla cellula una gran varietà di molecole lipofile fa sì che essa sia in grado di interferire con l’assorbimento di molti farmaci e con il loro passaggio attraverso le barriere fisiologiche come la barriera ematoencefalica.
- Nutrienti e sostanze endogene necessarie al funzionamento cellulare
- Xenobiotici potenzialmente tossici per la cellula che debbono essere eliminati una volta entrati per diffusione passiva
Trasporto attraverso la membrana
Il passaggio di ioni attraverso la membrana può avvenire secondo gradiente (senza consumo di energia) o contro gradiente (con consumo di energia). I canali ionici sono responsabili del passaggio secondo gradiente e sono formati, in genere, da più sub-unità proteiche trans-membrana che si uniscono a formare una struttura tridimensionale che attraversa la membrana e al cui interno è presente un poro acquoso in cui possono fluire gli ioni.
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Una prima forma di selezione è determinata dalla presenza di specifici amminoacidi all'estremità, dotati di carica elettrica, che selezionano gli ioni in base alla polarità. La forma e la dimensione delle aperture, poi, selezionano anche il tipo specifico di ione in grado di attraversarli.
Questa classe di proteine di membrana è in grado di permettere il trasporto secondo gradiente di concentrazione di grosse molecole idrofile, come gli zuccheri. La superficie esterna di queste proteine è in grado di riconoscere la molecola specifica e, una volta legata ad essa, cambia conformazione, trasportandola dal lato opposto della membrana e rilasciandola.
Trasporto attivo primario
Altri complessi proteici trans-membrana sono responsabili del trasporto contro gradiente di ioni o macromolecole con consumo di ATP. Un esempio di trasporto attivo primario è definito dalle pompe P, come ad esempio le pompe sodio/potassio che trasferiscono contro gradiente sodio verso l'esterno e potassio verso l'interno della cellula. Le pompe P legano l'ATP, lo idrolizzano e utilizzano il fosfato liberato per fosforilare una delle proprie subunità.
Il legame col fosfato causa un cambiamento conformazionale nella pompa, che diviene in grado di accogliere uno (o più) ioni.
Trasporto attivo secondario
Il trasporto attivo secondario è legato al passaggio contro gradiente di macromolecole come ad esempio gli zuccheri, e avviene attraverso il trasporto accoppiato di ioni. Gli ioni possono essere trasportati nella stessa direzione delle macromolecole (sinporto) oppure in direzione opposta (antiporto).
Proteine recettrici e trasduzione del segnale
Una altra classe di proteine di membrana fondamentali sono quelle legate alla trasduzione del segnale. Queste proteine, dette recettori, possiedono un dominio, nella porzione esterna, in grado di riconoscere la molecola segnale (ligando). L'unione col ligando causa una modificazione conformazionale della proteina nella sua porzione citosolica, che può agire attivando un canale ionico (e quindi andando a cambiare l'equilibrio ionico intracellulare che a sua volta determina l'avvio di altre reazioni) oppure andando ad interagire con altre proteine di membrana, di tipo estrinseco, posizionate sulla superficie interna della membrana.
Esempi specifici di proteine di trasporto
Le proteine che facilitano la diffusione formano in genere pori o canali specifici, attraverso i quali le sostanze passano più velocemente: in tal caso il passaggio è controllato dal gradiente di concentrazione e non è richiesto alcun contributo energetico. Le proteine che effettuano il trasporto attivo possono invece lavorare anche contro il gradiente di concentrazione utilizzando fonti di energia come gradienti chimici o l’adenosintrifosfato (ATP).
- Acquaporine: Trasportatori di membrana dedicati al passaggio delle molecole di acqua, particolarmente importanti nei reni.
- Lac permeasi: Un symporter presente negli Escherichia Coli che facilita l'ingresso del lattosio nella cellula insieme a un protone (H+).
- Pompa sodio-potassio: Crea un elevato gradiente per lo ione sodio.
Impatto farmacologico delle proteine di trasporto
Alcuni farmaci hanno queste proteine come bersaglio mentre l’attività farmacologica di molti altri ne è fortemente condizionata.
Tra le proteine di questo tipo, bersaglio di farmaci, sono, per es., le proteine che trasportano i neurotrasmettitori noradrenalina (NA-T), serotonina (5-HT-T) e dopamina (DA-T) che controllano la loro ricaptazione (uptake) a livello delle sinapsi nervose. I moderni farmaci antidepressivi inibiscono il loro funzionamento, con il risultato di mantenere una elevata concentrazione del neurotrasmettitore nella sinapsi.