Spazio di collaborazione

Il trasporto ionico

Come gli umani anche le cellule (... nel loro piccolo, ... o, per essere più precisi, a livello microscopico) comunicano mediante segnali elettrici e chimici. Nell'economia della comunicazione cellulare svolgono un ruolo determinante le membrane e i trasportatori ionici di membrana.

Il trasporto ionico di membrana è mediato da proteine specializzate, denominate canali e trasportatori, che sono in grado di favorire il trasferimento di particelle elettricamente cariche e di ioni da un lato all'altro della membrana citoplasmatica oppure degli organelli interni. I trasportatori funzionano come vere e proprie "macchine molecolari" regolate da una serie di parametri chimico-fisici, quali potenziale elettrico, temperatura, concentrazioni ioniche, pH(i) e attivate o inibite dall'interazione con neurotrasmettitori (per esempio acetilcolina, glutammato, serotonina) o leganti chimici più o meno specifici.

Distinguiamo un trasporto passivo e un trasporto attivo primario e secondario. Il trasporto passivo è mediato dai canali ionici che favoriscono il passaggio degli ioni "in discesa", cioè dal compartimento in cui si trovano a concentrazione più elevata a quello in cui la concentrazione dello stesso ione è inferiore o, meglio, per essere più precisi, in accordo al gradiente elettrochimico esistente(i) tra i due compartimenti. Il passaggio degli ioni avviene attraverso veri e propri pori o percorsi idrofilici (diffusione facilitata) che si aprono nella membrana cellulare, che consentono quindi di superare la grande barriera energetica dovuta alla natura idrofobica dei lipidi di membrana.  Il trasporto attivo primario è svolto da proteine chiamate "pompe ioniche" che sono in grado di trasferire gli ioni "in salita", cioè contro il gradiente elettrochimico complessivo. Questo trasporto avviene alle spese di altre forme di energia, come ad esempio il consumo di ATP (Adenosintrifosfato(i))  che viene trasformata in ADP (Adenosindifosfato) per fornire l'energia necessaria al trasporto attivo. Lo ione si lega alla proteina da un lato della membrana e viene scaricato dal lato opposto a seguito di riorganizzazioni conformazionali del trasportatore. Nel caso del trasportatore attivo secondario, o cotrasportatore, il trasferimento di una molecola contro gradiente elettrochimico avviene a spese del trasporto "in discesa" di un'altra specie ionica. Con una metafora un po' ardita si può ben dire che canali, trasportatori e acquaporine sono i facchini della cellula, sempre impegnati a trasferire freneticamente da una parte all'altra della membrana le molecole necessarie alla sopravvivenza e crescita della cellula, mantenendo le condizioni di omeostasi cellulare.

A sinistra: rappresentazione schematica del meccanismo di permeazione dell'acqua attraverso le acquaporine. A destra: rappresentazione dei meccanismi di funzionamento della pompa del calcio

Il funzionamento di queste macchine è regolato da amminoacidi o gruppi di amminoacidi organizzati in modo da espletare le funzioni richieste con estrema precisione e sensibilità. Per esempio nei canali ionici dipendenti dal potenziale elettrico (Voltage dependent ion channels) si identificano il poro di permeazione, il filtro di selettività, cioè il poro nella sua parte più stretta (dell'ordine di frazioni del milionesimo di mm) che consente ad un canale di essere "percorribile" (e quindi permeabile) da uno ione e impermeabile a un altro; infine il sensore del potenziale che determina quando il canale è in stato aperto-conduttivo oppure in stato chiuso-non-conduttivo. Queste strutture vengono studiate nei loro dettagli dai ricercatori che fanno uso di tecniche tese a studiare la struttura di queste proteine, quali misure di microscopia e di spettroscopia e di metodiche che permettono di studiare le funzioni delle proteine. In questi casi si usano tecniche di elettrofisiologia, tipo "patch-clamp" o microelettrodi intracellulari. Per quanto riguarda la comunicazione mediata da segnali elettrici, canali e trasportatori svolgono un ruolo equivalente a quello svolto dagli enzimi nelle reazioni metaboliche, cioè si trovano inalterati al termine del processo di trasferimento dello ione da una parte all'altra della membrana. 

Esistono canali selettivi per i più importanti ioni fisiologici quali sodio, potassio, calcio e cloro, ma anche canali o trasportatori di molecole più "importanti" dall punto di vista dell'impegno sterico(i) della molecola trasportata.

Sono stati identificate centinaia di tipi di canali ionici diversi con molteplici funzioni. I canali sono stati inizialmente cercati e misurati sperimentalmente nelle cellule muscolari e nervose, responsabili dell'eccitazione nervosa e della trasmissione dei segnali elettrici tra neuroni e muscoli. Un singolo neurone può avere decine di diversi tipi di canali in diverse aree della propria membrana. Tuttavia è ormai assodato che in generale i trasportatori (e quindi non solo i canali) non sono presenti solo nelle cellule eccitabilii, ma in ogni cellula di tutti gli organismi viventi. Sono presenti in tutti gli animali, ma anche nelle piante e nei microrganismi e anche nei virus. Per esempio nel paramecio l'inversione del senso di marcia dopo una collisione dipende proprio dall'azione di canali ionici.  

Il mutamento di alcuni geni che codificano per canali o trasportatori ionici produce un numero così impressionante di patologiie che vale la pena di riportare i nomi di almeno alcune di queste:  sindrome di Bartter, sindrome di Brugada, iperinulemia congenita, fibrosi cistica, atassia episodica, eritromelalgia, epilessia generalizzata, sindrome del QT lungo, ipertermia maligna,  emicrania, mucolipidosi, miastenia grave, neuromiotonia, sordità, miotonia congenita, paralisi periodica, retinite pigmentosa, sindrome di Timothy, sindrome del QT breve.

Inoltre alcuni microrganismi e animali usano tossine batteriche e proteine, denominate PFT (Pore forming Toxins) che formano dei pori ionici attraverso le membrane di organismi ospiti (tra cui l'uomo) che "intendono" attaccare modificando le concentrazioni interne ed esterne di ioni e metaboliti, scompensando quindi lo stato stazionario di omeostasi cellulare (Menestrina et al. 2003). A loro volta moderni approcci biotecnologici sfruttamo le proprietà delle PFT per creare farmaci mirati con cui attaccare, per esempio, le cellule cancerose oppure per creare dei moderni strumenti biotecnologici che potranno essere utilizzati per bio-computer (i.e. basati su molecole biologiche) oppure per verificare le dimensioni di altre biomolecole, come per esempio il DNA metilato o idrossimetilato (vedere link utili in questa pagina e la pagina di epigenetica).

Per chiudere il ragionamento con i metalli "pesanti" rilasciati da rifiuti, è opportuno accennare al fatto che ghli ioni di metalli tossici, quali piombo, nichel, cadmio, a loro volta possono interferire con il funzionamento dei canali ionici modificando i meccanismi di attivazione (sia elettrici che chimici) oppure interagendo direttamente all'interno del poro di permeazione, modificandone le proprietà di permeazione o competendo con gli ioni fisiologici che permeano naturalmente attraverso il poro.

Dal 1976 la metodica di patch-clamp (Neher e Sakmann, 1976; Hille, 1992) consente di registrare segnali mediati dall'azione di singoli o molti canali ionici, praticamente in ogni cellula isolata. Inoltre  la ricostruzione in membrane lipidiche artificiali (PLB: Planar Lipid Bilayers, oppure BLM: Black Lipid Membranes), l'espressione di proteine canale e trasportatori in cellule eterologhe, la registrazione da fettine di tessuti e atre tecniche elettrofisiologiche consentono di investigare le proprietà di proteine di trasporto sia in una sola cellula che in più cellule che interagiscono tra loro in una rete integrata.

Bibliografia

Alberts, B., Johnson, A., Walter, P.,  Lewis, J., Raff. M., Roberts, K., Orme, N. Molecular Biology of the cell.

Berube, B.J., Bubeck Wanderburg J. (2013) Staphylococcus aureus alfa-toxin: nearly a century of intrigue. Toxins 5: 1140-1166 

Hille, B. (1992) Ionic channels of excitable membranes. Sinauer Associates Inc.

Menestrina, G., Dalla Serra, M., Comaia, M., Coraiola, M., Viero, G., Werner, S., Colin, D.A., Monteil, H., Prevost, G. (2003) Ion channels and bacterial infection: the case of L-barrel pore-forming protein toxins of Staphylococcus aureus. FEBS Letter 552: 54-60

Neher, E., Sakmann, B. (1976) Single-channel currents recorded from membrane of denervated frog muscle fibres. 260: 799-802

Single channel recordings (1995) Edited by B. Sakmann and E. Neher. Plenum Press New York

Chiedi all'esperto
*
*
pH: logaritmo dell'inverso della concentrazione idrogenionica
ATP è un ribonucleosidetrifosfato; la sua trasformazione in ADP è altamente esoenergetica ed è attuata nella maggioranza di reazioni che richiedono energia nella cellula
Infatti bisogna ricordare che gli ioni sentono non solo il gradiente chimico ma (essendo elettricamente carichi) anche l'azione del campo elettrico che agisce ai capi della membrana. Pertanto il gradiente che determina il passaggio facilitato o meno non è solo quello chimico ma quello elettro-chimico
ingombro e dimensione spaziale di una molecola