Trasporto del glucosio dal sangue alle cellule. Trasporto di sostanze attraverso le membrane cellulari. Tipi di trasportatori del glucosio e loro distribuzione nei tessuti
Definitivo prodotti dell'idrolisi dei carboidrati Nel tratto gastrointestinale sono presenti solo tre sostanze: glucosio, fruttosio e galattosio. Inoltre, il glucosio rappresenta quasi l’80% della quantità totale di questi monosaccaridi. Dopo l'assorbimento nell'intestino, la maggior parte del fruttosio e quasi tutto il galattosio vengono convertiti in glucosio nel fegato. Di conseguenza, nel sangue sono presenti solo piccole quantità di fruttosio e galattosio. Come risultato dei processi di trasformazione, il glucosio diventa l'unico rappresentante dei carboidrati trasportati a tutte le cellule del corpo.
Enzimi rilevanti, necessari alle cellule del fegato per garantire i processi di conversione reciproca dei monosaccaridi - glucosio, fruttosio e galattosio - sono mostrati nella figura. Come risultato di queste reazioni, quando il fegato rilascia nuovamente i monosaccaridi nel sangue, il prodotto finale che entra nel sangue è il glucosio. La ragione di questo fenomeno è che le cellule del fegato contengono grandi quantità di glucosio fosfatasi, quindi il glucosio-6-fosfato può essere scomposto in glucosio e fosfato. Il glucosio viene quindi trasportato attraverso le membrane cellulari nel sangue.
Vorrei di più sottolinea ancora che solitamente più del 95% di tutti i monosaccaridi circolanti nel sangue sono rappresentati dal prodotto finale della trasformazione: il glucosio.
Trasporto del glucosio attraverso la membrana cellulare. Prima che il glucosio possa essere utilizzato dalle cellule dei tessuti, deve essere trasportato attraverso le membrane cellulari nel citoplasma. Tuttavia, il glucosio non può diffondersi liberamente attraverso i pori delle membrane cellulari, perché il peso molecolare massimo delle particelle dovrebbe essere in media 100, mentre il peso molecolare del glucosio è 180. Tuttavia, il glucosio può penetrare nelle cellule con relativa facilità grazie al meccanismo di diffusione facilitata. Le basi di questo meccanismo sono state discusse nel capitolo 4; ricordiamone i punti principali.
Video: inclusioni cellulari
Perforare fino in fondo membrana lipidica delle cellule, le proteine trasportatrici, il cui numero nella membrana è piuttosto elevato, possono interagire con il glucosio. In questa forma legata, il glucosio può essere trasportato da una proteina trasportatrice da un lato all'altro della membrana e lì separato: se la concentrazione di glucosio è maggiore su un lato della membrana rispetto all'altro, il glucosio verrà trasportato dove la sua concentrazione è inferiore e non nella direzione opposta. Il trasporto del glucosio attraverso le membrane cellulari nella maggior parte dei tessuti è molto diverso dal trasporto che si osserva nel tratto gastrointestinale o nelle cellule epiteliali dell'apparato tubulare renale.
Video: medico
In entrambi menzionati casi di trasporto del glucosio mediato dal meccanismo del trasporto attivo del sodio. Il trasporto attivo del sodio fornisce energia per l'assorbimento del glucosio contro il gradiente di concentrazione. Questo meccanismo di trasporto attivo del glucosio accoppiato al sodio si trova solo in cellule epiteliali specializzate adattate al processo attivo di assorbimento del glucosio. In altre membrane cellulari, il glucosio viene trasportato solo da zone ad alta concentrazione a zone a bassa concentrazione utilizzando un meccanismo di diffusione facilitata, la cui possibilità è creata dalle particolari proprietà della proteina di trasporto del glucosio situata nella membrana.
Enzima: Substrato:
1. Saccarasi a) glucosio (α-1,4)-glucosio
2. Lattasi b) glucosio (α-1,2)-fruttosio
3. Isomaltasi c) glucosio (α-1,6)-glucosio
d) galattosio(ß-1,4)-glucosio
e) glucosio(ß-1,4)-glucosio
3. Scegli una risposta corretta. Il trasporto del glucosio dal sangue alle cellule del tessuto muscolare e adiposo avviene:
a) contro il gradiente di concentrazione
b) con la partecipazione di Na + ,K + -ATPasi
c) con la partecipazione di GLUT-2
d) durante il digiuno prolungato
e) con la partecipazione dell'insulina
4. Scegli le risposte corrette. Il trasporto del glucosio nelle cellule cerebrali avviene:
a) con la partecipazione di GLUT-4 b) indipendentemente dall'insulina
c) per meccanismo di simportazione d) per gradiente di concentrazione
e) con il dispendio di energia ATP
5. Completa l'attività "catena".
UN. Nomina l'enzima che catalizza la reazione
galattosio(ß-1,4)-glucosio → galattosio + glucosio
a) saccarasi b) maltasi c) lattasi
B. Questo enzima:
a) sintetizzato nel pancreas
b) è una proteina semplice
c) appartiene alla classe delle liasi
d) forma un prodotto che viene assorbito per semplice diffusione
e) cambia attività a seconda dell'età
IN. L'azione compromessa di questo enzima potrebbe essere dovuta a
a) malattie intestinali (gastrite, enterite)
b) diminuzione correlata all'età dell'espressione genica
c) difetto ereditario
d) l'assenza di proteine trasportatrici nella membrana dei villi intestinali
6. Scegli una risposta corretta. La glicogenofosforilasi catalizza:
a) scissione dei legami glicosidici nei punti di ramificazione delle molecole di glicogeno
b) formazione di glucosio-6-fosfato
c) formazione di glucosio libero
d) reazione che coinvolge l'ATP
e) formazione di glucosio-1-fosfato
Scegli le risposte giuste. Enzimi, difetti ereditari
quali sono la causa dell’agicogenosi:
a) glicosiltransferasi
b) glucosio-6-fosfatasi
c) proteina chinasi
d) glicogeno fosforilasi chinasi
e) UDP-glucopirofosforilasi
8. Partita.
A. L'insulina 1) influenza la permeabilità delle membrane delle cellule cerebrali
B. Glucagone per il glucosio
B. Entrambi 2) attivano la glicogeno sintasi fosfatasi
D. Nessuno 3) attiva la reazione ATP → cAMP
4) regola il metabolismo del glicogeno nel fegato
9. Scegli una risposta sbagliata. Catabolismo del glucosio:
a) può verificarsi sia in condizioni aerobiche che anaerobiche
b) si verifica nel citosol e nei mitocondri
c) funge da principale fonte di ATP nei muscoli durante il digiuno
d) i prodotti intermedi sono utilizzati nei processi anabolici
e) la quantità massima di ATP prodotta durante il catabolismo del glucosio,
equivale a 38 moli
10. Scegli una risposta sbagliata. La degradazione aerobica del glucosio funge da fonte di:
a) substrati per la sintesi degli amminoacidi
b) substrati per la sintesi dei TAG nel fegato
c) ATP per la vita dei globuli rossi
d) substrato per la sintesi di NADP nel tessuto adiposo
e) substrati per la via generale del catabolismo
11. Scegli una risposta errata. Glicolisi anaerobica:
a) funge da principale fornitore di energia per i globuli rossi
b) fornisce energia ai muscoli
c) si verifica solo se il NAD+ viene rigenerato con l'aiuto del piruvato
d) garantisce l'ossidazione del glucosio e la formazione di ATP senza O 2
e) include 2 reazioni di fosforilazione del substrato
12. Scegli le risposte corrette. Gluconeogenesi:
a) mantiene un livello costante di glucosio nel sangue
b) fornisce il dispendio energetico per le cellule cerebrali
c) include reazioni reversibili della glicolisi
d) utilizza 2 moli di substrato per sintetizzare 1 mole di prodotto
e) utilizza 6 moli di composti ad alta energia per sintetizzare 1 mole
Prodotto
13. Scegli una risposta errata. Le fonti di atomi di carbonio per la sintesi del glucosio sono:
a) alanina b) aspartato
c) acetil-CoA d) glicerolo
14. Partita.
A. La gluconeogenesi nel fegato 1) accelera durante il periodo di assorbimento
B. La degradazione del glicogeno nel fegato 2) forma glucosio senza utilizzare ATP
B. Entrambi 3) una fonte di glucosio per altri organi
D. Nessuno 4) fornisce glucosio al cervello durante
lungo digiuno
Il glucosio entra nelle cellule dal flusso sanguigno attraverso la diffusione facilitata con l'aiuto delle proteine trasportatrici - GLUT. Trasportatori del glucosio I GLUT hanno un'organizzazione a domini e si trovano in tutti i tessuti. Esistono 5 tipi di GLUT:
GLUT-1 - principalmente nel cervello, nella placenta, nei reni, nell'intestino crasso;
GLUT-2 - principalmente nel fegato, nei reni, nelle cellule β del pancreas, negli enterociti e si trova negli eritrociti. Ha un Km elevato;
GLUT-3 - in molti tessuti, tra cui cervello, placenta, reni. Ha una maggiore affinità per il glucosio rispetto a GLUT-1;
GLUT-4 - insulino-dipendente, nei muscoli (scheletrico, cardiaco), nel tessuto adiposo;
GLUT-5 - abbondante nelle cellule dell'intestino tenue, è un trasportatore di fruttosio.
I GLUTEI, a seconda della tipologia, possono essere localizzati prevalentemente sia nella membrana plasmatica che nelle vescicole citosoliche. Il trasporto transmembrana del glucosio avviene solo quando nella membrana plasmatica sono presenti GLUT. L'incorporazione dei GLUT nella membrana delle vescicole citosoliche avviene sotto l'azione dell'insulina. Quando la concentrazione di insulina nel sangue diminuisce, questi GLUT ritornano nel citoplasma. I tessuti in cui i GLUT senza insulina sono quasi completamente localizzati nel citoplasma delle cellule (GLUT-4 e, in misura minore, GLUT-1) risultano insulino-dipendenti (muscoli, tessuto adiposo) e i tessuti in cui i GLUT sono prevalentemente situato nella membrana plasmatica (GLUT-3) - insulino-indipendente.
Sono noti vari disturbi nel funzionamento dei GLUT. Un difetto ereditario in queste proteine può essere alla base del diabete mellito non insulino-dipendente.
Metabolismo dei monosaccaridi nella cellula.
Dopo l'assorbimento nell'intestino, il glucosio e altri monosaccaridi entrano nella vena porta e poi nel fegato. I monosaccaridi nel fegato vengono convertiti in glucosio o nei suoi prodotti metabolici. Una parte del glucosio nel fegato viene depositata sotto forma di glicogeno, una parte viene utilizzata per la sintesi di nuove sostanze e una parte viene inviata attraverso il flusso sanguigno ad altri organi e tessuti. Allo stesso tempo, il fegato mantiene la concentrazione di glucosio nel sangue a un livello compreso tra 3,3 e 5,5 mmol/l.
Fosforilazione e defosforilazione dei monosaccaridi.
Nelle cellule, il glucosio e altri monosaccaridi vengono fosforilati utilizzando ATP per formare esteri del fosforo: glucosio + ATP → glucosio-6ph + ADP. Per gli esosi, questa reazione irreversibile è catalizzata dall'enzima esochinasi
, che ha isoforme: nei muscoli - esochinasi II, nel fegato, nei reni e nelle cellule β del pancreas - esochinasi IV (glucochinasi), nelle cellule dei tessuti tumorali - esochinasi III. La fosforilazione dei monosaccaridi porta alla formazione di composti reattivi (reazione di attivazione), che non sono in grado di lasciare la cellula perché non esistono proteine trasportatrici corrispondenti. La fosforilazione riduce la quantità di glucosio libero nel citoplasma, facilitandone la diffusione dal sangue alle cellule.
Esochinasi II fosforila il D-glucosio e, a una velocità inferiore, altri esosi. Avendo un'elevata affinità per il glucosio (Km<0,1 ммоль/л), гексокиназа II обеспечивает поступление глюкозы в ткани даже при низкой концентрации глюкозы в крови. Так как гексокиназа II ингибируется глюкозо-6-ф (и АТФ/АДФ), глюкоза поступает в клетку только по мере необходимости.
Glucochinasi (esochinasi IV) ha una bassa affinità per il glucosio, è attivo nel fegato (e nei reni) quando la concentrazione di glucosio aumenta (durante la digestione). La glucochinasi non è inibita dal glucosio-6-fosfato, che consente al fegato di rimuovere il glucosio in eccesso dal sangue senza restrizioni.
Glucosio-6-fosfatasi catalizza la scissione irreversibile del gruppo fosfato per via idrolitica nel RE: Glucosio-6-ph + H 2 O → Glucosio + H 3 PO 4, presente solo nel fegato, nei reni e nelle cellule epiteliali intestinali. Il glucosio risultante è in grado di diffondersi da questi organi nel sangue. Pertanto, la glucosio-6-fosfatasi epatica e renale consente di aumentare i bassi livelli di glucosio nel sangue.
Metabolismo del glucosio-6-fosfato
Il glucosio-6-ph può essere utilizzato dalla cellula in varie trasformazioni, le principali delle quali sono: catabolismo con formazione di ATP, sintesi di glicogeno, lipidi, pentosi, polisaccaridi e aminoacidi.
METABOLISMO DEL GLICOGENE.
Molti tessuti sintetizzano il glicogeno come forma di riserva di glucosio. La sintesi e la degradazione del glicogeno nel fegato mantengono l’omeostasi del glucosio nel sangue.
Glicogeno - un omopolisaccaride ramificato di glucosio con massa >10 7 Da (50.000 residui di glucosio), in cui i residui di glucosio sono collegati in tratti lineari da un legame α-1,4-glicosidico. Nei punti di diramazione, circa ogni 10 residui di glucosio, i monomeri sono collegati da legami α-1,6-glicosidici. Il glicogeno, insolubile in acqua, viene immagazzinato nel citosol della cellula sotto forma di granuli del diametro di 10-40 nm. Il glicogeno si deposita principalmente nel fegato (fino al 5%) e nei muscoli scheletrici (fino all'1%). Il corpo può contenere da 0 a 450 g di glicogeno.
La struttura ramificata del glicogeno facilita il lavoro degli enzimi che rimuovono o aggiungono monomeri.
Sintesi del glicogeno (glicogenogenesi)
Il glicogeno viene sintetizzato con il dispendio energetico durante la digestione (1-2 ore dopo l'ingestione di alimenti contenenti carboidrati).
La sintesi del glicogeno viene effettuata allungando una molecola di polisaccaride già esistente chiamata " seme ", O " primer " Il primer può contenere la glicogenina proteica, in cui un oligosaccaride (circa 8 residui di glucosio) è attaccato a Tyr. I residui di glucosio vengono trasferiti dalla glicogeno sintasi all'estremità non riducente dell'oligosaccaride e collegati tramite legami α-1,4-glicosidici.
Quando la regione lineare si allunga fino a circa 11 residui di glucosio, l'enzima ramificato trasferisce il suo blocco terminale, contenente 6-7 residui, al residuo di glucosio interno di questa o di un'altra catena con la formazione di un legame α-1,6-glicosidico. Un nuovo punto di diramazione si forma ad una distanza di almeno 4 residui da qualsiasi punto di diramazione esistente.
Demolizione del glicogeno (glicogenolisi)
La degradazione del glicogeno avviene attraverso l'eliminazione sequenziale del glucosio-1-ph in risposta ad un aumento del fabbisogno di glucosio da parte dell'organismo. La reazione è catalizzata dalla glicogeno fosforilasi:
Glicogenofosforilasi è costituito da 2 subunità identiche (94500 Da). La forma inattiva è designata b, la forma attiva è designata a. Attivato fosforilasi chinasi b mediante fosforilazione di ciascuna subunità della serina in posizione 14.
La glicogeno fosforilasi scinde i legami α-1,4-glicosidici mediante fosforolisi fino a quando rimangono 4 residui di glucosio prima del punto di ramificazione.
L'inattivazione della glicogeno fosforilasi avviene attraverso la defosforilazione con la partecipazione di una specifica fosfatasi fosforilasi (fosfoproteina fosfatasi FPP).
Viene eseguita la rimozione dei rami enzima deramificante . Ha attività transferasi e glicosidasi. Parte transferasi ( oligosaccaride transferasi ) trasferisce i tre residui di glucosio rimasti fino al punto di ramificazione all'estremità non riducente della catena adiacente, allungandola per la fosforilasi.
Parte della glicosidasi ( α-1,6-glucosidasi
) idrolizza il legame α-1,6-glicosidico, liberando glucosio.
Il glucosio-1-ph viene isomerizzato in glucosio-6-ph dalla fosfoglucomutasi.
Il metabolismo del glicogeno è controllato da ormoni (nel fegato - insulina, glucagone, adrenalina; nei muscoli - insulina e adrenalina), che regolano la fosforilazione e la defosforilazione di 2 enzimi chiave, la glicogeno sintasi e la glicogeno fosforilasi.
Quando il livello di glucosio nel sangue è insufficiente, viene rilasciato l’ormone glucagone e, in casi estremi, l’adrenalina. Stimolano la fosforilazione della glicogeno sintasi (viene inattivata) e della glicogeno fosforilasi (viene attivata). Quando i livelli di glucosio nel sangue aumentano, viene rilasciata insulina, che stimola la defosforilazione della glicogeno sintasi (viene attivata) e della glicogeno fosforilasi (viene inattivata). Inoltre, l’insulina induce la sintesi della glucochinasi, accelerando così la fosforilazione del glucosio nella cellula. Tutto ciò porta al fatto che l'insulina stimola la sintesi del glicogeno e l'adrenalina e il glucagone ne stimolano la degradazione.
Il glucosio può entrare nelle cellule dei tessuti corporei sia per via esogena dal cibo, sia per via endogena dal glicogeno immagazzinato (come risultato della glicogenolisi) o da altri substrati come lattato, glicerolo, aminoacidi (come risultato della gluconeogenesi). Il glucosio assorbito nell'intestino tenue entra nel fegato attraverso la vena porta ed entra negli epatociti. Per sua natura il glucosio è una sostanza idrofila, quindi non può passare liberamente attraverso la membrana fosfolipidica. Il meccanismo del suo trasporto viene effettuato utilizzando proteine trasportatrici. Quando stimolati dall'insulina, si osserva un aumento del contenuto di queste proteine nelle membrane plasmatiche di 5-10 volte, mentre all'interno della cellula il loro contenuto diminuisce del 50-60%. Per stimolare il movimento delle proteine trasportatrici verso la membrana, sono necessari ulteriori effetti stimolanti dell'insulina. Ad oggi sono state identificate due classi di trasportatori del glucosio:
Cotrasportatore del Na-glucosio, espresso da speciali cellule epiteliali ciliate dell'intestino tenue e del rene prossimale. Questa proteina trasporta attivamente il glucosio dal lume intestinale o dal nefrone contro un gradiente di concentrazione legando il glucosio agli ioni sodio che vengono trasportati al di sotto del gradiente di concentrazione.
· Possedere trasportatori del glucosio. Queste sono proteine di membrana situate sulla superficie di tutte le cellule e trasportano il glucosio al di sotto del gradiente di concentrazione. I trasportatori del glucosio trasportano il glucosio non solo all'interno della cellula, ma anche fuori dalla cellula e sono anche coinvolti nel movimento intracellulare del glucosio. Attualmente sono state descritte 6 proteine di trasporto del glucosio – GluT.
Nelle cellule, il glucosio viene fosforilato nella reazione dell'esochinasi, trasformandosi in glucosio-6-fosfato (Gl-6-P è un substrato di diverse vie metaboliche: sintesi del glicogeno, ciclo del pentoso fosfato, degradazione glicolitica). il metabolismo del lattato o aerobico inizia con la completa degradazione di questa molecola in CO 2 e H 2 O. Nelle cellule capaci di gluconeogenesi (cellule del fegato, reni, intestino), il Gl-6-P può essere defosforilato ed entrare nel sangue sotto forma di glucosio libero ed essere trasportato ad altri organi e tessuti.
Il glucosio è particolarmente importante per le cellule cerebrali. Le cellule del sistema nervoso dipendono dal glucosio come principale substrato energetico. Allo stesso tempo, non ci sono riserve di glucosio nel cervello, non viene sintetizzato lì, i neuroni non possono consumare substrati energetici diversi dal glucosio e dai corpi chetonici, il glucosio può essere quasi completamente esaurito dal fluido extracellulare, poiché le cellule del sistema nervoso Il sistema consuma glucosio in modo insulino-indipendente.
Glicogeno. Da Gl-6-P, come risultato dell'azione combinata della glicogeno sintetasi e di un enzima “ramificato”, viene sintetizzato il glicogeno, un polimero che in apparenza ricorda un albero. Una molecola di glicogeno può contenere fino a un milione di monosaccaridi. In questo caso avviene la cristallizzazione del glicogeno e non ha effetto osmotico. Questa forma è adatta per la conservazione in una gabbia. Se così tante molecole di glucosio venissero sciolte, la cellula si romperebbe a causa delle forze osmotiche. Il glicogeno è la forma immagazzinata di glucosio ed energia. Si trova in quasi tutti i tessuti, nelle cellule del sistema nervoso è minimo e nel fegato e nei muscoli è particolarmente abbondante. Il glicogeno contiene solo 2 tipi di legami glicosidici: tipo a(1®4) e tipo a(1®6). Il legame di tipo a(1®4) si forma ogni 8-10 residui di D-glucosio (Figura 4).
Glicogenolisi. Questo è il modo in cui viene scomposto il glicogeno. Il glicogeno nel corpo è immagazzinato principalmente nel fegato e nei muscoli scheletrici. Il glicogeno muscolare viene utilizzato come fonte di energia durante l'attività fisica intensa. La glicogenolisi nel fegato viene attivata in risposta a una diminuzione del glucosio durante le pause nell'assunzione di cibo o come risposta allo stress. I principali ormoni che attivano la glicogenolisi sono il glucagone, l'adrenalina (epinefrina) e il cortisolo (Tabella 2).
Tavolo 2
La glicogenolisi inizia con la scissione dei residui terminali di glucosio nei legami a (1®4), in questo processo l'enzima chiave è la glicogeno fosforilasi (Fig. 5); L'attivazione della fosforilasi viene effettuata mediante fosforilazione con la partecipazione della proteina chinasi cAMP-dipendente e della fosforilasi chinasi. L'attivazione della fosforilasi è controllata dalle catecolamine (fegato, muscoli) e dal glucagone (fegato). Questi ormoni promuovono la degradazione del glicogeno nel fegato e quindi la risposta iperglicemica. Il prodotto della reazione della fosforilasi è il glucosio-1-fosfato (G-1-P), che viene convertito in G-6-P con la partecipazione dell'enzima fosfoglucomutasi. Nel fegato, il glucosio è formato da G-6-P e G-1-P con la partecipazione rispettivamente degli enzimi G-6-Ptasi e G-1-Ptasi. L'enzima fosforilasi è specifico solo per i legami a(1®4). Decompone il glicogeno fino a quando rimangono 3-4 residui di carboidrati all'estremità del ramo. Quindi agisce un complesso enzimatico di transglucosilasi e glucosidasi. Il primo di questi enzimi trasferisce (trasloca) un breve segmento di residui di carboidrati all'estremità della catena a(1®4), il secondo scinde il glucosio nel legame a(1®6). Si ripete il ciclo che coinvolge la fosforilasi e un complesso enzimatico che distrugge i rami del glicogeno. Circa il 90% del glucosio viene rilasciato dal glicogeno sotto forma di G-1-P dopo la distruzione del legame a(1®4), il 10% sotto forma di glucosio libero dopo la distruzione del legame a(1®6). Il glucosio può essere formato dal glicogeno con la partecipazione dell'amilo-1,6-glucosidasi, che scinde le catene laterali del glicogeno.
|
Glicogenosi. Questo è un gruppo di malattie ereditarie associate a difetti enzimatici in cui la degradazione del glicogeno è compromessa (Fig. 5) e, nonostante l'enorme apporto di glicogeno negli organi, nei bambini malati si sviluppa ipoglicemia (Tabella 3).
Tabella 3.
| Glicogenosi - malattie dell'accumulo di glicogeno | |||
| Tipo | Nome della malattia | Difetto enzimatico | Manifestazioni strutturali e cliniche del difetto |
| IO | di Gierke | glucosio-6-fosfatasi | grave ipoglicemia postassorbimento, acidosi lattica, iperlipidemia |
| II | Quello di Pompe | a-glucosidasi lisosomiale | granuli di glicogeno nei lisosomi |
| III | Cori (Corey) | transglucosilasi/glucosidasi | struttura alterata del glicogeno, ipoglicemia |
| IV | Andersen (Andersen) | enzima ramificato | alterata struttura del glicogeno |
| V | McArdle (McArdle) | fosforilasi muscolare | deposizione di glicogeno nei muscoli, crampi durante l'esercizio |
| VI | Il suo (Heru) | fosforilasi epatica | ipoglicemia, ma non così grave come nel tipo I |
La malattia di Gierke (glicogenosi di tipo I) è la più studiata in questa malattia, la degradazione del glicogeno è bloccata a causa dell'assenza dell'enzima glucosio-6-fosfatasi, la struttura del glicogeno è normale; La formazione di glucosio libero è compromessa e si forma molto lattato. L'ipoglicemia porta all'attivazione del metabolismo dei grassi, l'ossidazione dei lipidi è accompagnata dalla formazione di corpi chetonici. L'ipoglicemia si manifesta chiaramente quando si determina la glicemia utilizzando i metodi della glucosio ossidasi ed esochinasi, mentre utilizzando il metodo riduttometrico Hagedorn, a causa della presenza di sostanze riducenti nel sangue, i risultati della determinazione del glucosio sono significativamente distorti. Il test dell'adrenalina e del glucagone è di grande utilità poiché l'adrenalina e il glucagone non aumentano i livelli di glucosio nel sangue a causa dell'incapacità del fegato di fornire glucosio libero dal glicogeno.
CASO STORICO N. 1
MALATTIA DI GIERKE (GLICOGENOSI DA CARENZA DELLA FASE G-6)
Una bambina di 6 mesi era costantemente capricciosa, sembrava malaticcia, si stancava rapidamente, diventava sonnolenta, spesso aveva disturbi digestivi e aveva un significativo ingrossamento del fegato.
Analisi di laboratorio:
Glicemia (1 ora dopo il pasto) - 3,5 mmol/l (intervallo di riferimento "5 mmol/l)
4 ore dopo l'alimentazione, sullo sfondo dei segni di uno stato doloroso con una frequenza cardiaca di 110 al minuto, il livello di glucosio era di 2 mmol/l. I sintomi si attenuano dopo aver mangiato. La biopsia epatica ha mostrato massicci depositi di glicogeno nel citoplasma degli epatociti.
È stata fatta una diagnosi di malattia di Gierke. Il trattamento prevedeva pasti frequenti con ridotto apporto di carboidrati e pasti attraverso un sondino nasogastrico durante la notte.
CASO STORICO N. 2
MALATTIA DI MCARDLE (GLICOGENOSI CON RIDOTTA FORZA MUSCOLARE)
Un uomo di 30 anni ha consultato un medico per dolore muscolare cronico alle gambe e alle braccia e crampi durante l'esercizio. Aveva debolezza muscolare, quindi non ha mai praticato sport. La condizione non è cambiata finché non ha deciso di rafforzare i suoi muscoli praticando sport. Con l'esercizio fisico persistente, il dolore, di regola, scompariva dopo 15-30 minuti di allenamento e poteva continuare a fare esercizio.
Analisi di laboratorio:
Uno studio di laboratorio ha scoperto che durante un’attività fisica moderata, il livello di glucosio nel sangue era normale, ma l’attività della frazione MM della creatina chinasi (MM-CK) aumentava, il che indica un danno muscolare. Con un intenso lavoro muscolare, il livello di glucosio nel sangue è leggermente diminuito, ma anche il livello di lattato è diminuito. La biopsia ha mostrato un contenuto insolitamente elevato di glicogeno nei muscoli, indicando una malattia da accumulo di glicogeno.
Discussione:
Durante il periodo iniziale di carico muscolare, il glucosio, formato dal glicogeno in decomposizione, inizia sempre ad essere consumato intensamente. Tuttavia, durante le convulsioni che si verificano durante il debito di ossigeno, a seguito dell'attivazione della glicolisi, dovrebbe verificarsi la formazione di piruvato, che si trasforma in lattato ed entra nel sangue. Nello stesso caso non si è verificato alcun aumento del lattato, il che dimostra una violazione della mobilitazione del glicogeno muscolare. La cessazione del dolore muscolare 0,5 ore dopo l'esercizio è spiegata da una reazione fisiologica causata dall'adrenalina rilasciata durante l'esercizio, che favorisce l'apporto di glucosio e acidi grassi dal sangue ai muscoli, compensando l'insufficiente apporto di glucosio dal glicogeno muscolare.
Glicolisi. In condizioni anaerobiche, la glicolisi è la principale via metabolica per la scomposizione del glucosio. In questo processo, la scomposizione di 1 molecola di glucosio produce 2 molecole di ATP e 2 molecole di piruvato. Nei tessuti in cui la sintesi di ATP non è completamente assicurata a causa della fosforilazione ossidativa, il glucosio è la principale fonte di energia. Durante il lavoro muscolare intenso nei muscoli, i carboidrati vengono scomposti in lattato, causando il cosiddetto debito di ossigeno e portando all'acidificazione intracellulare. Numerosi farmaci, in particolare le biguanidi e le sulfaniluree di prima generazione, attivano la glicolisi, quindi nel diabete possono rappresentare ulteriori fattori che contribuiscono allo sviluppo dell'acidosi lattica. A questo proposito, insieme alla determinazione dei parametri CBS e dei gas nel sangue, si raccomanda di determinare il lattato nei pazienti con ipossia in via di sviluppo nei laboratori espressi nelle unità di terapia intensiva. Gli inibitori della glicolisi sono monoiodoacetato e NaF - potenti veleni. Negli eritrociti, la glicolisi e il ciclo del pentoso fosfato sono le principali vie di utilizzo del glucosio, la loro intensità è elevata pertanto, quando si determina il glucosio, non è consigliabile lasciare un coagulo nel siero o misurare il glucosio nel sangue stabilizzato con EDTA dopo più di 1; ora. Se è necessario conservare il sangue, si consiglia di utilizzare monoiodoacetato o NaF come inibitore della glicolisi.
Ossidazione aerobica del glucosio. Il glucosio è uno dei principali substrati energetici del corpo. La velocità della sua ossidazione a riposo a stomaco vuoto è di circa 140 mg/kg di peso corporeo per 1 ora. Alcuni organi vitali, in particolare la corteccia cerebrale, utilizzano il glucosio esclusivamente come substrato energetico. Durante l'ossidazione, viene convertito attraverso la via metabolica glicolitica in piruvato, che entra nei mitocondri, dove viene decarbossilato ad acetil-coA. Un'ulteriore ossidazione avviene nel ciclo di Krebs e nel processo di fosforilazione ossidativa, in cui viene sintetizzato ATP e si forma acqua endogena. Questo è il modo principale di formazione dell'energia: 1 molecola di glucosio nel processo di ossidazione aerobica consente di sintetizzare 19 volte più ATP rispetto alla glicolisi, ovvero 38 molecole di ATP. L'ossidazione del glucosio in condizioni aerobiche è la più efficace modo di utilizzare l’ossigeno per i bisogni energetici. L'efficienza del metabolismo basale è massima quando il glucosio viene ossidato, rendendolo un componente importante della nutrizione parenterale.
Shunt del pentoso fosfato. Il ruolo biologico di questo ciclo è la formazione di pentoso fosfati necessari per la sintesi degli acidi nucleici, per generare equivalenti ridotti sotto forma di NADPH per la sintesi degli acidi grassi e per fornire il sistema antiossidante delle cellule. Tra i difetti dello shunt del pentoso fosfato, la carenza o l'anomalia più comune è quella dell'enzima glucosio-6-fosfato deidrogenasi. Ciò non garantisce il necessario ripristino del glutatione. L'ossidazione del perossido viene attivata nella membrana eritrocitaria, gli idroperossidi si accumulano, la permeabilità della membrana cellulare viene interrotta, provocando emolisi.
La relazione tra metabolismo dei carboidrati, delle proteine e dei lipidi. Un importante prodotto intermedio comune del metabolismo dei carboidrati, degli amminoacidi e dei lipidi nelle cellule è la molecola di acetil-coA. Attraverso l'acetil-coA, il glucosio e altri carboidrati possono essere convertiti in acidi grassi e trigliceridi, in aminoacidi non essenziali e viceversa, il glucosio può essere sintetizzato attraverso questa molecola. Attraverso percorsi di interconversione con diete diverse, l’organismo sintetizza i componenti necessari. Pertanto, anche con una dieta esclusivamente a base di carboidrati, la massa del tessuto adiposo può aumentare. Dopo un pasto, così come dopo aver mangiato carboidrati, non è consigliabile controllare il livello basale di glucosio nel sangue. Quasi sempre, con l'ipertrigliceridemia, c'è la tendenza a interrompere il metabolismo dei carboidrati a causa dello sviluppo della resistenza all'insulina.
Gluconeogenesi. Questo è il nome del processo metabolico di sintesi del glucosio da aminoacidi e prodotti metabolici intermedi. Durante il processo di gluconeogenesi si verificano le stesse reazioni della glicolisi, ma nella direzione opposta. L'eccezione è costituita da 3 reazioni che vengono shuntate. Un set completo di enzimi della gluconeogenesi è contenuto nelle cellule del fegato, dei reni e della mucosa intestinale. I glucocorticoidi, in particolare il cortisolo, sono potenti stimolatori della sintesi degli enzimi della gluconeogenesi, causando iperglicemia dovuta alla sintesi del glucosio dagli aminoacidi durante il catabolismo proteico.
REGOLAZIONE DEL METABOLISMO DEI CARBOIDRATI.
Il livello di glucosio nel sangue è il fattore più importante dell’omeostasi. È mantenuto ad un certo livello dalla funzione dell'intestino, del fegato, dei reni, del pancreas, delle ghiandole surrenali, del tessuto adiposo e di altri organi (Fig. 6).
|
|
|
Riso. 6. Metabolismo del glucosio dopo aver mangiato. Il glucosio assorbito nell'intestino entra nel fegato. Il fegato mantiene una fornitura costante di substrati energetici agli altri organi, principalmente al cervello. L'apporto di glucosio al fegato e al cervello non dipende dall'insulina, ma ai muscoli e al tessuto adiposo è insulino-dipendente. In tutte le cellule, la prima tappa del metabolismo del glucosio è la fosforilazione. Nel fegato, l'insulina stimola l'enzima glucochinasi, dando inizio alla formazione di glicogeno. L'eccesso di glucosio-6-fosfato viene utilizzato per la sintesi di aminoacidi e lipidi. Nei muscoli il glucosio viene immagazzinato sotto forma di glicogeno, nel tessuto adiposo si trasforma in trigliceridi, nel tessuto cerebrale il glucosio viene utilizzato come substrato energetico.
Esistono diversi tipi di regolazione del metabolismo dei carboidrati: substrato, nervoso, ormonale, renale.
Lo scambio di varie sostanze ed energia tra la cellula e l'ambiente esterno è una condizione vitale per la sua esistenza.
Per mantenere la costanza della composizione chimica e delle proprietà del citoplasma in condizioni in cui vi sono differenze significative nella composizione chimica e nelle proprietà dell'ambiente esterno e del citoplasma della cellula, devono esistere meccanismi di trasporto speciali, spostando selettivamente le sostanze.
In particolare, le cellule devono possedere meccanismi per fornire ossigeno e sostanze nutritive dall’ambiente e rimuovere in esso i metaboliti. Esistono gradienti di concentrazione di varie sostanze non solo tra la cellula e l'ambiente esterno, ma anche tra gli organelli cellulari e il citoplasma e si osservano flussi di trasporto di sostanze tra i diversi compartimenti della cellula.
Di particolare importanza per la percezione e la trasmissione dei segnali di informazione è il mantenimento della differenza transmembrana nelle concentrazioni di ioni minerali Na+, K+, Ca2+. La cellula spende una parte significativa della sua energia metabolica per mantenere i gradienti di concentrazione di questi ioni. L'energia dei potenziali elettrochimici immagazzinati nei gradienti ionici garantisce la costante disponibilità della membrana plasmatica cellulare a rispondere agli stimoli. L'ingresso del calcio nel citoplasma dall'ambiente intercellulare o dagli organelli cellulari garantisce la risposta di molte cellule ai segnali ormonali, controlla il rilascio di neurotrasmettitori e attiva i trigger.
Riso. Classificazione dei tipi di trasporto
Per comprendere i meccanismi di transizione delle sostanze attraverso le membrane cellulari, è necessario tenere conto sia delle proprietà di queste sostanze che delle proprietà delle membrane. Le sostanze trasportate differiscono per peso molecolare, trasferimento di carica, solubilità in acqua, lipidi e numerose altre proprietà. Il plasma e le altre membrane sono rappresentate da ampie aree di lipidi, attraverso le quali le sostanze liposolubili non polari si diffondono facilmente e l'acqua e le sostanze idrosolubili di natura polare non passano. Per il movimento transmembrana di queste sostanze è necessaria la presenza di canali speciali nelle membrane cellulari. Il trasporto di molecole di sostanze polari diventa più difficile quando aumentano le loro dimensioni e la loro carica (in questo caso sono necessari ulteriori meccanismi di trasporto). Il trasferimento di sostanze contro concentrazione e altri gradienti richiede anche la partecipazione di trasportatori speciali e un dispendio energetico (Fig. 1).
Riso. 1. Diffusione semplice e facilitata e trasporto attivo delle sostanze attraverso le membrane cellulari
Per il movimento transmembrana di composti ad alto peso molecolare, particelle supramolecolari e componenti cellulari che non sono in grado di penetrare attraverso i canali della membrana, vengono utilizzati meccanismi speciali: fagocitosi, pinocitosi, esocitosi, trasporto attraverso spazi intercellulari. Pertanto, il movimento transmembrana di varie sostanze può essere effettuato utilizzando metodi diversi, che di solito sono suddivisi in base alla partecipazione di trasportatori speciali e al consumo di energia. Esistono trasporti passivi e attivi attraverso le membrane cellulari.
Trasporto passivo— trasferimento di sostanze attraverso una biomembrana lungo un gradiente (concentrativo, osmotico, idrodinamico, ecc.) e senza consumo di energia.
Trasporto attivo- trasferimento di sostanze attraverso una biomembrana contro gradiente e con consumo di energia. Negli esseri umani, il 30-40% di tutta l'energia generata durante le reazioni metaboliche viene spesa per questo tipo di trasporto. Nei reni, il 70-80% dell'ossigeno consumato viene utilizzato per il trasporto attivo.
Trasporto passivo di sostanze
Sotto trasporto passivo comprendere il trasferimento di una sostanza attraverso le membrane lungo vari gradienti (potenziale elettrochimico, concentrazione di una sostanza, campo elettrico, pressione osmotica, ecc.), che non richiede un dispendio energetico diretto per la sua attuazione. Il trasporto passivo delle sostanze può avvenire per diffusione semplice e facilitata. È noto che sotto diffusione comprendere i movimenti caotici delle particelle della materia nei vari ambienti, causati dall'energia delle sue vibrazioni termiche.
Se la molecola di una sostanza è elettricamente neutra, la direzione di diffusione di questa sostanza sarà determinata solo dalla differenza (gradiente) nelle concentrazioni della sostanza nei mezzi separati da una membrana, ad esempio all'esterno e all'interno della cellula o tra i suoi scomparti. Se la molecola o gli ioni di una sostanza trasportano una carica elettrica, la diffusione sarà influenzata sia dalla differenza di concentrazione, dalla quantità di carica di questa sostanza, sia dalla presenza e dal segno delle cariche su entrambi i lati della membrana. La somma algebrica delle forze di concentrazione e dei gradienti elettrici sulla membrana determina l'entità del gradiente elettrochimico.
Diffusione semplice effettuato a causa della presenza di gradienti di concentrazione di una determinata sostanza, carica elettrica o pressione osmotica tra i lati della membrana cellulare. Ad esempio, il contenuto medio di ioni Na+ nel plasma sanguigno è di 140 mmol/l, negli eritrociti è circa 12 volte inferiore. Questa differenza di concentrazione (gradiente) crea una forza trainante che consente al sodio di spostarsi dal plasma ai globuli rossi. Tuttavia, la velocità di tale transizione è bassa, poiché la membrana ha una permeabilità molto bassa agli ioni Na+. La permeabilità di questa membrana al potassio è molto maggiore. I processi di diffusione semplice non consumano l'energia del metabolismo cellulare.
La velocità di diffusione semplice è descritta dall'equazione di Fick:
dm/dt = -kSΔC/x,
Dove dm/ dt- la quantità di sostanza che diffonde per unità di tempo; A - coefficiente di diffusione che caratterizza la permeabilità della membrana per una sostanza diffondente; S- area superficiale di diffusione; ΔС— la differenza nelle concentrazioni della sostanza su entrambi i lati della membrana; X— distanza tra i punti di diffusione.
Dall'analisi dell'equazione di diffusione, è chiaro che la velocità di diffusione semplice è direttamente proporzionale al gradiente di concentrazione di una sostanza tra i lati della membrana, alla permeabilità della membrana per una data sostanza e alla superficie di diffusione.
È ovvio che le sostanze più facili da spostare attraverso la membrana per diffusione saranno quelle sostanze la cui diffusione avviene sia lungo un gradiente di concentrazione che lungo un gradiente di campo elettrico. Tuttavia, una condizione importante per la diffusione delle sostanze attraverso le membrane sono le proprietà fisiche della membrana e, in particolare, la sua permeabilità alla sostanza. Ad esempio, gli ioni Na+, la cui concentrazione è maggiore all'esterno della cellula che al suo interno e la superficie interna della membrana plasmatica è caricata negativamente, dovrebbero diffondersi facilmente nella cellula. Tuttavia, la velocità di diffusione degli ioni Na+ attraverso la membrana plasmatica di una cellula a riposo è inferiore a quella degli ioni K+, che diffondono lungo il gradiente di concentrazione fuori dalla cellula, poiché la permeabilità della membrana in condizioni di riposo per gli ioni K+ è superiore a quello degli ioni Na+.
Poiché i radicali idrocarburici dei fosfolipidi che formano il doppio strato della membrana hanno proprietà idrofobiche, le sostanze di natura idrofobica, in particolare quelle facilmente solubili nei lipidi (steroidi, ormoni tiroidei, alcuni farmaci, ecc.), possono facilmente diffondersi attraverso la membrana. Sostanze a basso peso molecolare di natura idrofila, gli ioni minerali si diffondono attraverso canali ionici passivi di membrane formate da molecole proteiche che formano canali e, possibilmente, attraverso difetti di imballaggio nella membrana di molecole fosfolipidiche che appaiono e scompaiono nella membrana a causa di fluttuazioni termiche.
La diffusione delle sostanze nei tessuti può avvenire non solo attraverso le membrane cellulari, ma anche attraverso altre strutture morfologiche, ad esempio dalla saliva al tessuto dentinale del dente attraverso il suo smalto. In questo caso, le condizioni per la diffusione rimangono le stesse che attraverso le membrane cellulari. Ad esempio, per la diffusione di ossigeno, glucosio e ioni minerali dalla saliva nel tessuto dentale, la loro concentrazione nella saliva deve superare la concentrazione nel tessuto dentale.
In condizioni normali, le piccole molecole polari non polari e quelle polari elettricamente neutre possono passare attraverso il doppio strato fosfolipidico in quantità significative attraverso la semplice diffusione. Il trasporto di quantità significative di altre molecole polari viene effettuato da proteine trasportatrici. Se la transizione transmembrana di una sostanza richiede la partecipazione di un trasportatore, al posto del termine "diffusione" viene spesso usato il termine trasporto di una sostanza attraverso una membrana.
Diffusione facilitata, proprio come la semplice “diffusione” di una sostanza, avviene lungo il suo gradiente di concentrazione, ma a differenza della semplice diffusione, una specifica molecola proteica, un trasportatore, è coinvolta nel trasferimento di una sostanza attraverso la membrana (Fig. 2).
Diffusione facilitataè un tipo di trasporto passivo di ioni attraverso le membrane biologiche, che viene effettuato lungo un gradiente di concentrazione utilizzando un trasportatore.
Il trasferimento di una sostanza mediante una proteina vettrice (trasportatore) si basa sulla capacità di questa molecola proteica di integrarsi nella membrana, penetrandola e formando canali riempiti d'acqua. Il trasportatore può legarsi in modo reversibile alla sostanza trasportata e allo stesso tempo modificarne reversibilmente la conformazione.
Si presume che la proteina trasportatrice possa trovarsi in due stati conformazionali. Ad esempio, in uno stato UN questa proteina ha affinità con la sostanza trasportata, i suoi siti di legame con la sostanza sono rivolti verso l'interno e forma un poro aperto su un lato della membrana.
Riso. 2. Diffusione facilitata. Descrizione nel testo
Dopo aver contattato la sostanza, la proteina trasportatrice cambia conformazione ed entra nello stato 6 . Durante questa trasformazione conformazionale, il trasportatore perde la sua affinità con la sostanza trasportata; si libera dalla sua connessione con il trasportatore e viene spostato in un poro sull'altro lato della membrana. Successivamente, la proteina ritorna nuovamente allo stato a. Questo trasferimento di una sostanza da parte di una proteina trasportatrice attraverso una membrana viene chiamato uniporto.
Attraverso la diffusione facilitata, sostanze a basso peso molecolare come il glucosio possono essere trasportate dagli spazi interstiziali alle cellule, dal sangue al cervello, alcuni aminoacidi e il glucosio possono essere riassorbiti dall'urina primaria nel sangue nei tubuli renali, e aminoacidi e i monosaccaridi possono essere assorbiti dall'intestino. La velocità di trasporto delle sostanze per diffusione facilitata può raggiungere fino a 10 8 particelle al secondo attraverso il canale.
Contrariamente alla velocità di trasferimento di una sostanza per diffusione semplice, che è direttamente proporzionale alla differenza delle sue concentrazioni su entrambi i lati della membrana, la velocità di trasferimento di una sostanza durante la diffusione facilitata aumenta in proporzione all'aumento della differenza in concentrazioni della sostanza fino ad un certo valore massimo, al di sopra del quale non aumenta, nonostante l'aumento della differenza di concentrazioni della sostanza lungo entrambi i lati della membrana. Il raggiungimento della massima velocità (saturazione) di trasferimento nel processo di diffusione facilitata è spiegato dal fatto che alla massima velocità tutte le molecole delle proteine trasportatrici sono coinvolte nel trasferimento.
Diffusione dello scambio- con questo tipo di trasporto di sostanze può avvenire uno scambio di molecole della stessa sostanza situate su lati diversi della membrana. La concentrazione della sostanza su ciascun lato della membrana rimane invariata.
Un tipo di diffusione di scambio è lo scambio di una molecola di una sostanza con una o più molecole di un'altra sostanza. Ad esempio, nelle cellule muscolari lisce dei vasi sanguigni e dei bronchi, nei miociti contrattili del cuore, uno dei modi per rimuovere gli ioni Ca 2+ dalle cellule è scambiarli con ioni Na+ extracellulari. Per ogni tre ioni Na+ in arrivo, uno ione Ca 2+ viene rimosso dalla cellula. Si crea un movimento interdipendente (accoppiato) di Na+ e Ca2+ attraverso la membrana in direzioni opposte (questo tipo di trasporto è chiamato antiporto). Pertanto, la cellula viene liberata dagli ioni Ca 2+ in eccesso, che è una condizione necessaria per il rilassamento dei miociti lisci o dei cardiomiociti.
Trasporto attivo di sostanze
Trasporto attivo sostanze attraverso è il trasferimento di sostanze contro i loro gradienti, effettuato con dispendio di energia metabolica. Questo tipo di trasporto differisce dal trasporto passivo in quanto il trasporto non avviene lungo un gradiente, ma contro i gradienti di concentrazione di una sostanza, e utilizza l'energia dell'ATP o altri tipi di energia per la creazione della quale è stato precedentemente speso ATP. Se la fonte diretta di questa energia è l'ATP, tale trasferimento è chiamato attivo primario. Se l'energia (concentrazione, gradienti chimici, elettrochimici) precedentemente immagazzinata a causa del funzionamento delle pompe ioniche che consumavano ATP viene utilizzata per il trasporto, tale trasporto è chiamato attivo secondario, oltre che coniugato. Un esempio di trasporto attivo secondario accoppiato è l'assorbimento del glucosio nell'intestino e il suo riassorbimento nei reni con la partecipazione degli ioni Na e dei trasportatori GLUT1.
Grazie al trasporto attivo, è possibile superare non solo le forze di concentrazione, ma anche i gradienti elettrici, elettrochimici e di altro tipo di una sostanza. Come esempio del funzionamento del trasporto attivo primario, possiamo considerare il funzionamento della pompa Na+ -, K+.
Il trasporto attivo degli ioni Na + e K + è assicurato da un enzima proteico - Na + -, K + -ATPasi, che è in grado di scomporre l'ATP.
La proteina Na K-ATPasi si trova nella membrana citoplasmatica di quasi tutte le cellule del corpo, rappresentando il 10% o più del contenuto proteico totale nella cellula. Più del 30% dell'energia metabolica totale della cellula viene spesa per il funzionamento di questa pompa. Na + -, K + -ATPasi può trovarsi in due stati conformazionali: S1 e S2. Nello stato S1, la proteina ha un'affinità per lo ione Na e 3 ioni Na sono attaccati a tre siti di legame ad alta affinità rivolti verso la cellula. L'aggiunta dello ione Na" stimola l'attività dell'ATPasi e, come risultato dell'idrolisi dell'ATP, Na+ -, K+ -ATPasi viene fosforilata a causa del trasferimento di un gruppo fosfato ad essa ed effettua una transizione conformazionale dallo stato S1 a S2 stato (Fig. 3).
Come risultato dei cambiamenti nella struttura spaziale della proteina, i siti di legame per gli ioni Na si rivolgono alla superficie esterna della membrana. L'affinità dei siti di legame per gli ioni Na+ diminuisce drasticamente e, liberato dal legame con la proteina, viene trasferito nello spazio extracellulare. Nello stato conformazionale S2, l'affinità dei centri Na+ -, K-ATPasi per gli ioni K aumenta e attaccano due ioni K dall'ambiente extracellulare. L'aggiunta di ioni K provoca la defosforilazione della proteina e la sua transizione conformazionale inversa dallo stato S2 allo stato S1. Insieme alla rotazione dei centri di legame sulla superficie interna della membrana, due ioni K vengono rilasciati dalla loro connessione con il trasportatore e vengono trasferiti all'interno. Tali cicli di trasferimento vengono ripetuti ad una velocità sufficiente a mantenere in una cellula a riposo la distribuzione ineguale degli ioni Na+ e K+ nella cellula e nel mezzo intercellulare e, di conseguenza, a mantenere una differenza di potenziale relativamente costante sulla membrana delle cellule eccitabili.
Riso. 3. Rappresentazione schematica del funzionamento della pompa Na+ -, K + -
La sostanza strofantina (ouabaina), isolata dalla pianta digitale, ha la capacità specifica di bloccare la pompa Na+ -, K+ -. Dopo la sua introduzione nel corpo, a seguito del blocco del pompaggio degli ioni Na+ dalla cellula, si osserva una diminuzione dell'efficienza del meccanismo di scambio di Na+, Ca 2 e l'accumulo di ioni Ca 2+ nei cardiomiociti contrattili. Ciò porta ad un aumento della contrazione del miocardio. Il farmaco è usato per trattare l'insufficienza della funzione di pompaggio del cuore.
Oltre a Na "-, K + -ATPasi, esistono molti altri tipi di ATPasi di trasporto, o pompe ioniche. Tra questi, una pompa che trasporta gas idrogeno (mitocondri cellulari, epitelio tubulare renale, cellule parietali dello stomaco); calcio pompe (cellule pacemaker e contrattili del cuore, cellule muscolari della muscolatura striata e liscia). Ad esempio, nelle cellule dei muscoli scheletrici e del miocardio, la proteina Ca 2+ -ATPasi è incorporata nelle membrane del reticolo sarcoplasmatico e, grazie al suo lavoro, mantiene un'elevata concentrazione di ioni Ca 2+ nei suoi depositi intracellulari (cisterne, tubuli longitudinali del reticolo sarcoplasmatico).
In alcune cellule, le forze della differenza di potenziale elettrico transmembrana e il gradiente di concentrazione di sodio, risultanti dal funzionamento della pompa Na+, Ca 2+, vengono utilizzate per eseguire tipi attivi secondari di trasferimento di sostanze attraverso la membrana cellulare.
Trasporto attivo secondario caratterizzato dal fatto che il trasferimento di una sostanza attraverso la membrana viene effettuato a causa del gradiente di concentrazione di un'altra sostanza, creato dal meccanismo di trasporto attivo con il dispendio di energia ATP. Esistono due tipi di trasporto attivo secondario: simport e antiporto.
Importa chiamato trasferimento di una sostanza, che è associato al trasferimento simultaneo di un'altra sostanza nella stessa direzione. Il meccanismo simport trasporta lo iodio dallo spazio extracellulare ai tirociti della tiroide, il glucosio e gli aminoacidi quando vengono assorbiti dall'intestino tenue negli enterociti.
Antiporto chiamato trasferimento di una sostanza, che è associato al trasferimento simultaneo di un'altra sostanza, ma nella direzione opposta. Un esempio di meccanismo di trasferimento antiporter è il lavoro del già citato scambiatore Na + -, Ca 2+ - nei cardiomiociti, meccanismo di scambio K + -, H + - nell'epitelio dei tubuli renali.
Dagli esempi sopra riportati è chiaro che il trasporto attivo secondario viene effettuato mediante l'uso di forze di gradiente di ioni Na+ o ioni K+. Lo ione Na+ o ione K si muove attraverso la membrana verso la sua concentrazione inferiore e trascina con sé un'altra sostanza. In questo caso viene solitamente utilizzata una specifica proteina trasportatrice incorporata nella membrana. Ad esempio, il trasporto degli aminoacidi e del glucosio quando vengono assorbiti dall'intestino tenue nel sangue avviene a causa del fatto che la proteina trasportatrice di membrana dell'epitelio della parete intestinale si lega all'amminoacido (glucosio) e al Na+ e solo allora cambia la sua posizione nella membrana in modo tale da trasportare l'amminoacido (glucosio) e lo ione Na+ nel citoplasma. Per effettuare tale trasporto è necessario che la concentrazione dello ione Na+ all'esterno della cellula sia molto maggiore che all'interno, il che è assicurato dal lavoro costante di Na+, K+ - ATPasi e dal dispendio di energia metabolica.
