trasporto attivo

Il passaggio di molte sostanze nelle cellule o attraverso le membrane dell'organismo, non può essere spiegato semplicemente in base a fenomeni di diffusione. Per es., alcuni composti sono assorbiti contro un gradiente di concentrazione, e alcuni processi di trasporto possono essere bloccati con inibitori metabolici.

trasporto attivo
Queste sono proteine-carrier: esse non fuoriescono dalla membrana; si legano e trascinano le molecole attraverso lo strato bilipidico e le rilasciano dal lato opposto.
(animation by Jim Sullivan)
La spiegazione di questi fenomeni trova risposta in specifici trasportatori (carriers) presenti nelle membrane. Nei processi di trasporto, il carrier si lega reversibilmente al farmaco, trasportandolo al di là della membrana anche contro un gradiente di concentrazione. In questo caso, ovviamente, si ha un consumo di energia metabolica.

Il carrier è caratteristico per ogni tipo di sostanza e quindi può essere inibito da una molecola simile a quella che esso trasporta normalmente (inibizione specifica) oppure tramite immobilizzo dei processi che forniscono energia al sistema (inibizione aspecifica). La velocità con cui avviene questo processo, può essere espressa con l'equazione di Michaelis-Menten e Briggs-Haldane: sebbene questa equazione sia stata sviluppata per la cinetica enzimatica, si adatta altrettanto bene a descrivere il processo di trasporto attivo.

schema di reazione farmaco-carrier

La reazione sopra schematizzata, formalizza la combinazione del farmaco, F, con il carrier, C, per formare il complesso farmaco-carrier, CF. Dallo schema di reazione si nota che il complesso CF si forma e si decompone reversibilmente in C ed F , secondo due costanti cinetiche, k1 e k2 (prima di attraversare la membrana), e secondo la costante k3 corrispondente al rilascio del farmaco dopo l'attraversamento della membrana.

dunque, la velocità netta del flusso di trasferimento risulta:

v = k1 [C][F] - k2 [CF] - k3 [CF]

I segni sono considerati con questo criterio: positivo, per la formazione del complesso farmaco-carrier; negativo, per la decomposizione del complesso.

in condizioni di equilibrio dinamico, ossia quando il ritmo di formazione del complesso farmaco-recettore è uguale al ritmo di rilascio, è v = 0 e quindi:

flusso di trasferimento in equilibrio

dove le costanti di trasferimento sono state riunite in un'unica costante, K

la concentrazione totale del carrier, C*, è data dalla somma delle concentrazioni del carrier libero e del carrier legato al farmaco:

[C*] = [C] + [CF] freccia dx [C] = [C*] - [CF]

sostituendo nella formula precedente, il valore [C] ricavato da questa condizione, si ottiene:

complesso carrier-farmaco

poiché quanto più facilmente il farmaco si lega al carrier (condizione necessaria per l'efficienza del processo) tanto più difficilmente viene rilasciato, possiamo supporre che il passaggio difficile, che condiziona la velocità del processo, sia il rilascio del farmaco con velocità: v = k3 [CF]. Inserendo questa condizione nella formula precedente, si ottiene:

equazione di Michaelis-Menten

quando il carrier viene saturato, ovverosia non c'è più farmaco che possa partecipare al processo, risulta [C*] = [CF], e per conseguenza, il processo raggiunge la velocità massima evidentemente data da Vmax = k3 [C*]. Inserendo questa condizione nella formula precedente, si ottiene l'equazione di Leonor Michaelis e Maud Menten (in realtà, il procedimento sviluppato per ricavarla, formato sull'ipotesi di un complesso farmaco-carrier, è dovuto a Briggs e Haldane, che lo proposero nel 1925).

 (1)   equazione di Michaelis-menten

dove:
dc/dt = velocità di trasporto del farmaco;
Vmax = velocità massima raggiunta con la saturazione del carrier;
K = costante di affinità tra farmaco e carrier;

L'eq. 1, descrive soddisfacentemente la velocità del processo di trasporto attivo; infatti sono possibili due casi:

    velocità di trasporto attivo
  1. K » F : l'eq. di Michaelis-Menten, considerando che Vmax/K è costante, assume la forma:

    equazione di Michaelis-menten

    questo significa che quando la concentrazione, C, del farmaco è bassa, viene assorbito con velocità direttamente proporzionale alla sua concentrazione, fino a raggiungere Vmax (grafico a destra)

  2. F » K : l'equazione di Michaelis-Menten assume la forma:

    dC/dt = Vmax

    questo significa che l'assorbimento procede a velocità costante in quanto i carrier sono tutti impegnati nel processo di trasporto.
    Il valore della costante K, può essere determinato solo sperimentalmente. Ponendo (nella eq. 1) dC/dt = Vmax /2 , si ottiene K = C; questo significa che il valore della costante K è misurabile quando la velocità di trasporto raggiunge la metà della sua velocità massima (v. grafico precedente)

osservazione
Esempi di trasporto attivo sono offerti dalla vitamina B2 (molecola idrosolubile ad elevato PM) e dagli amminoacidi. La vitamina B12 ed il glucosio vengono assorbiti con un meccanismo di trasporto facilitato (v. appresso), che è regolato dalla eq. di M-M; però, in questo caso, non si ha consumo energetico in quanto il trasporto non avviene contro un gradiente di concentrazione.


diffusione passiva facilitata

Per determinate molecole (p. es., vit. B12, glucosio), la velocità di attraversamento delle membrane è superiore a quella prevedibile sulla base della loro bassa liposolubilità. In questo caso, per spiegare il passaggio attraverso la membrana cellulare, si adotta il modello di trasporto facilitato: un componente di trasporto (carrier) si combina reversibilmente con la molecola del substrato sulla superficie esterna della membrana cellulare ed il complesso carrier-substrato diffonde rapidamente attraverso la membrana liberando il substrato sul versante interno.
La diffusione mediata da carrier è caratterizzata dalla selettività e dalla saturabilità: il carrier trasporta soltanto i substrati con una configurazione molecolare relativamente specifica e il processo è limitato dalla disponibilità dei carrier. Questo meccanismo non richiede dispendio di energia e non consente il trasporto contro un gradiente di concentrazione.

trasporto per accoppiamento di ioni

Secondo questo modello, valido per sostanze molto polari, quali ad es. i sali ammonici quaternari, si suppone che il carrier abbia carica opposta allo ione da trasportare, sicché l'accoppiamento con quest'ultimo formerebbe un complesso apolare in grado di attraversare la membrana con un meccanismo di trasporto passivo.

assorbimento dei farmaci

Per quanto riguarda l'assorbimento dei farmaci, occorre ricordare che, nel caso del trasporto attivo, esiste anche una specificità di sito, sicché alcuni farmaci sono assorbiti solo in alcuni distretti dell'organismo. Questo comporta che se, per es., un farmaco è assorbito prevalentemente nell'intestino, occorre prepararlo in una forma farmaceutica tale che ne permetta il passaggio indenne attraverso lo stomaco (compresse o capsule gastroresistenti), in modo da permetterne il successivo assorbimento intestinale. Per contro, vi sono stati dei farmaci attivi in vitro che non sono stati disponibili in terapia proprio per le difficoltà legate al raggiungimento del sito attivo.
Infine, occorre sempre tenere a mente che ad un aumento della dose del farmaco corrisponde un aumento dell'assorbimento solo nel caso del trasporto passivo; nel caso che il farmaco sia assorbito con meccanismo di trasporto attivo, esiste un limite di saturazione oltre il quale un aumento della dose non provoca alcuna ulteriore risposta terapeutica.

note riassuntive

La funzione della membrana cellulare oltre a costituire una barriera che separa l'interno della cellula con l'esterno, ha un ruolo fondamentale nelle funzioni cellulari in quanto è una membrana a permeabilità selettiva: solo molecole di piccole dimensioni riescono ad attraversare la membrana cellulare in modo passivo. La maggior parte degli ioni e delle molecole idrosolubili non è in grado di attraversare spontaneamente tale barriera, che è di natura lipidica; per farlo, necessita di una specifica proteina trasportatrice (carrier), che permette un trasporto attivo.

passaggio attraverso le membrane

Grazie ai processi di trasporto, la cellula può mantenere la concentrazione interna degli ioni e delle piccole molecole. La membrana, oltre che un filtro per le sostanza in entrata e in uscita, rappresenta anche il mezzo con cui la cellula "si fa riconoscere" dalle altre cellule. Essa contiene molecole particolari, di solito formate da zuccheri legati a proteine, che corrispondono a una sorta di "carta d'identità" in base alla quale la cellula viene riconosciuta come facente parte di sé, ossia dell'organismo stesso, e quindi non viene attaccata dal sistema immunitario. Nelle cellule animali la membrana plasmatica non presenta generalmente strati esterni di rivestimento. Nei batteri e nei vegetali, invece, all'esterno della membrana si trova una parete rigida, costituita da polisaccaridi complessi (nel caso delle piante superiori, soprattutto da cellulosa). Tale struttura, nei batteri ha una funzione protettiva; nei vegetali, oltre a questa funzione, la parete svolge un ruolo di sostegno e serve a mantenere la forma tipica della cellula.


farmacocinetica1 passaggio attraverso le membrane2 3 distribuzione dei farmaci, metabolismo, eliminazione4 il modello monocompartimentale5 somministrazione endovena e orale6 assorbimento orale ed eliminazione7 volume di distribuzione8 somministrazioni ripetute9 cinetica non lineare10 esercizi e determinazione delle costanti di trasferimento11
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l'animazione di Jim Sullivan è tratta dal sito: The Virtual Cell Web Page
http://personal.tmlp.com/Jimr57/textbook/chapter3/cmf1a.htm