1

CAP.I

LA CELLULA E LA MEMBRANA CELLULARE IN ECOTOSSICOLOGIA E TOSSICOLOGIA UMANA

2

Disclaimer: nello sviluppo del presente capitolo ci si è avvalsi, in parte, dei principi ottimamente sviluppati dalle Prof.sse Giuliana Fassina e Paola Dorigo nel loro testo di Farmacologia Generale adattati e modificati nel contesto del presente Corso di Ambiente e Salute per gli studenti della Laurea in Scienze Ambientali.

3

1.0.0.0.- Premesse

Un tossico xenobiotico, perché esplichi la sua azione sulla cellula, deve, prima di tutto

passare una barriera fondamentale che é rappresentata dalla membrana cellulare.

Non é, quindi inopportuna una revisione dei concetti relativi alla struttura della cellula e

della membrana citoplasmatica, in particolare. Vi sono, indubbiamente anche azioni esterne

alla membrana (azioni caustiche ecc.) ma, come concetto generale diremo che un tossico é

tale quando riesce a passare la membrana cellulare ed agire, successivamente sul materiale

endocellulare con inibizione di enzimi, alterazione di equilibri e/o, più drammaticamente,

incidere sul bagaglio genetico a livello del DNA.

Ne abbiamo già parlato in merito soprattutto al flusso di composti chimici attraverso la

membrana e alle leggi che governano tale flusso. É quindi importante esaminare un pò più il

dettaglio il ruolo e la struttura della membrana che riteniamo il punto cardine della

tossicodinamica di tutti i composti che agiscono sul citoplasma cellulare.

Il passaggio degli xenobiotici attraverso le membrane biologiche è funzione delle loro

caratteristiche chimico-fisiche, (dimensioni molecolari del xenobiotico, dalla sua solubilità in

acqua e nei lipidi, dal grado di ionizzazione e dalla relativa solubilità nei lipidi sia della forma

ionizzata che della forma non ionizzata) della dose di xenobiotico somministrato

iIn larga misura,poi, dipende dal grado e dalla velocità con cui lo xenobiotico viene

assorbito e poi distribuito ai tessuti, dal grado di legame con le proteine ematiche e tessutali,

dalla localizzazione dello xenobiotico a livello tessutale, dal grado e dalla velocità con cui lo

xenobiotico viene metabolizzato ed escreto.

Ora, assorbimento, distribuzione, biotrasformazione ed eliminazione degli xenobiotici implicano il loro passaggio attraverso le membrane cellulari poiché gli xenobiotici generalmente superano le diverse barriere organiche passando attraverso le cellule e non tra le cellule.

Così, in definitiva, la membrana cellulare resta l'ostacolo comune a tutti i compartimenti

che lo xenobiotico attraversa nella sua distribuzione all'interno dell'organismo.

Più facile il superamento della membrana cellulare, più completo l'assorbimento e ampia la distribuzione nell'organismo e viceversa.

Certamente non tutti gli xenobiotici superano le membrane cellulari con la stessa

velocità o con le stesse modalità. Ecco quindi l'importanza di conoscere il meccanismo con

cui lo xenobiotico le attraversa, poiché questo meccanismo condiziona la quantità di

xenobiotico che viene assorbita e distribuita.

4

Fig. 1.1 Cellula animale e cellula vegetale 1.1.0.0.- La membrana cellulare

Le membrane biologiche delineano una frontiera, un confine tra organuli intracellulari e

citoplasma, tra cellula e cellula, tra cellula ed l’ambiente esterno. Assicurano inoltre il

mantenimento del contenuto intracellulare compatibile con le esigenze di lavoro e di vita della

cellula stessa o dei suoi costituenti grazie a precise e spesso specifiche proprietà di

permeabilità e capacità di trasporto di ioni e sostanze nutritive.

Queste ultime proprietà influenzano anche la distribuzione dei composti chimici fra lo

spazio extra ed intracellulare e tra citoplasma e strutture intracellulari. Le membrane

biologiche, quindi, non assolvono alla sola funzione meccanica di protezione della cellula o di

imitazione degli organuli subcellulari, ma sono implicate in molteplici attività fondamentali per

la cellula stessa come, ad esempio, il riconoscimento di materiale estraneo che è un

fenomeno dei processi immunitari.

La struttura delle membrane rappresenta il marchio d’identificazione della cellula, la

sua carta di identità. Membrane di cellule diverse posseggono strutture che le caratterizzano.

Grazie alla presenza di queste strutture specifiche, disposte alla superficie delle membrane,

ogni cellula viene riconosciuta dall'organismo o come propria, ed allora accettata, o come

estranea, ed allora essa determina la messa in opera di quei meccanismi di difesa di cui

l'organismo dispone.

Trattasi di meccanismi immunitari che, grazie a quella che viene chiamata risposta

immunitaria, assolvono il compito di neutralizzare ed eliminare tutto ciò che è estraneo

all'organismo ed, in quanto tale, possibilmente pericoloso, dannoso.

5

La formazione e la conseguente specializzazione della membrana plasmatica

sono stati eventi determinanti per l’evoluzione della vita sulla Terra; infatti grazie alla sua

comparsa è cominciata la vera e propria costituzione di entità separate (cellule primordiali

senza alcuna organizzazione interna), capaci di operare una selezione altamente specifica

grazie alla funzione filtrante della membrana stessa.

Tutte le membrane hanno la stessa costituzione di base: un doppio strato lipidico

(bilayer) in cui sono immerse molecole proteiche, quasi sempre glicosilate, più o meno

complesse e voluminose che danno le caratteristiche di specificità funzionale alla membrana

stessa e alla quale sono legate tramite legami non covalenti.

Una struttura siffatta risulta intuitivamente ben definita dalla classica definizione di

“mosaico fluido” che ben rende conto delle fondamentali caratteristiche di dinamicità e

asimmetria di qualsiasi membrana.

Vediamo quindi di analizzare in dettaglio, seppur brevemente, le varie componenti e di

descrivere poi a sommi capi i meccanismi di trasporto attraverso la membrana per molecole

di piccole e grandi dimensioni.

1.1.1.0.- Struttura delle membrane biologiche.

Le membrane biologiche hanno di solito uno spessore variabile tra i 4.0 ed i 10.0 nm.

Sono composte essenzialmente da lipidi e proteine disposti in un modello estremamente

semplificato a formare una struttura trilaminare: una fascia esterna di natura proteica, una

fascia intermedia formata da uno strato lipidico bimolecolare ed una terza fascia, orientata

verso l'interno dell'ambiente cellulare, costituita ancora da materiale proteico. Su questa

distribuzione dei componenti sono stati elaborati diversi modelli di struttura delle membrane

cellulari di cui il più attuale è quello «a mosaico fluido».

In questo modello la continuità della membrana è data da uno strato bimolecolare di

fosfolipidi disposti in modo da orientare la parte apolare, (le catene idrocarboniose degli acidi

grassi che li costituiscono), verso la zona più interna della membrana (strato idrofobico) e la

parte polare, (le teste dei fosfolipidi costituite da glicerolo e basi organiche), verso l'ambiente

acquoso rispettivamente all'esterno e all'interno della membrana stessa.

6

L'intelaiatura delle membrane cellulari è costituita da un doppio strato di lipidi le cui

teste idrofile formano le superfici interna ed esterna e le code idrofobe si uniscono al centro

della membrana; il doppio strato ha uno spessore di circa 4,5 nanometri.

Le proteine, che costituiscono gli altri componenti della membrana, possono essere di

due tipi. Alcune dette periferiche (a) sono disposte su entrambe le facce della membrana. Le

altre, dette integrali, penetrano nella membrana per un breve tratto (b) o, l'attraversano

completamente da sole o a coppie (e).

1.1.1.1.- Il doppio strato lipidico

Come si ricava dal nome, è una doppia sequenza in parallelo di molecole lipidiche

direzionate in modo preciso. Esso è la matrice di base della membrana oltre che la struttura

“portante” delle molecole proteiche, il cui buon funzionamento dipende in grandissima parte

dal mantenimento nel tempo e nello spazio delle caratteristiche proprie dei lipidi componenti.

Fig. 1.2 Il doppio strato lipidico della membrana cellulare.

La particolarità del doppio strato lipidico che subito risalta è il carattere anfipatico: i

lipidi sono costretti quindi a disporsi sempre e soltanto secondo una certa direzione, l’uno

rispetto all’altro sia nello stesso monostrato, sia nel bilayer, il che ha una ragione d’essere in

quanto rende conto di una struttura avente il minor contenuto in energia libera tra le possibili.

Ne deriva che la membrana grazie ai propri lipidi possiede le fondamentali proprietà di

autoaggregazione e autosigillazione. I lipidi che si rintracciano normalmente in una

membrana cellulare sono riconducibili a tre tipi: i fosfolipidi, il colesterolo ed i glicolipidi.

7

Fig. 1.3 - Rappresentazione schematica della struttura di una membrana biologica.

Nella fig.1.3 sono indicate con GP le glicoproteine nella superficie esterna della

membrana; catene disaccaridiche e oligosaccaridi che con residui terminali di acido sialico si

proiettano nello spazio intercellulare. G: gangliosidi sulla superficie esterna che proiettano

nello strato lipidico della membrana una catena a due atomi di carbonio e nello spazio

intercellulare danno origine a una porzione idrofilica contenente residui di acido sialico. MP"

monostrato proteico nella superficie esterna ed interna della membrana.

Le catene polipeptidiche si arrotolano in una caratteristica formazione ad elica. Gli

aminoacidi polari si trovano in superficie mentre gli aminoacidi idrofobici penetrano la regione

non-polare dello strato lipidico. Si possono vedere proteine che penetrano parzialmente nella

compagine lipidica e in un punto (al centro) vi è una proteina che attraversa in linea retta

l'intera zona lipidica. T: teste polari dei fosfolipidi. GL: glicerolo.CI: code idrocarburiche dei

fosfolipidi. Le code idrocarburiche possono essere costituite da acidi grassi saturi o insaturi;

queste ultime, più mobili, possono perdere il loro allineamento ordinato in seno alla

compagine lipidica. LL: strato lipidico bimolecolare costituito da fosfolipidi e colesterolo (il

nucleo steroidico è raffigurato in seno alla matrice lipidica). Il monostrato proteico (MP) e il

doppio strato lipidico (LL) costituiscono l'unità strutturale della membrana.

8

I fosfolipidi sono molecole lipidiche caratterizzate dalla presenza di un gruppo fosfato

variamente sostituito (residui tipici sono: la colina e la serina- presenti rispettivamente

sempre e solo sulla faccia esterna ed interna della membrana -, l’etanolammina, l’inosotolo).

Tale fosfato è esterificato ad una molecola di glicerolo, a sua volta portante, sempre in

legame estereo, due molecole di acido grasso, in catena carboniosa da 14 a 24 atomi, di cui

uno saturo ed uno insaturo (in conformazione cis), che porta alla formazione di una tipica

“piega” nella struttura complessiva, avente funzione di ostacolarne l’impacchettamento.

I doppi legami sono importanti perché esaltano la fluidità del doppio strato lipidico, oltre

al fatto di contribuire ad abbassare la temperatura di congelamento della struttura.

Il residuo, il fosfato ed il glicerolo formano la cosiddetta testa idrofila (polare) del

fosfolipide, posizionata sempre verso l’esterno del bilayer, cioè esposta verso la faccia

esterna o interna della membrana, ma mai nell’interno del doppio strato lipidico. I due acidi

grassi formano invece la coda idrofoba (apolare) del fosfolipide, racchiusa sempre nella parte

interna della membrana.

Stando ferme queste condizioni, i fosfolipidi sono comunque in grado di subire dei

cambiamenti di posizione (movimenti accessibili), quali la diffusione laterale su di uno

stesso monostrato (circa 10 volte al secondo), la rotazione rispetto al gruppo fosfato, la

flessione delle code idrocarburiche e più raramente (all’incirca 1 volta ogni due settimane) il

cosiddetto flip-flop, cioè il passaggio da un monostrato all’altro. É importante valutare

appieno questi eventi per capire pienamente la definizione che si dà alla membrana di

“mosaico fluido”.

Il colesterolo, molecola caratterizzata dalla struttura ciclica centrale dello steroide,

piana e rigida, nella quale si individuano da un alto un gruppo di testa polare (residuo

idrossilico) e dall’altro un gruppo di coda idrocarburico apolare si inserisce tra i fosfolipidi (in

genere secondo un rapporto di circa 1 a 1) in modo direzionato ed esalta la stabilità

meccanica della membrana, regolandone al tempo stesso la fluidità.

I glicolipidi sono molecole composte da due acidi grassi esterificati ad una catena

variamente diramantesi (in toto da 1 a 15 zuccheri) di gruppi glucidici di diverso tipo. Sono

presenti soltanto sulla faccia esterna (circa il 5% dei lipidi totali) della membrana e quindi

contribuiscono in modo precipuo alla sua asimmetria.

Si distinguono in neutri e aventi carica: i primi, detti anche glicosfingolipidi, codificano

le differenze fra specie, fra individui della stessa specie e tra cellule dello stesso organismo,

fungendo quindi da marcatori cellulari; gli altri, detti gangliosidi, recano residui di acido

sialico (che è carico negativamente) e sono presenti in particolare a livello di neuroni (ne

costituiscono il 6% in massa).

Se genericamente si dice che il doppio strato lipidico è un “solvente” per le molecole

proteiche, risulta anche vero dalla breve descrizione delle caratteristiche proprie dei suoi

componenti che esso forma per le stesse l’ambiente funzionale più appropriato.

9

Il bilayer lipidico che compone la membrana è per sua natura idrofobo: le sue

caratteristiche chimico-fisiche quindi, da sole, contribuiscono ad una selezione di base nei

confronti di tutte le molecole polari, anche se piccole. Certo il fatto di avere piccole

dimensioni favorisce il passaggio attraverso il doppio strato, ma sono le caratteristiche di

idrofobicità(filia) che fanno la differenza.

1.1.1.2.- Le proteine La qualità e la quantità di molecole proteiche presenti in un doppio strato lipidico

determinano in modo univoco la funzionalità della membrana stessa.

Esse genericamente si suddividono in proteine periferiche, quando sono posizionate

in uno dei monostrati, e transmembrana, quando invece estrudono da una parte all’altra del

bilayer lipidico. Interessanti sono soprattutto queste ultime.

Nelle proteine transmembrana si individuano (prendendo come riferimento il

bilayer) una parte idrofila rivolta verso l’esterno ed una parte idrofoba verso l’interno, in modo

da assicurare la massima interazione con la componente lipidica della membrana stessa e

quindi la massima stabilità alla molecola, il che risulta naturalmente in una migliore

funzionalità (si ricordi infatti che una membrana il cui assetto lipidico sia alterato, funzionerà

pure in modo anomalo o parziale!).

Per lo stesso motivo, poi, si tratta in genere di strutture peptidiche ad α-elica o a β-

foglietto, proprio perchè queste sono le strutture secondarie che assicurano il maggior

numero di legami idrogeno tra peptidi.

Una ulteriore suddivisione che si tende a fare tra le transmembrana è quella

basata sulla forma, per cui si riconoscono proteine bastoncellari, che sono in genere

recettori e marcatori cellulari, e proteine globulari, che fungono in genere da canali proteici.

L’aver posto l’attenzione sulla necessità di mantenere una buona stabilità del

materiale proteico all’interno del bilayer lipidico, non deve creare confusione rispetto ad un

altro concetto fondamentale: la capacità cioè delle molecole proteiche di muoversi nello stesso. Si pensi ad esempio per assurdo che cosa potrebbe significare per un sistema

enzimatico funzionante “a cascata” la non-fluidità della membrana.

Lipidi e proteine hanno una notevole libertà di movimento per quanto riguarda la

diffusione laterale in seno al doppio strato fosfolipidico. Un preciso grado di fluidità è molto

importante per il corretto funzionamento della membrana e per la sopravvivenza della cellula.

Infatti, è stato dimostrato che una membrana non assolve più alle sue funzioni biologiche

quando i lipidi sono presenti in forma rigida e compatta, come succede per l'esposizione delle

membrane alle basse temperature. D'altro canto un'eccessiva fluidità, quale quella che si può

avere alle alte temperature, comporta drammatici cambiamenti nella permeabilità della

membrana, che perde così ogni sua selettività, comportandosi come un sistema instabile in

10

cui la funzionalità di gran parte delle proteine viene certamente compromessa. Un opportuno

grado di fluidità è pertanto indispensabile affinchè, a livello delle membrane biologiche, si

possano attuare importantissimi processi biochimici essenziali per la vita, quali reazioni

enzimatiche, processi di trasporto e la respirazione cellulare.

Le proteine inglobate meno profondamente nel doppio foglietto lipidico possono servire

alle interazioni delle membrane con l'esterno: con gli ormoni, con i neurotrasmettitori, con gli

autacoidi o con altre sostanze presenti in circolo (ad es. gli xenobiotici) che, combinandosi

con queste proteine più superficiali, meno profondamente inglobate nella struttura

membranosa, danno origine al trasferimento d’informazioni all'interno dell'ambiente cellulare.

Fig.1.4 Dislocazione delle proteine sulla membrana

L'interazione dell'agente esterno con il proprio recettore conduce ad alterazioni della

componente proteica o lipidica della membrana (o di entrambe) che possono ripercuotersi in

variazioni di attività di enzimi o di trasportatori o di altro. Tutti questi fenomeni sono resi

possibili dalla fluidità della componente lipidica della membrana.

Le proteine che invece attraversano l'intera compagine della membrana servono a fare

da ponte attraverso lo strato lipidico e possono permettere il passaggio di molecole che

altrimenti non varcherebbero la barriera idrofobica della membrana stessa. Alcune proteine

delimitano delle zone idrofile, dei canali attraverso cui fluiscono acqua, ioni e molecole idrofile

di piccole dimensioni come l'urea e l'alcool. La rigidità e la pervietà del canale dipendono

dalla fluidità della componente lipidica della membrana. Altre proteine esplicano la funzione

di trasportatori. I trasportatori possono oscillare dall'esterno all'interno.

11

1.1.1.3.- I carboidrati I glucidi presenti si trovano soltanto sul monostrato lipidico esterno della

membrana contribuendo alle caratteristiche di asimmetria. Si individuano come catene

laterali attaccate ai protidi o ai lipidi e si differenziano perciò in:

- glicoproteine (che sono la quasi totale maggioranza delle proteine totali di

membrana), caratterizzate dalla presenza di più catene glucidiche variamente differenziate

per qualità e quantità,

- glicolipidi (che sono circa 1 su 10 dei lipidi totali esterni), caratterizzati dalla

presenza di una sola catena glucidica.

Nel loro complesso i carboidrati formano uno strato esterno alla membrana

(ed alla cellula in toto) che viene chiamato in vario modo (rivestimento, mantello cellulare,

glicocalice; ben evidenziabile con una colorazione al rosso rutenio). Le funzioni di tali catene

glucidiche sono molteplici: ancorare le proteine e orientarle nella membrana; stabilizzarle,

soprattutto se di tipo periferico; svolgere funzione di riconoscimento inter/intracellulare,

funzionando da veri e propri marker.

Per il riconoscimento e, quindi, l’autorizzazione all’entrata dello xenobiotico, alla

superficie della membrana sono dislocati dei recettori specifici atti a riconoscere e ad

interagire con determinati ormoni o neurotrasmettitori presenti nei liquidi biologici e che

rappresentano per la cellula dei messaggeri dell'ambiente esterno.

Fig.1.5 A sx: una proteina parzialmente immersa nel doppio strato lipidico

recepisce i messaggi dall’esterno, portati da ormoni e li trasmette a proteine messaggeri all’interno. A dx; un dimero glicoproteico si proietta all’esterno della membrana; nello stesso tempo una proteina cilindrica penetra all’interno della membrana e si espande nello spazio intracellulare. La proteina esterna riconosce il messaggero ed attiva la funzione catalitica dell’enzima di riferimento per lo xenobiotico della parte interna.

A seconda del tessuto considerato, il messaggio ormonale o neuroumorale

trasmesso in sede intracellulare con la formazione di AMP ciclico si concreterà poi nella

12

risposta biologica finale che sarà di natura fisiologica o metabolica in funzione delle

proteine.

Grazie ai movimenti d’oscillazione o di rotazione della proteina, resi possibile dalla

fluidità della membrana, la sostanza da trasportare, captata da uno specifico sito di legame,

viene trasferita dalla parte opposta della membrana e qui rilasciata. Tali trasportatori sono

deputati a trasferire molecole che da sole non potrebbero attraversare la membrana stessa.

Ne è esempio il glucosio, molecola estremamente idrofila che difficilmente potrebbe

allontanarsi dal solvente acquoso dell'ambiente extracellulare per entrare in una fase lipidica.

Le membrane biologiche costituiscono una barriera che non è superabile da tutti gli

xenobiotici. Essa ha una parte proteica ed una parte lipidica, in cui prevale la presenza di

fosfolipidi. Ai fini del trasferimento di materiale dall'esterno all'interno e viceversa si comporta

essenzialmente come una barriera lipidica.

Uno xenobiotico liposolubile supererà la barriera in grado proporzionale alla sua affinità

per i lipidi. Uno xenobiotico idrosolubile verrà respinto, a meno che non abbia un diametro

molecolare così ridotto (non superiore ai 4 A) da riuscire a passare sfruttando zone idrofile

della membrana. In ogni caso la struttura della membrana è tale che la sua permeabilità

differisce nei confronti di diversi ioni e molecole. Per ogni data membrana ci sono sostanze

che non passano affatto, altre che passano con un preciso meccanismo ed in genere tanto

più rapidamente quanto più sono liposolubili.

1.2.0.0.- Il passaggio degli xenobiotici attraverso le membrane biologiche. Il motivo fondamentale per la necessità di studiare accuratamente la membrana

cellulare in ecotossicologia e tossicologia umana è che la membrana è il porto d’ingresso nel

sistema biologico animale ed umano per cui, se non si verifica il passaggio di membrana, non

ha senso parlare di tossicità. Conoscendo il comportamento della membrana nei confronti di

vari composti chimici, è possibile prevedere il destino di uno stressore chimico che arrivi a

contatto con essa.

Come prima indicazione orientativa si può dire che i requisiti fondamentali affinché un

xenobiotico venga ripartito a livello della membrana sono la sua idrosolubilità che consente

ch'esso sia in soluzione nei liquidi biologici, le sue dimensioni molecolari che ne

condizionano il passaggio mediante particolari meccanismi di trasporto presenti nelle

membrane, ed infine la sua liposolubilità, che ne consente l'assorbimento per diffusione.

Gli xenobiotici non ionizzati sono liposolubili e diffusibili. Gli xenobiotici ionizzati sono

insolubili nei lipidi e non diffusibili meno che non possano usufruire di particolari meccanismi

di trasporto. Il grado di ionizzazione dipende dal pH, perciò, modificando il pH possiamo

influenzare l'assorbimento o l'eliminazione di un dato xenobiotico.

13

Analizziamo, ora, con maggior dettaglio i principali processi mediante i quali i composti

xenobiotici passano la membrana cellulare. É chiaro che i processi si riferiscono a qualunque

composto chimico che si presenti con un certo gradiente di concentrazione a livello della

membrana cellulare e che venga riconosciuto, in ogni caso, come composto ricco di legami

energetici riutilizzabili e di atomi adatti ad un uso plastico (costruzione delle unità cellulari).

Nel nostro caso, trattando d’ambiente e salute, la considerazione sarà fatta per gli

xenobiotici ma la trattazione è, chiaramente, identica nel caso di un farmaco, di un nutriente

o, infine, di qualsiasi composto chimico.

1.2.1.0.- Fenomeni di trasporto

Il trasporto di uno xenobiotico atrraverso la membrana cellulare deve essere sempre

riferito all’energia. Questo vuol dire che anche il passaggio di materia transmembrana si

realizzerà solo se il livello energetico per il composto che trasmigra sarà, all’esterno della

membrana, superiore a quello che lo stesso composto ha nel citosol ossia all’interno della

cellula. La fugacità del composto o dei composti nel liquido che permea la membrana

all’esterno sarà superiore a quella interna (sommata alle resistenze di membrana). Per

raggiungere le condizioni di minima energia del sistema il composto passerà all’interno fino a

che le energie si bilanceranno (energia esterna = energia interna+ resistenze).

Ci si trova, quindi, anche nel caso del sistema fluido esterno-membrana strato lipidico esterno- membrana strato lipidico interno-fluido interno di fronte ad un processi

di ripartizione tra due fasi: fluido esterno (comparto A) e fluido interno (comparto B), separati

da una interfaccia (attiva), la membrana cellulare. Se lo xenobiotico arriva alla membrana

(interfaccia), con una certa concentrazione (fugacità), al tempo zero è la massima possibile

poiché nell’interno della cellula lo xenobiotico non é presente (f=0). La condizione, ora, è

energeticamente inaccettabile poiché corrisponde a quella di uno squilibrio assai elevato.

Per tentare di raggiungere l’equilibrio, il sistema, deve “assestarsi”, spostando, in

funzione delle due diverse fugacità, moli di xenobiotico dal comparto A al comparto B.

In questa fase la massa del composto “fluisce” secondo un processo continuo.

Poiché, infatti, natura non facit saltus, il flusso di materia seguirà criteri quantitativi continui

definiti dalla differenza di fugacità e, in termini fenomenologici, dalla differenza in

concentrazione tra i due comparti.

Questo processo viene espresso dalla 1a legge di Fick.

Per chiarire le idee, supponiamo di introdurre una goccia di arancio di metile all’inizio di

un tubo pieno di acqua. L’osservazione dice che il colorante diffonde progressivamente fino a

che tutta l’acqua é colorata.

Peraltro, al tempo t = 0, la concentrazione del colorante nello strato infinitesimo iniziale

del tubo d’acqua é uguale alla concentrazione totale del colorante stesso ossia C = C0; man

14

mano che passa il tempo, la colorazione del resto del tubo d’acqua assume progressivamente

colore sempre più intenso fino a che non si distingue differenza di colore tra le singole

sezioni. In questo momento non vi é, quindi, più passaggio di colorante o flusso di colorante

attraverso le sezioni del tubo d’acqua: abbiamo raggiunto una condizione d’equilibrio.

L’interpretazione termodinamica dice che al tempo zero la fugacità del colorante nella goccia

era elevatissima e zero nell’acqua circostante. Per arrivare all’equilibrio (Minima energia del

sistema e fugacità eguale per ogni goccia di colorante), ogni molecola di colorante doveva

diffondere fino a distanza infinita dalle proprie consorelle.

La stessa cosa succede a livello dell’interfaccia di una membrana biologica.

Se misuriamo, durante la fase dinamica, il flusso dello xenobiotico secondo l’asse x

(in unità di massa per unità d’area e per unità di tempo), possiamo esprimere la relazione tra il

flusso e la concentrazione esterna in:

adxdCDxF −=

con dC/dx = al gradiente di concentrazione (fugacità) del composto in esame, D =

coefficiente di diffusione molecolare e a la sezione attraverso cui si valuta il flusso. Di solito a

è considerata unitaria e quindi non compare nella relazione usuale di Fick. D é tipico per lo

xenobiotico considerato e per il comparto in cui il composto diffonde. D é espresso in m2 s-1;

poiché la concentrazione C é espressa in moli m-3, il flusso F é espresso in moli m-2 s-1.

La relazione che esprime il flusso F é nota come la 1a legge di Fick ed é una

espressione di leggi simili (conducibilità del calore, conducibilità elettrica ecc.) ove un

gradiente (dC/dx) é il motore che determina un flusso (F) di materia od energia attraverso

una interfaccia che provoca una resistenza (in realtà la somma di più resistenze date dalle

interazioni molecolari tra i vari composti in gioco) espressa globalmente dal coefficiente D.

D, coefficiente di diffusione, é misurato come rapporto tra superficie e tempo (m2 s-

1) ed è un parametro che varia in dipendenza del tipo specifico di matrice (non è quindi un

parametro “esportabile”!), con la temperatura del mezzo e ovviamente con le

caratteristiche chimico-fisiche e la concentrazione della sostanza di cui si sta valutando la

mobilità; esso esprime in un certo senso la resistenza offerta dal mezzo o dalla matrice al

passaggio e quindi al trasporto di quel determinato composto;

C è la concentrazione della specie diffondente, generalmente misurata in moli m-3;

x rappresenta la distanza dalla sorgente o dal punto di massima concentrazione,

normalmente misurata in metri lineari;

15

dC/dx, quindi, quantifica il gradiente di concentrazione, ovvero la variazione della

concentrazione C della specie diffondente nel mezzo lungo una prefissata direzione e

secondo un determinato verso al variare della distanza x; viene posto per convenzione il

segno meno per indicare che la diffusione netta avviene verso regioni del sistema a

concentrazioni sempre minori (ricordare il principio della fugacità)

F, con tali unità di misura, viene espresso in moli m-2s-1.

É chiaro, a questo punto, che la membrana plasmatica funge da barriera di

delimitazione tra una qualsiasi cellula e tutto ciò che sta al di fuori di essa.

La sua specializzazione però non finisce qui; essa funge anche da filtro selettivo,

nel senso che non si limita ad essere un ostacolo passivo, ma possiede per sue intrinseche

caratteristiche la capacità di "lasciare passare" e/o trasportare le molecole necessarie alla

cellula o, in direzione opposta, quelle di cui la cellula non necessita più, o ne fa richiesta

all'esterno.

Genericamente, si possono riconoscere due diversi tipi di fenomeni di trasporto,

quelli concernenti le molecole di piccole dimensioni e quelli che riguardano molecole di grossa mole o insiemi di piccole molecole che vengono rilasciate in grande quantità.

Infine, considereremo un caso particolare, quello dei metalli pesanti, per l’importanza sempre

crescente del loro ruolo ecotossicologico ed ecologico nei fenomeni di tossicità ambientale

ed umana.

Potremo dividere i processi di trasporto in due blocchi: processi entropici e processi sintropici. I primi sono dovuti a differenze di fugacità ai due fronti della membrana ed i

processi di trasporto si verificano senza apporto di energia dal sistema; nel secondo caso

necessita energia prodotta attraverso il metabolismo cellulare.

1.2.1.1.0.- Trasporto di grandi molecole. 1.2.1.1.1.- Processi entropici: i processo passivi

Il fenomeno del trasporto passivo viene, a sua volta, genericamente suddiviso in:

- diffusione semplice (a cui si è accennato sopra), che può essere normale, cioè

nient’altro che una diffusione, oppure con proteina canale, nel caso in cui serva comunque

creare un ambiente adatto per caratteristiche di polarità a che la molecola passi nello

spessore della membrana;

- diffusione facilitata, quando il passaggio è favorito da proteine vettrici, che

utilizzano a tale scopo il gradiente chimico, cioè la differenza di concentrazione tra una faccia

e l'altra della membrana della molecola da trasportare, e/o il gradiente elettrico, cioè la

differenza di carica elettrica esistente tra l'interno (negativo) e l'esterno (positivo) della

membrana [si tenga comunque presente che anche questa situazione non è casuale, ma

deriva a sua volta, principalmente, dall'azione di due proteine di trasporto che continuamente

16

"lavorano" affinché il gradiente elettrochimico non decada, in quanto verrebbe meno il

cosiddetto potenziale di membrana assolutamente necessario alla vita della cellula].

Fig.1.6 Attivazione di un canale proteico da parte di uno xenobiotico che facilita, così, il passaggio di ioni dall’esterno all’interno della cellula.

Non a caso, quindi, la diffusione semplice attraverso la membrana, il più immediato di

tutti i tipi di scambio fra l'esterno e l'interno della cellula, chiama in causa soltanto molecole

come l'ossigeno (O2), molecola piccola, simmetrica e idrofoba; l'anidride carbonica (CO2) che

è polare ma neutra; l'acqua (H2O) che con le sue caratteristiche di dipolo riesce ad

"incunearsi" tra i lipidi sfruttando di volta in volta le regioni con minore o maggiore polarità.

All'opposto, in tutti gli altri casi, si ha a che fare con una diffusione mediata, in cui

lo scambio è reso possibile solo grazie alla presenza di particolari componenti di membrana

che fungono o da canale o da veri e propri vettori.

17

Fig. 1.7 Schema di struttura di membrana e ipotetico meccanismo di trasporto. Si ritiene che esistano sulla membrana dei «pori» o degli equivalenti funzionali degli stessi. Il poro è rappresentato da una cavità interna ad una proteina la quale si estende da parte a parte della membrana. Questo canale, di natura idrofilica, offrirebbe a molecole idrosolubili un ponte di passaggio attraverso lo strato fosfolipidico.

É forse quest'ultimo il caso più interessante, in quanto chiama in causa le proteine

vettrici che sono per la maggior parte degli enzimi associati alla membrana.

Una molecola che deve essere introdotta nella cellula (o essere espulsa dalla

stessa) può compiere il passaggio come singola entità (uniporto) o insieme ad altre

molecole (cotrasporto), che possono a loro volta procedere nella stessa direzione

(simporto) o lungo la direttrice opposta (antiporto). Un esempio di cotrasporto come simporto è quello che avviene nelle cellule batteriche,

che introducono contemporaneamente una molecola di glucosio con uno ione idrogeno (H+);

il cotrasporto come antiporto invece si osserva in tutte le cellule eucariotiche a livello della

pompa Na+-K+ ATPasi, in cui per ogni tre ioni Na+ che escono, due di K+ entrano.

La differenza sostanziale tra i vari sistemi di scambio consiste però nella necessità

o meno che avvenga uno dispendio energetico perchè lo scambio stesso abbia luogo. Si

parla allora di trasporto passivo, quando non entrano in gioco meccanismi energetici; di

trasporto attivo, nel caso contrario.

18

Dobbiamo qui distinguere la diffusione per convezione (filtrazione), dalla diffusione semplice attraverso i lipidi (diffusione passiva).

1.2.1.1.2.- Processi entropici: diffusione per convezione

Avviene attraverso zone idrofile della membrana chiamate canali e viene chiamata

anche filtrazione poiché implica il passaggio di un notevole volume di acqua, come

conseguenza di differenze di pressione idrostatica od osmotica attraverso la membrana. Il

volume di acqua che fluisce attraverso il canale trascina con sé qualunque molecola

idrosolubile di dimensioni molecolari sufficientemente piccole da passare attraverso il canale

stesso. La filtrazione è regolata allora da differenze di pressione idrostatica od osmotica ed

avviene secondo gradiente osmotico. La filtrazione è il meccanismo che più comunemente

trasferisce molte sostanze idrosolubili polari e non polari, purché di piccole dimensioni.

La grandezza dei canali differisce nelle varie parti dell'organismo. Le cellule endoteliali

dei capillari hanno canali larghi (40 A) attraverso i quali possono passare molecole così

voluminose come l'albumina (PM = 67.000). Queste molecole possono cioè trasferirsi, se pur

in grado limitato, dal plasma ai fluidi extracellulari. Di contro, i canali delle membrane dei

globuli rossi, dell'epitelio intestinale, e di molte altre membrane, non sono superiori ai 4 A di

diametro e perciò permettono il passaggio solo di acqua, di urea, alcool ed altre piccole

molecole idrosolubili.

Tali sostanze generalmente non attraversano i canali delle membrane cellulari se il loro

peso molecolare è superiore a 100-200. La membrana glomerulare è un tipico esempio di

membrana filtrante.

Molti ioni inorganici sono sufficientemente piccoli da passare attraverso i canali delle

membrane biologiche, ma il loro gradiente di concentrazione è generalmente determinato dal

potenziale di transmembrana (ad esempio per il Cl-) o dal trasporto attivo (ad esempio nel

caso del Na+ e del K+).

Benché non sia nota la natura dei componenti della membrana implicati in questo

trasferimento, la pervietà del canale e la velocità del passaggio dipende dalla quantità di acidi

grassi insaturi e di colesterolo presenti entro la struttura della membrana.

1.2.1.1.1.1.- Processi entropici: diffusione attraverso i lipidi.

Il processo avviene attraverso la fase lipidica della membrana ove transitano solo

sostanze liposolubili. Questo trasferimento è direttamente proporzionale alla grandezza del

gradiente di concentrazione attraverso la membrana e al coefficiente di ripartizione lipidi-

acqua del xenobiotico.

19

Più elevato il coefficiente di ripartizione, più elevata la concentrazione di xenobiotico

nella membrana e più veloce la sua diffusione. Ad equilibrio raggiunto, la concentrazione di

xenobiotico libero è la stessa da entrambi i lati della membrana, qualora lo xenobiotico non

sia un elettrolita. Per tutti i composti ionici, invece, le concentrazioni all'equilibrio

dipenderanno dalla differenza di pH attraverso le membrane, che può influenzare lo stato di

ionizzazione della molecola da ciascun lato della stessa, dal gradiente elettrico per lo ione.

In definitiva, per quanto concerne la diffusione semplice, la membrana si comporta

come una lamina lipidica attorniata all'esterno e i all'interno dall'acqua, cosicché tre sono le

barriere da superare: una lipidi-acqua all'esterno, una solo lipidica al centro e un'altra rivolta

all'interno della cellula costituita ancora da lipidi-acqua. Sostanze polari, fortemente idrofile

formano forti legami idrogeno con l'acqua e di conseguenza restano come imprigionate nella

fase acquosa all'esterno della membrana.

D'altra parte, sostanze contenenti principalmente gruppi non polari, si accumulano

nella componente lipidica delle membrane. Sostanze invece capaci di diffondere rapidamente

attraverso la membrana (etanolo) contengono sia raggruppamenti debolmente polari che

gruppi non polari e la loro velocità di diffusione dipende soprattutto dal gradiente di

concentrazione e dal coefficiente di ripartizione tra lipidi e fase acquosa.

Molti xenobiotici sono elettroliti deboli, acidi o basi deboli che sono molto più liposolubili

che idrosolubili nella loro forma non ionizzata, ma molto più idrosolubili della forma ionizzata.

Di conseguenza, solo le molecole non ionizzate diffondono facilmente attraverso le

membrane. La proporzione tra xenobiotico non ionizzato e xenobiotico ionizzato dipende dal

pKa (grado di ionizzazione) di ogni dato composto e dal pH del medium ove viene a trovarsi

lo xenobiotico.

Così l'assorbimento, la distribuzione e l'escrezione di tali xenobiotici è influenzata dal

pH dei liquidi organici a differenti livelli. Poiché variando il pH varierà anche la tendenza di un

xenobiotico a ionizzarsi, modifiche di pH possono influenzare la possibilità o meno di un

xenobiotico a superare le membrane cellulari.

1.2.1.2.1.- Processi entropici: trasporto facilitato.

Il termine descrive il trasporto tramite intervento di un trasportatore o carrier che opera

senza dispendio di energia, cosicchè i movimenti della sostanza trasportata avvengono solo

secondo gradiente elettrochimico e non contro di questo.

Tale meccanismo, che è saturabile ed altamente selettivo per xenobiotici aventi precise

conformazioni strutturali, è indispensabile al trasporto di composti endogeni la cui velocità di

movimento attraverso le membrane biologiche per semplice diffusione potrebbe essere nulla

o troppo lenta. Il trasportatore incrementa, in questo caso, la velocità di movimento.

20

Fig.1.8 Meccanismo di trasporto mediante proteina trasportatrice che, ruotando,

si affaccia alternativamente all’interno od all’esterno della cellula La combinazione tra la molecola trasportatrice e la sostanza che deve penetrare

attraverso la membrana è specifica, nel senso che ciascun trasportatore può combinarsi solo

con una sostanza o con un numero limitato di sostanze aventi comune struttura chimica.

Il processo ping-pong raffigurato nel disegno rappresenta un ipotetico meccanismo di

trasporto attraverso le membrane. Il trasportatore è costituito da una proteina immersa nella

matrice lipidica della membrana. Esso presenta una specifica affinità per la sostanza da

trasportare (l’esagono nero). Il processo di.trasporto implica una variazione della

configurazione spaziale della struttura proteica del trasportatore, tale da permettere che il sito

di legame con la sostanza da trasportare si trovi alternativamente dislocato all'esterno o

all'interno della membrana. Così, sulla superficie esterna della membrana si crea il

complesso sostanza-proteina); all'interno della cellula, variazioni di affinità tra sito di legame

e sostanza trasportata inducono il rilascio della sostanza stessa in sede citoplasmatica.

La combinazione ricorda quella tra substrato ed enzima, o tra xenobiotico ed il suo

recettore ed implica la formazione di un complesso intermedio, xenobiotico-trasportatore,

diffusibile nella componente lipidica della membrana. La quantità di sostanza che si combina

con il trasportatore dipende dalla sua concentrazione nella fase acquosa in contatto con la

membrana e dal numero di siti di legame disponibili sul trasportatore, i quali saranno

necessariamente limitati. Il complesso xenobiotico-trasportatore permette il trasferimento del

xenobiotico dalla parte esterna a quella più interna della membrana, ove lo xenobiotico viene

rilasciato.

21

Fig.1.9 Trasporto ping-pong

Poiché la concentrazione del complesso è più alta nella parte della membrana ove

avviene la sua formazione, esso chiaramente si muoverà secondo il suo gradiente di

concentrazione e cioè verso la parte interna della membrana. Il trasportatore libero, d'altra

parte, è più concentrato nella parte della membrana ove avviene la cessione del xenobiotico

trasportato, cosicché il trasportatore libero muoverà in senso inverso, nella direzione opposta

a quella del complesso xenobiotico-trasportatore. In questo modo il trasportatore fa la spola

da una parte e l'altra della membrana per semplice diffusione.

1.2.1.2.0.- Processi sintropici: trasporto attivo Si parla di trasporto attivo invece nel caso in cui sia necessaria la scissione di un

legame ad alto contenuto energetico affinché il trasporto possa avvenire. Si ha che fare

allora con una proteina vettrice di tipo enzimatico, capace di legare con altissima affinità in un

sito specifico, nella maggior parte dei casi, una molecola di ATP (adenosintrifosfato), la cui

perdita di un fosfato in legame estereo e conseguente trasformazione in ADP

(adenosindifosfato) libera sufficiente energia da permettere una modifica conformazionale

della proteina stessa che si traduce nel passaggio da una faccia all'altra della membrana

della molecola da trasportare.

1.2.1.2.2.- Trasporto attivo.

Il passaggio per diffusione passiva non spiega il passaggio di tutti gli xenobiotici

attraverso le membrane cellulari. Alcune sostanze vengono trasportate attraverso la

membrana contro il loro gradiente di concentrazione o contro il gradiente elettrico e, apparentemente, contro il gradiente di fugacità

Ciò significa che è necessaria dell’energia metabolica per guidare tali movimenti ed il

processo è detto di trasporto attivo o processo di trasporto sintropico.

22

Per trasporto attivo s’intende, in pratica, il rapido trasferimento di molti acidi organici e

di molte basi attraverso il tubulo renali, i plessi corioidei, la parete intestinale, la placenta e

nelle cellule epatiche. Le caratteristiche di tale trasporto attivo sono: selettività, saturabilità,

richiesta d’energia che proviene dal metabolismo cellulare, inibizione competitiva ad

opera di sostanze strutturalmente correlabili a quelle normalmente trasportate e capacità di

operare contro un gradiente elettrochimico.

Tale meccanismo può giocare un ruolo importante nel meccanismo d'azione gli

xenobiotici che sono soggetti al trasporto attivo o che interferiscono con il trasporto attivo di

metaboliti naturali o di neurotrasmettitori. Esempi di trasporto attivo sono la secrezione di H+

nel succo gastrico e nelle urine, la captazione di iodio da parte delle cellule nella tiroide, il

riassorbimento del glucosio e degli aminoacidi dalle urine nel sangue e la pompa del Na+ che

espelle attivamente gli ioni Na+ scambiandoli con il K+ nella maggior parte delle cellule

eccitabili. La pompa del Na+ trasporta Na+ e K+ attraverso la membrana sia contro gradiente

elettrico che chimico. Altri ioni, come il Ca2+, vengono attivamente espulsi dalle cellule con

meccanismi di trasporto attivo.

Alcuni xenobiotici attraversano le membrane solo grazie all'esistenza di un trasporto

attivo. Esempio ne è la secrezione di penicilline nei tubuli renali e nella bile. Molti xenobiotici

lasciano il liquido cerebrospinale per immettersi nel torrente circolatorio grazie all'esistenza di

sistemi di trasporto propri a cellule di speciali regioni del cervello.

Il grado di specificità dei sistemi di trasporto suggerisce che essi sono molto

probabilmente di natura proteica. È stato infatti dimostrato che possono essere inibiti da

xenobiotici che inibiscono la sintesi proteica o da composti che reagiscono con le proteine.

Poiché i trasportatori possiedono siti specifici con cui si combinano le sostanze che

vengono trasportate, composti aventi configurazione chimica o carica ionica simile possono

competere tra di loro per uno stesso trasportatore e l'uno può inibire il trasporto dell'altro.

Gli xenobiotici, oltre che competere tra di loro per uno stesso trasportatore, possono

anche legarsi al trasportatore e bloccarlo, inibendo così il trasferimento di substrati endogeni

senza essere trasportati.

1.2.1.3.0.- Trasporto di grandi molecole

1.2.1.3.1.- Fagocitosi e Pinocitosi Quando la cellula ha la necessità di estrudere o includere grosse molecole o una

quantità consistente di piccole molecole, mette in atto un sistema di trasporto diverso che

risponda ai requisiti di facilità di gestione di ingombro nel primo caso e di velocità di

passaggio da un compartimento all'altro, nel secondo caso. A seconda che la direzione del

passaggio sia verso la cellula o verso l'esterno della stessa si parla rispettivamente di

23

endocitosi e di esocitosi, fenomeni che hanno le stesse identiche basi biochimiche: le

proprietà autoaggreganti e autosigillanti del bilayer lipidico.

L'endocitosi è il processo che porta all'incameramento all'interno della cellula di

una o più sostanze. Essa comincia con l'invaginazione della membrana plasmatica in un

punto particolare della superficie (spesso a livello delle cosiddette "fossette rivestite") che ha

<<sentito>> la presenza della/e sostanza/e grazie ad un sistema di recettori-ligando.

L'invaginazione procede fino al contatto fisico dei due poli opposti della membrana da cui il

processo si è innescato, con conseguente fusione, chiusura e distacco di una vescicola

endocitotica portante all'interno il materiale. Se il processo interessa dei liquidi o dei soluti

viene chiamato pinocitosi; se invece vengono incamerati detriti o microorganismi, si parla di

fagocitosi. In ogni caso all'interno della cellula avviene la fusione di più vescicole tra loro e la

risultante si fonde con i lisosomi primari, con formazione di lisosomi secondari in cui avviene

di norma la digestione (in senso lato) del materiale fagocitato, pronto a questo punto ad

essere variamente utilizzato.

L'esocitosi è invece il processo per cui avviene l'apertura verso l'esterno della

cellula di vescicole (vacuoli) con conseguente perdita del contenuto degli stessi. Grazie a

questa operazione la cellula inoltre può implementare il corredo lipidico e proteico della

membrana, portare all'incorporazione di nuove sostanze nella matrice extracellulare, far

diffondere nei fluidi interstiziali e/o nel sangue nutrimento e/o messaggeri cellulari.

Deve essere chiaro che i due processi non devono essere interpretati come l'uno

opposto all'altro. Nel caso dell'endocitosi la membrana è quella esterna ed in effetti il

contenuto della vescicola non entra mai a contatto con il citoplasma, nemmeno quando esso

è fisicamente all'interno della cellula. I vacuoli di esocitosi invece provengono dall'apparato di

Golgi (per gemmazione controllata) con proteine appositamente sintetizzate e incorporate nel

reticolo endoplasmatico, che subiscono modificazioni e smistamento. Ciò permette con tutta

probabilità che endocitosi ed esocitosi abbiano una regolazione distinta.

24

Fig.1.10 Processo di fagocitosi (inglobamento di solido) e di pinocitosi

(inglobamento di liquido e/o sospensioni colloidali)

Tra le caratteristiche che permettono di distinguere le membrane biologiche dalle

membrane inerti vi è la capacità di fagocitosi e di pinocitosi.

Dal greco, fagocitosi indica «ingestione cellulare», mentre pinocitosi indica che «la

cellula beve»; in entrambi i casi, cioè, la parola è indicativa del meccanismo cellulare cui si

riferisce.

Nella fagocitosi, estroflessioni del protoplasma si muovono a incapsulare materiale

solido (ad esempio batteri) che si trova all'esterno della cellula. I fagosomi che così si

formano affondano nel citoplasma dove si fondono con i lisosomi: le membrane si rompono e

gli enzimi lisosomiali digeriscono le particelle inglobate nel fagosoma.

Nella pinocitosi la membrana cellulare forma un canale di entrata in cui piccole

particelle in soluzione colloidale o fluidi extracellulari fluiscono verso l'interno della cellula.

L'invaginazione della membrana si chiude e si formano vescicole isolate che possono

fondersi a formare globuli di dimensioni più vaste. Con questi meccanismi, molecole di

grosse dimensioni, altrimenti incapaci di attraversare le membrane, possono essere assunte

dalle cellule per pinocitosi o per fagocitosi.

25

1.2.1.4.0.- Processi di trasporto di metalli Riportiamo, nella figura che segue, i quattro processi di trasporto prevalenti attraverso

la membrana citoplasmatica dei metalli:

1. Processi di trasporto carrier-mediated.

Sono quelli in cui alcune proteine (L) formano, con il metallo, un complesso solubile

nei lipidi, ML; il complesso diffonde entro la membrana, ed il metallo può essere rilasciato nel

citosol (il contenuto acquoso della cellula vivente). La maggior parte dei metalli entra nella

cellula attraverso questo percorso.

2. Processi di trasporto attraverso i canali proteici.

Ioni del metallo possono essere trasportati fra le proteine che si estende attraverso la

membrana e che presentano molti gruppi idrofilici.

3. Processi di trasporto per diffusione passiva.

Specie del metallo che sono solubili nei lipidi (non polari) si possono dissolvere nella

membrana e rapidamente attraversarla. Questo processo è invocato spesso spiegare

l’uptake rapido di metalli-alchili da organismi unicellulari.

4. Processi di trasporto per endocitosi.

Fig. 1.11 Processi di trasporto dei metalli attraverso la membrana

26

1.2.3.0.0.- La ricezione d’informazioni o stimoli trasmessi dall'ambiente extracellulare

Le membrane biologiche possono avere dei siti atti a recepire dei messaggi, delle

informazioni provenienti dall'ambiente esterno. Questi siti sono particolari strutture chimiche,

dette «recettori» atte a trasmettere all'interno della cellula i messaggi di ormoni, di

neurotrasmettitori, di autacoidi presenti nell'ambiente extracellulare. Gli xenobiotici possono

interferire nella trasmissione di messaggi fisiologici a livello di questi specifici siti recettoriali.)

La conduzione dell'impulso nervoso è un fenomeno strettamente legato alle

membrane. Esso però si realizza soltanto nelle membrane di cellule eccitabili: nervosa o

muscolare.

A questo punto appare chiaro che le membrane biologiche, lungi dall'essere delle

barriere rigide, statiche, immutabili nel tempo, assolvono invece svariati ed importanti compiti.

Questi possono essere caratteristici per ogni tipo di cellula e possono variare per il

sopraggiungere di influenze esterne (arrivo di ormoni, di neurotrasmettitori, gli xenobiotici) o

comunque per il mutare delle condizioni ambientali. È importante allora conoscere le

proprietà strutturali delle membrane dal punto di vista fisiologico, patologico e farmacologico.

Sotto l'aspetto farmacologico, la comprensione dei fenomeni di membrana può aiutare

a rendere più efficiente o più selettivo l'assorbimento degli xenobiotici (i quali, prima di

giungere alla loro sede d'azione, devono superare un gran numero di barriere, rappresentate

appunto da membrane biologiche) oppure a ritardarne l'escrezione (a livello renale) così da

prolungarne la durata d'azione.

La superficie esterna della cellula possiede una netta carica negativa (da non

confondersi con la differenza di potenziale tra i due lati della membrana) che è dovuta

largamente alla presenza di residui di acido sialico delle glicoproteine. Tale acido sembra

implicato in un numero importante di funzioni cellulari.

La porzione glucidica della membrana (la parte esterna della membrana è ricca in

glicolipidi e glicoproteine) è probabilmente importante nel conferire proprietà antigeniche alla

superficie cellulare stessa. Gli ioni Ca2+, infine, si legano alla membrana e giocano un ruolo

determinante nel controllare la permeabilità della membrana e nell'aumentarne la resistenza

meccanica favorendo, probabilmente, legami crociati nella parte proteica della membrana

esterna.

Tale ione forma inoltre legami con l'acido sialico e con i componenti fosfolipidici delle

membrane, cosicché i complessi che ne derivano sembrano controllare la permeabilità della

membrana ad altri ioni.

In generale, minore la quota di Ca2+ legato alla membrana, maggiore la permeabilità

della membrana agli altri ioni. Ci sono dati abbastanza significativi che dimostrano come,

laddove le cellule sono in contatto tra di loro, vi sia un minor contenuto di Ca2+ legato alla

membrana.

27

Questa zona di aumentata permeabilità ionica crea aree di bassa resistenza che

facilitano la comunicazione tra le cellule, comunicazione resa possibile dalla fluidità della

componente lipidica della membrana.

A conclusione di quanto detto risulta evidente che i rapporti chimico-fisici e spaziali tra

le due componenti fondamentali delle membrane, fosfolipidi e proteine, sono non solo

importanti per il normale espletamento di tutte le funzioni delle membrane biologiche, ma

sono anche sensibili ad agenti esterni, siano essi ormoni, chemiotrasmettitori, tossine,

antigeni o xenobiotici, capaci tutti di modificare l'ordinamento strutturale del mosaico fluido

comunicando così determinate informazioni alle cellule. La fluidità della membrana, e in

particolare la libertà di movimento delle proteine in seno al doppio foglietto lipidico, è una

sorta di organo di senso delle cellule, le quali recepiscono così il linguaggio delle membrane.

Ciò permette alle membrane di svolgere un ruolo essenziale in quasi tutte le principali

funzioni cellulari.

1.2.4.0.0.- Proprietà chimico-fisiche degli xenobiotici e loro influenza sul passaggio attraverso le membrane

Quanto finora esposto rappresenta una panoramica dei possibili meccanismi atti a

consentire il trasferimento degli xenobiotici da una parte all'altra delle membrane cellulari.

Resta tuttavia da sottolineare, come già accennato in precedenza, che tale trasferimento è

condizionato dalle caratteristiche chimiche, strutturali e funzionali delle membrane (di cui

abbiamo ampiamente discusso), ma è anche determinato dalle proprietà chimico-fisiche gli

xenobiotici. Vediamo ora in quale modo tali proprietà ne condizionano il passaggio attraverso

le membrane biologiche.

In generale, molti xenobiotici hanno molecole troppo ingombranti per poter passare

attraverso i pori, i canali esistenti nelle membrane, e quindi essi devono pertanto superare la

barriera costituita dalle membrane per diffusione attraverso la componente lipidica della

membrana stessa.

Nella grande maggioranza gli xenobiotici elettroliti deboli sono o acidi deboli o basi

deboli, presenti in soluzione sia nella forma dissociata che in quella indissociata. Spesso al

pH dei liquidi biologici sono solo parzialmente dissociati. La quota indissociata è in genere

liposolubile e soltanto questa può attraversare le membrane biologiche per semplice diffusione attraverso i lipidi di membrana.

Di contro, la frazione dissociata è di solito incapace di penetrare la barriera lipidica a

causa della sua bassa solubilità nei lipidi. Nel caso che la parte ionizzata di un elettrolita

debole possa passare attraverso i canali di membrana, si distribuirà dai due lati della

membrana stessa in accordo al potenziale di transmembrana, esattamente come uno ione

inorganico ed in accordo al gradiente di concentrazione

28

La distribuzione di un elettrolita debole è comunque determinata dal suo pKa e dal

gradiente di pH attraverso la membrana. Dal momento che solo la forma indissociata della

sostanza è, come già detto, liposolubile e lipodiffusibile, la capacità di un xenobiotico ad attraversare la membrana più o meno rapidamente dipenderà in stretta misura dalla sua tendenza a ionizzarsi in soluzione acquosa ad un determinato pH. Questa capacità,

cioè il grado di ionizzazione di un composto ad un determinato pH, è indicato dal pKa.