Trasportatori e

pompe ioniche

Canali, pompe ioniche e trasportatori

bersaglio diretto ed indiretto di numerosi farmaci

Concentrazione

Extracellulare Concentrazione

Intracellulare

Na+ 145 mM 15 mM

K+ 4 mM 150 mM

Cl- 110 mM 10 mM

Ca2+ 2 mM 10 nM

Mg2+ 2 mM 0.5 mM

Pi 2 mM 40 mM

H+ 10-7 M 10-7 M

Proteine 0.2 mM 4 mM

Concentrazione intracellulare ed extracellulare

dei principali ioni

Trasportatori e pompe ioniche:

due grandi superfamiglie

SLC (Solute carrier)

–Diffusione facilitata

–Trasporto attivo

•SERT, DAT

–Bidirezionale

ABC (ATP binding cassette)

–Trasporto attivo

•MDR, glicoproteina P

–Unidirezionale

Trasportatori:

il movimento può coinvolgere una o più sostanze

Un esempio di uniporto: GLUT1 (glucosio permeasi)

diffusione passiva e trasporto facilitato

Molecular Cell Biology, 2000.

Rapporto tra insulina e glucosio

Yip et al, 2008

Porter Mechanism Glucose

Km

Location Tissues Characteristics

GLUT-1 passive 20 mM - brain, red cells, endothelium, β

cells

constitutive

porter

GLUT-2 passive 42 mM mobile kidney, ileum, liver, pancreatic

β cells

low-affinity

porter

GLUT-3 passive 10 mM apical neurones, placenta

(trophoectoderm)

high-affinity

porter

GLUT-4 passive 2 - 10 mM - skeletal muscle, heart,

adipocytes

insulin-

responsive

GLUT-5 passive - both widely distributed fructose

transport

SGLT-1 Na+

dependent

high

affinity

apical small intestine, kidney tubules high affinity

uptake

SGLT-2 Na+

dependent

low affinity apical kidney proximal tubule high capacity

uptake

PLASMALEMMA GLUCOSE TRANSPORTERS

Glucose reabsorption from the glomerular filtrate through

a proximal tubule epithelial cell into the blood.

White J R Clin Diabetes 2010;28:5-10

SGLT3

Nature Reviews Drug Discovery 9, 551-559 (July 2010)

Serglifozin

Remoglifozin

Canaglifozin

DAPAGLIFOZIN

Il trasportatore presenta, in una zona

centrale, una cavità interna dove le

specie trasportate vengono legate

Interruttore a bilanciere

(rocker switch)

GLUT1-12

(SLC2A)

uniporto

SGLT1 e SGLT2

simporto

Un altro esempio di simporto: Pept1 (SLC15)

penicilline

cefalosporine

fosinopril

valaciclovir

TIPS, 23:434-440, 2002

Controllano le concentrazioni ioniche intracellulari.

Sfruttano il gradiente di Na+ e/o K+

creato dalla pompa sodio-potassio.

Trasportatori di Cl-: regolano la concentrazione intracellulare

di Cl- e conseguentemente il volume cellulare:

•K+/Cl- (KCC): trasporta Cl- verso l’esterno della cellula

•Na+/K+/2Cl- (NKCC): trasporta Cl- verso l’interno della cellula

Altri sistemi di simporto ionico

Scambiatore Na+/Ca2+

Scambiatori Na+/H+ e Cl-/HCO3-

Neurotrasportatori vescicolari (dipendenti da ATPasi

protoniche che pompano H+ verso l’interno delle vescicole)

Sistemi di antiporto ionico

Sodium-Calcium Exchange nella cellula cardiaca

Un esempio di antiporto:

lo scambiatore Na+/Ca2+

riposo

(diastole):

Ca2+ OUT

depolarizzata

(sistole)

Ca2+ IN

Selected human transport proteins for drugs and endogenous substances.

Nature Reviews Drug Discovery 9, 215-236 (March 2010)

Nature Reviews Drug Discovery 9, 215-236 (March 2010)

….. riassumendo: i trasportatori

I trasportatori, detti anche carrier o sistemi di trasporto, sono delle

proteine di membrana che hanno il compito di trasportare all’interno

della cellula piccole molecole (mediatori, nutrienti, ecc.) che

altrimenti non potrebbero attraversare la membrana in quanto

idrofile.

Queste molecole, indispensabili al funzionamento dell’organismo,

sono accumulate all’interno della cellula anche contro il loro

gradiente di concentrazione. L’energia per questo movimento è in

genere fornita dal movimento abbinato di uno o più ioni che si

muovono lungo i loro gradienti elettrochimici.

…. quindi, il ruolo dei trasportatori:

Farmacocinetica –Assorbimento

–Distribuzione

•Organi bersaglio

–Eliminazione

•Farmacoresistenza

Farmacodinamica − Ricaptazione amine

SERT, DAT

− Captazione colesterolo

− Captazione glucosio

Il trasporto attivo primario e

le 4 classi di proteine di trasporto ATP-dipendenti.

49 geni in 7 famiglie

Principali tipi di pompe (ABC)

ATPasi protoniche, trasportano H+ all’esterno della

cellula

ATPasi per il Ca2+, mantengono basso il livello di Ca2+

intracellulare:

Plasma Membrane Ca2+ ATPase (PMCA)

Sarcoplasmatic-Endoplasmatic Reticulum Ca2+ ATPase

(SERCA)

ATPasi Na+/K+ dipendente (pompa sodio-potassio),

mantiene la differenza di concentrazione ionica tra

interno ed esterno della cellula, coinvolta nella genesi

del potenziale di membrana

Un esempio di pompa: la pompa protonica

N

MeO

MeMe

N

NMeO H

SO

N

MeO

MeMe

N

NMeO H

SO

HHN

MeO

MeMe

N

NMeO H

SO

Forma protonata attivata Intermedio spiro labileOmeprazolo

H+N

MeO

MeMe

N

NMeO H

SH

OH

OH

N

MeO

MeMe

S

N

MeO

MeMe

N

N

MeO

S OHN N

OMe

Acido solfenicoSolfenamide

HH2O

H2O

N

MeO

MeMe

SS

EnzN NH

OMe

Enzima inattivato

EnzSH

EnzSH

Formazione del ponte disolfuro

Attivazione per idrolisi acida

nei canalicoli Emivita bassa

Le pompe per il calcio:

i meccanismi che abbassano la [Ca2+]i (“off”)

pompe di membrana del Ca2+ (PMCA e SERCA) e

scambiatore Na+/Ca2+ (NCX)

ATP

ADP+Pi

2Ca2+

Na+

Ca2+

Reticolo

endoplasmico

PMCA NCX SERCA

PMCA = Plasma Membrane Calcium ATPase

SERCA = Smooth Endoplasmic Reticulum Calcium ATPase

Ca2+ 2 mM

Ca2+

mM

Ca2+ 10-7-10-8 M

TAPSIGARGINA

(ARTEMISININA)

Un altro esempio di pompa: MDR1

Inibiscono la pompa:

Progesterone

Verapamile

Diltiazem

Chinidina

Reserpina

Polimorfismo genetico = variabilità individuale in assorbimento e disposizione dei farmaci

La più studiata e la più famosa:

la pompa sodio/potassio

La pompa Na+/K+ è un antiporto che sposta Na+ fuori dalla cellula (3 ioni) e

K+ dentro (2 ioni). Consuma un terzo delle risorse energetiche di una

cellula. Il trasporto e’ accoppiato all’idrolisi di ATP.

FUNZIONE:

mantenimento di un’alta concentrazione di K+ e di una

bassa concentrazione di Na+ all’interno delle cellule

Ciclo della pompa Na+/K+ ATPasi

La droga è contenuta nella foglia.

I principi attivi sono dei glucosidi:

digitossina, gitossina, gitalossina.

Digitalis purpurea

Tossicità:

> Na +, < K+

> attività

spontanea

Nature Reviews Drug Discovery 9, 215-236 (March 2010)

… riassumendo: le pompe ioniche

Le pompe ioniche sono degli enzimi (ATPasi) che hanno il compito

di trasportare gli ioni attraverso la membrana contro il loro

gradiente elettrochimico per ristabilire fra l’esterno e l’interno della

membrana quella differenza di concentrazione e potenziale che è

fondamentale per la vita della cellula.

L’accumulo nella cellula di soluti, mediato dai trasportatori, e di

ioni attraverso i canali ionici, causano un abbassamento dei

gradienti chimico ed elettrico di alcuni ioni (Na+, Ca2+).

Il compito delle pompe è quello di far fare il cammino inverso a

questi ioni e quindi ristabilire il gradiente elettrochimico di riposo.

Per fare questo, le pompe ioniche utilizzano l’energia metabolica

liberata dall’idrolisi dell’ATP.

Trasporto Vescicolare

• Esocitosi

– Trasporto verso l’esterno della cellula

• Endocitosi

– Trasporto verso l’interno della cellula

ENDOCITOSI

FAGOCITOSI

PINOCITOSI

ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORI

ESOCITOSI • Prodotti di scarto

• Particolari prodotti di secrezione

ormoni

• Fusione delle vescicole con la

membrana plasmatica determina

accrescimento

• Release di neurotrasmettitori

COMUNICAZIONE TRA CELLULA E AMBIENTE

• TRASPORTO PASSIVO – DIFFUSIONE SEMPLICE

– DIFFUSIONE FACILITATA (sono necessarie proteine integrali di membrana)

» Proteine canale

» Proteine trasportatrici

– OSMOSI

• TRASPORTO ATTIVO (sono necessarie proteine integrali di membrana)

(è necessaria energia)

CONTRO GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE

– UNIPORTO

– COTRASPORTO: SIMPORTO

ANTIPORTO

– ENDOCITOSI (fagocitosi - pinocitosi)

– ENDOCITOSI MEDIATA DA UN RECETTORE

– ESOCITOSI

Facilitated diffusion

Like any diffusion, transport from an area

of higher concentration to lower

concentration. Passive transport is

powered by the potential energy of a

concentration gradient and does not

require the expenditure of metabolic

energy

Primary active transport

Energy derived from hydrolysis of ATP

to ADP liberating energy from high

energy phosphate bond

Secondary active transport

Use of energy from another source-another secondary

diffusion gradient set up across the membrane using

another ion. Because this secondary diffusion gradient

initially established using an ion pump, as in primary

active transport, the energy is ultimately derived from the

same source-ATP hydrolysis.

Membrane Transport Proteins

Selective Channels Specific Carriers

Facilitated Diffusion Primary Active Transport Secondary Active Transport

Uniporters

Glut1-5

ATP-powered pumps

ATPases:

P-type, F-type and ABC-type ATPases

(ABC transporters)

Symporters Antiporters

Pept1 NHE

Classificazione delle proteine trasportatrici