A differenza del trasporto passivo, il trasporto attivo prevede che una sostanza venga spostata attraverso le membrane in una direzione contraria alla sua concentrazione o gradiente elettrochimico. Esistono due tipi di trasporto attivo: il trasporto attivo primario e il trasporto attivo secondario. Il trasporto attivo primario utilizza l'energia chimica dell'ATP per azionare le pompe proteiche incorporate nella membrana cellulare. Con l'energia dell'ATP, le pompe trasportano ioni contro i loro gradienti elettrochimici, una direzione che normalmente non percorrerebbero per diffusione.

Relazione tra gradienti di concentrazione, elettrici ed elettrochimici

Per comprendere le dinamiche del trasporto attivo, è importante prima comprendere i gradienti elettrici e di concentrazione. Un gradiente di concentrazione è una differenza nella concentrazione di una sostanza attraverso una membrana o uno spazio che guida il movimento da aree ad alta concentrazione ad aree a bassa concentrazione. Allo stesso modo, un gradiente elettrico è la forza risultante dalla differenza tra i potenziali elettrochimici su ciascun lato della membrana che porta al movimento degli ioni attraverso la membrana fino a quando le cariche sono simili su entrambi i lati della membrana. Un gradiente elettrochimico si crea quando le forze di un gradiente di concentrazione chimica e di un gradiente di carica elettrica vengono combinate.

Pompa sodio-potassio

Un importante trasportatore responsabile del mantenimento del gradiente elettrochimico nelle cellule è la pompa sodio-potassio. L'attività primaria di trasporto attivo della pompa si verifica quando è orientata in modo tale da attraversare la membrana con il suo lato extracellulare chiuso e la sua regione intracellulare aperta e associata a una molecola di ATP. In questa conformazione, il trasportatore ha un'elevata affinità per gli ioni sodio normalmente presenti nella cellula in basse concentrazioni, e tre di questi ioni entrano e si attaccano alla pompa. Tale legame consente all'ATP di trasferire uno dei suoi gruppi fosfato al trasportatore, fornendo l'energia necessaria per chiudere il lato intracellulare della pompa e aprire la regione extracellulare.

Il cambiamento di conformazione diminuisce l'affinità della pompa per gli ioni sodio, che vengono rilasciati nello spazio extracellulare, ma aumenta la sua affinità per il potassio, permettendole di legare due ioni potassio presenti in bassa concentrazione nell'ambiente extracellulare. Il lato extracellulare della pompa si chiude quindi e il gruppo fosfato derivato dall'ATP sul trasportatore si stacca. Ciò consente a una nuova molecola di ATP di associarsi al lato intracellulare della pompa, che si apre e consente agli ioni di potassio di uscire nella cellula, riportando il trasportatore alla sua forma iniziale e ricominciando il ciclo.

A causa dell'attività di trasporto attivo primario della pompa, c'è uno squilibrio nella distribuzione degli ioni attraverso la membrana. Ci sono più ioni potassio all'interno della cellula e più ioni sodio all'esterno della cellula. Pertanto, l'interno della cellula è più negativo dell'esterno. A causa dello squilibrio ionico si genera un gradiente elettrochimico. La forza del gradiente elettrochimico spinge quindi le reazioni del trasporto attivo secondario. Il trasporto attivo secondario, noto anche come co-trasporto, si verifica quando una sostanza viene trasportata attraverso una membrana a seguito del gradiente elettrochimico stabilito dal trasporto attivo primario senza richiedere ATP aggiuntivo.