Struttura e funzioni delle cellule: un viaggio tra procarioti ed eucarioti

Classificazione degli esseri viventi

Gli esseri viventi possono essere classificati in tre domini: gli archei, i batteri e gli eucarioti.

Tutte le cellule sono circondate da una membrana. La membrana che separa la cellula dall'ambiente esterno è detta membrana plasmatica. Essa è composta da due strati di molecole di fosfolipidi con le code idrofobiche rivolte le une verso le altre e le teste idrofile dei fosfolipidi invece sono rivolte verso l'interno acquoso su un lato della membrana e verso l'ambiente extracellulare sull'altro. I ruoli svolti dalla membrana sono:

- quello di permettere alla cellula di conservare un ambiente interno costante;

- quello di agire da barriera semipermeabile;

- importante per la comunicazione con le cellule adiacenti e per la ricezione dei segnali proveniente dall'esterno

spesso contiene proteine che sporgono da essa e che sono responsabili dell'adesione fra cellule vicine.

Struttura delle cellule procariotiche

La struttura di base delle cellule procariotiche presentano:

- la membrana plasmatica che racchiude la cellula;

- all'interno della membrana plasmatica si trova il citoplasma, un materiale semifluido nel quale avvengono quasi tutte le reazioni cellulari;

- il nucleoide che contiene il materiale ereditario (DNA) della cellula.

Il citoplasma è composto da due parti: il citosol, che è costituito per la maggior parte di acqua contenente in soluzione ioni, micromolecole e proteine, e i ribosomi, insiemi di RNA e proteine e sono situati dove ha luogo la sintesi proteica. Il citoplasma non è una regione statica. Le dimensioni delle cellule procariotiche sono minori di quelle eucariotiche.

Specializzazioni delle cellule procariotiche

Nel corso dell'evoluzione alcuni procarioti hanno sviluppato strutture specializzate:

- la parete cellulare e la capsula. Molti procarioti possiedono una parete cellulare situata esternamente alla membrana plasmatica. Questa parete in molti casi è costituita da amminozuccheri e può essere rivestita da una membrana esterna. - Attorno alla parete cellulare alcuni batteri presentano uno strato di muco, composto per lo più da polisaccaridi e denominato capsula. Essa serve a proteggere i batteri dagli attacchi del sistema immunitario dell'organismo di cui è ospite.

- Le membrane interne: alcuni batteri, soprattutto i cianobatteri, sono in grado di svolgere la fotosintesi. In essi la membrana plasmatica si ripiega all'interno del citoplasma formando un sistema di membrane interne contenenti le molecole responsabili della fotosintesi.

-I flagelli e i pili: numeriosi procarioti sono in grado di nuotare usando appendici denominate flagelli costituiti di proteine e ruotano sul proprio asse come un'elica. I pili sono più corti e numerosi e servono a far aderire un batterio a un altro durante gli scambi di materiale genetico o favoriscono l'adesione dei batteri alle cellule animali.

Caratteristiche delle cellule eucariotiche

Le cellule eucariotiche sono caratterizzate dalla presenza di compartimenti delimitati da membrane, gli organuli, nei quali si verificano determinate reazioni chimiche. Gli organuli presenti nella cellula eucariotica sono:

- il nucleo che contiene gran parte del materiale genetico. In esso ha luogo la duplicazione del DNA e le prima parte della decodificazione dell'informazione genetica.

- L'apparato di Golgi e il reticolo endoplasmatico , dove vengono sintetizzate le molecole complesse per essere inviate nelle sedi opportune.

- I lisosomi e i vacuoli, sono sistemi cellulari digerenti dove le molecole vengono idrolizzate, all'interno dei vacuoli vengono accumulate sostanze di riserva e acqua.

- I mitocondri, organuli dove si svolge la respirazione cellulare,processo in cui i carboidrati o lipidi vengono demoliti usando ossigeno. 2

- I cloroplasti, presenti solo nelle cellule vegetali, compiono la fotosintesi.

Gli organuli cellulari sono stati scoperti attraverso l'uso del microscopio elettronico. Un altro modo per osservare le cellule è l'utilizzo della tecnica del frazionamento cellulare. Esso comincia con la distruzione della membrana plasmatica in modo che le componenti citoplasmatiche possano defluire in una provetta. E' poi possibile separare i diversi compartimenti in base al loro volume e alla loro densità e procedere con l'analisi biochimica sugli organuli isolati.

Funzioni del nucleo cellulare

Il nucleo contiene il DNA, la molecola che fornisce alla cellula le informazioni necessarie per svilupparsi e duplicarsi. Esso svolge varie funzioni:

- è il luogo in cui avviene la duplicazione del DNA;

- è la sede del controllo genetico dell'attività cellulare;

- contiene una zona, il nucleolo, dove ha inizio il montaggio dei ribosomi.

Il nucleo è avvolto da una doppia membrana che costituisce l'involucro nucleare. Le due membrane dell'involucro sono separate e perforate da 3500 pori nucleari che mettono in relazione l'interno del nucleo con il citoplasma. Le molecole più piccole passano tranquillamente, mentre per le molecole grosse solo alcune proteine possono passare, proteine che presentano brevi sequenze segnale di amminoacidi che fanno allargare il poro. In certi punti la membrana esterna si estroflette mettendosi in continuità con il reticolo endoplasmatico.

Le molecole del DNA formano un complesso fibroso chiamato cromatina, che poco prima della divisione cellulare si addensa in strutture compatte e facilmente visibili dette cromosomi.

Può essere più di uno. Ha forma sferica e si trova dentro il nucleo. E' il luogo dove viene sintetizzato l’rRNA o ribosomiale che, insieme a proteine strutturali, forma i ribosomi. Scompare durante la divisione cellulare.

Ribosomi e reticolo endoplasmatico

I ribosomi nelle cellule procariotiche si trovano liberi nel citoplasma mentre nelle eucariotiche si possono trovare in due posizioni: nel citoplasma oppure all'interno di mitocondri e cloroplasti. Nei ribosomi vengono sintetizzate le proteine. I ribosomi sono composti da due subunità. Chimicamente i ribosomi sono fatti di un tipo speciale di RNA detto RNA ribosomiale (rRNA), al quale sono legate in modo non covalente altre 50 proteine diverse.

Nelle cellule eucariotiche è presente un vasto sistema di membrane che delimitano comparti separati dal citoplasma. I due comparti principali di questo sistema sono il reticolo endoplasmatico e l'apparato di Golgi.

Il reticolo endoplasmatico (RE) è una rete di membrane interconnesse che si dirama per tutto il citoplasma. Lo spazio interno del RE, che è separato e distinto dal citoplasma circostante, si chiama lume. Alcune parti del RE sono costellate di ribosomi che aderiscono temporaneamente alla faccia esterna delle sue membrane. A causa di ciò questa parte è chiamata reticolo endoplasmatico ruvido (RER). Altre parti prive di ribosomi prendono il nome di reticolo endoplasmatico liscio (REL). La funzione principale del RER è sintetizzare proteine e membrane. I ribosomi sono la sede della sintesi delle proteine di secrezione, quelle che dovranno essere espulse fuori dalla cellula. Il RER produce anche proteine destinate ad altri organuli della cellula per esempio all'apparato di Golgi. A mano a mano che vengono sintetizzate, queste proteine entrano nel lume del RER dove vanno incontro a modifiche chimiche, assumendo a volte carboidrati e diventando glicoproteine.

Una volta pronte, le glicoproteine vengono messe in vescicole di trasporto che si dirigeranno verso l'esterno della cellula. Un altra funzione del RER è ampliare l'estensione del sistema di membrane della cellula; alcune proteine vengono sintetizzate e inserite nella membrana del reticolo stesso insieme ai fosfolipidi.

Il reticolo endoplasmatico liscio (REL) è privo di ribosomi ed ha una struttura più tubolare. Molte delle sue attività sono legate agli enzimi presenti nella sua membrana. Il REL svolge quattro funzioni importanti:

- è la sede della sintesi dei lipidi;

- è responsabile della trasformazione chimica di sostanze tossiche;

- negli animali, è la sede in cui avviene la sintesi del glicogeno;

- ha il compito di immagazzinare ioni di calcio, necessari per la contrazione del tessuto muscolare.

Apparato di Golgi e lisosomi

Apparato di Golgi

L'apparato di Golgi appare come un insieme di sacchetti e vescicolette circondate da una membrana ma non in comunicazione tra loro. A seconda di quanto una cellula è attiva nella sintesi proteica, può contenere uno o più apparati. L'apparato di Golgi svolge varie funzioni:

- riceve le proteine dal RE e le elabora;

- confeziona e smista le proteine prima che vengano inviate alle loro destinazioni finali;

- è il luogo in cui vengono sintetizzati i polisaccaridi per la parete delle cellule vegetali.

L'apparato di Golgi riceve le vescicole di trasporto provenienti dal RE e ne modifica le molecole per poi, i prodotti finiti essere impacchettati nelle vescicole e diretti verso la membrana plasmatica per essere espulsi dalla cellula o diventare parte della membrana stessa o di altri organuli, per esempio i lisosomi.

I lisosomi sono un altro componente del sistema di membrane, sono composti da enzimi digestivi rinchiusi in un sacchetto. La formazione dei lisosomi avviene ad opera del RER che assembla gli enzimi e le membrane per poi passare dall'apparato di Golgi che rifinisce gli enzimi e libera i lisosomi completati. Nei lisosomi le macromolecole( proteine, polisaccaridi..) vengono idrolizzate nei rispettivi monomeri. Queste reazioni sono facilitate dall'acidità presente all'interno del lisosoma.

Le sostanze digerite dai lisosomi posso a volte provenire dall'esterno della cellula attraverso un processo di fagocitosi. Durante la fagocitosi, nella membrana citoplasmatica si forma un tasca che circonda le sostanze nutritive che si trovano all'interno. Questa tasca diventa poi una piccola vescicola detta vacuolo alimentare che si stacca dalla membrana plasmatica e si sposta nel citoplasma finché non incontra un lisosoma che fondendosi insieme formano un lisosoma secondario all'interno del quale avviene la digestione. I prodotti digeriti attraversano la membrana per diffusione. Il lisosoma “usato” si sposta verto la membrana plasmatica e si fonde con essa liberando verso l'esterno il contenuto di scarto. Un altra funzione dei lisosomi è distruzione dei batteri nocivi attraverso l'uso degli enzimi lisosomiali, esempio son i globuli bianchi. I lisosomi sono anche il luogo dove la cellula digerisce i propri materiali per autofagia. L'autofagia ha luogo durante il processo di riciclaggio degli organuli vecchi o danneggiati, rendendo disponibili le sue molecole per la costruzione di nuovi organuli.

I perossisomi sono piccoli organuli contenti speciali enzimi grazie ai quali, questi organuli possono demolire i perossidi tossici che si formano come sottoprodotto di alcune reazioni chimiche cellulari.

Molte cellule vegetali invece contengono dei vacuoli circondati da una membrana e pieni di soluzione acquose contenenti molte sostanze disciolte. I vacuoli vegetali posso svolgere diverse funzioni:

- accumulo: le cellule vegetali producono un certo numero di sottoprodotti tossici che vengono semplicemente accumulati all'interno dei vacuoli;

- sostegno: in molte cellule vegetali più del 90% del volume cellulare è occupato dai vacuoli. La parete cellulare rigida si oppone al rigonfiamento del vacuolo , producendo un tugore che contribuisce al sostegno della pianta;

- riproduzione: gli anticianine sono contenuti nei vacuoli, le anticianine sono segnali visivi che attirano gli animali per favorire l'impollinazione;

- digestione: certi vacuoli contengono enzimi che idrolizzano le proteine del seme.

Mitocondri e cloroplasti

L'energia si converte da una forma all'altra a livello dei mitocondri, nelle eucariotiche e nei cloroplasti, solo vegetali. Nelle cellule procariotiche, invece, la trasformazione dell'energia sono legate all'attività di enzimi addossati alla faccia interna della membrana citoplasmatica.

Nelle cellule eucariotiche, la demolizione delle molecole di nutrienti inizia nel citosol. I composti che risultano da questa degradazione parziale entrano nei mitocondri, la cui funzione primaria è la trasformazione dell'energia chimica delle molecole di nutrienti in ATP, adenosintrifosfato. La produzione di ATP che avviene nei mitocondri richiede il consumo di ossigeno molecolare (O2) e si chiama respirazione cellulare. In generale le cellule che hanno più bisogno di energia chimica tendono a contenere molti mitocondri. I mitocondri presentano due membrane. La membrana esterna è liscia e svolge una funzione protettiva ed è facilmente permeabile. Immediatamente sotto la membrana esterna si trova una membrana interna che si ripiega più volte su sé stessa. I ripiegamenti, piuttosto regolari, sono denominate creste. La membrana interna esercita un controllo elevato su ciò che entra ed esce dallo spazio da essa delimitato. Nella membrana interna sono inseriti molti complessi proteici che partecipano alla respirazione cellulare. Lo spazio interno alla membrana intera prende il nome di matrice mitocondriale. Oltre a numerosi enzimi la matrice mitocondriale contiene DNA e alcuni ribosomi che vengono utilizzati per fabbricare alcune delle proteine necessarie alla respirazione.

Una classe di organuli, i plastidi, è prodotto soltanto dalle cellule delle piante. Esistono vari tipi di plastidi, i più importanti sono i cloroplasti. I cloroplasti contengono il pigmento verde clorofilla e sono la sede della fotosintesi, le molecole formatesi dalla fotosintesi forniscono cibo. La fotosintesi è la fonte di energia di gran parte del mondo vivente. Anche i cloroplasti sono circondati da due membrane, quella interna è meno permeabile di quella esterna. All'interno della membrana interna vi sono i grani, aventi l'aspetto di una pila e formati dai tilacoidi, una serie di compartimenti circolari piatti addossati l'uno all'altro. Oltre a fosfolipidi e proteine le membrane dei tilacoidi contengono clorofilla e altri pigmenti in grado di catturare la luce. I tilacoidi sono interconnessi tra loro. Il liquido in cui si trovano sospesi i grani si chiama stroma, il quale contiene DNA e ribosomi utilizzati per sintetizzare alcune proteine che costituiscono il cloroplasto. Esistono anche altri tipi di plastidi:

- i cromoplasti, contengono pigmenti che conferiscono colore ai fiori e frutti;

- i leucoplasti sono usati come depositi per l'accumulo di amidi e grassi.

Citoscheletro e movimento cellulare

Il citoplasma eucariotico contiene dei microfilamenti, filamenti intermedi e microtubuli che costituiscono il citoscheletro. Il citoscheletro svolge varie funzioni importanti: sostiene la cellula e ne mantiene la forma, è alla base del movimento cellulare e tiene in posizione gli organuli all'interno della cellula.

I microfilamenti hanno un diametro di circa 7nm e possono essere molto lunghi. I microfilamenti sono polimeri costituiti da molecole di actina, una proteina contrattile che svolge soprattutto nelle cellule muscolari degli animali la contrazione grazie all'interazione con la miosina. I microfilamenti possono essere singoli o formare reti. Le funzioni principali dei microfilamenti sono due:

1. contribuiscono al movimento di tutta la cellula o di alcune parti, partecipando ad esempio alla formazione degli pseudopodi, espansioni cellulari che permettono alla cellula di muoversi.

2. Determinano e mantengono la forma della cellula formando un reticolo al di sotto della membrana plasmatica.

Esistono diversi tipi di filamenti intermedi ma condividono tutti la stessa struttura generali e sono composti da proteine fibrose che si riuniscono in strutture a forma di corda. I filamenti intermedi svolgono due importanti funzioni strutturali: rafforzano la struttura della cellula e oppongono resistenza alla tensione. Alcuni tipi di filamenti contribuiscono a mantenere rigidi i tessuti della superficie corporea mediante punti di saldatura fra cellule limitrofe detti desmosomi.

I microtubuli sono cilindri cavi e svolgono due funzioni:

1. in alcune cellule formano uno scheletro interno rigido;

2. in altri casi funzionano da intelaiatura lungo cui le proteine motrici possono spostare organuli o altri compartimenti.

I microtubuli sono composti principalmente dalla tubulina. Le molecole di tubulina possono essere facilmente modificate dando al microtubulo una struttura dinamica. In molte cellule i microtubuli servono da binari per le proteine motrici, speciali molecole che utilizzano energia dell'ATP per mutare forma e spostarsi. Le proteine motrici si legano ai microtubuli e scorrono lungo di essi, trasportando materiali da una parte all'altra della cellula.

Le ciglia e flagelli, organuli a forma di frusta, possono sospingere o trascinare la cellula attraverso il suo ambiente acquoso. Sia le ciglia che i flagelli eucariotici derivano dal montaggio di speciali microtubuli e presentano un'identica struttura interna.

Le ciglia sono più corte dei flagelli e presenti in gran numero. Il loro battito procede rigido in una direzione e recupera flessibilità nell'altra direzione.

I flagelli eucariotici sono più lunghi e si trovano da soli o in coppia. Da un estremità all'altra del flagello si propagano onde di flessione che producono un movimento serpentiforme.

Un ciglio o flagello è formato da nove coppie di microtubuli uniti a due a due detti doppiette, formando un cilindro esterno al cui centro è attraversato da una coppia di microtubuli liberi. Da ogni doppietta parte un raggio che collega la doppietta con il centro della struttura. Questa struttura è tenuta inseme da proteine. Alla base di ciascun ciglio o flagello eucariotico c'è un organulo chiamato corpuscolo basale nel quale si prolungano le doppiette dei microtubuli. Quasi uguali ai corpuscoli basali delle ciglia e flagelli sono i centrioli. Il moto di ciglia e flagelli deriva dallo scorrimento l'uno sull'altra delle doppiette di microtubuli.

Parete cellulare e matrice extracellulare

La parete cellulare delle cellule vegetali è una struttura semirigida situata esternamente alla membrana plasmatica, composta da fibre di cellulosa immerse in proteine e polisaccaridi complessi. La parete cellulare svolge nelle cellule vegetali tre importanti funzioni:

1. fornisce sostegno alla cellula;

2. fa da barriera contro le infezioni fungine;

3. contribuisce a fare forma alla pianta.

Il citoplasma di ogni cellula è in connessione con quello delle cellule adiacenti attraverso numerosi canali rivestiti dalla membrana plasmatica, detti plasmodesmi. Questi canali attraversano le pareti di cellule contigue e mettono in comunicazione.

Le cellule degli animali sono prive della parete cellulare tipica delle cellule vegetali, ma molto spesso sono circondate da una matrice extracellulare. Questa matrice è composta da proteine fibrose come il collagene, da una matrice di glicoproteine dette proteoglicani, fatta soprattutto di zuccheri, e da un terzo tipo di proteine che tiene insieme le proteine fibrose e la matrice del proteoglicano. Queste proteine sono prodotte dalle cellule che si trovano vicino o dentro alla matrice. Le funzioni della matrice extracellulare sono:

- tiene unite le cellule di un tessuto;

- contribuisce alle propietà fisiche dei tessuti;

- collabora al filtraggio dei materiali che passano da un tessuto all'altro;

- serve a orientare i movimenti della cellula durante la rigenerazione dei tessuti;

- svolge un ruolo nell'invio di segnali chimici da una cellula all'altra.

Le cellule epiteliali, che tappezzano le cavità del corpo, una a contatto dell'altra formano uno strato sopra una lamina basale, che è una forma di matrice cellulare

In un organismo pluricellulare le cellule sono raggruppate in gruppi specializzati per svolgere una stessa funzione, denominati tessuti. Questo raggruppamento è reso possible da due processi della membrana plasmatica:

- riconoscimento cellulare, con cui la cellula si lega esclusivamente a cellule di un certo tipo;

- adesione fra cellule con la quale si rafforzano le connessioni tra le cellule.

Responsabili del riconoscimento sono le proteine. Spesso due cellule forniscono materiali per fa formazione di ulteriori strutture della membrana che le tengono unite, giunzioni cellulari. Esistono tre tipi di giunzioni cellulari:

- occludenti;

- desmosomi;

- essare.

Le giunzioni occludenti sono strutture specializzate nel collegamento fra cellule epiteliati adiacenti. Queste giunzioni sono diffuse nell'intestinoe svolgono due funzioni:

1. impediscono alle sostanze di scorrere negli spazi intercellulari;

2. delimitano zone della membrana diverse per funzione. In questo modo i compnenti della membrana della regione apicale di una cellula possono mantenersi diversi da quelli della regione basale.

I desmosomi collegano deu membrane plasmatiche adiacenti, tenendole fermamente unite. Sulla faccia interna della membrana plasmatica ciascun desmosoma presenta una struttura densa detta placca alla quale sono attaccate speciali molecole che attraversano la membrana tutte e due le membrane e si legano alle proteine dell'altra placca. La placca è connessa anche a fibre citoplasmatiche, composte da cheratina. Partendo da una placca si spingono attraverso la cellula per andare a congiungersi con un altra placca dalla parte opposta. Le giunzioni serrate facilitano la comunicazione fra cellule. Ogni giunzione serrata composta da speciali canali proteici chiamati connessioni che attraversano le membrane plasmatiche di due cellule adiacenti e lo spazio intercellulare frapposto. Tramite queste giunzioni le due molecole sono in comunicazione.

Membrane biologiche e trasporto

Le membrane biologiche sono costituite principalmente da: lipidi, proteine e carboidrati. I principali componenti della membrana sono i fosfolipidi che, organizzati a formare un doppio strato, formano un'efficace barriera al passaggio rapido di materiale idrofilo. Inoltre il doppio strato fosfolipidico serve da lago in cui galleggiano le varie proteine. Questa struttura viene generalmente chiamata modello a mosaico fluido. Le proteine inserite nel doppio strato fosfolipidico svolgono numerose funzioni, tra cui spostare materiali attraverso la membrana e ricevere segnali chimici dall'ambiente esterno.

I principali costituenti delle membrane biologiche sono i fosfolipidi, molecole che presentano una testa idrofila e due lunghe code idrofobiche. Grazie a questa proprietà in ambiene acquoso i fosfolipidi si organizzano spontanemanete a formare un doppio strato. La capacità dei lipidi di aggregarsi mantenendo spontaneamente una struttura a doppio strato costituisce un sistema estremamente dinamico alle membrane biologiche. Le membrane biologiche possono essere molto differenti per composizione lipidica. I fosfolipidi possono differire per la lunghezza delle catene di acido grasso, per il grado di insaturazione. In alcune membrane, in mezzo ai fosfolipidi si può trovare anche il colesterolo, un componente tipoco delle membrane animali nelle quali conferisce una maggiore resistenza agli stimoli meccanici. Il doppio strato fosfolipidico conferisce stabilità all'intera struttura mentre gli acidi grassi rendono l'interno idrofobico delle membrane piuttosto fluido. La fluidità di una membrana dipende dalla sua composizione chimica e dalla temperatura, sette bassi livelli di colesterolo e acidi grassi a catena breve aumentano la fluidità delle membrane.

Il numero e tipi di proteine varia a seconda della funzione della membrana. Esistono principalmente due tipi di proteine di membrana:

1. le proteine intrinseche di membrana sono immerse nell strato fosfolipidico e presentano regioni idrofobiche e regioni idrofile:le parti idrofobiche ad a elica attraversano la parte centrale del doppio strato mentre le estremità idrofile sporgono negli ambienti acquosi ai due lati della membrana. Le proteine sono distribuite in modo asimmetrico sui due lati della membrana. Le proteine intrinseche che sporgono all'esterno e all'interno della cellula sono dette proteine transmembrana.

2. Le proteine estrinseche sono prime vi regioni idrofobiche e non si trovano immerse nel doppio strato. Presentano invece porzioni polari o provviste di carica che reagiscono con regioni analoghe situate sulle parti esposte delle proteine intrinseche o con le estremità polari delle molecole di fosfolipici. Le potreine estrinseche possono trovars isolo su un lato della membrana.

Le membrane contengono molti carboidrati sulla superficie esterna della membrana e servno da siti di riconoscimento per le altre cellule. I carboidrati legati alla membrana possono formare legami covalenti con i lipidi,dando glicolipidi, o con proteine, glicoproteine. I monosaccaridi costituiscono una sorta di alfabeto con il quale si può comporre una molteplicita di messaggi. Un oligosaccaride con un forma specifica posizionato su una cellula può legarsi a un altro oligosaccaride con una struttura speculare posizionato su una cellula limitrofa.

Negli eucarioti la membrana plasmatica viene continuamente rinnovata per compensare le perdite dovute alla fagocitosi: i fosfolipidi vengono sintetizzati sulla superficie del reticolo end. Liscio, le proteine di membrana vengono prodotte dal reticolo end. Ruvido e trasportate alla membrana plasmatica attraverso l'apparato di Golgi che produce vescicole che vanno a fondersi con la membrana stessa. Le membrane subcellulari sono chimicamente diverse e avere differenze importanti perfino tra le membrane di una cellula stessa.

Diffusione e trasporto attivo

Le sostanze attraversano le membrane in due modi: con meccanismi di trasporto passivo, non richiedendo energia, e meccanismi di trasporto attivo che necessitano di energia. L'energia per lo svolgimento di processi passivi si trova nelle sostanze stesse e nella forza motrice generata dalla differenza di concentrazione sulle due facce della membrana. I meccanismi di trasporto passivo coprendono la diffusione semplice,diffusione facilitata. La diffusione è il movimento netto delle particelle secondo il proprio gradiente di concentrazione finchè non viene raggiunto un equilibrio.

La diffusione semplice è il passaggio di piccole molecole attraverso il doppio strato fosfolipidico di una membrana. La velocità di diffusione attraverso la membrana cresce quanto più la molecola è solubile nei lipidi. Le particelle polari o dotate di carica elettrica non possono attraversare la membrana perchè lo strato interno della membrana è idrofobico e le sostenze idrofile tendono a venirne escluse.

Le molecole d'acqua si spostano facilmente attraverso l'osmosi. Questo processo completamente passivo non consuna energia. Quando due soluzion a concentrazione diverse sono separate da una membrana permeabile all'acqua ma non ai soluti, le molecole d'acqua diffondono attraverso la membrana verso la soluzione dove la concentrazione del soluto è piu alta, ipertonica. La concentrazione del soluto è più bassa si chiama ipotonica, l'acqua attraversa la membrana finchè la concentrazione del soluto diventa uguale in entrambe le soluzioni diventando isotoniche.

Le cellule vegetali aventi una parete cellulare sono limitate in volume. Quando esse assorbono acqua, al loro interno si genera un pressione diretta contro la parete cellulare che impedisce l'ingresso di altra acqua, Questa pressione interna alla cellula si chiama turgore e contribuisce a mantenere le piante in posizione verticale ed è fondamenteale per la crescita vegetale.

Le sostanze polari, amminacidi, zuccheri o dotati di carica elettrica non attraversano facilmente le membrane. Essi possono però attraversare il doppio strato fosfolipidico in due modi:

1. alcune molecole, tipo gli ioni, attraversano la membrana grazie a canali formati da proteine intrinseche di membrana.

2. Le molecole polari si legano a una proteina di trasporto che ne accellera la diffusione.

In entrambi i casi si tratta di un trasporto passivo, questi processi costituiscono una forma di diffusione facilitata. I canali proteici sono proteine che presentano un poro centrale, la superficie è ricoperta da amminoacidi polari legati a molecole d'acqua in mdo da interagie con le particelle cariche dei soluti, la superficie esterna della proteina invece, che è immersa nel doppio strato fosfolipidico, ha amminoacidi apolari. Se opportunamente stimolato, il poro centrale si può aprire consentendo il passaggio delle molecole polari idrofile. I canali proteici più conosciuti sono i canali ionici.

Un altro tipo di diffusione facilitata implica un vero e proprio legame tra le sostanze trasportate e le proteine di trasporto e facilitano l'assorbimento della sostanza trasportata.

A volte succede che è necessario che uno ione attraversi una membrana passando da una zona a concentrazione minore ad una maggiore. Per fare questo trasferimento contro il gradiente di concentrazione è necessario un dispendio di energia chimica da parte della cellula, chiamato trasporto attivo. Le proteine ch erealizzano il trasporto attivo pompano un soluto specifico attraverso una membrana nella direzzione contraria a quella di diffusione consumanto ATP. Le modalità di trasporto attivo sono tre:

- uniporto, se le proteine di trasporto trasferiscono una sola sostanza in un'unica direzione;

- simporto, se le proteine di trasporto trasferiscono due sosteanze nella stessa direzione;

- antiporto, se le proteine trasportatrici trasferiscono due sostanze in direzione opposte.

Simporto e antiporto sono due esempi di cotrasporto.

Endocitosi ed esocitosi

La cellula talvolta ingerisce o secerna macromolecole per mezzo di vescicole che si formano per strozzatura della membrana plasmatica e poi penetro nella cellula per endocisoti o si fondono con l'esterno con l'esocitosi.

Endocitosi

Durante l'endocitosi, la membrana plasmatica si introflette attorno alle sostanze da assumere formando una piccola tasca. Via via la tasca genera una vescicola, il vacuolo alimentare, che va nelle zone interne delle cellula. Esistono tre tipi di endocitosi :

- fagocitosi: nella fagocitosi parte della membrana ingloba grosse particelle solide, il vacuolo alimentare formato, fagosoma, si fonde con un lisosoma dove avvine la digestione del suo contenuto;

- pinocitosi: si formano vescicole più piccole con le quali si importano sostanze soprattutto liquide;

- endocisoti mediata da ricettori: l'assunzione di determinati materiali è innescata da una reazione specifica a livello di superfice cellulare,essa viene utilizzata per prelevare in modo selettivo determinate sostanze. Tutto ciò dipende dalla presenza di ricettori, proteine capaci di riconoscere e legarsi a macromolecole specifiche dette ligandi. I luoghi in cui avvengono i legami tra ligandi e ricettori sono detti fossette rivestite perchè formano piccole depressioni nella membrana plasmatica. La fossetta forma poi una vesciola rivestita. Con questo processo si assume principalmente il colesterolo.

E' il processo tramite il quale materiali confezionati in vescicole sono secreti dalla cellula nel momento in cui la membrana della vescicola si fonde con la membrana plasmatica. L'evento che dà il via è la formazione di un legame tra le due proteine di membrana, una della vescicola e l'altra della membrana plasmatica. Il doppio strato fosfolipidico delle due membrane si fonde formando un apertura verso l'esterno della cellula, il contenuto viene buttato fuori.