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Tutte le membrane della cellula hanno un doppio strato lipidico in cui sono inglobate proteine globulari. La maggior parte di queste proteine sono transmembrana per esempio alcune hanno due lati idrofile che si espongono ai poli opposti della membrana stessa. La membrana è costituita principalmente da fosfolipidi e anche da steroli, in particolare da stigmasterolo se parliamo di cellula vegetale o colesterolo se parliamo della cellula animale (aiutano a stabilizzano le code idrofobiche dei fosfolipidi). Altre proteine associate alle membrane sono proteine periferiche, mentre le proteine transmembrana e altre proteine che legano i lipidi sono chiamate proteine integrali. La membrana plasmatica si presenta come un mosaico fluido. Sulla superficie esterna della membrana plasmatica si trovano attaccati i carboidrati con una catena breve, ovvero oligosaccaridi, che formano glicoproteine: questi carboidrati svolgono un ruolo molto importante soprattutto nel riconoscimento di specifiche molecole che possono essere o ormoni o proteine nella capsula dei virus. Molti carboidrati di membrana sono presenti sottoforma di glicoproteine, però una piccola parte è presente anche in forma di glicolipidi, cioè lipidi a catena breve che si legano a carboidrati.

Il trasporto di soluti attraverso la membrana cellulare è mediata da proteine di trasporto. Ogni proteina di trasporto è altamente selettiva nel senso che può legare un solo tipo di ione (ione calcio o ione potassio) oppure un solo tipo di molecola ad esempio lo zucchero oppure un amminoacido ed escluderne di conseguenza tutte le altre tipologie anche se presentano strutture simili. Le proteine di trasporto possono essere classificate in tre grandi gruppi: pompe, carrier e canali.
Le proteine pompe sono spinte dall'energia chimica fornita soprattutto dall'idrolisi di ATP. Invece le proteine carrier e le proteine canale vengono spinte dall'energia fornita dal gradiente elettrochimico. Ovviamente le proteine quando legano specifici soluti che devono essere trasportati vanno incontro a modifiche che riguardano la loro conformazione allosterica. Le proteine canale permettono il passaggio di soluti specifici ed in modo particolare ioni inorganici. Le proteine canale non sono sempre aperti ma hanno delle 'porte' che si aprono per un breve tempo e si richiudono proprio per questo si parla di un processo definito "gating". La membrana plasmatica e il tonoplasto contengono delle proteine che formano canali per l'acqua e sono chiamate acquaporine e favoriscono il movimento dell'acqua, di soluti e anche dei gas. Se un soluto presenta una carica netta, il suo trasporto attraverso la membrana è influenzata sia dal gradiente di concentrazione sia dalla gradiente elettrico totale, definito anche voltaggio elettrico e i due gradienti costituiscono il gradiente elettrochimico. Il trasporto secondo un gradiente di concentrazione o un gradiente elettrochimico viene chiamato trasporto passivo. Un esempio di trasporto passivo è la diffusione semplice di molecole non cariche attraverso il doppio strato lipidico. Il trasporto passivo viene mediato talvolta anche da proteine carrier ed è detto diffusione facilitata. Le proteine canale e alcune proteine carrier sono sistemi di uniporto, cioè trasportano un solo tipo di soluto. Altre proteine carrier sono sistemi di cotrasporto, nel senso che il trasporto di un soluto dipende dal contemporaneo trasferimento di un secondo soluto. Se questo secondo soluto è trasportato nella stessa direzione della prima si parla di simporto; se invece il secondo soluto è trasportato nella direzione opposta si parla di antiporto. Il trasporto di una sostanza contro il suo gradiente elettrochimico richiede energia e viene chiamato trasporto attivo.
Le proteine di trasporto che aiutano il transito di ioni e piccole molecole attraverso la membrana plasmatica non possono però legare grandi molecole come proteine e polisaccaridi. Queste grandi molecole vengono trasportate tramite vescicole che per gemmazione dipartono dalla membrana plasmatica attraverso un processo detto trasporto mediato da vescicole. Per esempio le molecole di cellulosa, le pectine, le glicoproteine che formano la matrice della parete cellulare vengono trasportate alla parete mediante vescicole secrete dalla faccia trans dell'apparato di Golgi e queste vescicole si fondono con la membrana plasmatica rilasciando il loro contenuto nella parete stessa, questo processo è detto esocitosi. Il trasporto tramite vescicole avviene anche nella direzione opposta ovvero per endocitosi. Il materiale che deve essere portato dentro la cellula induce la membrana plasmatica a formare una introflessione producendo una vescicola che racchiude la sostanza. Esistono tre tipi di endocitosi: fagocitosi, pinocitosi ed endocitosi mediata da recettori. La fagocitosi si ha quando avviene l'ingestione di particelle solide oppure ingestione di batteri o residui cellulari. La pinocitosi riguarda l'introduzione di liquidi all'interno delle vescicole. Nell'endocitosi mediata da recettori ci sono particolari proteine di membrana che fungono da recettori di specifiche molecole che vengono trasportate dentro la cellula.

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