Meccanismi di trasporto cellulare: osmosi, diffusione e pompe ioniche

La membrana plasmatica e l'osmosi

La membrana plasmatica è semipermeabile, selettiva, quindi non tutte le sostanze riescono a passarvi attraverso. L’acqua, che rappresenta un composto fondamentale, può muoversi dall’ambiente intracellulare a quello extracellulare e viceversa sia passando per il doppio strato fosfolipidico che per le proteine.

Diffusione e equilibrio dinamico

Quando abbiamo un soluto vi è un’iniziale diffusione netta dalla parte in cui la concentrazione è più elevata verso la parte in cui la concentrazione è minore (diffusione secondo gradiente di concentrazione).

Se vi sono due soluti ciascuno di essi si diffonde secondo il proprio gradiente di concentrazione, e un soluto si diffonde dall’altra parte anche se la concentrazione complessiva dei soluti era inizialmente maggiore da quel lato. Anche questa diffusione si verifica fino alla condizione di equilibrio dinamico.

Tuttavia molte molecole non riescono a passare attraverso la membrana, quindi per raggiungere l’equilibrio non migra il soluto ma il solvente, di conseguenza per raggiungere la concentrazione si sposta l’acqua, secondo il fenomeno dell’osmosi.

Osmosi e soluzioni cellulari

L'osmosi è un processo fisico spontaneo, vale a dire senza apporto esterno di energia, che tende a diluire la soluzione più concentrata, e a ridurre la differenza di concentrazione. Il flusso netto di solvente può essere contrastato applicando una pressione al compartimento a concentrazione maggiore. Se la pressione applicata supera la pressione osmotica, otteniamo l'osmosi inversa. Se si è in presenza di una membrana semipermeabile, cioè che permette il passaggio delle molecole di acqua, ma non di soluto, allora sarà l’acqua a doversi spostare per creare una condizione di equilibrio dinamico. L’acqua si sposta dalla zona con minore concentrazione verso quella con maggiore concentrazione di soluto, al fine di andarle a equilibrare.

In una soluzione ipotonica, in cui la concentrazione di soluto è maggiore nella cellula piuttosto che nella soluzione, le cellule assorbono acqua, per raggiungere l’equilibrio. La cellula animale è destinata a esplodere, in quanto la membrana cede. La cellula vegetale presenta la parete cellulare esternamente alla membrana, questo le permette di mantenere il turgore. L’acqua infatti entra, la membrana si espande, ma arrivata alla parete, che presenta notevole rigidità, la cellula non si deforma in maniera molto elevata. Anzi, in queste condizioni, la cellula vegetale si trova nella situazione migliore.

In una soluzione isotonica, in cui la concentrazione di soluto è identica sia dentro che fuori la cellula, la cellula animale si trova in condizioni normali, mentre la cellula vegetale inizia a raggrinzire, diventa flaccida.

In una soluzione ipertonica, in cui la concentrazione di soluto è maggiore nella soluzione piuttosto che nella cellula, l’acqua tende a fuoriuscire dalla cellula. La cellula animale raggrinzisce, quella vegetale perde acqua, la membrana cellulare si stacca dalla parete cellulare tranne che in alcuni punti, detti punti di ancoraggio. Fino a questa situazione, se reidratata, la cellula può sopravvivere, se invece avviene la rottura dei punti di ancoraggio la cellula è destinata a morire.

Tipi di trasporto cellulare

Il trasporto può essere di due tipi:

 Passivo, cioè che non richiede ulteriore energia oltre a quella derivata dal movimento molecolare. A

suo volta, può suddividersi in due sottotipi:

- Diffusione semplice, in cui il passaggio delle molecole avviene attraverso la membrana plasmatica, senza l’utilizzo di particolari strutture (CO2, O2, benzene, etanolo);

- Diffusione facilitata, attraverso proteine di membrana multipasso, come i pori o i canali, strutture che presentano delle differenze:

o Canali, costituiti da proteine ad alfa-elica (monomerici), controllati dalla cellula (dal potenziale di membrana o da altre molecole), permettono il passaggio di ioni e proteine. Sono molto selettivi;

o Pori, costituiti da proteine a beta-foglietto, sono meno selettivi e non controllati dalla cellula. Attraverso essi passano ioni e piccoli metaboliti, ma non proteine.

In entrambi i casi non è mai richiesta ATP, il processo avviene per differenza di potenziale verso il gradiente.

 Attivo, che richiede ATP per avvenire, il quale attiva la proteina interessata. È l’unico in grado di avvenire contro gradiente. Il trasporto attivo può essere ulteriormente classificato in due modi:

- Trasporto attivo primario e trasporto attivo secondario:

o Trasporto attivo primario, viene utilizzato dell’ATP per far fuoriuscire delle molecole, le quali permetteranno l’effettuazione del:

o Trasporto attivo secondario, porta all’interno la molecola richiesta dalla cellula, non avviene consumando ATP ma sfrutta quello utilizzato dal trasporto attivo primario, è quindi basato su esso.

Un esempio di questo trasporto lo troviamo nel co-trasporto, che avviene nella pompa Na-K. In questo fenomeno la proteine di trasporto assumono alternativamente due conformazioni in modo tale da poter legare prima uno ione poi l’altro. Gli ioni Na+ presenti nel citoplasma si legano alla pompa sodio potassio. Dell’ATP è quindi ridotto ad ADP con formazione di energia e con legame di un fosfato alla proteina. L’energia viene utilizzata per l’apertura della proteina che espelle gli ioni Na+ verso l’esterno. La nuova conformazione della proteina mostra elevata affinità con gli ioni K+, che sono presenti nell’ambiente extracellulare. La perdita del gruppo fosfato determina poi l’apertura della proteina verso l’ambiente cellulare, e il rilascio degli ioni K+.

Il ciclo potrà poi ripetersi.

Trasporto attivo e pompe ioniche

Un esempio di trasporto attivo primario è la pompa ionica, che ha il compito di espellere dalle cellule gli idrogenioni, per alzare il pH oppure per attivare dei trasportatori. La pompa protonica, tramite l’utilizzo di ATP permette la fuoriuscita dalla cellula di ioni H+, si vengono quindi a creare una differenza di potenziale e un gradiente di concentrazione che rappresentano una duplice fonte di energia per la cellula.

A sua volta la pompa protonica può essere accoppiata al cotrasporto.

Nel cotrasporto una singola pompa ATP-dipendente è responsabile indirettamente del trasporto attivo di altre sostanze. Le cellule vegetali utilizzano il gradiente di concentrazione di ioni idrogeno generato dalla pompa protonica per guidare il trasporto attivo di aminoacidi, zuccheri e altri nutrienti dentro la cellula. Un cotrasportatore accoppia infatti il rientro degli ioni idrogeno all’entrata di molecole di saccarosio. Questa molecola potrà entrare solamente se accompagnata da ioni idrogeno. Le piante sfruttano questo sistema per trasportare il saccarosio prodotto per fotosintesi alle cellule delle nervature delle foglie. Lo zucchero, attraverso i vasi conduttori, arriverà poi a tutti gli altri organo (es. radici).

Anche a livello dei pori nucleari vi è questo trasporto, perché essendo il nucleo un organello molto delicato si necessita di un trasporto altamente selettivo.