Biologia applicata

Diffusione semplice

Chiamata così perché non ha bisogno di proteine canale o carrier che invece sono importanti per quella facilitata. Le molecole della diffusione semplice passano liberamente attraverso il doppiostrato. Il passaggio avviene secondo gradiente di concentrazione e avviene diversamente velocemente a seconda del tipo di molecola. I parametri che incidono sulla velocità di trasporto sono:

• Concentrazione, perché maggiore è la differenza di concentrazione e maggiore è la velocità di trasporto;
• Dimensione, perché una molecola più grande farà più fatica ad attraversare il doppio strato di fosfolipidi;
• Lipofilia, perché più una molecola è lipofila cioè più riesce ad associarsi con le code dei fosfolipidi più sarà veloce il passaggio.

Le molecole vanno dallo spazio con maggior concentrazione a quello con meno concentrazione. L’equilibrio è dinamico perché quello che entra viene consumato e di conseguenza ne deve entrare altro.

Osmosi

Affinché avvenga il trasporto per osmosi abbiamo bisogno di una membrana SEMIpermeabile, che consente il passaggio del solvente. Nel processo osmotico, dati due recipienti separati da una membrana semipermeabile, il solvente (acqua) tenderà a passare dal recipiente meno concentrato a quello più concentrato. ESEMPIO: i globuli rossi devono stare sempre in forma isotonica, altrimenti avremo lisi o raggrinzimento.

Cosa succede?

Le molecole d’acqua vanno a formare dei legami a idrogeno con le molecole polari di soluto creando come un guscio protettivo, a questo punto la molecola viene trascinata dal solvente dall’altra parte. Immaginiamo di mettere un globulo rosso all’interno di una soluzione. Possiamo distinguere 3 diverse condizioni:

• Ipertonica: la concentrazione del recipiente è maggiore rispetto a quella del g.r. In questo caso l’acqua all’interno del globulo fuoriesce svuotandolo e facendolo raggrinzire.
• Isotonica: abbiamo la stessa concentrazione di soluto all’interno dei due recipienti per cui il solvente resta fermo e di conseguenza anche il soluto. Condizione che potremmo definire in equilibrio.
• Ipotonica: la concentrazione del globulo è maggiore rispetto a quella del recipiente. In questo caso l’acqua tenderà ad entrare all’interno del globulo, facendolo gonfiare fino a scoppiare.

Plasmolisi: fenomeno osmotico tipico delle cellule vegetali che immerse in soluzione ipertonica, riducono il loro volume e il conseguente distacco della membrana plasmatica dalla parete cellulare. Ciò generalmente causa prima la perdita di turgore e poi la morte della cellula che non sarà in grado di riassorbire l'acqua con cui è stata bagnata e mantiene una forma raggrinzita.

Diffusione facilitata

La diffusione in questo caso avviene grazie alle proteine presenti sullo strato fosfolipidico, carrier e canali.

• I canali invece sono deputati al trasporto di ioni. La loro particolarità sta nel fatto che essi sono specifici soltanto per alcuni ioni: per esempio il canale del potassio trasporterà potassio e così via. Anche per i canali non vale mai un discorso assoluto, ovvero il canale del potassio trasporta in grandissima quantità il potassio ma può trasportare anche altri ioni e stessa cosa con gli altri. Ad esempio, nel canale del sodio succede che il potassio è troppo grande e non riesce a passare e il sodio invece che ha un raggio atomico minore riesce a passare tranquillamente. Avremo quindi canali per ioni sodio, potassio, calcio, magnesio, protoni (H⁺), cloro e ioni HCO₃^-. L’andamento della velocità di trasporto a livello della diffusione facilitata è maggiore e un esempio è con l’acqua: se quest’ultima dovesse passare da sola nel doppio strato di fosfolipidi, lo potrebbe fare ma a velocità ridotta; invece, se c’è un’acqua porina che è un canale per l’acqua, la velocità di trasporto dell’acqua sarà maggiore.
• Proteina trasportatrice (carrier) trasporta il soluto da una parte all’altra del doppio strato fosfolipidico e subisce due cambiamenti conformazionali: assume una prima conformazione che consente l’ingresso del soluto all’interno della proteina e mediante una seconda viene rilasciato. È proprio il legame formatosi con il soluto che determina il cambiamento conformazionale della proteina. Un esempio di diffusione facilitata è il trasportatore del glucosio. Il glucosio all’esterno della cellula deve essere immagazzinato all’interno della cellula per poterlo poi trasformare in ATP. Cosa succede? La proteina trasportatrice del glucosio è una proteina specifica per lo stesso, quindi il glucosio si lega alla proteina in un sito specifico e la proteina subisce il primo cambiamento conformazionale, una volta trasportato all’interno la proteina si apre lasciando uscire il glucosio e subendo il secondo cambiamento conformazionale. Questo tipo di trasporto, ovviamente, è limitato dal numero di proteine presenti sulla superficie della membrana: più proteine ci sono più soluto riuscirà ad entrare, viceversa se ci sono poche proteine risulterà meno veloce. A differenza delle proteine canale in cui ogni proteina favorisce l’accesso alle molecole di soluto in base alle dimensioni (per cui basterà spostarsi verso la proteina che fornisce l’accesso alla propria misura), le proteine di trasporto sono più selettive perché solo il soluto può legarsi a quel determinato sito specifico della proteina potrà accedere alla cellula. Può capitare che, per determinate condizioni, alcuni canali siano chiusi, questo ovviamente impedisce ai vari ioni o molecole di entrare. In quali casi i canali possono essere chiusi? Quando, ad esempio, la quantità di quello ione è già abbastanza elevata. La velocità di diffusione nel trasporto facilitato è maggiore rispetto alla diffusione semplice (in cui è necessario un certo periodo di tempo affinché le molecole soluto passino e si distribuiscano) perché è il soluto stesso ad attaccarsi alla proteina. Nella diffusione facilitata vengono impiegati i carrier; quest’ultimi si trovano in un numero limitato e una volta che tutti i carrier saranno riempiti con la molecola che devono trasportare, ulteriori aumenti del gradiente di concentrazione non andranno ad incidere sul trasporto perché i carrier saranno tutti occupati. Questa condizione è detta saturazione dei carrier, cioè tutti i carrier sono occupati ed è il motivo per cui anche aumentando il gradiente di concentrazione la velocità non cambia. Questo discorso vale soltanto per i carrier, in quanto i canali ionici avendo una velocità di trasporto molto elevata pur aumentando il gradiente di concentrazione riescono ad aumentare la velocità di trasporto. In questa fase, nonostante sia un trasporto passivo, vi è dispendio di energia poiché per poter permettere l’ingresso di molecole attraverso i canali, quest’ultimi cambiano conformazione con richiesta di energia. L’energia deriva da una reazione termodinamicamente favorevole. Nella cellula avviene una reazione, l’energia che si ricava da quella reazione serve alle molecole di diffusione facilitata a cambiare conformazione. È un’energia indiretta perché l’ATP che arriva dai mitocondri, non si lega direttamente alla proteina trasportatrice ma perché deriva da reazioni secondarie o movimento dei fosfolipidi.

Trasporto attivo

Il trasporto attivo invece può anche avvenire contro gradiente di concentrazione utilizzando l’ATP. Può essere:

• Uniporto: la proteina trasportatrice consente il trasporto da una parte all’altra della membrana di una sola molecola (o ione) per volta;
• Siimporto: la p.t. consente l’entrata o l’uscita contemporanea di due molecole (o ioni) nella stessa direzione;
• Antiporto: la p.t. consente il passaggio contemporaneo di due molecole (o ioni) ma in direzioni diverse (gli ultimi due vengono definiti trasporto accoppiato).

Tutto questo cambiamento conformazionale avviene grazie all’ATP. La membrana può essere definita condensatore elettrico (come una qualsiasi superficie carica, un isolante quasi perfetto). Le cariche sono separate fra esterno e interno e quando abbiamo una differenza di cariche si crea una differenza di potenziale (una distribuzione diversa di cariche da una parte e un’altra di una superficie). Solitamente le cellule presentano carica negativa interna rispetto all’esterno ed è per questo che la membrana viene definita polarizzata, cioè ha una distribuzione diversa di ioni di molecole con carica elettrica diversa nei due lati; Chi caratterizza la carica della membrana? Gli ioni.

Trasporto attivo diretto uniporto

Un esempio è la pompa H⁺ - ATPasi, la pompa che fa entrare ioni H⁺ contro gradiente di concentrazione. Succede che la carica negativa dei fosfolipidi attira questi ioni H⁺ che si legano a questa pompa che nel frattempo si lega all’ATP, avviene il cambio di conformazione ed entrano ioni H⁺. Un altro esempio è il trasporto ioni calcio. Il calcio ha una bassa affinità a legarsi al recettore. Succede che l’ATP dei mitocondri si va a legare al sito della p.t., c’è il gruppo fosfato, quindi, c’è energia e vi è un cambio conformazionale dei siti di legame per il calcio, per cui può legarsi e quindi può fuoriuscire. (Ca²⁺, 2 ioni calcio escono). Il gruppo fosfato non serve più quindi si stacca e ritorna all’ADP, che si lega e forma nuovamente ATP pronta per essere riutilizzata. Questo avviene nelle cellule muscolari, durante uno sforzo muscolare poiché la cellula ha bisogno di calcio per effettuare la contrazione muscolare. Durante la contrazione tutti gli ioni calcio vengono espulsi dal reticolo endoplasmatico e liberati nella cellula. Durante lo stato di riposo (o recupero) gli ioni di calcio devono essere di nuovo immagazzinati grazie alla pompa del calcio. La pompa funziona con l’utilizzo di ATP.

Trasporto attivo simporto

Un esempio di trasporto attivo simporto. Abbiamo un gradiente di concentrazione del glucosio diretto dall’interno verso l’esterno mentre il sodio è in equilibrio quindi non vi è gradiente di concentrazione. Accade che a livello di un trasportatore dedicato si legano due ioni sodio mentre a livello dell’altro trasportatore si lega il glucosio che però ricordiamo è contro gradiente. Avviene il legame di una molecola di ATP sul trasportatore del sodio e quindi il sodio grazie a questa energia viene trasportato all’esterno contro gradiente di concentrazione.