Fisiologia

TRASPORTO

La cellula vivente è in grado di mantenere le concentrazioni intracellulari di alcuni

soluti diverse rispetto a quelle dell’ambiente extracellulare. Le caratteristiche

delle membrane biologiche, con i numerosi meccanismi di trasporto presenti, sono

dunque determinanti per mantenere i gradienti elettrici e di concentrazione fra gli

ambienti che separano. Il passaggio di soluti attraverso le membrane biologiche

può avvenire per:

diffusione passiva semplice: il passaggio attraverso le membrana avviene

 secondo gradiente di potenziale chimico o elettrochimico e la membrana non

fornisce particolari strutture che ne facilitano il passaggio

diffusione facilitata: il passaggio attraverso la membrana avviene sempre

 secondo gradiente , ma in questo caso la membrana mette a disposizione delle

strutture (carriers o trasportatori) che ne facilitano il movimento

trasporto attivo: il movimento attraverso la membrana avviene con spesa

 energetica da parte della cellula e dell’organismo per portare il soluto da un

livello energetico basso a uno più alto (ad esempio contro gradiente chimico o

elettrochimico). Questo tipo di trasporto è chiamato trasporto attivo primario.

Quando invece il soluto è trasportato contro gradiente ma sfruttando il

passaggio secondo gradiente favorevole di un altro soluto con cui trasporto è

accoppiato, allora si parla di trasporto attivo secondario.

La membrana cellulare: composizione, struttura e

funzione

Danielli e Davson nel 1935 ipotizzarono che la membrana cellulare avrebbe avuto

una struttura a tre lamine, con due strati esterni di natura proteica, che

costituiscono dei pori, e uno strato intermedio lipidico. Lo strato lipidico

intermedio è composto da un doppio foglietto fosfolipidico; in ciascun foglietto, i

fosfolipidi sono disposti in modo tale che le code idrofobe sono rivolte all'interno

del doppio foglietto e le teste idrofile sono orientate all'esterno (modello di unità

di membrana) 29

L’ipotesi di Danielli e Davson non rispecchia però la realtà, che è ben descritta dal

modello a mosaico fluido elaborato da Singer e Nicolson nel 1972. Secondo tale

modello la membrana cellulare è costituita da un doppio strato fosfolipidico (con le

cose verso l’interno) in cui sono immerse proteine di vario tipo e con diverse

funzioni. Queste strutture non sono ferme ma in continuo movimento (le proteine

con velocità minore). Nella concezione moderna del modello di Singer e Nicolson

molte proteine non sono libere di fluttuare nel doppio strato lipidico ma sono

aggregate in domini, spesso collegati al citoscheletro, che limitano la diffusione

laterale delle proteine e determinano una disomogeneità della membrana. La

membrana cellulare separa due ambienti di diversa composizione, soprattutto in

sodio e potassio; inoltre tra esterno ed interno c’è una differenza di potenziale:

l’interno è negativo e il movimento di ioni è influenzato anche dal potenziale

elettrico, oltre che dall’osmosi.

Tutte le membrane sono composte da una combinazione di lipidi (fosfolipidi,

colesterolo e glicolipidi), proteine e una piccola percentuale di carboidrati. I

principali costituenti delle membrane, i fosfolipidi, hanno una testa polari e due

code idrocarburiche: tale composizione determinale la loro forma cilindrica e

possono dunque allinearsi, in ambiente acquoso, a formare foglietti bimolecolari in

cui le code idrofobiche sono tra loro in contatto all’interno del doppio strato e le

teste polari sono rivolte verso l’esterno acquoso. La membrana non è una struttura

rigida e i fosfolipidi possono muoversi nel doppio strato:

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I fosfolipidi ruotano (rotazione) attorno al proprio asse e le cose aciliche oscillano

(flessione); inoltre i lipidi si muovono all’interno del singolo foglietto (diffusione

laterale) in dipendenza della fluidità della membrana, a sua volta determinata dalla

composizione lipidica (in particolare dal contenuto di acidi grassi insaturi e di

colesterolo). Le proteine sono quindi immerse in una matrice fluida ed esse stesse

possono muoversi, ma con limitazioni. Contrariamente al movimento laterale dei

lipidi, che può essere anche molto rapido, il salto al monostrato opposto (flip-flop o

diffusione trasversale) è possibile ma molto più lento, mentre non si ha evidenza di

flip-flop di proteine. Lo spessore della membrana dipende da quanto sono piegati

(flessione) i fosfolipidi. Le proteine determinano le caratteristiche funzionali della

membrana in cui si trovano e sono associate alla membrana con interazioni più o

meno forti; possiamo infatti distinguere proteine intrinseche, i cui legami con la

membrana sono interazioni deboli, e proteine intrinseche o integrali (responsabili

del trasporto facilitato), che sono fortemente legate alla membrana. Le proteine

hanno molte funzioni:

proteine strutturali: danno forma e stabilità alla membrana

 recettori: mediano i segnali provenienti dall’esterno e determinano risposte

 a livello della membrana che si traducono in risposte cellulari

canali ionici: sono proteine integrali che possono essere regolate; le sostanze

 possono attraversare la membrana tramite diffusione, se sono liposolubili, o

tramite proteine canale che possono essere non specializzate (fanno passare

tutti gli ioni non in equilibrio)

trasportatori: facilitano il movimento di soluti attraverso la membrana

 enzimi: esplicano la loro attività nel citoplasma o nell’ambiente extracellulare



NB: diffusione e trasporto facilitato sono trasporti passivi; i trasporti attivi

richiedono energia e possono essere direzionali; mentre con un trasporto passivo si

può solo arrivare all’equilibrio, con un trasporto attivo si può andare in salita

I due foglietti della membrana hanno diversa composizione sia lipidica che proteica;

l’asimmetria proteica è mantenuta perché le proteine non possono effettuare il flip-

flop da un lato all’altro del doppio strato; inoltre le proteine possono interagire e

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formare aggregati in cui viene mantenuta una contiguità tra proteine che cooperano

per una funzione. Anche i lipidi sono inseriti asimmetricamente: in particolare i

glicolipidi mantengono la loro distribuzione esclusiva nel foglietto esterno, mentre per

i fosfolipidi l’asimmetria non è assoluta.

Vediamo come la membrana sia in grado di essere selettivamente permeabile a diverse

sostanze (grazie alle sue proteine), e come ciò sia estremamente importante, con 2

esempi: l’uovo di arbacia e il globulo rosso (oltre che il liquido interstiziale).

Per comprendere le concentrazioni di sodio e potassio intra- ed extracellulari

prendiamo in considerazione l’uovo di arbacia (riccio di mare): il dislivello tra ambiente

intra- ed extracellulare delle concentrazioni di sodio e potassio, ci fa notare che la

membrana è diversamente permeabile ai due ioni e che qualcosa interviene quindi per

mantenere sempre così le concentrazioni.

Nel globulo rosso l’emoglobina è presente solo all’interno e ciò ci fa capire che la

membrana non lascia passare l’emoglobina; ma l’ossigeno che è legato all’emoglobina,

per essere disponibile alle cellule, deve attraversare il globulo rosso, il capillare e la

membrana cellulare.

La membrana cellulare agisce quindi come barriera: con il circolo sanguigno portiamo

sostanze utili (ossidabili) alla cellula, mente le sostanza di rifiuto fanno il percorso

inverso. Diverse tipologie di trasporto sono responsabili della selettività della

membrana. Anche dal sangue le sostanze vengono trasportate con diverse modalità.

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Il liquido interstiziale è mantenuto nella composizione ideale da vari meccanismi; tale

composizione deve essere controllata (omeostasi):

Osmosi: pressione osmotica, coefficienti osmotici e

osmolarità

Gli scambi di materia tra fasi separate da una membrana dipendono da numerosi

fattori; analizzeremo ora i fenomeni elementari utilizzati congiuntamente negli scambi

di materia fra i vari componenti dell’organismo, a partire dall’osmosi. Consideriamo un

sistema in cui le due fasi α e β siano riempite con soluzioni acquose di un soluto non

elettrolita (es: saccarosio) e la membrana sia impermeabile all’acqua, ma non al soluto;

inoltre consideriamo che la differenza di pressione idrostatica tra le due fasi sia nulla

e la concentrazione di soluto sia maggiore in α. Per osmosi sia ha un flusso di acqua da

β a α, ovvero dall’ambiente in cui il soluto è più diluito verso quello dove è più

concentrato 33

Consideriamo ora un sacchetto membranoso all’estremità di un capillare, il tutto

riempito con una soluzione acquosa di saccarosio. Immergiamo il capillare con la

membrana in un recipiente contenente acqua, con l’avvertenza che i due livelli siano

alla stessa altezza; la membrana del bulbo è permeabile all’acqua ma non al saccarosio.

Al tempo t non sussistono differenze di pressione idrostatica tra i due ambienti

0

(ΔP=0). Con il passare del tempo si osserva che il volume nel capillare aumenta; si alza

il volume (h a t ) fino a quando viene raggiunto l’equilibrio (t ) e, quindi, il livello del

1 1 eq

liquido nel capillare non varia più. La variazione del volume nel capillare non può che

essere dovuta a un flusso d’acqua dal contenitore al capillare stesso. Possiamo ora

calcolare il peso (P) della colonna di liquido (h ) nel capillare; ricordando che la

eq

pressione è peso (P)/superficie (A) otteniamo la pressione osmotica (Π) che si genera

per effetto della presenza di diverse concentrazioni di un soluto in compartimenti

separati da una membrana semipermeabile (γ=peso specifico; V=volume della colonna di

liquido).

All’equilibrio si genera una differenza di pressione idrostatica. La pressione osmotica

che si genera, ha un valore pari al valore della pressione idrostatica necessaria per

equilibrarla e, quindi, bloccare il flusso di acqua. Tutto questo meccanismo lo troviamo

a livello renale, dove la pressione osmotica è dovuto alle proteine che non possono

attraversare il “sacchetto membranoso”; il blocco renale avviene quando la pressione

osmotica e idrostatica vanno in equilibrio.

Questi fenomeni dipendono anche dal volume degli ambiente (il fluido extracellulare

può essere considerato avere volume infinito). Se la concentrazione in una fase α è

maggiore della concentrazione in una fase β, e se i volumi sono finiti, si assiste a una

fase cinetica durante la quale il flusso di acqua diminuisce nel tempo, la soluzione β si

concentra mentre α si diluisce: si crea così una differenza di pressione idrostatica ΔP

, con P >P che gene