Membrane cellulari

Trasporto attraverso le membrane

Il passaggio di piccole molecole e ioni attraverso la membrana citoplasmatica avviene costantemente in entrambe le direzioni. Gli zuccheri, gli amminoacidi e gli altri nutrienti penetrano all'interno della cellula, mentre i rifiuti metabolici si muovono in senso opposto. La cellula assume l'ossigeno necessario per la respirazione cellulare ed espelle biossido di carbonio. La cellula controlla, inoltre, le concentrazioni interne di ioni inorganici, trasportando questi in un senso o nell'altro attraverso la membrana citoplasmatica. Sebbene il traffico attraverso la membrana sembri suggerire altrimenti, le membrane cellulari mostrano una permeabilità selettiva e non sono attraversabili in modo incontrollato dalle varie sostanze. La cellula è in grado di selezionare quali molecole e ioni possono entrare, escludendo il passaggio di altri. Le molecole apolari, quali gli idrocarburi, il diossido di carbonio e l'ossigeno, sono idrofobe.

epossono pertanto disciogliersi nel doppio strato lipidico e attraversarlo con facilità, senza l'aiutodelle proteine di membrana. Il core idrofobo della membrana, tuttavia, impedisce l'attraversamentodiretto della membrana di ioni e di molecole polari, tutte specie idrofile. Le molecole polari, comeil glucosio e gli altri zuccheri, attraversano il doppio strato lipidico con notevole lentezza; persinol'acqua, una molecola polare di dimensioni assai contenute, non è in grado di oltrepassarerapidamente la membrana.

Un atomo o una molecola provvista di carica, con il suo guscio di idratazione, è ancora menoprobabile che oltrepassi l'interno idrofobo della membrana. Inoltre, il doppio strato lipidicorappresenta soltanto un aspetto del sistema di controllo che garantisce la permeabilità selettiva diuna cellula. Le proteine inserite nella membrana giocano ruoli chiave nella regolazione deltrasporto. Specifici ioni e un certo numero di molecole

Le molecole polari non possono attraversare le membrane cellulari da sole. Tuttavia, queste sostanze idrofile possono evitare il contatto con il doppio strato lipidico grazie alla presenza di proteine di trasporto che attraversano tutto lo spessore della membrana.

Alcune proteine di trasporto, note come proteine canale, svolgono la loro funzione formando un canale idrofilo utilizzato come un tunnel da alcune molecole o ioni monoatomici per attraversare la membrana.

In certe cellule l'attraversamento della membrana da parte delle molecole di acqua è notevolmente facilitato dalla presenza di proteine canale note come acquaporine. Se non esistessero queste, soltanto una piccola percentuale di molecole di acqua potrebbe diffondere attraverso la stessa superficie della membrana cellulare nello stesso tempo: la proteina canale determina dunque un notevole aumento della velocità di trasporto.

Altre proteine di trasporto, note come trasportatori (o carrier), racchiudono la specie che deve essere trasportata attraverso la membrana.

trasportata al loro interno e, grazie a un cambiamento conformazionale, la trasferiscono sull'altro lato della membrana. Un trasportatore mostra specificità verso la sostanza che deve trasferire, consentendo così il solo passaggio di questa sostanza. La permeabilità selettiva di una membrana dipende sia dalla presenza della barriera costituita dal doppio strato lipidico, sia dalle proteine di trasporto contenute al suo interno. Ma come viene stabilita la direzione del passaggio attraverso la membrana? Perché, in un certo istante, una particolare sostanza entra nella cellula oppure esce da questa? E quali sono i meccanismi che guidano effettivamente le molecole attraverso le membrane? La risposta verrà fornita tramite lo studio di due modalità di passaggio attraverso la membrana, il trasporto passivo e il trasporto attivo. Trasporto passivo e trasporto attivo Le molecole possiedono energia termica, dovuta al loro moto costante. Una conseguenza di

La diffusione è la tendenza delle molecole di una qualsiasi sostanza a disperdersi nello spazio disponibile. Sebbene ciascuna molecola si muova in modo causale, lo spostamento dell'interapopolazione di molecole può avere una direzione precisa.

La diffusione è guidata da una semplice regola: in assenza di altre forze, una sostanza diffonderà dalla zona in cui è più concentrata verso quella in cui è meno concentrata. In altri termini, ciascuna sostanza diffonderà seguendo il proprio gradiente di concentrazione, la regione in cui la densità di una sostanza chimica aumenta o diminuisce. La diffusione è un processo spontaneo che non richiede alcun dispendio energetico. La sostanza diffonde seguendo il suo proprio gradiente di concentrazione e non viene influenzata dalla differenza di concentrazione delle altre sostanze.

La maggior parte degli spostamenti di molecole attraverso la membrana avviene per

diffondere in entrambe le direzioni, a seconda del gradiente di concentrazione. Questo tipo di diffusione è chiamato diffusione facilitata bidirezionale. La diffusione facilitata è un processo fondamentale per il corretto funzionamento delle cellule. Permette il trasporto di sostanze come zuccheri, aminoacidi e ioni attraverso la membrana cellulare. Le proteine di trasporto presenti sulla membrana facilitano il passaggio di queste sostanze, permettendo loro di attraversare la membrana più velocemente di quanto sarebbe possibile solo con la diffusione semplice. Le proteine di trasporto possono essere di diversi tipi, come i canali ionici e i trasportatori di membrana. I canali ionici sono proteine che formano pori nella membrana, permettendo il passaggio selettivo di ioni. I trasportatori di membrana, invece, legano specifiche sostanze e le trasportano attraverso la membrana. La diffusione facilitata è un processo passivo, poiché non richiede l'uso di energia da parte della cellula. Il movimento delle sostanze avviene secondo il gradiente di concentrazione, cioè dalla regione di maggiore concentrazione alla regione di minore concentrazione. In conclusione, la diffusione facilitata è un meccanismo di trasporto passivo che permette il movimento di sostanze attraverso la membrana cellulare. Questo processo avviene grazie alle proteine di trasporto presenti sulla membrana, che facilitano il passaggio delle sostanze secondo il loro gradiente di concentrazione.

trasferire soluti contro il loro gradiente di concentrazione attraverso la membrana citoplasmatica, dal lato in cui questi sono meno concentrati a quello in cui sono maggiormente concentrati. Per pompare una molecola di soluto attraverso la membrana contro il gradiente di concentrazione è necessario compiere un lavoro che richiede consumo di energia da parte della cellula. Questo tipo di passaggio attraverso la membrana viene detto trasporto attivo. Tutte le proteine di trasporto che postano soluti contro i loro gradienti di concentrazione appartengono alla classe dei trasportatori e non sono proteine canale. La ragione è che un canale aperto consente ai soluti di diffondere secondo il loro gradiente di concentrazione, mentre non è in grado di legarle da una parte e trasportarle dall'altra contro gradiente.

Il trasporto attivo consente a una cellula di mantenere al suo interno molecole di piccole dimensioni a una concentrazione diversa rispetto all'esterno.

Confronto all'ambiente circostante (es: una cellula animale possiede al suo interno concentrazioni molto più elevate di ioni potassio e molto più basse di ioni sodio. La membrana citoplasmatica contribuisce al mantenimento di questi gradienti ionici pompando attivamente ioni sodio e ioni potassio rispettivamente fuori e dentro la cellula).

L'ATP fornisce l'energia necessaria per il funzionamento della maggior parte dei sistemi di trasporto attivo. Uno dei meccanismi con cui l'ATP può consentire il trasporto attivo consiste nel trasferire il suo gruppo fosfato terminale direttamente alla proteina di trasporto. Ciò induce un cambiamento conformazionale della proteina stessa che determina il trasferimento del soluto legato a questa attraverso la membrana. Un sistema di trasporto che funziona in questo modo è rappresentato dalla pompa sodio-potassio che scambia ioni sodio con ioni potassio attraverso la membrana citoplasmatica delle cellule.

animali.

Diffusione

Ogni soluto si diffonde spontaneamente secondo il suo gradiente di concentrazione. Col tempo la concentrazione di ciascun soluto è omogenea nell'ambiente (il soluto deve essere nella stessa concentrazione da entrambi i lati della membrana).

Il potenziale di membrana agisce come una batteria, una fonte energetica che influenza il movimento di tutte le sostanze provviste di carica elettrica attraverso la membrana. Dato che l'interno della cellula è negativo rispetto all'esterno, il potenziale di membrana favorisce il trasporto passivo dei cationi verso l'interno della cellula e degli anioni verso l'esterno. Ne consegue che due tipi di forze guidano la diffusione degli ioni attraverso la membrana: uno di natura chimica e l'altro di natura elettrica. Questa combinazione di forze che agisce su uno ione prende il nome di gradiente elettrochimico.

Uno ione non diffonde secondo il suo gradiente di concentrazione ma, più esattamente,

segue il suogradiente elettrochimico. La stimolazione della cellula determina l'apertura dei canali ad accessoregolato con la conseguente diffusione di Na+ e dall'attrazione di questi cationi verso il latonegativo (interno) della membrana. Nei casi in cui le forze elettriche generate dal potenziale dimembrana di oppongano alla diffusione semplice di uno ione secondo il suo gradiente diconcentrazione, possono renderei necessari sistemi di trasporto attivo.

Alcune proteine di membrana che trasportano attivamente ioni contribuiscono a generare ilpotenziale di membrana. Per ogni ciclo di funzionamento della cellula esiste un trasferimento nettodi una carica positiva dal citoplasma al liquido extracellulare, secondo un processo che accumulaenergia sotto forma di differenza di potenziale. Una proteina di trasporto in grado di generare unvoltaggio attraversi la membrana viene detta pompa elettrogenica. La pompa sodio-potassiosembra essere la principale pompa elettrogenica presente.

nelle cellule animali. Nelle piante, nei funghi e nei batteri la pompa elettrogenica più importante è invece rappresentata da una pompa protonica che trasporta attivamente protoni (ioni idrogeno H+) all'esterno della cellula, trasferendo carica positiva dal citoplasma al liquido extracellulare. Generando una differenza di potenziale ai lati delle membrane, le pompe elettrogeniche contribuiscono a immagazzinare energia che la cellula può utilizzare per svolgere diversi tipi di lavoro. La diffusione è facilitata se il passaggio è dato da una proteina che forma un poro. L'osmosi (diffusione dell'acqua) è un caso di trasporto passivo (facilitato). I pori di questa membrana sono troppo piccoli per essere attraversati dalle molecole di zucchero, ma sono allo stesso tempo sufficientemente grandi da consentire il passaggio delle molecole di acqua. Tuttavia, la stretta associazione delle molecole d'acqua che circondano le particelle dei soluti.

idrofili impedisce ad alcune di queste molecole di attraversare la membrana. Di conseguenza, la soluzione con una maggiore concentrazione di solito possiede una minore concentrazione di acqua libera.