Attraverso la membrana plasmatica (vedi La membrana cellulare) una cellula è in grado di scambiare sostanze con l’ambiente esterno. Questi passaggi coinvolgono proteine di membrana, alcune di esse formano dei canali che permettono i passaggio di determinati ioni o molecole, altre formano pompe che utilizzano l’energia dell’ATP per trasportare soluti. Regolando il traffico chimico attraverso la membrana, la cellula può controllare la sua composizione ionica.
Permeabilità della membrana
Una membrana è detta permeabile ad una sostanza se le permette di attraversarla mentre è impermeabile in caso contrario. In generale le membrane sono permeabili alle piccole molecole apolari come ossigeno e anidride carbonica. Anche l’acqua, sebbene sia una molecola polare, attraversa la membrana in quanto le molecole sono molto piccole.
Per il trasporto di grandi molecole come ioni, aminoacidi ed altre sostanze vengono utilizzate proteine di trasporto. I principali tipi di proteine sono rappresentati da:
- proteine carrier;
- proteine canale.
Le proteine carrier legano lo ione o la molecola e subiscono cambiamenti conformazionali che risultano nel trasferimento della molecola attraverso la membrana.
Le proteine canale formano dei tunnel attraverso la membrana. La cellula regola il passaggio di materiali controllando l’apertura e la chiusura dei canali in risposta a variazioni elettriche, chimiche o stimoli meccanici.
La maggior parte delle cellule ha dei canali per l’acqua formati da una proteina chiamata acquaporina. L’acqua, come già scritto, può attraversare la membrana anche senza l’ausilio delle porine, la differenza sta nella velocità e nella quantità di molecole che riescono a passare.
Trasporto passivo
Il trasporto passivo non richiede dispendio energetico da parte della cellula, le sostanze attraversano la membrana per diffusione. Nella diffusione le molecole di una data sostanza si muovono da un’area a concentrazione maggiore verso un’area a concentrazione minore. La differenza di concentrazione viene chiamata gradiente chimico. Quando la concentrazione delle molecole è la stessa in tutto il sistema, è stato raggiunto l’equilibrio chimico nonostante il movimento casuale delle molecole continui.
Esistono due tipi di diffusione: semplice e facilitata.
Nella diffusione semplice attraverso una membrana, le molecole di soluto apolari si muovono secondo gradiente di concentrazione.
La diffusione facilitata ha le stesse proprietà della diffusione semplice, la differenza sta nel fatto che vengono trasportate molecole polari che necessitano dell’utilizzo di proteine trasportatrici come le proteine carrier.
Osmosi
L’osmosi riguarda la diffusione dell’acqua attraverso la membrana secondo gradiente di concentrazione. Nell’osmosi l’acqua si sposta per diluire la soluzione più concentrata.
La pressione osmotica rappresenta la pressione da esercitare sul lato di una membrana contenente la concentrazione maggiore di soluto per impedire la diffusione dell’acqua. Per esempio, se una cellula viene immersa in una soluzione dove la concentrazione di acqua è minore, la cellula raggrinzisce in quanto perde acqua. In questo caso la pressione osmotica è più alta di quella della cellula, la soluzione si definisce ipertonica.
Al contrario, se il fluido ha una concentrazione minore di sostanze disciolte, l’acqua entra nella cellula facendola rigonfiare. In questo caso la pressione osmotica è più bassa e il fluido è detto ipotonico.
Se invece la pressione osmotica del fluido e della cellula sono uguali, non si ha movimento netto di molecole d’acqua ed il fluido è detto isotonico.
Trasporto attivo
A differenza del trasporto passivo, il trasporto attivo necessita di energia. Il trasporto attivo porta materiali da una zona a bassa concentrazione ad una ad alta concentrazione, in pratica il trasporto attivo lavora contro gradiente di concentrazione, ed è per questo che necessita di energia che deriva dall’ATP.
Un esempio di trasporto attivo è la pompa sodio-potassio che utilizza l’energia dell’idrolisi dell’ATP per pompare ioni sodio fuori dalla cellula e ioni potassio dentro. Per due ioni K+ che entrano ne escono tre di Na+. Entrambi gli ioni hanno carica positiva ma essendoci meno ioni K+ all’interno, la cellula ha carica negativa rispetto all’esterno. Data la differenza di concentrazione di ioni tra i due lati della membrana si forma un gradiente elettrochimico. Il gradiente elettrochimico costituisce una forma di immagazzinamento di energia che potrà essere utilizzata per altri sistemi di trasporto, per esempio per la formazione di ATP come scritto qui La respirazione aerobica.
La pompa sodio-potassio rappresenta un antiporto, cioè trasporta due tipi di sostanze in direzione opposta. Altre proteine carrier trasportano un solo tipo di sostanza in una direzione (uniporto) ed altre due tipi di sostanze nella stessa direzione (simporto).
Endocitosi ed esocitosi
L’endocitosi è un processo mediante il quale una cellula importa materiale al suo interno. Esistono vari tipi di endocitosi:
- fagocitosi;
- pinocitosi;
- endocitosi mediata da recettori.
Nella fagocitosi le cellule ingeriscono grandi particelle come batteri. Durante l’ingestione la membrana plasmatica si ripiega per includere la particella, quando la membrana ha circondato completamente la particella si fonde nel punto di contatto. Il fagosoma formatosi si fonde con i lisosomi per essere degradato.
Con la pinocitosi la cellula porta al suo interno piccole gocce di liquido extracellulare.
Nell’endocitosi mediata da recettori il ligando entra in contatto con i recettori sulla membrana plasmatica. Dopo il contatto la membrana si invagina e la vescicola plasmatica formata dal complesso recettore-ligando si stacca dalla membrana cellulare e viene trasportata all’interno. Il recettore si separa dal ligando che viene trasportato nell’apparato del Golgi se deve essere elaborato o nel lisosoma se deve essere distrutto. La vescicola con i recettori si fonde con la membrana cellulare.
L’esocitosi è il processo inverso dell’endocitosi, in questo modo le cellule espellono prodotti di scarto o rilasciano sostanze di secrezione come gli ormoni. La transcitosi è un particolare tipo di trasporto che risulta dalla combinazione di endocitosi, trasporto vescicolare ed esecitosi.
La transcitosi rende possobile il passaggio di alcune molecole che non possono attraversare gli epiteli su trasportatori di membrana a causa delle grandi dimensioni. In questo processo la molecola è portata nella cellula epiteliale mediante endocitosi, la vescicola viene trasportata utilizzando i microtubuli del citoscheletro fino al lato opposto dell’epitelio dove il contenuto viene rilasciato nel liquido interstiziale per esocitosi.
Attraverso questo meccanismo i neonati assorbono gli anticorpi dal latte materno.