Osmosi e trasporto di membrana: meccanismi cellulari

Osmosi e trasporto di membrana

Le cellule viventi scambiano continuamente sostanze con l'ambiente esterno per mantenere il loro funzionamento. Questi scambi avvengono attraverso la membrana cellulare, una struttura semipermeabile che controlla il passaggio di molecole. la struttura della membran plasmatica può essere descritta attraverso il modello a mosaico fluido : è composta infatti da un doppio strato di fosfolipidi all'interno del quale troviamo proteine di membrana.

La membrana cellulare

La membrana cellulare è composta da un doppio strato di fosfolipidi, in cui sono immerse proteine, carboidrati e colesterolo (presente solo nelle cellule animali) . Grazie alla sua struttura:

• È semipermeabile, cioè lascia passare alcune molecole e ne blocca altre.
• Permette il mantenimento dell'omeostasi, cioè l'equilibrio interno della cellula.

Tipi di trasporto attraverso la membrana

Il trasporto delle sostanze può essere di due tipi principali:

• Trasporto passivo (non richiede energia).
• Trasporto attivo (richiede energia sotto forma di ATP).

Trasporto passivo

Nel trasporto passivo, le molecole si muovono secondo il gradiente di concentrazione (dalla zona con concentrazione maggiore a quella con concentrazione minore). I tipi principali sono:

1. Diffusione semplice:
   • Molecole piccole e non polari (es. ossigeno, anidride carbonica) attraversano liberamente il doppio strato lipidico.
2. Diffusione facilitata:
   • Molecole più grandi o polari (es. glucosio, ioni) attraversano la membrana con l'aiuto di proteine di trasporto o canali ionici.
3. Osmosi:
   • E il movimento dell'acqua attraverso una membrana semipermeabile, da una zona con minor concentrazione di soluti a una con concentrazione maggiore. L'acqua attraversa la membrana finchè le concentrazioni di soluto sono uggualli ad entrambi i lati.
   • Esempio: in un ambiente ipertonico (alta concentrazione di soluti), l'acqua esce dalla cellula causando il restringimento della stessa.

Trasporto attivo

Nel trasporto attivo, le molecole si muovono contro gradiente di concentrazione (dalla zona con concentrazione minore alla maggiore), e ciò richiede energia. Esempi di trasporti attivi :

1. Pompa sodio-potassio:
   • È un esempio di trasporto attivo in cui ioni sodio (Na+) vengono pompati fuori dalla cellula e ioni potassio (K+) vengono pompati all'interno, utilizzando energia.
2. Endocitosi ed esocitosi:
   • Endocitosi: La cellula ingloba materiali esterni formando vescicole.
   • Esocitosi: La cellula espelle materiali attraverso vescicole che si fondono con la membrana, rilasciando all'esterno il contenuto delle vescicole.

Importanza del trasporto di membrana

Il trasporto di membrana è essenziale per:

• Fornire nutrienti alle cellule.
• Eliminare rifiuti metabolici.
• Mantenere l'equilibrio idrico e ionico.
• Consentire comunicazioni cellulari attraverso segnali chimici.

Esempi pratici

• Le piante assorbono acqua dal terreno grazie all'osmosi.
• Le cellule dei reni regolano il passaggio di acqua e sali per mantenere l'equilibrio nel sangue.

Le cellule rispondono alla diversa concentrazione della matrice extracellulare

Tonicità e movimenti dell'acqua

• Soluzione ipotonica:
  • Concentrazione di soluti all'esterno più bassa rispetto all'interno della cellula.
  • L'acqua entra nella cellula per osmosi.
  • Rischio: lisi cellulare (nelle cellule animali).
• Soluzione isotonica:
  • Concentrazione di soluti equilibrata tra interno ed esterno della cellula.
  • Nessun movimento netto di acqua.
  • Condizione ideale per le cellule animali.
• Soluzione ipertonica:
  • Concentrazione di soluti all'esterno più alta rispetto all'interno.
  • L'acqua esce dalla cellula per osmosi.
  • Effetto: disidratazione cellulare (plasmolisi nelle cellule vegetali).

Risposta della cellula animale

• In soluzione ipotonica: l'acqua entra e la cellula può scoppiare.
• In soluzione isotonica: la cellula mantiene la sua forma normale.
• In soluzione ipertonica: la cellula si restringe per perdita di acqua.

Risposta della cellula vegetale

• In soluzione ipotonica: la cellula diventa turgida, ideale per il supporto meccanico.
• In soluzione isotonica: la cellula è flaccida.
• In soluzione ipertonica: si verifica plasmolisi (membrana si stacca dalla parete cellulare).

Le proteine di trasporto facilitano la diffusione di alcune molecole attraverso la membrana

Tipi di trasporto mediato da proteine

1. Diffusione facilitata:
   • Avviene grazie a proteine di membrana.
   • Non richiede energia (trasporto passivo).
   • Consente il passaggio di molecole polari e cariche (es. glucosio, ioni).
2. Proteine di canale:
   • Creano pori specifici attraverso cui le molecole possono passare.
   • Regolate da segnali chimici o elettrici.
3. Proteine carrier:
   • Si legano a una molecola specifica, cambiano conformazione per trasportarla all'interno o all'esterno.

Importanza

• Permettono il passaggio di sostanze che non possono diffondersi liberamente attraverso il doppio strato fosfolipidico.
• Garantiscono la selettività e il controllo degli scambi tra interno ed esterno della cellula.

Le cellule consumano energia per il trasporto attivo di un soluto

Trasporto attivo

• Movimento di molecole contro gradiente di concentrazione.
• Necessita energia sotto forma di ATP.
• Esempio: concentrazione maggiore di soluti all'interno della cellula rispetto all'esterno.

Modalità di trasporto attivo

1. Uniporto:
   • Una singola molecola viene trasportata in una direzione.
2. Simporto:
   • Due molecole trasportate insieme nella stessa direzione (esempio: glucosio e ioni Na+).
3. Antiporto:
   • Due molecole trasportate in direzioni opposte (esempio: scambio di Na+ e K+).

Pompa sodio-potassio

• Un esempio importante di trasporto attivo.
• Trasporta 3 Na+ fuori dalla cellula e 2 K+ dentro la cellula.
• Aiuta a mantenere il gradiente elettrochimico essenziale per:
  • Segnali nervosi.
  • Equilibrio osmotico.

La membrana plasmatica ingloba nella cellula grandi molecole con l'endocitosi

Endocitosi

• Processo attivo per inglobare materiali grandi o specifici dall'ambiente esterno.

Tipi di endocitosi

1. Fagocitosi:
   • La cellula avvolge grandi particelle solide (es. batteri) formando un vacuolo alimentare.
   • Esempio: difesa immunitaria (fagociti).
2. Pinocitosi:
   • La cellula ingloba liquidi o soluzioni diluite in piccole vescicole.
   • Non è specifica: qualunque soluto presente nel liquido viene inglobato.
3. Endocitosi mediata da recettori:
   • Processo altamente specifico.
   • Le molecole si legano a recettori presenti sulla membrana.
   • La membrana si invagina formando una fossetta rivestita che diventa una vescicola.

Importanza

• Trasporto di nutrienti, ormoni, e altre molecole essenziali (esempio: colesterolo nel sangue).

La membrana plasmatica libera sostanze all'esterno della cellula con l'esocitosi

Esocitosi

• Processo mediante il quale la cellula esporta materiale.
• Coinvolge molecole grandi come proteine, polisaccaridi o rifiuti cellulari.

Processo

1. Le sostanze da esportare sono racchiuse in vescicole formate nel citoplasma.
2. La vescicola si fonde con la membrana plasmatica.
3. Le sostanze vengono liberate all'esterno della cellula.

Esempi

• Esportazione di enzimi digestivi da cellule pancreatiche.
• Secrezione di ormoni come l'insulina.
• Rimozione di rifiuti cellulari.

Importanza

• Mantenimento dell'omeostasi.
• Comunicazione tra cellule (es. rilascio di neurotrasmettitori).

Struttura e funzione della membrana cellulare

La membrana cellulare è una componente fondamentale di tutte le cellule viventi. Agisce come una barriera protettiva e regolatrice, separando l'interno della cellula dall'ambiente esterno e controllando il passaggio delle sostanze.

La struttura della membrana cellulare

La membrana cellulare è formata principalmente da:

1. Fosfolipidi:
   • Sono le molecole principali che costituiscono il doppio strato fosfolipidico.
   • Ogni fosfolipide ha una testa polare (idrofila, attratta dall'acqua) e code apolari (idrofobe, respinte dall'acqua).
   • I fosfolipidi si dispongono con le teste rivolte verso l'esterno e le code verso l'interno, creando una barriera semipermeabile.
2. Proteine di membrana:
   • Proteine integrali: attraversano tutto il doppio strato fosfolipidico e fungono da canali o trasportatori.
   • Proteine periferiche: si trovano sulla superficie della membrana e partecipano a funzioni come il riconoscimento cellulare.
   • Proteine di legame: si ancorano al citoscheletro sul lato interno della membrana plasmatica.
   • Proteine-recettore: ricevono e veicolano all'interno della cellula i messaggi chimici provenienti da altre cellule. il processo di trasmissione di un messaggio a molecole che svolgono funzioni specifiche si chiama trasduzione deòl segnale
   • Glicoproteine : implicate nel riconoscimento fra cellule grazie a catene glucidiche che funzionano come targhette di riconoscimento.
   • Proteine di adesione: formano le giunzioni intercellulari.
   • Proteine di trasporto: trasportano molecole attraverso la membrana che ha una permeabilità selettiva.
3. Carboidrati:
   • Si legano alle proteine (glicoproteine) o ai lipidi (glicolipidi) e servono per il riconoscimento cellulare e la comunicazione tra cellule.
4. Colesterolo:
   • È presente nella membrana delle cellule animali e contribuisce a mantenere la fluidità e la stabilità della membrana.

Le funzioni della membrana cellulare

La membrana cellulare svolge molte funzioni essenziali per la vita della cellula:

1. Barriera protettiva:
   • Isola l'interno della cellula dall'ambiente esterno, proteggendo gli organuli.
2. Regolazione del trasporto di sostanze:
   • Controlla quali molecole entrano ed escono dalla cellula grazie alla sua semipermeabilità.
   • Permette il trasporto di molecole piccole, grandi, polari o apolari in base ai meccanismi descritti (diffusione, osmosi, trasporto attivo).
3. Comunicazione cellulare:
   • Le proteine recettori ricevono segnali chimici dall'esterno (es. ormoni) e trasmettono informazioni all'interno della cellula.
4. Riconoscimento cellulare:
   • I carboidrati di superficie permettono alle cellule di riconoscersi tra loro e distinguere cellule amiche da cellule estranee (es. sistema immunitario).
5. Mantenimento dell'omeostasi:
   • Grazie al controllo del passaggio delle sostanze, la membrana aiuta a mantenere condizioni interne costanti, essenziali per la sopravvivenza della cellula.

Modello a mosaico fluido

La struttura della membrana cellulare è descritta dal modello a mosaico fluido: