Il trasporto dei materiali attraverso la membrana plasmatica
Per soddisfare le sue esigenze biologiche di adattamento all'ambiente e di riproduzione, la cellula deve introdurre al suo interno i materiali che le servono per la nutrizione e la respirazione e, al tempo stesso, eliminare i prodotti di rifiuto (escrezione).
Il passaggio di materiali tra l'ambiente interno della cellula e l'ambiente extracellulare è regolato dalla membrana plasmatica. Il suo doppio strato lipidico costituisce una barriera invalicabile per la maggior parte delle grosse molecole biologiche che sono polari e idrosolubili e degli ioni, per consentire il passaggio delle grosse molecole e degli ioni necessari alla vita della cellula, intervengono le proteine della membrana, alcune delle quali formano pori o canali, mentre altre sono dotate di siti di legame per specifiche molecole. Per le sue caratteristiche selettive riguardo il passaggio di molecole e ioni, la membrana plasmatica viene detta semipermeabile.
Il passaggio delle sostanze attraverso la membrana può avvenire secondo due meccanismi: il primo non implica consumo di energia e viene detto trasporto passivo; il secondo comporta consumo di energia da parte della cellula e si distingue in trasporto attivo, endocitosi ed esocitosi.
Il trasporto passivo
Il trasporto passivo è il movimento di sostanze in soluzione attraverso la membrana che non richiede dispendio di energia da parte della cellula. La membrana non interferisce sulla direzione del movimento delle particelle, poiché questo avviene grazie all'esistenza di gradienti, cioè di differenze di concentrazione: le particelle si muovono spontaneamente da zone ad alta concentrazione a zone a bassa concentrazione, quali quelle esistenti rispettivamente all'esterno e all'interno della membrana stessa (il movimento procede fino all'instaurarsi di condizioni di equilibrio). In altre parole, il movimento delle particelle avviene sfruttando l'energia potenziale dovuta alla presenza del gradiente di concentrazione.
Esistono tre forme di trasporto passivo: la diffusione semplice, la diffusione facilitata e l'osmosi.
La diffusione semplice è il movimento di gas o molecole
liposolubili attraverso il doppio strato fosfolipidico della membrana
plasmatica.
La velocità di diffusione è influenzata dalla concentrazione della sostanza che
diffonde, dalla temperatura e dalla pressione. La diffusione prosegue finché non
viene annullato il gradiente di concentrazione, quando cioè la concentrazione
del gas o della molecola diventa uguale ai due lati della membrana.
La diffusione facilitata è il trasporto di ioni,
amminoacidi e monosaccaridi mediato da proteine della membrana. Alcune di queste
(proteine canale) possono formare dei canali permanenti attraverso la membrana.
Altre proteine (trasportatori) possiedono dei siti di legame specifici per
determinate molecole; una volta avvenuto il legame, il trasportatore modifica la
propria forma e, di conseguenza, la molecola legata viene trasferita e liberata
dall'altro lato della membrana. Poiché la membrana plasmatica ha un numero
limitato di trasportatori, la velocità della diffusione facilitata è minore di
quella della diffusione semplice.
L'osmosi è la diffusione dell'acqua attraverso la
membrana plasmatica. Il passaggio dell'acqua è consentito dalla presenza di pori
formati dall'assemblaggio di un certo numero di proteine intrinseche. L'osmosi
termina quando viene raggiunto l'equilibrio osmotico: in queste condizioni, la
velocità del flusso d'acqua ai due lati della membrana plasmatica è uguale nei
due sensi e non vi è più un passaggio netto di molecole da un lato all'altro.
Le tre forme di trasporto passivo, dipendendo da
differenze (gradienti) di concentrazione, sono reversibili, cioè avvengono in un
senso o nell'altro a seconda del gradiente.
Il trasporto attivo
Il trasporto attivo è il movimento di materiali
attraverso la membrana plasmatica contro il gradiente di concentrazione (cioè da
zone a bassa concentrazione a zone ad alta concentrazione) e con consumo di
energia da parte della cellula. Le sostanze trasportate dall'interno all'esterno
possono essere prodotti di rifiuto (la cui presenza, anche in quantità
piccolissime, potrebbe danneggiare la cellula); quelle trasportate dall'esterno
all'interno sono sostanze nutritive presenti in bassa concentrazione
nell'ambiente extracellulare e ioni che devono essere presenti nella cellula a
concentrazioni inferiori rispetto a quelle del liquido extracellulare.
Il trasporto attivo è regolato da proteine intrinseche
della membrana (chiamate pompe perché spostano molecole contro il gradiente di
concentrazione), provviste di siti di legame per una molecola specifica da
trasportare e per l'ATP
. L'idrolisi (scissione)
dell'ATP fornisce l'energia necessaria alla proteina trasportatrice per cambiare
forma e trasportare la molecola attraverso la membrana. Una volta liberata la
molecola, la proteina trasportatrice riacquista la configurazione originaria.
L'endocitosi e l'esocitosi sono due forme di trasporto
attivo alle quali la cellula ricorre se le sostanze che deve introdurre o
eliminare sono interi batteri o macromolecole molto grandi.
L'endocitosi è il trasporto di materiali all'interno
della cellula per mezzo di vescicole. La cellula circonda la particella da
introdurre con la sua membrana plasmatica, fino a inglobarla in una vescicola
che poi si fonde con un lisosoma
; all'interno di quest'ultimo la
particella assunta viene demolita dagli enzimi proteolitici. L'endocitosi
rappresenta il metodo di assunzione degli alimenti di alcuni protozoi come
l'ameba. In questo caso il processo prende il nome di fagocitosi: l'ameba
circonda l'alimento con prolungamenti del citoplasma detti pseudopodi, quindi lo
ingloba e lo digerisce servendosi dei propri lisosomi. Anche i globuli bianchi
del sangue ricorrono alla fagocitosi per inglobare e distruggere batteri e altri
corpi estranei.
L'esocitosi è il trasporto di materiali al di fuori della
cellula. In pratica, è l'opposto dell'endocitosi: le sostanze che devono essere
rimosse dalla cellula vengono racchiuse in un vacuolo, che si sposta fino alla
periferia della cellula in modo da fondersi con la membrana plasmatica.