Come le sostanze entrano ed escono dalle cellule

COME LE SOSTANZE ENTRANO ED ESCONO DALLE CELLULE

Nei sistemi viventi, la regolazione degli scambi di sostanze fra organismo vivente e mondo non vivente si verifica a livello di ogni singola cellula attraverso la membrana cellulare. Negli organismi pluricellulari, la membrana cellulare ha il compito di regolare gli scambi di sostanze fra le diverse cellule specializzate che costituiscono l'organismo. Il controllo di questi scambi è importante per difendere l'integrità di ogni cellula, mantenere nei limiti le condizioni del pH e di concentrazione degli ioni che permettono alle attività metaboliche di avere luogo e coordinare le attività delle diverse cellule.

Oltre alla membrana cellulare, che controlla il passaggio delle sostanze fra la cellula e l'ambiente circostante, esistono membrane interne che controllano il movimento di sostanze tra i vari compartimenti della cellula, consentendo alla cellula di conservare inalterati gli ambienti chimici specializzati, indispensabili per i processi dei differenti organuli.

Le membrane della cellula devono tenere fuori alcune sostanze facendone entrare altre e trattenere dentro delle sostanze facendone uscire altre.

Fra tutte le molecole che circondano la cellula e che sono contenute in essa, la molecola d'acqua è la più comune.

MOVIMENTO DELL'ACQUA E DEI SOLUTI

Le molecole d'acqua si spostano da una zona ad un'altra a causa della differenza di energia potenziale. L'energia potenziale è una forma di energia accumulata da un oggetto come conseguenza della sua posizione. L'energia potenziale dell'acqua è detta potenziale idrico.

L'acqua si sposta da una regione a potenziale idrico maggiore a una regione a potenziale idrico minore; la pressione è una fonte di potenziale idrico.

Nelle soluzioni, il potenziale idrico è influenzato dalla concentrazione delle particelle disciolte. A mano a mano che aumenta la concentrazione delle particelle dei soluti, diminuisce la concentrazione delle molecole d'acqua.

Le molecole d'acqua presenti nelle soluzioni, si muovono da regioni a minore concentrazione dei soluti (a maggiore potenziale idrico) a regioni di maggiore concentrazione di soluti (a minore potenziale idrico).

Al movimento dell'acqua e dei soluti sono interessati due meccanismi: il flusso di massa e la diffusione. Nei sistemi viventi, il flusso di massa sposta l'acqua e i soluti da una parte all'altra di un organismo pluricellulare; la diffusione è importante per il movimento di molecole e ioni verso, fuori e attraverso le cellule. L'osmosi è la diffusione dell'acqua attraverso una membrana che separa soluzioni di concentrazione differente.

o      Flusso di massa

Il flusso di massa è il movimento complessivo di un liquido: le molecole si muovono tutte insieme e nella stessa direzione.

o      Diffusione

Se versiamo alcune gocce di colorante in un recipiente pieno d'acqua, le molecole di colorante si distribuiranno in tutto il recipiente; ogni molecola si muoverà individualmente e a caso, ma si vedranno più molecole di colorante passare dalla zona con concentrazione di colorante maggiore alla zona in cui è minore. Questo accade perché in una delle due parti del recipiente ci sono più molecole di colorante.

Le sostanze che si spostano da una regione in cui la concentrazione delle loro molecole è maggiore a una regione in cui la concentrazione è minore si muovono secondo gradiente. La diffusione avviene solo secondo gradiente: tanto più grande è la differenza di concentrazione, tanto più veloce è la diffusione.

Le molecole passano da una regione con energia potenziale maggiore a una regione con energia potenziale minore.

La distribuzione uniforme non influisce sul comportamento delle singole molecole. Quando le molecole hanno raggiunto uno stato di distribuzione uguale, quando non ci sono più gradienti, sono in equilibrio dinamico.

o      Cellule e diffusione

Acqua, ossigeno e anidride carbonica diffondono liberamente attraverso le membrane cellulari; l'anidride carbonica e l'ossigeno, molecole non polari, sono solubili nei lipidi e attraversano il doppio strato lipidico della membrana; nonostante la loro polarità, le molecole d'acqua attraversano la membrana, utilizzando aperture temporanee prodotte dai movimenti spontanei dei lipidi di membrana. La permeabilità della membrana ai soluti è inversamente proporzionale alle dimensioni delle molecole, le aperture sono piccole e la membrana agisce come filtro.

La diffusione è il meccanismo mediante cui le sostanze si spostano all'interno delle cellule.

Le cellule mantengono un alto gradiente di concentrazione grazie alle attività metaboliche, accelerando la diffusione. L'anidride carbonica è prodotta via via che la cellula ossida molecole combustibili per produrre energia: c'è una maggior concentrazione di anidride carbonica dentro la cellula rispetto a fuori, mantenendo un gradiente tra interno ed esterno e diffondendo l'anidride carbonica secondo tale gradiente. L'ossigeno è consumato dalla cellula nel corso delle sue attività, per cui l'ossigeno dell'ambiente tende ad entrare nelle cellule per diffusione secondo gradiente. All'interno di una cellula, molecole e ioni vengono prodotti in una zona e utilizzati in un'altra: si viene a determinare un gradiente di concentrazione fra le due zone e la sostanza diffonde secondo gradiente dalla zona di produzione a quella di utilizzo.

o      Osmosi: un particolare tipo di diffusione

Una membrana che permette il passaggio solo di alcune sostanze è detta selettivamente permeabile; il movimento di molecole d'acqua attraverso una membrana tale è un caso di diffusione detto osmosi.

Essa consiste in un trasferimento netto d'acqua da una soluzione a potenziale idrico maggiore a una soluzione a potenziale idrico minore. Il movimento dell'acqua per osmosi avviene da una regione di minor concentrazione di soluto a una regione a maggior concentrazione. La diffusione dell'acqua è influenzata da quanto è disciolto in essa, cioè dalla concentrazione delle particelle di soluto presenti nell'acqua.

Soluzioni che hanno un ugual numero di particelle disciolte per unità di volume, con lo stesso potenziale idrico, sono dette isotoniche; non c'è un netto movimento di acqua attraverso una membrana che separi due soluzioni isotoniche.

La soluzione meno concentrata (con maggiore potenziale idrico) è detta ipotonica, quella più concentrata (con minore potenziale idrico) è detta ipertonica.

Nell'osmosi, le molecole d'acqua diffondono attraverso una membrana selettivamente permeabile da una soluzione ipotonica ad una ipertonica.

o      Osmosi e organismi viventi

Il movimento osmotico dell'acqua attraverso una membrana cellulare selettivamente permeabile pone ai sistemi viventi alcuni problemi, che variano a seconda che la cellula sia ipotonica, ipertonica o isotonica rispetto all'ambiente.

o      Potenziale osmotico

Il potenziale idrico di due soluzioni separate da una membrana selettivamente permeabile diventerebbe uguale se si spostasse dalla soluzione ipotonica a quella ipertonica un quantitativo sufficiente di acqua. Se delle barriere fisiche impedissero l'aumento di volume della soluzione ipertonica conseguente all'apporto di acqua per osmosi, si verificherebbe un aumento della resistenza dovuto alle molecole d'acqua che continuano ad attraversare la membrana. Questa resistenza è causata da un aumento della pressione che fa aumentare il potenziale idrico della soluzione ipertonica, diminuendo il gradiente del potenziale idrico tra le due soluzioni.

La pressione osmotica è la pressione richiesta per arrestare il movimento osmotico dell'acqua all'interno di una soluzione. Essa è la misura del potenziale osmotico della soluzione, cioè della tendenza dall'acqua ad attraversare una membrana.

o      Turgore

Le cellule vegetali sono ipertoniche rispetto all'ambiente che le circonda, perciò l'acqua tende a diffondere al loro interno. Questo spostamento d'acqua dentro la cellula crea una pressione interna contro la parete cellulare che fa ingrossare le cellule dilatando le loro pareti.

Le cellule vegetali hanno un alto potenziale osmotico, cioè l'acqua ha una forte tendenza ad entrare nelle cellule.

La pressione dell'acqua che si esercita all'interno sulle pareti cellulari, è detta turgore, che mantiene rigida la parete cellulare e mantiene eretta la pianta; quando il turgore diminuisce, per una perdita d'acqua, la pianta avvizzisce.

TRASPORTO PER MEZZO DI PROTEINE

Le membrane cellulari sono permeabili a sostanze come l'acqua, l'ossigeno e l'anidride carbonica, che le attraversano per diffusione. Il trasporto di altre sostanze dipende dalle proteine integrali di membrana, che agiscono come vettori, trasportando le molecole. La configurazione della proteina determina quale molecola può essere trasportata.

Alcune proteine trasportatrici fanno passare le sostanze attraverso la membrana soltanto secondo gradiente: questo tipo di trasporto è detto diffusione facilitata, che è guidata dall'energia potenziale di un gradiente di concentrazione; è un processo passivo, che non richiede dispendio di energia da parte della cellula.

Altre proteine trasportatrici spostano le molecole contro un gradiente di concentrazione, con un processo detto trasporto attivo, che richiede un dispendio di energia da parte della cellula.

o      Un esempio di trasporto attivo: la pompa sodio - potassio

Le cellule animali mantengono all'esterno della membrana una concentrazione maggiore di ioni Na⁺, e una concentrazione minore di ioni K⁺. Questi gradienti di concentrazione, importanti per il mantenimento dell'equilibrio osmotico e per il controllo del volume della cellula, sono prodotti da un sistema di trasporto attivo detto pompa sodio - potassio.

La pompa sodio - potassio usufruisce dell'energia resa disponibile dall'ATP, la forma di energia più facilmente spendibile dalla cellula.

Il pompaggio degli ioni Na⁺ e K⁺ è effettuato da una proteina di trasporto che ha due configurazioni alternative: la prima ha una cavità che si adatta agli ioni Na⁺ aperta verso l'interno della cellula, la seconda ha una cavità che si adatta agli ioni K⁺ aperta verso l'esterno.

Uno ione Na⁺ presente nel citosol si adatta alla proteina di trasporto; l'idrolisi di una molecola di ATP attacca un gruppo fosfato alla proteina liberando ADP. Questo processo provoca un cambiamento nella configurazione della proteina generando la liberazione dello ione Na⁺ all'esterno della cellula.

Uno ione K⁺ presente al di fuori della cellula si lega alla proteina di trasporto, da cui si stacca il gruppo fosfato, producendo un ritorno alla configurazione precedente, e lo ione K⁺ viene liberato nel citosol.

TRASPORTO MEDIATO DA VESCICOLE

Le proteine di trasporto non si adattano a molecole grandi o a grosse particelle: queste vengono trasportate da vescicole o vacuoli che fuoriescono dalla membrana cellulare o che si fondono con essa. Le vescicole, prodotte dall'apparato di Golgi, si spostano verso la superficie della cellula, si fondono con la membrana cellulare ed espellono il loro contenuto: questo processo è detto esocitosi.

Nell'endocitosi, la sostanza che deve essere trasportata all'interno della cellula fa ripiegare verso l'interno la membrana producendo una vescicola che racchiude la sostanza. Questa vescicola viene poi liberata nel citoplasma. Si conoscono tre tipi di endocitosi: la fagocitosi, la pinocitosi e l'endocitosi mediata da recettori.

Quando la sostanza è solida, il processo è chiamato fagocitosi; l'entrata di liquidi, separata da particelle solide, è chiamata pinocitosi, che si attua in tutte le cellule eucariote poiché esse assumono in modo continuo i liquidi dalle sostanze circostanti.

Nell'endocitosi mediata da recettori, particolari proteine di membrana vengono utilizzate come recettori di specifiche molecole. Le vescicole che contengono i recettori e le molecole trasportate acquistano un rivestimento esterno fatto di clatrina.

GIUNZIONI CELLULA - CELLULA

Negli organismi pluricellulari, le cellule sono organizzate in tessuti, gruppi di cellule specializzate che svolgono una funzione comune, coordinati, a loro volta, nella formazione di organi, ognuno dei quali svolge un compito per una determinata funzione.

Le comunicazioni tra le cellule sono effettuate per mezzo di segnali chimici, da sostanze che vengono trasportate fuori della cellula verso un'altra cellula. Quando queste sostanze raggiungono la membrana della cellula bersaglio, possono essere trasportate all'interno della cellula oppure possono legarsi a specifici recettori di membrana, innescando cambiamenti chimici all'interno della cellula.

Nelle cellule delle piante, separate tra loro da pareti cellulari, dei canali chiamati plasmodesmi attraversano le pareti, mettendo in collegamento il citoplasma con le cellule adiacenti.

Nei tessuti animali, le giunzioni comunicanti permettono il passaggio di sostanze fra le cellule.