La membrana cellulare è selettiva, permettendo il passaggio solo di alcune sostanze. Le modalità con cui queste entrano ed escono sono molteplici, alcune non richiedono energia (trasporto passivo), per altre invece è necessario un dispendio energetico (trasporto attivo).
Trasporto Passivo
Il trasporto passivo non richiede energia ed è azionato dal gradiente di concentrazione creato da ciascun lato della membrana. Tale gradiente di concentrazione, attraverso una membrana semipermeabile, crea il flusso osmotico per l'acqua.
Diffusione Semplice
Piccole molecole solubili nei grassi (steroidi, vitamine A, D, E), piccole molecole polari prive di carica come l'acqua, il glicerolo, l'etanolo e i gas (O2, CO2, N2 ecc.) diffondono liberamente attraverso la membrana secondo il gradiente di concentrazione, perciò è un trasporto passivo. La diffusione avviene in entrambi i sensi: se la concentrazione di un composto all'esterno della cellula è maggiore che all'interno, il flusso sarà diretto verso l'interno e viceversa.
Diffusione Facilitata
Alcune molecole non solubili nei grassi, le molecole polari e gli ioni richiedono specifiche proteine integrali che possono combinarsi solo con un composto o con una famiglia di composti molto simili. Si tratta sempre di un trasporto passivo ma, a differenza della diffusione semplice, è saturabile: quando tutte le proteine trasportatrici sono impegnate, il trasporto non può procedere ulteriormente.
Per il passaggio di piccole molecole idrosolubili intervengono le proteine canale, che formano pori transmembrana. In genere i canali si aprono solo in presenza di particolari molecole che, legandosi a specifici recettori, modificano la struttura della proteina. Questi canali non sono molto specifici come lo sono invece i canali ionici per Ca2+, Na+, K+, Cl-.
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Il trasferimento di molecole di grandi dimensioni, come amminoacidi e zuccheri, richiede l'impiego di proteine carrier che si aprono dopo aver riconosciuto la molecola da trasferire. Il trasferimento avviene solo verso l'interno, secondo il gradiente di concentrazione.
Osmosi
L'osmosi è la diffusione passiva di acqua dal lato con minore concentrazione di soluto verso quello a più alta concentrazione. Questo processo è dovuto alla semipermeabilità della membrana, di cui abbiamo già parlato nella pagina delle soluzioni. In parte l'acqua attraversa direttamente il doppio strato fosfolipidico e in parte attraverso molecole proteiche, le acquaporine, presenti specialmente negli organi che richiedo rapidi e importanti flussi di acqua, come i reni. Si tratta di una forma di trasporto facilitato.
Se l'ambiente cellulare è isotonico con l'ambiente interno, non c'è un flusso netto di acqua e la cellula animale si trova nella condizione ideale, mentre quella vegetale richiederebbe una maggiore quantità di acqua, perciò tende ad avvizzire perché la pressione dell'acqua non è abbastanza elevata.
In un ambiente ipotonico l'acqua penetra e si ha la plasmolisi della cellula animale ma quella vegetale, grazie alla parete, non scoppia e la pressione osmotica genera turgore, favorevole alla pianta.
In un ambiente ipertonico si ha un flusso di acqua verso l'esterno e la cellula animale si contrae mentre quella vegetale mantiene la forma ma l'interno si ritira, la membrana si distacca dalla parete e la cellula avvizzisce.
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Trasporto Attivo
Nei casi qui sopra elencati si tende a mantenere la medesima concentrazione di sostanze sia all'interno che all'esterno. Con il trasporto attivo, invece, si arriva ad avere una diversa concentrazione tra l'ambiente esterno e l'interno. L'energia necessaria al trasporto delle sostanze contro il gradiente di concentrazione è fornita dall'idrolisi di ATP.
Il trasporto attivo riguarda le molecole importanti come il glucosio, gli acidi grassi e gli amminoacidi, le sostanze tossiche che devono essere espulse, come l'ammoniaca, e gli ioni Ca2+, Na+, K+, H+, che vengono trascinate all'interno o pompate all'esterno tramite proteine carriers dette pompe, dotate di due siti differenti: uno per il riconoscimento della sostanza da trasportare e l'altro dove si lega la molecola di ATP.
Il carrier (pompa) aggancia il soluto in modo specifico, grazie all'ATP subisce una modificazione strutturale e/o una rotazione verso la parte opposta della membrana, il soluto viene rilasciato dalla parte opposta.
Un esempio di trasporto attivo è la pompa Na+/K+ che espelle continuamente ioni Na+ e porta all'interno ioni K+ in un rapporto di 3 a 2, contro il gradiente di concentrazione, in modo da mantenere una differenza di potenziale tra l'interno e l'esterno: positivo all'esterno e negativo all'interno.
La proteina possiede siti specifici per il sodio e per l'ATP sul lato interno e per il potassio sul lato esterno. All'inizio del ciclo la proteina è aperta verso l'interno ed espone i siti per l'accesso al sodio. Dall'ATP si stacca un gruppo fosfato, con liberazione di energia, il quale si attacca alla pompa modificandone la forma e aprendola verso l'esterno. Gli ioni Na+ escono e permettendo l'accesso agli ioni K+. Il fosfato a questo punto si stacca e la proteina riprende la sua forma originale, cioè si riapre verso l'interno, dove vengono rilasciati gli ioni K+ e ricomincia il ciclo.
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Endocitosi ed Esocitosi
Molecole di grandi dimensioni non possono diffondere all'interno o all'esterno della cellula, né sfruttare le proteine di trasporto.
L'estrusione di materiale dalla cellula, detta esocitosi, avviene mediante fusione di vescicole di secrezione con la membrana plasmatica e il rilascio all'esterno del contenuto.
Con l'endocitosi il materiale è portato all'interno attraverso la formazione di vacuolo alimentare: se il materiale è solido si definisce fagocitosi, pinocitosi se è liquido.
Esiste anche una endocitosi mediata da recettori in cui particolari proteine presenti in fossette della membrana plasmatica si comportano come recettori in grado di riconoscere e legare le molecole che devono essere trasportate.
La membrana plasmatica crea una piccola deformazione verso l'interno, detta invaginazione, nella quale viene catturata la sostanza da trasportare. Questa invaginazione è causata dalle proteine all'esterno della membrana cellulare, che agiscono come recettori, raggruppandosi in depressioni che, alla fine, promuovono l'accumulo di più proteine e lipidi sul lato citosolico della membrana. La deformazione, poi, si stacca dalla membrana all'interno della cellula, creando una vescicola contenente la sostanza catturata.
L'endocitosi è un percorso per l'internalizzazione di particelle solide (fagocitosi), piccole molecole e ioni (pinocitosi) e macromolecole.
Proprio come il materiale può essere introdotto nella cellula mediante invaginazione e formazione di una vescicola, la membrana di una vescicola interna può essere fusa con la membrana plasmatica, espellendo il suo contenuto nell'ambiente circostante. Nel processo di esocitosi, il vacuolo alimentare contenente rifiuti non digeriti, o la vescicola secretoria germogliata dall'apparato di Golgi, viene prima spostato dal citoscheletro interno della cellula alla superficie. La membrana della vescicola entra in contatto con la membrana plasmatica. Le molecole lipidiche dei due doppi strati si riorganizzano e le due membrane vengono, quindi, fuse.
Proteine di Membrana
Le proteine di membrana sono molecole proteiche associate strettamente alla membrana cellulare. Ne esistono di numerosi tipi e svolgono funzioni differenti. Alcune sono legate alla superficie della membrana, altre la attraversano del tutto o in parte. Alcune di queste, collocate nella porzione esterna della membrana a contatto con la matrice extracellulare, presentano all'estremità libera delle componenti glucidiche e sono parte fondamentale del cosiddetto glicocalice. La maggior parte delle proteine di membrana non sono collocate in una posizione fissa, ma sono libere di muoversi secondo lo schema della membrana a mosaico fluido.
Alcune proteine presenti sulla membrana cellulare sono semplicemente legate alla membrana fosfolipidica. Queste proteine sono dette estrinseche (o periferiche), e possono aderire al lato interno della membrana cellulare, trovandosi quindi a contatto con il citosol, o possono ritrovarsi all'esterno, a contatto con la matrice extracellulare. Il legame con la membrana può essere di diversi tipi: legami non covalenti, ad esempio legami a idrogeno, o legami covalenti con i fosfolipidi. Tali legami possono essere diretti o mediati da piccole molecole di zucchero.
Le proteine intrinseche (o integrali), invece, possiedono una porzione idrofobica e attraversano, del tutto o in parte, la membrana. Alcune fuoriescono solo da un lato (internamente o esternamente), altre da entrambi i lati. Queste ultime sono dette proteine trans-membrana e spesso mettono in comunicazione l'esterno e l'interno della cellula.
Funzioni delle Proteine di Membrana
Le proteine presenti sulla membrana cellulare svolgono una molteplicità di funzioni. Innanzitutto, partecipano alla composizione strutturale della membrana e, come detto, alla formazione del glicocalice. Il passaggio di ioni attraverso la membrana può avvenire secondo gradiente (senza consumo di energia) o contro gradiente (con consumo di energia).
I canali ionici sono responsabili del passaggio secondo gradiente e sono formati, in genere, da più sub-unità proteiche trans-membrana che si uniscono a formare una struttura tridimensionale che attraversa la membrana e al cui interno è presente un poro acquoso in cui possono fluire gli ioni. Una prima forma di selezione è determinata dalla presenza di specifici amminoacidi all'estremità, dotati di carica elettrica, che selezionano gli ioni in base alla polarità. La forma e la dimensione delle aperture, poi, selezionano anche il tipo specifico di ione in grado di attraversarli.
Questa classe di proteine di membrana è in grado di permettere il trasporto secondo gradiente di concentrazione di grosse molecole idrofile, come gli zuccheri. La superficie esterna di queste proteine è in grado di riconoscere la molecola specifica e, una volta legata ad essa, cambia conformazione, trasportandola dal lato opposto della membrana e rilasciandola.
Altri complessi proteici trans-membrana sono responsabili del trasporto contro gradiente di ioni o macromolecole con consumo di ATP. Un esempio di trasporto attivo primario è definito dalle pompe P, come ad esempio le pompe sodio/potassio che trasferiscono contro gradiente sodio verso l'esterno e potassio verso l'interno della cellula.
Le pompe P legano l'ATP, lo idrolizzano e utilizzano il fosfato liberato per fosforilare una delle proprie subunità. Il legame col fosfato causa un cambiamento conformazionale nella pompa, che diviene in grado di accogliere uno (o più) ioni.
Il trasporto attivo secondario è legato al passaggio contro gradiente di macromolecole come ad esempio gli zuccheri, e avviene attraverso il trasporto accoppiato di ioni. Gli ioni possono essere trasportati nella stessa direzione delle macromolecole (sinporto) oppure in direzione opposta (antiporto).
Una altra classe di proteine di membrana fondamentali sono quelle legate alla trasduzione del segnale. Queste proteine, dette recettori, possiedono un dominio, nella porzione esterna, in grado di riconoscere la molecola segnale (ligando). L'unione col ligando causa una modificazione conformazionale della proteina nella sua porzione citosolica, che può agire attivando un canale ionico (e quindi andando a cambiare l'equilibrio ionico intracellulare che a sua volta determina l'avvio di altre reazioni) oppure andando ad interagire con altre proteine di membrana, di tipo estrinseco, posizionate sulla superficie interna della membrana.
Proteine di Trasporto Multisubstrato: la Glicoproteina P (Pgp)
Le loro funzioni e il loro impatto sui farmaci possono essere esemplificate dalla glicoproteina P (Pgp) che è un membro della superfamiglia ABC (ATP binding cassette) ed è la più diffusa e più studiata. La sua capacità di estrudere dalla cellula una gran varietà di molecole lipofile fa sì che essa sia in grado di interferire con l’assorbimento di molti farmaci e con il loro passaggio attraverso le barriere fisiologiche come la barriera ematoencefalica.