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La cellula

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.

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