TRASPORTO CELLULARE
Movimento di molecole e ioni
attraverso la membrana plasmatica
Le membrane cellulari agiscono
da barriere semipermeabili per la
maggior parte delle molecole
Questa selezione nel passaggio di
sostanze rappresenta uno dei passi
evolutivi più importanti per le cellule
Tipi di trasporto attraverso le
membrane
Diffusione passiva: semplice, osmosi, facilitata.
(non richiede energia)
Trasporto attivo: diretto e indiretto
(richiede energia)
DIFFUSIONE PASSIVA
SEMPLICE
il movimento dell’acqua o di un soluto sia esso una
molecola o ione, da una area ad alta concentrazione
ad una a bassa concentrazione si definisce diffusione
SEMPLICE
Tutti i sistemi (la materia) tendono ad un minimo di energia,
nel quale si attua l’equilibrio.
Un sistema ad alta energia si definisce ad alto potenziale
energetico.
Quindi i sistemi passano da uno stato ad alto potenziale ad
uno a basso potenziale energetico.
Tra i due stati (a basso ed ad alto potenziale) esiste quindi una
differenza di potenziale (ddp).
Grazie alla differenza di potenziale si crea il flusso di materia
che attua la diffusione.
Quando la ddp scompare e il sistema raggiunge l’equilibrio,
la diffusione cessa.
La ddp fra due sistemi A e B tenderà a zero durante la
diffusione.
La diffusione passiva cessa quando la ddp sarà 0
Il sistema A avrà inizialmente una energia potenziale
maggiore di quella del sistema B
Energia A > Energia B
Per diventare:
Energia A = Energia B
Durante questo processo si libera energia, persa dal
sistema A
DIFFUSIONE PASSIVA SEMPLICE DI PARTICELLE DI
SOLUTO IN ACQUA ATTRAVERSO UNA MEMBRANA
SEMIPERMEABILE
Diffusione Passiva: Semplice
• I gas, l’anidride carbonica e l’ossigeno sono le molecole
che diffondono attraverso la membrana plasmatica per
diffusione semplice.
• Le soluzioni ipertoniche sono quelle ricche di soluto, le
ipotoniche quelle povere di soluto, rispetto ad una
soluzione di controllo.
• Le soluzioni isotoniche hanno la stessa concentrazione di
soluto della soluzione di controllo.
• Il confronto viene fatto fra l’ambiente intracellulare e
quello extracellulare.
Diffusione Passiva: osmosi
L’osmosi è il movimento dell’H2O da una camera dove
il soluto è più diluito verso una camera dove il soluto
è più concentrato.(la membrana che separa i due
compartimenti deve essere impermeabile al soluto)
L’H2O tende a diluire la soluzione più concentrata sino
all’equilibrio.
Il termine osmosi indica quindi la diffusione passiva del solvente
attraverso una membrana semipermeabile dal compartimento
a maggior potenziale idrico (concentrazione minore di soluto)
verso il compartimento a minor potenziale idrico (concentrazione
maggiore di soluto), quindi contro il gradiente di concentrazione.
acquaporine
• L'acqua, è una molecola polare e grazie a queste sue
proprietà chimico-fisiche, le molecole d'acqua, diffondono
difficilmente attraverso le membrane biologiche
• Affinché l'acqua possa attraversare una membrana
biologica, è necessaria la presenza di canali proteici
specifici per il trasporto dell'acqua. Tali canali sono
chiamati acquaporine.
Il trasporto dell'acqua, avviene per diffusione facilitata,
cioè senza dispendio energetico, infatti, il passaggio
dell'acqua da una parte all'altra della membrana, avviene
secondo osmosi.
Le emazie perdono acqua per osmosi quando immerse in soluzione ipertonica al
contrario assumono acqua se immerse in soluzione ipotonica (fino a lisare). Tutto
ciò accade per osmosi (diffusione passiva del solvente).
Le cellule vegetali poiché possiedono la parete cellulare oltre alla membrana
plasmatica, non lisano se immerse in soluzione ipotonica e mantengono la
forma di origine anche se immerse in soluzione ipertonica. Questo grazie ad
un vacuolo che assorbe o perde l’acqua.
La cellula può attivamente controllare la sua
pressione osmotica
• Il Paramecio e altri protozoi possono controllare la
loro pressione osmotica. Essi sono in genere
iperosmotici rispetto all’ambiente extracellulare.
• In questo caso l’acqua tenderebbe ad entrare nella
cellula.
• I protozoi possiedono il vacuolo contrattile che
assorbe e pompa all’esterno l’acqua che entra.
• Tale trasporto però richiede energia
Diffusione passiva: facilitata
• La diffusione facilitata di ioni o piccole molecole
avviene attraverso proteine di membrana o gruppi
di proteine di membrana.
• Attraverso i canali formati da queste proteine gli
ioni e le molecole passano per diffusione passiva
secondo la legge della differenza di potenziale.
• I canali possono essere chiusi o aperti
• sono noti cinque tipi di canale.
La diffusione facilitata non è un trasporto attivo
• Sebbene è necessaria l’idrolisi dell’ATP per aprire
il canale proteico, lo ione o la molecola
diffondono passivamente attraverso di esso
secondo il gradiente di concentrazione intra ed
extracellulare.
Passaggio di soluto
Canali proteici per diffusione facilitata
• Controllati dal ligando (molecola che si lega
alla proteina canale)
• controllati meccanicamente
• controllati dal voltaggio
• controllati dalla luce
Canali controllati dal ligando
• Molti canali ionici sono controllati (aperti o
chiusi) da un ligando intra- o extracellulare,
diverso dalla molecola da trasportare.
• Un esempio di ligando esterno è l’acetilcolina, che
apre i canali per il sodio, scatenando la
contrazione muscolare.
• I ligandi interni si legano ad una proteina dal lato
citosolico. cAMP e cGMP (secondi messaggeri)
aprono i canali dei neuroni
Canale controllato meccanicamente
• Le stereocilia delle cellule capellute dell’orecchio
interno, vengono stimolate dal suono e aprono
canali ionici, creando un impulso nervoso che il
cervello interpreta come suono.
Canali controllati dal voltaggio
• Le cellule dette “eccitabili”, come i neuroni e le
cellule muscolari, possiedono canali che si aprono
o chiudono in risposta al mutamento delle cariche
della membrana plasmatica (polarizzazione della
membrana)
Canali controllati dalla luce
• I canali proteici si aprono rapidamente dopo
aver assorbito un fotone rendendo possibile
il passaggio di cationi mono e divalenti.
La batteriorodopsina è una proteina di trasporto ionico attivata
dalla luce, così come la ChR1 (canalerodopsina), identificata nelle
alghe verdi. La luce provoca il generarsi di corrente elettrica che
muta la conformazione della proteina. Queste proteine trasportatrici
sono state anche osservate negli anfibi e nei mammiferi
Diffusione facilitata di molecole
• Oltre agli ioni piccole molecole idrofile (zuccheri)
possono attraversare la membrana.
• Anche in questo caso sono necessarie proteine
intrinseche di membrana.
• Anche in questo caso la molecola si muove per
diffusione semplice.
• Le proteine di membrana sono selettive per il
trasportato e si aprono quando si instaura il legame
con il trasportato.
Trasporto Attivo
Il trasporto attivo avviene contro
gradiente di concentrazione
Il trasporto attivo richiede energia
(ATP)
Tipi di trasporto attivo
• Trasporto attivo diretto
• Trasporto attivo indiretto
Trasporto attivo diretto
• L’ATP si lega direttamente alla proteina di
membrana di trasporto
• l’idrolisi dell’ATP libera energia necessaria per il
trasporto
Trasporto attivo indiretto
• L’energia accumulata
dalla diffusione facilitata
(cioè l’energia che deriva
dalla diminuzione del
potenziale energetico in
seguito al trasporto verso
un gradiente più basso)
viene rilasciata e utilizzata
per trasportare un’altra
molecola.
• in questo caso il
trasporto attivo si
coniuga con il
trasporto passivo.
Trasporto attivo diretto I
• La Na+/K+ ATPasi
• il citoplasma delle cellule contiene potassio ad una
concentrazione 20 volte più alta dell’ambiente
extracellulare. Al contrario la concentrazione di sodio è 10
volte più alta nell’ambiente extracellulare.
• Nonostante il diverso gradiente la cellula trasporta tre ioni
sodio all’esterno e due ioni potassio all’interno
(ANTIPORTO)
• la concentrazione di questi ioni è mantenute dal trasporto
attivo attuato dalla pompa Na+/K+ ATPasi
Trasporto attivo diretto II
• La pompa H+/K+ ATPasi
• le cellule parietali dello stomaco usano questa pompa per
produrre il succo gastrico.
• Queste cellule trasportano protoni (H+) dall’interno (bassa
concentrazione) all’esterno (alta concentrazione) , quindi
acidificano il succo gastrico ad un pH di circa 1
• tale trasporto richiede una enorme quantità di energia e
infatti queste cellule sono ricche di mitocondri.
Trasporto attivo diretto III
• Ca2+ ATPasi delle cellule muscolari striate
• le cellule muscolari striate a riposo hanno una
concentrazione di calcio nel reticolo endoplasmatico
(REL) più alta di quella del citoplasma.
• Il passaggio del calcio (per diffusione facilitata) dal REL al
citoplasma permette la contrazione muscolare.
• Dopo la contrazione il Calcio è pompato nuovamente nel
REL per trasporto attivo diretto.
• La pompa Ca2+ ATPasi per ogni molecola di ATP pompa
2 ioni calcio nel REL
Trasporto attivo indiretto
• Il trasporto attivo indiretto sfrutta il flusso di ioni per
trasportare altre molecole nella stessa (SINPORTO) o in
direzione diversa (ANTIPORTO).
Trasporto attivo indiretto I
• SIMPORTO
• trasportatore Na+/glucosio
• tale proteina permette al sodio e al glucosio di entrare
assieme
• l’energia che si ottiene dalla diffusione del sodio verso il
gradiente più basso viene utilizzata dal glucosio per
entrare.
• Il sodio in seguito verrà pompato fuori dalla cellula contro
gradiente con il trasporto attivo diretto (Na+/K+ ATPasi)
Trasporto attivo Indiretto II
• Il trasportatore Na+/iodio
• questo trasportatore pompa iodio dentro le cellule della
tiroide per sintetizzare la tiroxina.
Trasporto attivo indiretto III
• ANTIPORTO
• nelle pompe antiporto uno ione fluisce in una direzione
generando energia per il trasporto attivo di una molecola
che fluisce in senso opposto
• il magnesio è pompato fuori dalle cellule dal sodio
• la Na+/K+ ATPasi è anche una pompa ad antiporto poiché
pompa Na+ fuori e K+ dentro le cellule.
Anche l’endocitosi e l’esocitosi rappresentano un tipo di
trasporto