Osmosi e trasporto attivo
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Osmosi e trasporto attivo

Analisi dei meccanismi di trasporto cellulare: osmosi, trasporto attivo, trasporto mediato, proteine transmembranarie.

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L'osmosi è il passaggio di acqua da una soluzione meno concentrata ad una che lo è maggiormente, separate fra loro da una membrana semipermeabile, ossia una membrana permeabile all'acqua ma non ai soluti. Il meccanismo si spiega per via della tendenza dell'acqua a spostarsi da una zona in cui il suo potenziale chimico è alto verso una in cui il suo potenziale chimico è basso e, la presenza di un soluto, tende ad abbassarlo.
Ipotizziamo di separare con una membrana semipermeabile due contenitori A e B. Nel contenitore A metteremo acqua+soluto, nel contenitore B solo acqua. Per effetto dell'osmosi l'acqua tenderà a defluire da B verso A (dove si trova un potenziale chimico minore). Applicando una pressione meccanica ad A (per mezzo di un pistone) possiamo aumentare nuovamente il suo potenziale chimico facendo tornare l'acqua verso B. La pressione alla quale i liquidi sono in equilibrio è definita pressione osmotica. La pressione osmotica, com'è facile intuire, dipenderà dal numero di particelle in soluzione. Confrontando la pressione osmotica di due soluzioni per pressioni uguali diremo che sono isosmotiche, se A ha una pressione osmotica maggiore sarà iperosmotica rispetto a B che, a sua volta, sarà iposmotica rispetto ad A.

A livello cellulare, essendo le membrane plasmatiche molto permeabili all'acqua e scarsamente permeabili ai soluti, tenderanno a disidratarsi per osmosi se poste in un ambiente la cui concentrazione extracellulare di soluto è elevata (e quindi a pressione osmotica bassa rispetto all'interno della cellula). I soluti diffusibili attraverso le membrane, raggiungono l'equilibrio senza necessità di spostare il solvente (l'acqua) ma transitando attraverso le membrane. Tali regole sono da tener presenti nel momento in cui si pone una cellula in una soluzione contenente soluti diffusibili e non diffusibili.

    Riassumendo:
  • il volume cellulare allo stato stazionario è determinato esclusivamente dalla concentrazione di particelle non diffusibili nel liquido extracellulare
  • particelle diffusibili provocano solo variazioni transitorie del volume cellulare
  • la rapidità delle variazioni transitorie è tanto maggiore quanto meno la membrana risulta essere permeabile alle particelle diffusibili

Trasporto mediato

Il trasporto mediato avviene grazie a proteine transmembranarie che fungono da canale per il passaggio di determinati ioni o molecole, o da trasportatori specifici. Tale trasporto può essere attivo o facilitato. Nel primo caso, la caratteristica peculiare, risiede nella capacità di trasportare una sostanza anche contro il suo gradiente di concentrazione, nel secondo caso (trasporto facilitato) nella capacità di equilibrare le sostanze ai lati della membrana. Ne risulterà che, il trasporto mediato, è più veloce di rispetto a quello di altre molecole simili ma che diffondono attraverso la membrana, la velocità di trasporto aumenta all'aumentare della concentrazione della sostanza da trasportare, sino a raggiungere un equilibrio da saturazione di sostanza trasportata. Le proteine che veicolano le molecole sono specifiche per una categoria di sostanze e, molecole con struttura simile, possono competere per il trasportatore. Il trasporto può essere inibito da composti che possiedono struttura simile al substrato del sistema.

Il trasporto facilitato si avvale di una proteina trasportatrice e non richiede energia metabolica, pertanto non è in grado di trasportare molecole contro il gradiente di concentrazione. I monosaccaridi (glucosio, galattosio ecc.) entrano nella cellula tramite questo tipo di trasporto. La velocità mostra una cinetica di saturazione come poc'anzi descritto. L'assunzione cellulare di zuccheri è facilitata dall'insulina ed ostacolata dalla floretina. Ragion per cui, nei casi di diabete di tipo1, a causa della carenza di insulina, si ha un deficit nel metabolismo del glucosio da parte delle cellule.

Il trasporto attivo, per molti versi simile al trasporto facilitato, è in grado di trasportare le sostanze anche contro il loro gradiente di concentrazione tuttavia, per il suo funzionamento, è richiesto un dispendio energetico. Possono usare direttamente l'ATP o sistemi indiretti, ed il funzionamento può essere inibito da sostanze che interferiscono con il metabolismo energetico. Distinguiamo un trasporto attivo primario ed un trasporto attivo secondario. Il primo di questi è così denominato in quanto è legato direttamente al metabolismo cellulare. La pompa sodio potassio (Na+-K+) è un trasportatore attivo primario che sfrutta direttamente l'ATP per trasportare Na+ e K+ contro il gradiente di concentrazione extracellulare. La proteina che consente tale trasporto è denominata Na+-K+ATPasi, in grado di trasportare 3 ioni sodio all'esterno della cellula e 2 ioni potassio al suo interno per ogni molecola di ATP idrolizzata. È definito trasporto primario in quanto sfrutta direttamente l'energia di legame del fosfato terminale di ATP. Il trasporto attivo secondario sfrutta il gradiente di concentrazione di un soluto, trasportato al di fuori della cellula attraverso energia metabolica in un processo di trasporto di tipo primario. Tale gradiente costituisce esso stesso una riserva energetica, sfruttata per trasportare altre molecole all'interno del citoplasma. Accoppiando, ad esempio, l'ingresso nella cellula di Na+ (precedentemente pompato fuori) con l'ingresso di aminoacidi idrofilici neutri. Ovviamente la velocità di trasporto di detti aminoacidi, dipenderà dal gradiente del potenziale elettrochimico del sodio.