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La membrana cellulare: struttura e funzioni – Dispensa per il TOLC-MED

membrana cellulare: struttura e funzioni per il tolc med

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Indice dell'articolo

Nell’articolo di oggi approfondiamo la Membrana Cellulare e i meccanismi di trasporto: vediamo tutto ciò che c’è da sapere per il TOLC-MED, come promesso nella scorsa dispensa sulla Cellula (che se non hai ancora studiato ti consigliamo di recuperare: è quanto di più completo puoi trovare per la preparazione al tolc med, ed è gratis).

La cellula per il tolc med: leggi la dispensa qui. 

Se invece hai già studiaro la cellula o cerchi semplicemente un approfondimento su questo argomento o una dispensa chiarificatrice da affiancare al tuo libro, eccoci!

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Partiamo!

La membrana cellulare è una sottile barriera semipermeabile che circonda il citoplasma di una cellula. È composta da un doppio strato di fosfolipidi con proteine incorporate e funge sia da barriera fisica per la cellula, impedendo l’ingresso di materiali indesiderati, sia da barriera di permeabilità selettiva, consentendo il passaggio di determinate molecole. La membrana cellulare svolge anche un ruolo in una serie di importanti processi cellulari, tra cui la segnalazione cellulare, il riconoscimento cellulare e l’endocitosi. È essenziale per mantenere la forma e l’integrità della cellula e senza di essa non sarebbe in grado di sopravvivere.

Vediamo ora in dettaglio la sua struttura.

Struttura della membrana cellulare: un mosaico fluido

Come già accennato, la membrana è formata da un doppio strato fosfolipidico con proteine incorporate. I fosfolipidi sono molecole anfipatiche, cioè hanno regioni idrofile e idrofobe. Le regioni idrofobiche dei fosfolipidi sono rivolte verso l’interno, formando il cuore interno non polare della membrana, mentre le regioni idrofile sono rivolte verso l’esterno, formando la superficie polare della membrana.

Nella membrana sono incorporate proteine, alcune delle quali agiscono come canali o pori che permettono il passaggio di alcune molecole e ne bloccano altre.

La membrana cellulare è anche costellata di glicoproteine, che agiscono come recettori che permettono alla cellula di riconoscere e interagire con altre cellule e molecole. Insieme, i fosfolipidi, le proteine e le glicoproteine formano una barriera dinamica e selettiva che regola lo scambio di materiali tra la cellula e il suo ambiente.

Le proteine che si trovano nella membrana si dividono in estrinseche ed intrinseche.

Le proteine intrinseche sono quelle proteine che si trovano all’interno della membrana e che l’attraversano tutta (talvolta possono anche sporgere verso l’esterno). Le proteine estrinseche invece, sono quelle proteine che si trovano nella zona esterna o interna alla membrana senza attraversarla tutta. Di solito si legano alle teste dei fosfolipidi.

Generalmente, le molecole all’interno della membrana non sono fisse, ma sono libere di muoversi.

Questa particolare struttura è stata per la prima volta descritta da Singer e Nicholson nel 1972, ed è definita modello a mosaico fluido.

Il trasporto attraverso la membrana plasmatica 

Come abbiamo già detto, la membrana regola gli scambi delle sostanze tra l’interno e l’esterno della cellula ed è per questo che viene definita semipermeabile.

I meccanismi di trasporto che possono essere sfruttati dalle varie molecole sono diversi a seconda della natura della molecola stessa, e possono richiedere o meno l’utilizzo di energia.

Trasporto passivo

Il trasporto passivo è il movimento di molecole attraverso la membrana cellulare senza il bisogno di consumare energia.

Questo tipo di trasporto si verifica secondo gradiente di concentrazione, ovvero le molecole si spostano da un’area a maggiore concentrazione a un’area a minore concentrazione, in un processo noto come diffusione.

La diffusione è per lo più utilizzata da molecole di piccole dimensioni (come gli ioni) e/o dalla solubilità lipidica delle molecole. Quando le molecole diffondo liberamente, si parla di diffusione semplice (utilizzata da alcune molecole come O2, CO2, N2…).

Alcune molecole invece utilizzano speciali proteine di trasporto per passare attraverso la membrana. In questo caso si parla di diffusione facilitata. Pur utilizzando delle proteine, la diffusione facilitata è un trasporto passivo perché non richiede energia per avvenire.

Le proteine utilizzate in questo caso si dividono in due tipologie:

  • proteine carrier (o trasportatrici)
  • proteine canale, che formano dei pori che fungono appunto da canale di passaggio

Si tratta in ambo i casi di proteine intrinseche che legano in maniera specifica una certa molecola.

Diffusione passiva dell’acqua: osmosi e acquaporine

L’osmosi è la diffusione dell’acqua attraverso una membrana semipermeabile da un’area ad alta concentrazione di acqua (soluzione ipotonica) a un’area a bassa concentrazione di acqua, che è invece ipertonica (quindi secondo gradiente di concentrazione dell’acqua).

Se due soluzioni sono in equilibro si definiscono isotoniche, e in questo caso non c’è spostamento netto di acqua.

L’osmosi è un processo importante per le cellule, poiché consente loro di mantenere un ambiente interno equilibrato, infatti quando una cellula, come ad esempio un globulo rosso, viene posta in una soluzione che è ipotonica rispetto all’ambiente citoplasmatico, l’acqua si sposta all’interno della cellula, facendola gonfiare.

Al contrario, quando una cellula viene posta in una soluzione ipertonica rispetto all’ambiente citoplasmatico, l’acqua si sposta fuori dalla cellula, facendola raggrinzire.

L’osmosi è quindi un processo vitale per le cellule, che permette loro di mantenere l’omeostasi.

Un altro modo, più marginale, che può utilizzare l’acqua per spostarsi attraverso le membrane vede l’impiego di particolari proteine canali che prendono il nome di acquaporine.

Trasporto attivo

Il trasporto attivo è il movimento di molecole attraverso la membrana cellulare con il consumo di energia da parte della cellula. Questo tipo di trasporto richiede l’uso di speciali proteine di trasporto, definite pompe, per spostare le molecole contro il loro gradiente di concentrazione, da un’area di minore concentrazione a un’area di maggiore concentrazione.

L’energia per questo processo proviene dall’idrolisi delle molecole di ATP (adenosina trifosfato) della cellula, che vengono utilizzate per alimentare le pompe proteiche.

Il trasporto attivo è un processo importante nelle cellule perchè consente di regolare la composizione delle molecole dell’ambiente interno e quindi di spostare molecole essenziali all’interno della cellula quando necessario.

In sunto, il trasporto attivo aiuta le cellule a mantenere il corretto equilibrio ionico e i livelli di pH, fondamentali per il corretto funzionamento della cellula stessa.

La pompa più importante presente sulle cellule è la pompa sodio-potassio.

La pompa aiuta a mantenere il potenziale di membrana della cellula negativo (circa -70 mV)  e sposta gli ioni contro il loro gradiente di concentrazione, trasformando l’ATP in ADP + Pi (fosfato inorganico).

In particolare, la pompa estrude 3 ioni Na+ e introduce 2 ioni K+.

Come ricordarlo?

No memofrasi. Ragioniamo!

Sapendo che il sodio (Na) è lo ione più presente nell’ambiente extra cellulare, mentre il potassio qui è scarso, deve venire spontaneo ricordarsi che se la cellula in questo casdo agisce contro gradiente, il Sodio uscirà dalla cellula, mentre il Potassio entrerà.

Per ricordare che escono 3 di Sodio e solo 2 di Potassio, bisogna pensare al fatto che le cellule hanno un potenziale di membrana negativo. Vuol dire che le cariche positive sono in maggior numero all’esterno della cellula, piuttosto che all’interno.

La pompa sodio-potassio serve proprio a mantenere questo potenziale: di conseguenza butterà fuori più cariche positive di quelle che vengono introdotte. Se così non fosse, l’interno della cellula non sarebbe negativo rispetto all’esterno.

Simporto, uniporto, antiporto

Talvolta, più sostanze vengono trasportate contemporaneamente nello stesso verso o in verso opposto. Si parla di simporto o antiporto.

Quando è una singola sostanza ad essere trasportata, si parla invece di uniporto.

Esocitosi ed Endocitosi

Sempre nell’ambito del trasporto attivo rientrano esocitosi ed endocitosi, due tipologie di trasporti deputati al passaggio di molecole di grandi dimensioni.

Endocitosi ed esocitosi richiedono, in primis, la formazione di strutture delimitate da membrana chiamate vescicole.

L’esocitosi è il processo attraverso il quale una cellula espelle molecole dal suo citoplasma verso l’ambiente esterno. Questo processo è guidato dalla formazione di vescicole, piccole sacche legate alla membrana che contengono le molecole da espellere.

Le vescicole si fondono poi con la membrana cellulare, rilasciando le molecole nell’ambiente esterno. L’esocitosi è un processo importante per le cellule, poiché consente loro di rilasciare ormoni, enzimi e altre molecole nello spazio extracellulare. L’esocitosi può essere costitutiva (cioè continua), oppure può avvenire sotto il comando di stimoli esterni (ormoni, molecole segnale ecc.)

L’endocitosi è invece il processo mediante il quale una cellula accoglie molecole dall’ambiente esterno inglobandole in una vescicola. Questo processo si divide in due categorie: fagocitosi, pinocitosi e l’endocitosi mediata da recettori.

La fagocitosi è il processo con cui una cellula accoglie molecole solide di grandi dimensioni, come batteri e altre particelle, mentre la pinocitosi è il processo con cui una cellula accoglie materiale liquido. L’endocitosi è un processo importante in alcune cellule come protozoi e amebe, in quanto consente loro di accogliere molecole essenziali per la sopravvivenza e la crescita.

Nei mammiferi invece solo i granulociti e i macrofagi (cellule del sistema immunitario), sono cellule fagocitiche: in questo caso si tratta di una funzione di difesa.

Per step, ecco come avviene la fagocitosi:

  • Il fagocita (la cellula che fagociterà la particella estranea) estende la sua membrana plasmatica intorno alla particella, formando uno pseudopode.
  • Lo pseudopode racchiude la particella, formando un fagosoma (una vescicola legata alla membrana che contiene la particella).
  • Il fagosoma si fonde poi con un lisosoma (una vescicola contenente enzimi idrolitici), formando un fagolisosoma.
  • Gli enzimi idrolitici all’interno del lisosoma digeriscono la particella inglobata, scomponendola in molecole più piccole che possono essere riciclate o eliminate dalla cellula.

Nel caso dell’endocitosi mediata da recettori, la sostanza da introdurre interagisce con recettori specifici presenti sulla membrana: solo dopo questo legame la particella viene inglobata.

 

Bene… per l’articolo di oggi è tutto! 

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