Tipi di trasporto cellulare e caratteristiche

Lui trasporto cellulare Implica il traffico e lo spostamento delle molecole tra l'interno ed esterno delle cellule. Lo scambio di molecole tra questi compartimenti è un fenomeno essenziale per il corretto funzionamento dell'organismo e una serie di eventi, come il potenziale di membrana, per menzionare alcuni.

Le membrane biologiche non sono solo responsabili della delimitazione della cellula, ma svolgono anche un ruolo indispensabile nel traffico di sostanze. Hanno una serie di proteine ​​che attraversano la struttura e, in modo molto selettivo, consentono l'ingresso di alcune molecole.

Il trasporto cellulare è classificato in due tipi principali, a seconda che il sistema utilizzi l'energia direttamente.

Il trasporto passivo non richiede energia e le molecole riescono ad attraversare la membrana per diffusione passiva, mediante canali acquosi o mediante molecole trasportate. La direzione del trasporto attivo è determinata esclusivamente dai gradienti di concentrazione tra i due lati della membrana.

Al contrario, il secondo tipo di trasporto se richiede energia ed è chiamato trasporto attivo. Grazie all'energia iniettata nel sistema, le pompe possono spostare le molecole dai loro gradienti di concentrazione. L'esempio più notevole in letteratura è la bomba di sodio - potassio.

Basi teoriche

-Membrane cellulari

Per capire come si verificano il traffico di sostanze e molecole tra la cellula e compartimenti adiacenti, è necessario analizzare la struttura e la composizione delle membrane biologiche.

-Lipidi nelle membrane

Di jpablo cad [cc di 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/di/3.0)], da Wikimedia Commons

Le cellule sono circondate da una membrana fine e complessa di natura lipidica. Il componente di base è i fosfolipidi.

Questi sono costituiti da una testa polare e code apolari. Le membrane sono composte da due strati di fosfolipidi - "bicapas lipidici" - in cui le code sono raggruppate all'interno e le teste danno alle facce extra e intracellulari.

Le molecole che hanno entrambe le aree polari e apolari sono chiamate anfipatiche. Questa proprietà è cruciale per l'organizzazione spaziale dei componenti lipidici all'interno delle membrane.

Questa struttura è condivisa dalle membrane che circondano gli scomparti subcellulari. Ricorda che anche mitocondri, cloroplasti, vescicole e altri organelli sono circondati da membrana.

Oltre ai fosfogliceridi o ai fosfolipidi, le membrane sono ricche di sfingolipidi, che hanno formato scheletri per una molecola chiamata sfinxina e steroli. In quest'ultimo gruppo troviamo il colesterolo, un lipide che modula le proprietà della membrana, come la sua fluidità.

-Proteine ​​nelle membrane

Figura 1. Schema del modello di mosaico fluido. Fonte: di Ladyofhats mariana Ruiz, traduzione pilar saenz [dominio pubblico], via Wikimedia Commons

La membrana è una struttura dinamica, che contiene più proteine ​​all'interno. Le proteine ​​della membrana agiscono come una sorta di "portieri" o "guardie" molecolari, che definiscono con grande selettività che entra e che lascia la cellula.

Per questo motivo, si dice che le membrane siano semipermeabili, poiché alcuni composti riescono ad entrare e altri no.

Non tutte le proteine ​​che si trovano nella membrana sono responsabili della mediazione del traffico. Altri sono responsabili della cattura di segnali esterni che producono una risposta cellulare a stimoli esterni.

-Selettività della membrana

L'interno lipidico della membrana è altamente idrofobo, il che rende la membrana un'entità altamente impermeabile al passaggio di molecole polari o idrofili (questo termine significa "innamorato dell'acqua").

Ciò implica un'ulteriore difficoltà al passaggio delle molecole polari. Tuttavia, è necessario il traffico delle molecole idrosolubili, quindi le cellule hanno una serie di meccanismi di trasporto che consentono lo spostamento efficace di queste sostanze tra la cellula e il loro ambiente esterno.

Allo stesso modo, le grandi molecole, come le proteine, devono essere trasportate e richiedono sistemi specializzati.

-Diffusione e osmosi

Il movimento delle particelle attraverso le membrane cellulari si verifica seguendo i seguenti principi fisici.

Questi principi sono diffusione e osmosi e si applicano al movimento di soluti e solventi in una soluzione attraverso una membrana semipermeabile - come le membrane biologiche presenti nelle cellule viventi.

La diffusione è il processo che implica il movimento termico casuale delle particelle sospese da regioni ad alte concentrazioni a regioni di concentrazione più basse. Esiste un'espressione matematica che cerca di descrivere il processo e si chiama equazione di diffusione di Fick, ma non ci approfondiremo.

Con questo concetto in mente, possiamo definire il termine permeabilità, che si riferisce alla velocità con cui una sostanza riesce a penetrare passivamente la membrana in una serie di condizioni concrete.

D'altra parte, l'acqua si muove anche a favore del suo gradiente di concentrazione in un fenomeno chiamato osmosi. Sebbene non sia necessario fare riferimento alla concentrazione dell'acqua, dobbiamo capire che il fluido vitale si comporta come qualsiasi altra sostanza, in termini di diffusione.

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-Tonicità

Tenendo conto dei fenomeni fisici descritti, le concentrazioni che esistono sia all'interno della cellula che all'estero determineranno la direzione del trasporto.

Pertanto, la tonicità di una soluzione è la risposta delle cellule immerse in una soluzione. C'è una certa terminologia applicata a questo scenario:

Isotonico

Una cellula, un tessuto o una soluzione è isotonica rispetto a un'altra se la concentrazione è uguale in entrambi gli elementi. In un contesto fisiologico, una cellula immersa in un ambiente isotonico non sperimenterà alcun cambiamento.

Ipotonico

Una soluzione è ipotonica rispetto alla cellula se la concentrazione di soluti è inferiore all'estero, ovvero la cella ha più soluti. In questo caso, la tendenza dell'acqua deve entrare nella cella.

Se mettiamo i globuli rossi in acqua distillata (che è priva di soluti), l'acqua entrerebbe fino a quando non li facevano scoppiare. Questo fenomeno si chiama emolisi.

Ipertonico

Una soluzione è ipertonica rispetto alla cellula se la concentrazione di soluti è più alta all'estero, ovvero la cella ha meno soluti.

In questo caso, la tendenza dell'acqua è quella di uscire dalla cella. Se mettiamo i globuli rossi in una soluzione più concentrata, l'acqua delle cellule del sangue tende a uscire e la cellula acquisisce un aspetto rugoso.

Questi tre concetti hanno rilevanza biologica. Ad esempio, le uova di un organismo marino devono essere isotoniche rispetto all'acqua di mare in modo da non scoppiare e non perdere acqua.

Allo stesso modo, i parassiti che vivono nel sangue dei mammiferi devono avere una concentrazione di soluti simili all'ambiente in cui si sviluppano.

-Influenza elettrica

Quando parliamo di ioni, che sono particelle caricate, il movimento attraverso le membrane non è diretto esclusivamente da gradienti di concentrazione. In questo sistema devi tenere conto dei carichi dei soluti.

Lo ione tende ad allontanarsi dalle regioni in cui la concentrazione è elevata (come descritto nella sezione di osmosi e diffusione), e anche se lo ione è negativo avanzerà nelle regioni in cui esiste un potenziale negativo in crescita in crescita. Ricorda che i carichi diversi attirano e lo sono stati uguali.

Per prevedere il comportamento dello ione, dobbiamo aggiungere le forze combinate del gradiente di concentrazione e del gradiente elettrico. Questo nuovo parametro si chiama gradiente elettrochimico netto.

I tipi di trasporto cellulare sono classificati in base all'uso - o no - di energia dal sistema in movimenti passivi e attivi. Successivamente descriveremo ciascuno in dettaglio:

Trasporto passivo transmembrana

I movimenti passivi attraverso le membrane comportano il passaggio delle molecole senza la necessità diretta di energia. Poiché questi sistemi non coinvolgono energia, dipende esclusivamente da gradienti di concentrazione (incluso elettrico) che esistono attraverso la membrana plasmatica.

Sebbene l'energia responsabile del movimento delle particelle sia immagazzinata in tali gradienti, è appropriato e conveniente continuare a considerare il processo come passività.

Ci sono tre percorsi elementari attraverso i quali le molecole possono viaggiare da un lato passivamente:

Semplice diffusione

Il modo più semplice e intuitivo di trasportare un soluto è attraversare la membrana seguendo i gradienti sopra menzionati.

La molecola si diffonde attraverso la membrana plasmatica, lasciando da parte la fase acquosa, si dissolve nella porzione lipidica e infine entra nella porzione acquosa dell'interno cellulare. Lo stesso può accadere nella direzione opposta, dall'interno della cella.

Il passo efficiente attraverso la membrana determinerà il livello di energia termica che il sistema possiede. Se è abbastanza alto, la molecola può attraversare la membrana.

Visto in modo più dettagliato, la molecola deve rompere tutti i legami idrogeno formati nella fase acquosa per essere in grado di spostarsi nella fase lipidica. Questo evento richiede 5 kcal di energia cinetica per ciascun collegamento presente.

Il prossimo fattore da tenere in considerazione è la solubilità della molecola nella zona lipidica. La mobilità è influenzata da una varietà di fattori, come il peso molecolare e la forma della molecola.

La cinetica del semplice passaggio di diffusione mostra una cinetica di non saturazione. Ciò significa che l'ingresso aumenta in proporzione alla concentrazione del soluto da trasportare nella regione extracellulare.

Canali acquosi

La seconda alternativa del passaggio delle molecole. Questi canali sono una specie di pori che consente di passare la molecola, evitando il contatto con la regione idrofobica.

Alcune molecole cariche riescono ad entrare nella cellula dopo il loro gradiente di concentrazione. Grazie a questo sistema di canali pieni d'acqua, le membrane sono molto impermeabili agli ioni. All'interno di queste molecole si distinguono il sodio, il potassio, il calcio e il cloro.

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Molecola trasportatore

L'ultima alternativa è la combinazione del soluto di interesse con una molecola trasportatore che maschera la sua natura idrofila, per raggiungere il passaggio attraverso la ricca porzione nei lipidi di membrana.

Il trasportatore aumenta la solubilità lipidica della molecola che richiede di essere trasportata e favorisce il suo passaggio a favore del gradiente di concentrazione o del gradiente elettrochimico.

Queste proteine ​​che trasportano funzionano in modi diversi. Nel caso più semplice, un soluto viene trasferito da un lato della membrana a un altro. Questo ragazzo si chiama uniport. Al contrario, se un altro soluto viene trasportato contemporaneamente o accoppiato, il trasportatore viene chiamato accoppiato.

Se il trasportatore accoppiato mobilita le due molecole nella stessa direzione è una sinport e se lo fa in direzioni opposte, il trasportatore è antiPorte.

Osmosi

Osmose2-fr.PNG: PsychotikderIvative Work: Ortisa [CC-BE-SA-3.0 (http: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0/) o gfdl (http: // www.gnu.Org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons

È il tipo di trasporto cellulare in cui un solvente passa selettivamente attraverso la membrana semipermeabile.

L'acqua, ad esempio, tende a muoversi accanto alla cellula in cui la sua concentrazione è inferiore. Il movimento dell'acqua in quel percorso genera una pressione chiamata pressione osmotica.

Questa pressione è necessaria per regolare la concentrazione di sostanze cellulari, che in seguito influisce sulla forma della cellula.

Ultrafiltrazione

In questo caso, il movimento di alcuni soluti è prodotto dall'effetto di una pressione idrostatica, dall'area di maggiore pressione alla pressione più bassa. Nel corpo umano, questo processo si verifica nei reni grazie alla pressione sanguigna generata dal cuore.

In questo modo l'acqua, l'urea, ecc., passa dalle cellule alle urine; e ormoni, vitamine, ecc., Rimangono nel sangue. Questo meccanismo è anche noto come nome di dialisi.

Diffusione facilitata

Diffusione facilitata

Ci sono sostanze con molecole molto grandi (come glucosio e altri monosaccaridi), che richiedono una proteina del trasportatore per diffondere. Questa diffusione è più veloce della semplice diffusione e dipende da:

• Il gradiente di concentrazione di sostanza.
• La quantità di proteine ​​del trasportatore presenti nella cellula.
• La velocità delle proteine ​​presenti.

Una di queste proteine ​​del trasportatore è l'insulina, che facilita la diffusione del glucosio, riducendo la sua concentrazione nel sangue.

Trasporto attivo transmembrana

Finora abbiamo discusso del passaggio di molecole diverse attraverso i canali senza un costo energetico. In questi eventi, l'unico costo è generare energia potenziale sotto forma di concentrazioni differenziali su entrambi i lati della membrana.

In questo modo, l'indirizzo di trasporto è determinato dal gradiente esistente. I soluti iniziano a trasportare seguendo i suddetti principi di diffusione, fino a raggiungere un punto in cui la diffusione netta termina - a questo punto è stato raggiunto un equilibrio. Nel caso degli ioni, il movimento è anche influenzato dal carico.

Tuttavia, nell'unico caso in cui la distribuzione di ioni su entrambi i lati della membrana è in un equilibrio reale è quando la cella è morta. Tutte le cellule viventi investono una grande quantità di energia chimica per mantenere le concentrazioni dei soluti lontano dall'equilibrio.

L'energia utilizzata per mantenere attivi questi processi è la molecola ATP. Il trifosfato di adenosina, abbreviato come ATP, è una molecola di energia fondamentale nei processi cellulari.

Caratteristiche del trasporto attivo

Il trasporto attivo può agire contro i gradienti di concentrazione, indipendentemente da quanto siano marcati, questa proprietà sarà chiara con la spiegazione della pompa di sodio - potassio (vedi più avanti).

I meccanismi di trasporto attivi possono spostare più di un tipo di molecola allo stesso tempo. Per il trasporto attivo, viene utilizzata la stessa classificazione menzionata per il trasporto di diverse molecole nel trasporto passivo: Simport e Antiport.

Il trasporto effettuato da queste pompe può essere inibito applicando molecole che bloccano specificamente i siti cruciali nelle proteine.

La cinetica di trasporto è di tipo Michaelis -mente. Entrambi i comportamenti - essendo inibiti da alcune molecole e cinetica - sono caratteristiche tipiche delle reazioni enzimatiche.

Infine, il sistema deve avere enzimi specifici in grado di idrolizzare la molecola ATP, come ATPASAS. Questo è il meccanismo con cui il sistema ottiene l'energia che la caratterizza.

Selettività di trasporto

Le pompe coinvolte sono estremamente selettive nelle molecole che verranno trasportate. Ad esempio, se la pompa è trasportatore ionico di sodio, non assume ioni al litio, sebbene entrambi gli ioni siano molto simili di dimensioni.

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Si presume che le proteine ​​gestiscano.

È noto che i grandi ioni riescono a disidratare facilmente, se li confrontiamo con un piccolo ione. Pertanto, un poro con centri polari deboli userà grandi ioni, preferibilmente.

Contrariamente ai canali con centri fortemente caricati, l'interazione con ioni disidratati predomina.

Esempio di trasporto attivo: la pompa di sodio - potassio

Per spiegare i meccanismi di trasporto attivi, è meglio farlo con il modello migliore studiato: la pompa di sodio - potassio.

Una caratteristica sorprendente delle cellule è la capacità di mantenere gradienti pronunciati di ioni di sodio (NA⁺) e potassio (k⁺).

Nell'ambiente fisiologico, la concentrazione di potassio all'interno delle cellule è 10-20 volte superiore rispetto alle cellule. Al contrario, gli ioni sodio sono molto più concentrati nell'ambiente extracellulare.

Con i principi che regolano passivamente il movimento degli ioni, sarebbe impossibile.

La pompa è formata da un complesso proteico del tipo ATPASA ancorata alla membrana plasmatica di tutte le cellule animali. Questo ha siti sindacali per entrambi gli ioni ed è responsabile del trasporto di iniezione di energia.

Come funziona la pompa?

In questo sistema, ci sono due fattori che determinano il movimento degli ioni tra i compartimenti cellulari ed extracellulari. La prima è la velocità con cui agisce la pompa di sodio - potassio e il secondo fattore è la velocità con cui lo ione può entrare di nuovo nella cella (nel caso del sodio), con eventi di diffusione passiva.

In questo modo, la velocità con cui gli ioni entrano nella cella condizioni la velocità con cui la pompa deve funzionare per mantenere una concentrazione di ioni adeguata.

Il funzionamento della pompa dipende da una serie di cambiamenti conformazionali nella proteina responsabile del trasporto degli ioni. Ogni molecola ATP viene idrolizzata direttamente, nel processo tre ioni di sodio lasciano la cellula e allo stesso tempo due ioni di potassio entrano nell'ambiente cellulare.

Trasporto di massa

È un altro tipo di trasporto attivo che aiuta nel movimento delle macromolecole, come polisaccaridi e proteine. Può essere dato da:

-Endocitosi

Esistono tre processi di endocitosi: fagocitosi, pinociti e endocitosi mediati collegando:

Fagocitosi

Fagocitosi Il tipo di trasporto in cui una particella solida è coperta da una cistifellea o un fagosoma costituito da pseudopodi fusi. Quella particella solida che rimane all'interno della cistifellea è digerita dagli enzimi e quindi raggiunge l'interno della cellula.

In questo modo, i globuli bianchi funzionano nel corpo; batteri fagocitari e corpi estranei come meccanismo di difesa.

Pinocitosi

Protozoa nutrizione. Pinocitosi. Immagine di: Jacek FH (derivata da Mariana Ruiz Villarreal). Preso e curato da https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/file: pinocitosi.Svg.

La pinocitosi si verifica quando la sostanza da trasportare è una goccia o una vescicola di fluido extracellulare e la membrana crea una cistifellea pinocitica in cui il contenuto della tempchiere o la caduta viene elaborato per tornare alla superficie della cellula.

Endocitosi attraverso un ricevitore

È un processo simile alla pinocitosi, ma in questo caso l'invaginazione della membrana si verifica quando una determinata molecola (collegamento) si lega al recettore della membrana.

Diverse vescicole endocitiche si legano e formano una struttura più grande chiamata endosoma, che è dove il ligando del recettore è separato. Quindi, il ricevitore ritorna sulla membrana e il ligando si lega a un liposoma in cui viene digerito dagli enzimi.

-Esocitosi

È un tipo di trasporto cellulare in cui la sostanza deve essere presa fuori dalla cella. Durante questo processo, la membrana della cistifellea secretoria si unisce alla membrana cellulare e rilascia il contenuto della cistifellea.

In questo modo le cellule eliminano sostanze sintetizzate o rifiuti. Questo è anche come rilasciano ormoni, enzimi o neurotrasmettitori.

Riferimenti

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