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Oltre all'esistenza di un gradiente (differenza di concentrazione o di carica elettrica) si deve verificare una
seconda condizione affinché una sostanza possa attraversare la membrana: la membrana deve essere
permeabile a quella determinata sostanza. Una membrana può essere permeabile perché il composto è
spontaneamente in grado di attraversarla o perché il composto passa attraverso un passaggio (poro) che si
trova sulla membrana e protegge il composto dal contatto con le molecole del doppio strato lipidico.
Quali caratteristiche deve avere un composto, ad es. un farmaco, per poter diffondere spontaneamente
attraverso la membrana della cellula ?
Il composto deve essere il più possibile solubile nei lipidi e avere molecole di piccole dimensioni. Per
questi motivi O2, CO2, NO e H2O diffondono bene invece zuccheri e aminoacidi penetrano difficilmente.
L'acqua diffonde con grande facilità e precisamente tende ad andare nel compartimento dove c'è una
maggior concentrazione di soluti (osmosi). Il compartimento a maggior concentrazione di soluti viene
detto ipertonico mentre quello a minor concentrazione viene detto ipotonico.
Se una cellula si trova in una soluzione ipotonica allora l'acqua entra nella cellula per osmosi e questa
si rigonfia. Il processo termina quando la concentrazione intracellulare ed extracellulare di soluti si
eguagliano (compartimenti i cui fluidi sono isotonici). Da notare che la cellula potrebbe scoppiare
(lisi cellulare) prima del raggiungimento dell'equilibrio osmotico.
L’acqua passa dal terreno alle cellule delle radici delle piante per osmosi infatti all'interno dei peli
assorbenti la concentrazione salina è superiore a quella del terreno
Il tratto digerente umano secerne una grande quantità di liquidi che normalmente sono riassorbiti più
a valle per osmosi dalle cellule dell'intestino. Se questo riassorbimento si arrestasse ci sarebbe il grave
pericolo della disidratazione dell'organismo.
Tra le cause della diarrea c’è l’alterata permeabilità della parete intestinale a causa di infezioni batteriche
Alcune cellule sono particolarmente permeabili all'acqua grazie a proteine di membrana dette
acquaporine. Le cellule dei tubuli renali sono ricche di acquaporine. L'ormone vasopressina (o ADH
acronimo dell'inglese antidiuretic hormone) aumenta la ritenzione idrica renale agendo sulle
acquaporine. Mutazioni nei geni che codificano per le proteine delle acquaporine possono rendere le
acquaporine non responsive al controllo da parte della vasopressina e il paziente perde liquidi emettendo
molta urina.
Il cloruro mercurico o il nitrato d'argento sono veleni che agiscono inibendo le acquaporine.
Il trasporto del glucosio verso l'interno
delle cellule avviene per diffusione
facilitata ed è regolato dall'ormone
insulina prodotto dalle cellule
endocrine del pancreas.
Precisamente, un aumento della
concentrazione di glucosio nel sangue
provoca la secrezione di insulina da
parte del pancreas.
L’insulina agisce nelle cellule
bersaglio (principalmente
muscolo scheletrico e adipociti)
stimolando lo spostamento di
una classe di proteine facilitanti
il trasporto del glucosio (GLUT4)
verso la superficie cellulare.
Queste proteine esposte
all'ambiente esterno facilitano la
diffusione del glucosio verso
l'interno della cellula.
Il mantenimento della differenza di
concentrazione di glucosio tra interno ed esterno
della cellula ovvero il mantenimento della
continua diffusione del glucosio verso l'interno
della cellula è dovuta al fatto che il glucosio
appena entrato nella cellula viene fosforilato e
quindi la concentrazione di glucosio interna
rimane inferiore rispetto alla concentrazione
esterna.
Riassumendo, il trasporto attivo può
avvenire contro-gradiente ed è necessaria
energia per spingere le molecole in
direzione opposta rispetto a quella di
spontanea diffusione. Da notare che
questi trasportatori sono molto sensibili
ad alterazioni metaboliche quali anossia o
veleni metabolici.
L'esempio classico di trasporto attivo è
quello della pompa ionica sodio-potassio.
Essa ad ogni azione espelle 3 ioni Na+ e
immette nella cellula 2 ioni K+.
Un altro esempio è dato dalla pompa
ionica del calcio che deve espellere
continuamente il Ca2+ dall'interno della
cellula.
Alcuni glucosidi digitalici si legano
all'esterno della pompa sodio-potassio
impedendo il legame del K+ e bloccandola.
Queste molecole sono usate per
aumentare la contrazione del muscolo
cardiaco perchè aumentano la
disponibilità di Ca2+ nella cellula e quindi
l'attivazione cellulare.
Il veleno dello
scorpione contiene
tossine che bloccano i
canali ionici e blocca la
segnalazione nervosa
paralizzando la preda.
La tetrodotossina presente nel pesce palla
blocca i canali del sodio quindi impedisce il
formarsi del potenziale d'azione nelle cellule
nervose. Tale tossina è molto più letale del
cianuro e non esiste antidoto.
Le carni si possono mangiare se si eliminano con
cura le frattaglie (gonadi, fegato, intestino e
nella pelle).
In Italia è vietato.
Varie malattie ereditarie sono dovute a difetti nelle proteine che fungono da canali ionici, es.: fibrosi
cistica, aritmie cardiache, sindrome del QT lungo, atassia episodica...
La fibrosi cistica è una malattia che nella popolazione caucasica colpisce circa un bambino ogni 2500.
Essa è dovuta alla proteina CFTR (regolatore della conduttanza transmembrana della fibrosi cistica) che
forma un canale del cloro ma può essere difettosa nelle cellule epiteliali. La malattia colpisce le vie
respiratorie, l'intestino, il pancreas e altri organi. I pazienti hanno un muco spesso e appiccicoso difficile
da espellere dalle vie respiratorie, questo provoca infezioni e infiammazioni croniche che distruggono i
polmoni.
Sindrome del QT lungo
e geni implicati.
Le cellule dell'epitelio dello stomaco contengono una pompa ionica H+/K+ che viene attivata (in realtà
viene spostata dalle vescicole citoplasmatiche alla membrana plasmatica) dall'ormone istamina a
seguito dell'immissione di cibo nello stomaco. Tale pompa riversa nello stomaco acido cloridrico.
Un'eccessiva attivazione provoca acidità allo stomaco e questo può essere evitato con due classi di
molecole:
1) quelle che inibiscono
direttamente la pompa
Nota: per lievi sintomi si
usano gli antiacidi da
banco, basi che
neutralizzano gli acidi
liberati nello stomaco
2) quelle che si legano e inibiscono i
recettori dell'istamina H2 impedendo
la traslocazione
della pompa
Il cotrasporto
La presenza di un gradiente di concentrazione ionico tra l'ambiente interno ed esterno alla cellula
rappresenta energia potenziale immagazzinata dalla cellula che può essere sfruttata per trasportare
alcuni soluti. Nel caso della pompa sodio-potassio, essa spinge fuori dalla cellula gli ioni Na+ contro il
gradiente di concentrazione e porta all'interno gli ioni K+. Questi gradienti creati dal trasporto attivo
generano un flusso di ioni passivo (diffusione)
attraverso la membrana in direzione opposta
a quello del trasporto attivo. Tale diffusione
viene utilizzata dalle cellule epiteliali dell'intestino
per diffondere il glucosio dal lume intestinale
all'interno della cellula insieme al flusso di Na+
in entrata.
Poi il glucosio viene riversato nel sangue.
Il cotrasporto si divide in due tipi:
- Simporto quando una proteina integrale di membrana trasporta simultaneamente due diverse sostanze
nella stessa direzione
- Antiporto quando la proteina integrale di membrana trasporta simultaneamente due diverse sostanze
in direzione opposta
Simporto
La CO2 diffonde dagli spazi interstiziali alle cellule della parete dello stomaco. Un enzima (anidrasi
carbonica) partendo da CO2 e H2O forma lo ione bicarbonato e lo ione idrogeno. Lo ione idrogeno è
trasportato nel lume dello stomaco per trasporto attivo. Togliendo uno dei prodotti (H+) la reazione
enzimatica continua e aumenta la concentrazione di HCO3- nella cellula e pertanto tale concentrazione
viene ad essere maggiore di quella
degli spazi interstiziali.
Attraverso una proteina integrale
di membrana, HCO3- è trasportata
nello spazio interstiziale dove la
sua concentrazione è minore e lo
ione Cl- è portato all'interno della
cellula dove non tenderebbe
spontaneamente a diffondere
perchè la sua concentrazione
cellulare è maggiore di quella
interstiziale.
Questo è un esempio di antiporto.
Particelle di grandi dimensioni possono entrare nella cellula per endocitosi o uscire per esocitosi. In
questi processi la particella tocca la membrana cellulare, questa si incurva sempre di più avvolgendola
fino a racchiuderla per poi staccarsi dalla membrana sotto forma di vescicola. A questo processo di
piegamento della membrana partecipa una proteina detta clatrina.
La fagocitosi (ingresso di
una particella solida) è
tipica dei macrofagi e di
alcuni leucociti.
Con questo meccanismo i
macrofagi inglobano i
batteri patogeni e i residui
di cellule morte.
L'esocitosi è il modo in cui le
ghiandole endocrine ed esocrine, che
producono e conservano gli ormoni
proteici in vescicole citoplasmatiche,
liberano all'esterno il loro secreto.