Una cellula è un'unità strutturale di tutti gli esseri viventiil nostro pianeta e un sistema aperto. Ciò significa che per la sua vita è necessario un costante scambio di sostanze ed energia con l'ambiente. Questo scambio viene effettuato attraverso la membrana, il bordo principale della cellula, progettato per preservarne l'integrità. È attraverso la membrana che avviene lo scambio cellulare e va o lungo il gradiente di concentrazione di qualsiasi sostanza, o contro. Il trasporto attivo attraverso la membrana citoplasmatica è un processo complesso e dispendioso in termini di energia.
Membrana - barriera e chiusa
La membrana citoplasmatica fa parte dimolti organelli cellulari, plastidi e inclusioni. La scienza moderna si basa su un modello a mosaico liquido della struttura della membrana. Il trasporto attivo di sostanze attraverso la membrana è possibile grazie alla sua struttura specifica. La base delle membrane è formata da un doppio strato lipidico: si tratta principalmente di fosfolipidi, disposti secondo le loro proprietà idrofile-idrofobiche. Le proprietà principali del doppio strato lipidico sono la fluidità (la capacità di incorporare e perdere aree), l'autoassemblaggio e l'asimmetria. Il secondo componente delle membrane sono le proteine. Le loro funzioni sono diverse: trasporto attivo, ricezione, fermentazione, riconoscimento.
Le proteine si trovano sia sulla superficie delle membrane,e dentro, e alcuni lo permeano più volte. La proprietà delle proteine nella membrana è la capacità di spostarsi da un lato all'altro della membrana (salto "flip-flop"). E l'ultimo componente sono le catene saccaridiche e polisaccaridiche dei carboidrati sulla superficie della membrana. Le loro funzioni sono ancora controverse oggi.
Tipi di trasporto attivo di sostanze attraverso la membrana
Un tale trasferimento di sostanze attraversola membrana cellulare, che viene controllata, avviene con il dispendio di energia e va contro il gradiente di concentrazione (le sostanze vengono trasferite da un'area a bassa concentrazione ad un'area ad alta concentrazione). A seconda della fonte di energia utilizzata, si distinguono i seguenti tipi di trasporto:
- Principalmente attivo (fonte di energia - idrolisi dell'acido adenosina trifosforico ATP in adenosina difosforica ADP).
- Attivo secondario (fornito dall'energia secondaria creata come risultato del lavoro dei meccanismi del trasporto attivo primario di sostanze).
Proteine aiutanti
Sia nel primo che nel secondo caso, trasportoè impossibile senza proteine di trasporto. Queste proteine di trasporto sono molto specifiche e sono progettate per trasportare determinate molecole e talvolta anche un certo tipo di molecola. Ciò è stato dimostrato sperimentalmente su geni batterici mutati, che ha portato all'impossibilità di trasporto attivo di un certo carboidrato attraverso la membrana. Le proteine trasportatrici transmembrana possono essere dei vettori veri e propri (interagiscono con le molecole e le trasportano direttamente attraverso la membrana) o formanti canali (formano i pori nelle membrane che sono aperte a sostanze specifiche).
Pompa per sodio e potassio
L'esempio più studiato di attivo primarioil trasporto di sostanze attraverso la membrana è Na + -, K + -pompa. Questo meccanismo fornisce una differenza nella concentrazione di ioni Na + e K + su entrambi i lati della membrana, necessaria per mantenere la pressione osmotica nella cellula e in altri processi metabolici. La proteina trasportatrice transmembrana, ATP-ase sodio-potassio, è composta da tre parti:
- All'esterno della membrana, la proteina ha due recettori per gli ioni di potassio.
- Sul lato interno della membrana ci sono tre recettori per gli ioni sodio.
- La parte interna della proteina è caratterizzata dall'attività dell'ATP.
Quando due ioni di potassio e tre ioni di sodiosi lega ai recettori proteici su entrambi i lati della membrana, attiva l'attività dell'ATP. La molecola di ATP viene idrolizzata in ADP con il rilascio di energia, che viene spesa per il trasporto di ioni di potassio all'interno e di ioni di sodio all'esterno della membrana citoplasmatica. Si stima che l'efficienza di una tale pompa sia superiore al 90%, il che è di per sé abbastanza sorprendente.
Per riferimento:L'efficienza di un motore a combustione interna è di circa il 40%, uno elettrico fino all'80%. È interessante notare che la pompa può funzionare nella direzione opposta e fungere da donatore di fosfato per la sintesi di ATP. Per alcune cellule (ad esempio i neuroni), fino al 70% di tutta l'energia viene spesa per rimuovere il sodio dalla cellula e pompare gli ioni di potassio all'interno. Le pompe per calcio, cloro, idrogeno e alcuni altri cationi (ioni con carica positiva) funzionano secondo lo stesso principio di trasporto attivo. Non sono state trovate pompe di questo tipo per gli anioni (ioni caricati negativamente).
Co-trasporto di carboidrati e amminoacidi
Un esempio di trasporto attivo secondario può essereservono a trasferire nelle cellule glucosio, amminoacidi, iodio, ferro e acido urico. Come risultato del funzionamento della pompa potassio-sodio, si crea un gradiente di concentrazione di sodio: la concentrazione è alta all'esterno e bassa all'interno (a volte 10-20 volte). Il sodio tende a diffondersi nella cellula e l'energia di questa diffusione può essere utilizzata per trasportare le sostanze verso l'esterno. Questo meccanismo è chiamato cotrasporto o trasporto attivo coniugato. In questo caso, la proteina vettore ha due centri recettori all'esterno: uno per il sodio e l'altro per l'elemento trasportato. Solo dopo l'attivazione di entrambi i recettori la proteina subisce cambiamenti conformazionali e l'energia di diffusione del sodio introduce la sostanza trasportata nella cellula contro il gradiente di concentrazione.
Il valore del trasporto attivo per la cella
Se la normale diffusione di sostanze attraverso la membranaprocedevano indefinitamente, le loro concentrazioni all'esterno e all'interno della cella sarebbero state livellate. E questa è la morte per le cellule. Dopotutto, tutti i processi biochimici devono avvenire in un ambiente di differenza di potenziale elettrico. Senza attivi, contro il gradiente di concentrazione, trasporto di sostanze, i neuroni non sarebbero in grado di trasmettere un impulso nervoso. E le cellule muscolari perderebbero la capacità di contrarsi. La cellula non sarebbe in grado di mantenere la pressione osmotica e si appiattirebbe. E i prodotti metabolici non verrebbero escreti. E gli ormoni non sarebbero mai entrati nel flusso sanguigno. Dopotutto, anche un'ameba spende energia e crea una potenziale differenza sulla sua membrana utilizzando le stesse pompe ioniche.
