biologia |
Membrane
Nelle cellule avvengono contemporaneamente parecchie reazioni metaboliche. Se le cellule non fossero altamente organizzate e in grado di sincronizzare in modo preciso le proprie reazioni metaboliche si verificherebbe il caos. Parte dell'organizzazione è dovuta a gruppi di enzimi che funzionano come catene di montaggio; il prodotto di una reazione enzima-catalizzatore diventa il substrato per l'enzima successivo e così via finché non si ottiene il prodotto finale. Affinché nella cellula le operazioni procedano come una catena di montaggio devono esserci gli enzimi giusti nel posto giusto. Le membrane forniscono le basi strutturali per le sequenze metaboliche. Esse formano la maggior parte degli organuli cellulari e dividono la cellula in timenti che contengono enzimi in soluzione. Come tutte le membrane anche quella cellulare possiede una permeabilità selettiva che permette ad alcune sostanze di attraversarla più facilmente di altre e ad altre ancora impedisce il passaggio. La membrana cellulare è costituita da tre strati: uno scuro più esterno, uno strato intermedio chiaro e un secondo strato scuro interno che delimita il bordo esterno del citoplasma. Molte delle conoscenze sulle membrane cellulari derivano dallo studio effettuato sui globuli rossi. I biologi possono isolare grandi quantità di membrane cellulari rompendo queste cellule ed eliminando il citoplasma. Gli involucri vuoti che rimangono sono chiamati fantasmi e gli studi chimici effettuati su questi fantasmi hanno rivelato che i tre strati della membrana corrispondono alla disposizione dei fosfolipidi di membrana. La membrana cellulare viene comunemente definita un mosaico fluido; è un mosaico in quanto è costituita da diverse molecole proteiche inserite nella struttura dei fosfolipidi ed è fluido perché la maggior parte delle singole proteine e dei fosfolipidi può muoversi lateralmente ella membrana. La membrana stessa invece resta ancorata al suo posto dal momento che alcune sue proteine sono legate sia al citoscheletro sia alle fibre della matrice extracellulare che circonda la cellula. La curvatura delle code fosfolipidiche rende più fluida la membrana impedendo che i fosfolipidi adiacenti si impacchettino tra loro. Il colesterolo, uno steroide inserito nel doppio strato, rende stabili i fosfolipidi alla temperatura corporea mentre mantiene fluida la membrana alle temperature più basse. Le superfici esterna ed interna delle membrane presentano caratteristiche differenti. Sulla superficie esterna della membrana cellulare vi sono carboidrati legati covalentemente alle proteine e ai lipidi di membrana. Le proteine legate a molecole di zucchero sono chiamate glicoproteine mentre i lipidi legati a zucchero sono detti glicolipidi. La porzione glucidica delle glicoproteine varia da individuo a individuo e da una specie all'altra. Molti zuccheri presenti sulla membrana fungono da segnali di riconoscimento e consentono alla cellula di stabilire se un'atra cellula è simile oppure no. Ciò permette alle cellule di un embrione di organizzarsi in tessuti e organi, permette alle cellule del sistema immunitario di riconoscere e rigettare le cellule estranee. Le proteine di membrana svolgono diverse funzioni tra cui quelle di connettere la membrana del citoscheletro alle fibre esterne, di fornire i segnali di riconoscimento e di formare giunzioni tra cellule adiacenti. Molte di queste proteine sono enzimi appartenenti a gruppi di catalizzatori che assemblano le molecole come in una catena di montaggio. Altre proteine invece funzionano da recettori di messaggi chimici provenienti da altre cellule. La proteina recettore ha una specifica forma che sia adatta alla forma del messaggero e spesso il legame del recettore con il messaggero da inizio ad una serie di reazioni che coinvolgono altre proteine; queste ultime trasmettono il messaggio ad una molecola che svolge un'attività specifica all'interno della cellula: traduzione del segnale. Alcune proteine di membrana permettono alle sostanze di attraversare la membrana. Le molecole piccole come quelle di ossigeno passano tra un fosfolipidi e l'altro ma molte altre proteine per passare necessitano delle proteine d membrana.
Trasporto attraverso la membrana: La natura dei fosfolipidi e delle proteine presenti in una membrana determina se una particolare sostanza può attraversare la membrana stessa. Alcune molecole possono passare senza che la cellula debba compiere alcun lavoro, ma anche in questo caso possono essere necessarie delle proteine di trasporto. Le leggi della fisica stabiliscono in quali casi le molecole possono attraversare la membrana e in che direzione possono andare. La diffusione è la tendenza delle particelle a spostarsi spontaneamente da una zona dove sono più concentrate a una zona dove sono meno concentrate. La diffusione non richiede lavoro ma è la conseguenza del movimento casuale degli atomi e delle molecole ed è guidata dalla tendenza universale dell'ordine a degenerare in disordine. La diffusione di una sostanza attraverso una membrana biologica è chiamata trasporto passivo perché non richiede lavoro da parte della cellula. Le molecole tendono a spostarsi dal lato in cui sono più concentrate verso il lato in cui sono meno concentrate finché raggiungono su entrambi i lati la stessa concentrazione. Le molecole diffondono secondo il proprio gradiente di concentrazione finché non si stabilisce l'equilibrio. All'equilibrio le molecole continuano ad attraversare la membrana nei due sensi ma non vi è più un flusso netto. Il trasporto passivo è un processo estremamente importante per tutte le nostre cellule in particolar modo nei polmoni. La diffusione delle molecole d'acqua attraverso una membrana selettiva permeabile è un caso particolare di trasporto passivo chiamato osmosi. La soluzione con la concentrazione maggiore di soluto è chiamata ipertonica; la soluzione con la concentrazione più bassa di soluto è chiamata ipotonica. L'acqua attraversa la membrana finchè la concentrazione di soluto diventa uguale su entrambi i lati. Le molecole del soluto attraggono gruppi di molecole d'acqua in modo che solo una parte delle molecole d'acqua sia libera di diffondere attraverso la membrana. La soluzione ipotonica ha più molecole d'acqua libere rispetto alla ipertonica; c'è quindi un movimento di acqua dalla soluzione ipotonica a quella ipertonica e come risultato vi è una differenza del livello dell'acqua nelle due soluzioni. Soluzioni con concentrazione identica di soluto sono chiamate isotoniche. Quando una cellula animale è immersa in una soluzione isotonica il suo volume rimane costante in quanto essa assorbe acqua con la stessa velocità con cui la perde e in questa situazione la cellula e l'ambiente esterno sono in equilibrio. Una cellula animale posta in una soluzione ipotonica che ha cioè una concentrazione di soluto più bassa rispetto a quella della cellula stessa assorbe acqua, si gonfia e può scoppiare; una cellula animale posta in una soluzione ipertonica si riduce di volume e può morire per la perdita d'acqua. Per sopravvivere se le sue cellule sono in un ambiente ipertonico o ipotonico l'organismo deve possedere un sistema che prevenga l'eccessiva perdita o l'eccessivo assorbimento di acqua; il controllo dell'equilibrio idrico è detto osmoregolazione. Le cellule vegetali a causa della loro parete reagiscono diversamente ai vari ambienti rispetto alle cellule vegetali. Una cellula vegetale immersa in una soluzione isotonica perde consistenza e la pianta appassisce; in un ambiente ipotonico le cellule vegetali la pianta è turgida perché la pianta ha bisogno di immagazzinare acqua e non rischia di scoppiare perché la parete impedisce un flusso troppo etto di acqua; in un ambiente ipertonico le cellule vegetali non si comportano in maniera diversa da quelle animali : quando perdono acqua diminuiscono di volume e la membrana cellulare si stacca dalla parete e ciò provoca la morte della cellula.
Diffusione semplice: Avviene quando una molecola è talmente piccola da poter passare tra i fosfolipidi oppure quando le molecole più grandi per passare attraverso la membrana si servono di canali proteici sempre aperti.
Diffusione facilitata: Nella membrana plasmatica ci sono delle proteine dette carrier nelle quali si forma un canale nel momento in cui una sostanza deve attraversare la membrana e poi si richiude. Ve ne sono di tre tipi: Uniporto che trasporta una molecola sola; Simporto che trasporta due molecole che si muovono nella stessa direzione; Antiporto che trasporta sempre due molecole ma esse si muovono in senso opposto. Nel simporto e nell'antiporto si verifica un trasporto accoppiato; nell'uniporto un trasporto semplice.
Trasporto attivo: ½ sono due tipi di trasporto attivo: quello primario e quello secondario. Il primario fa uso di energia sotto forma di ATP. Il più importante esempio è la pompa sodio-potassio (proteina carrier che apre più canali di trasporto). Deve portare all'esterno 3 ioni sodio e devo portare dentro la cellula 2 ioni potassio. Verso il citoplasma la pompa ha tre siti di attacco per il sodio e un sito di attacco per un gruppo fosfato dell'ATP; all'esterno ha due siti di attacco per gli ioni potassio che però non sono ancora in grado di attaccarli. Il sodio si lega ai tre siti, l'ATP fornisce energia e i due siti per il potassio cambiano di forma e sono quindi in grado di ricevere gli ioni potassio. Dentro la proteina si formano tre canali per il sodio e due per il potassio. Una volta conclusa l'operazione il gruppo fosfato si stacca e la pompa ritorna alla forma originaria ossia in grado di legare il sodio ma non il potassio. Nel secondario non si usa energia perché sfrutta un trasporto primario appena finito. Il sodio è all'esterno della cellula in grandi quantità e il potassio è in grandi quantità dentro la cellula; tendono quindi passivamente a rientrare e a riuscire rispettivamente. Il sodio si serve di alcune proteine per rientrare di nuovo e alcune molecole come il glucosio si legano al sodio, che si muove secondo gradiente di concentrazione, a entrare nella cellula contro gradiente di concentrazione.
Esocitosi e endocitosi: Per consentire il passaggio di molecole di grandi dimensioni la cellula utilizza il processo dell'esocitosi per trasportare fuori dal citoplasma grandi quantità di materiale nel primo stadio di questo processo una vescicola racchiusa da una membrana e piena di macromolecole si muove verso la membrana cellulare; una volta raggiunta la vescicola si fonde con la membrana e riversa il suo contenuto all'esterno. Nell'endocitosi la cellula ingloba macromolecole. ½ sono tre diversi tipi di endocitosi: la fagocitosi che serve per inglobare sostanze solide; la pinocitosi che serve per inglobare sostanze liquide; il terzo tipo è l'endocitosi mediata da recettori; le membrana cellulare forma un'introflessione rivestita da recettori proteici altamente specifici che prelevano molecole dall'ambiente circostante e le legano a sé, la fossetta poi si richiude formando una vescicola ce trasporta le sostanze all'interno del citoplasma.
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