La membrana cellulare e il trasporto

La membrana cellulare è spessa solo da 5 a 10 nm circa, eppure decide che cosa entra ed esce dalla cellula.

Un muro di olio e proteine

Versa un po' d'olio sull'acqua: non si mescola. La membrana cellulare si basa sulla stessa idea. È un doppio strato fosfolipidico: due strati di molecole di fosfolipidi, ognuna con una testa idrofila che contiene fosfato e due code idrofobe di acidi grassi. Le teste sono rivolte verso il liquido acquoso dentro e fuori la cellula, e le code si nascondono nel mezzo. In questo strato oleoso stanno le proteine, alcune lo attraversano da parte a parte, e nelle cellule animali c'è anche colesterolo. Carboidrati legati a lipidi e proteine ricoprono la superficie esterna e aiutano la cellula a riconoscere e legare le sostanze.

Permeabilità selettiva

La membrana lascia passare alcune sostanze e ne blocca altre, per questo si dice selettivamente permeabile. Le piccole molecole senza carica, come ossigeno e diossido di carbonio, scivolano direttamente attraverso la parte centrale oleosa. Lo stesso fanno le sostanze liposolubili come le vitamine A, D, E e K. Le particelle cariche come gli ioni sodio, potassio, calcio e cloruro non possono attraversare da sole il nucleo oleoso, e nemmeno zuccheri e amminoacidi. Hanno bisogno dell'aiuto delle proteine.

In discesa: il trasporto passivo

Apri una bottiglia di profumo in una stanza e l'odore si diffonde finché è dappertutto. È la diffusione: le molecole si spostano da dove sono più concentrate a dove lo sono meno, senza alcun costo di energia. La diffusione è più rapida quando la differenza di concentrazione è maggiore, quando la temperatura è più alta, quando le molecole sono più leggere e quando la distanza è breve. Dentro la cellula la diffusione sposta i materiali nel citosol.

Nella diffusione facilitata le sostanze si muovono ancora secondo il gradiente, ma attraverso proteine. Le proteine canale formano un tunnel pieno d'acqua per un tipo di ione o per l'acqua; i canali dell'acqua si chiamano acquaporine. Le proteine trasportatrici afferrano una molecola, cambiano forma e la rilasciano dall'altra parte. I canali sono molto più veloci: decine di milioni di molecole al secondo, contro circa da mille a un milione per i trasportatori.

Osmosi: l'acqua in movimento

L'osmosi è la diffusione dell'acqua attraverso una membrana che blocca le sostanze disciolte. L'acqua si sposta verso il lato con più particelle disciolte, perché lì c'è meno acqua libera. Se il liquido fuori dalla cellula ha meno particelle disciolte dell'interno è ipotonico, e l'acqua entra. Un globulo rosso in acqua pura si gonfia e può scoppiare. Se fuori ci sono più particelle disciolte il liquido è ipertonico, e l'acqua esce; il globulo rosso raggrinzisce. In un liquido isotonico non c'è flusso netto. Una cellula vegetale in acqua dolce non scoppia, perché la parete la trattiene. L'acqua spinge contro la parete, e questa pressione di turgore mantiene soda la pianta. Senza acqua la membrana si stacca dalla parete, fenomeno chiamato plasmolisi, e la pianta appassisce. Il modello di cellula vegetale qui sotto mostra il vacuolo che contiene quest'acqua.

In salita: il trasporto attivo

A volte una cellula deve spostare una sostanza contro il suo gradiente, da bassa ad alta concentrazione. Serve energia, di solito dall'ATP, e si parla di trasporto attivo. L'esempio più noto è la pompa sodio-potassio. A ogni ciclo spinge fuori dalla cellula tre ioni sodio e porta dentro due ioni potassio, usando una molecola di ATP. Così il sodio resta alto fuori e il potassio alto dentro, e l'interno della cellula resta leggermente negativo. Le cellule nervose e muscolari dipendono da questa differenza. L'energia accumulata nel gradiente del sodio può poi trascinare dentro la cellula altre sostanze, come glucosio e amminoacidi: è il trasporto attivo secondario.