Mentre svolgono funzioni come la crescita, la divisione e la sintesi, le cellule utilizzano e producono sostanze che devono essere in grado di attraversare le membrane cellulari e degli organelli.
Le membrane cellulari semipermeabili consentono ad alcune molecole di viaggiare attraverso a gradiente di concentrazione dal lato ad alta concentrazione della membrana al lato a bassa concentrazione per semplice diffusione.
Diffusione facilitata lascia che altre importanti molecole si incrocino in modo selettivo in quanto utilizza proteine incorporate nella membrana cellulare per consentire a determinate sostanze di attraversare.
Il proteine di membrana di diffusione facilitata o formano aperture nella membrana e controllano ciò che può passare, oppure trasportano attivamente molecole specifiche attraverso la membrana. Questo processo è particolarmente importante per controllare il flusso di ioni perché molte funzioni cellulari dipendono dalla presenza di determinati ioni per consentire il procedere di una reazione chimica.
Oltre agli ioni, le proteine trasportatrici possono anche facilitare il passaggio di grandi molecole come il glucosio.
Il trasporto passivo utilizza gradienti di concentrazione
Le sostanze che la cellula produce o di cui ha bisogno possono essere trasportate attraverso le membrane cellulari e degli organelli in diversi modi. Trasporto passivo non richiede un apporto energetico e utilizza il gradiente di concentrazione per alimentare il movimento delle molecole.
Nel semplice diffusione tipo di trasporto passivo, la diffusione avviene attraverso una membrana semipermeabile dal lato a maggiore concentrazione della sostanza trasportata al lato a bassa concentrazione. La sostanza passa attraverso la membrana lungo il gradiente di concentrazione, ma alcune molecole vengono bloccate.
Se le molecole bloccate devono attraversare la membrana perché sono necessarie dall'altra parte, la diffusione facilitata può trasportare molecole specifiche.
Il metodo di diffusione funziona attraverso proteine incorporate nella membrana, ma si basa ancora sul gradiente di concentrazione per alimentare il movimento molecolare attraverso la membrana. Non richiede energia, ma le proteine possono essere selettive su quali molecole trasportano.
Il trasporto attivo consuma energia
A volte le molecole devono essere trasportate attraverso le membrane da un lato a bassa concentrazione al lato ad alta concentrazione. Questo va contro il gradiente di concentrazione e richiede energia.
Cellule che svolgono trasporto attivo hanno prodotto energia e l'hanno immagazzinata in adenosina trifosfato (ATP) molecole.
Trasporto attivo si basa su proteine simili a quelle utilizzate per la diffusione facilitata, ma utilizzano l'energia dell'ATP per trasportare le molecole attraverso la membrana contro il gradiente di concentrazione.
Dopo aver formato un legame con la molecola da trasportare, usano a gruppo fosfato dall'ATP per cambiare forma e depositare la molecola dall'altra parte della membrana.
La diffusione facilitata richiede proteine trasportatrici transmembrana
Membrane cellulari può consentire il passaggio di molte piccole molecole, ma gli ioni carichi e le molecole più grandi sono generalmente bloccati. La diffusione facilitata è un metodo attraverso il quale tali sostanze possono entrare ed uscire dalle cellule. Le proteine trasportatrici incorporate nella membrana possono facilitare il passaggio degli ioni in due modi.
Alcune proteine sono disposte attorno a un passaggio centrale e creano un foro nella membrana plasmatica della cellula, aprendo un percorso attraverso il acidi grassi dell'interno della membrana. Ioni specifici possono passare attraverso tali aperture, ma le proteine di trasporto sono progettate per far passare solo un tipo di ione.
Altre proteine non formano aperture ma trasportano grandi molecole attraverso le membrane cellulari. Il trasferimento è ancora alimentato da un gradiente di concentrazione, ma le proteine di trasporto si legano attivamente alla sostanza che stanno trasportando.
La parte della proteina che si trova all'esterno della membrana cellulare nello spazio extracellulare si lega alla molecola della sostanza da trasportare e poi la rilascia all'interno della cellula.
Esempi di diffusione facilitata: trasporto di ioni sodio e glucosio
Normalmente il idrofobico gli acidi grassi non polari delle membrane bloccano il passaggio di molecole polari cariche come gli ioni sodio. Le proteine di trasporto che forniscono aperture per tali ioni attraggono gli ioni e facilitano il loro passaggio attraverso i canali ionici.
Possono essere progettati e lasciar passare solo ioni sodio ma non altri come gli ioni potassio. Le aperture delle proteine trasportatrici possono anche controllare il flusso di ioni, chiudendosi quando la cellula non ha bisogno di più ioni.
Per il trasporto di molecole di glucosio, che normalmente sono troppo grandi per passare attraverso la membrana, proteine trasportatrici del glucosio hanno un sito dove possono legarsi alle molecole di glucosio. Si attaccano e facilitano il trasporto del glucosio attraverso la membrana cellulare. La posizione di una proteina trasportatrice diventa una fessura permeabile nella membrana che non consente alla molecola di glucosio di attraversare altrove.
Diffusione facilitata e segnalazione cellulare
Le cellule negli organismi multicellulari devono coordinare le loro attività, ad esempio quando crescere e quando dividersi. Le cellule realizzano questo coordinamento segnalando il tipo di attività in cui sono impegnate e ciò che è necessario, rilasciando sostanze chimiche di segnalazione. La diffusione facilitata aiuta con la segnalazione cellulare.
I segnali possono essere locali oa lunga distanza, interessando le cellule nelle immediate vicinanze o le cellule di altri organi e tessuti. In ogni caso, le molecole di segnalazione viaggiano tra le cellule e devono entrare nelle cellule bersaglio o attaccarsi alla loro membrana per fornire il loro segnale.
Le proteine di diffusione facilitata possono consentire a queste molecole di segnalazione di entrare nelle cellule secondo necessità e chiudere il circuito di comunicazione.
Fattori che influenzano la diffusione facilitata
Perché la diffusione facilitata è a meccanismo di trasporto passivo, è regolato da fattori dell'ambiente circostante in cui ha luogo il trasporto.
Ci sono quattro di questi fattori:
- Concentrazione: La diffusione facilitata si basa sull'energia potenziale rappresentata dal gradiente di concentrazione. Una maggiore differenza tra i lati ad alta e bassa concentrazione significa un gradiente più elevato e una diffusione più rapida.
- Capacità delle proteine trasportatrici: La velocità di legame tra la sostanza da trasferire e la proteina insieme alla velocità di trasferimento influisce sulla velocità di diffusione.
- Numero di siti di proteine di trasporto: Più siti significa maggiore capacità di diffusione e diffusione più rapida.
- Temperatura: Le reazioni chimiche dipendono dalla temperatura e una temperatura più alta significa un progresso della reazione più rapido e una diffusione più rapida.
Mentre le cellule possono controllare il numero di siti della proteina trasportatrice, la capacità della proteina trasportatrice è fissa e il la cella ha una capacità limitata di controllare la temperatura di processo e la concentrazione della sostanza al di fuori del cellula. La capacità di chiudere l'attività del sito della proteina trasportatrice diventa importante per il controllo dei processi cellulari.
L'importanza della diffusione facilitata
La semplice diffusione si prende cura delle esigenze cellulari in termini di piccole molecole non polari, ma altre sostanze importanti non possono attraversare facilmente le membrane. Le molecole polari e le molecole più grandi non possono diffondersi attraverso le membrane plasmatiche semipermeabili delle cellule e degli organelli perché lo strato interno di lipidi e acidi grassi le blocca.
La diffusione facilitata consente alle sostanze con molecole polari o grandi di entrare ed uscire dalle cellule in modo controllato.
glucosio e aminoacidi, ad esempio, sono grandi molecole che svolgono un ruolo chiave nelle funzioni cellulari. Il glucosio è un nutriente importante e gli amminoacidi sono utilizzati per molti processi cellulari, inclusa la divisione cellulare.
Affinché questi processi procedano, la diffusione facilitata consente alle molecole di passare attraverso le membrane cellulari e le membrane degli organelli come il nucleo.
Anche molecole più piccole come l'ossigeno possono beneficiare di una diffusione facilitata. Sebbene l'ossigeno possa diffondersi attraverso le membrane, la diffusione facilitata attraverso le proteine di trasporto aumenta la velocità di trasferimento e aiuta le funzioni delle cellule del sangue e dei muscoli.
Nel complesso, queste proteine incorporate nella membrana svolgono un ruolo vitale in una varietà di processi cellulari.
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