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Guardiani della cellula: come fanno le proteine di trasporto a determinare quali molecole possono entrare nella cellula?
In biologia cellulare, il trasporto di membrana si riferisce a un gruppo di meccanismi che regolano il movimento di soluti (come ioni e piccole molecole) attraverso le membrane biologiche. Queste membrane biologiche sono composte principalmente da doppi strati lipidici in cui sono incastonate delle proteine. La permeabilità selettiva delle membrane biologiche consente loro di separare le sostanze in base alle loro proprietà chimiche. In altre parole, alcune sostanze possono entrare nelle cellule, mentre altre no. Il movimento della maggior parte dei soluti avviene attraverso proteine di trasporto di membrana, che presentano diversi gradi di specializzazione nel trasporto di molecole specifiche.
Potrebbe esistere un insieme specializzato di trasportatori per ogni tipo di cellula e per la sua specifica fase fisiologica.
Poiché la diversità delle cellule e le loro caratteristiche fisiologiche sono strettamente correlate alla capacità di attrarre elementi esterni, la regolazione di questo fenomeno è controllata dalla trascrizione differenziale e dalla traduzione dei geni che codificano questi trasportatori, e questi processi possono essere controllati dalle cellule Vie di segnalazione Viene attivato a livello biochimico, anche all'interno del reticolo endoplasmatico della cellula.
Sfondo
Il flusso delle sostanze può seguire gradienti di concentrazione o elettrochimici, oppure scorrere nella direzione opposta. Se la sostanza scorre nella direzione del gradiente di concentrazione, cioè nella direzione della concentrazione decrescente, non è richiesto alcun apporto di energia esterna; se invece il trasporto avviene nella direzione opposta al gradiente, è richiesto un apporto di energia metabolica.
Nelle soluzioni immiscibili, l'acqua fluirà spontaneamente dalla concentrazione più bassa a quella più alta del soluto per raggiungere l'equilibrio.
La membrana biologica è di natura anfifilica, formando uno strato idrofobico interno e uno strato idrofilo esterno. Questa struttura consente alle sostanze di entrare o uscire dalla cellula tramite diffusione passiva. Quando la sostanza trasportata ha una carica netta, questa è influenzata non solo dal gradiente di concentrazione, ma anche dal gradiente elettrochimico causato dal potenziale di membrana. Sebbene solo un piccolo numero di molecole possa diffondersi attraverso le membrane lipidiche, la maggior parte dei processi di trasporto si avvale dell'ausilio di proteine di trasporto di membrana.
Principi della termodinamica
I processi fisiologici devono obbedire ai principi termodinamici di base. Il trasporto di membrana segue leggi fisiche che determinano la sua funzione biologica. Un importante principio termodinamico per il trasferimento di massa attraverso le membrane biologiche è la variazione di energia libera.
Quando C2 è minore di C1, ΔG è negativo e la reazione tende a procedere spontaneamente.
L'equilibrio di questo processo viene raggiunto quando C1 è uguale a C2 e ΔG=0. Esistono altre tre situazioni in cui una macromolecola può legarsi preferenzialmente a un componente o modificarne le proprietà chimiche su un lato della membrana, il che si tradurrebbe in una mancanza di gradiente per guidare il trasporto anche se la concentrazione del soluto rimane diversa su entrambi i lati. . Il potenziale presente nella membrana può influenzare ulteriormente la distribuzione degli ioni.
Tipi di trasporto
Diffusione passiva e diffusione attivaLa diffusione passiva è un fenomeno spontaneo che aumenta l'entropia di un sistema e ne diminuisce l'energia libera. La velocità di questo processo dipende dalle caratteristiche della sostanza trasportata e dalle proprietà del doppio strato lipidico. Al contrario, la diffusione attiva è il trasporto di soluti contro un gradiente di concentrazione o elettrochimico, un processo che consuma energia, solitamente ATP. L'esistenza di questo trasporto consente alle cellule di controllare la stabilità del loro ambiente interno e di mantenere il normale funzionamento dei processi vitali.
Proteine di trasporto attivo secondario
Le proteine di trasporto attivo secondario condividono energia con gli ioni e lo fanno trasportando due sostanze simultaneamente. In base alla direzione di trasporto di queste due sostanze, le proteine di trasporto possono essere suddivise in proteine di trasporto inverso e proteine di co-trasporto, che trasportano rispettivamente una sostanza nella direzione opposta.
Funzionamento della pompa
Una pompa è una proteina che trasporta specifici soluti idrolizzando l'ATP. I gradienti elettrochimici generati da questo processo sono fondamentali per la valutazione dello stato cellulare. Ad esempio, la pompa sodio-potassio è una delle pompe più importanti nelle cellule. Funziona più o meno così: tre ioni sodio si legano al sito di attivazione della pompa, quindi l'ATP viene idrolizzato, provocando una modifica della struttura della pompa e il rilascio di ioni sodio all'esterno della cellula, che a loro volta si legano agli ioni potassio ed entrano nella cellula.
Selettività di membrana
La selettività delle membrane biologiche è una caratteristica importante del trasporto delle sostanze e questo fenomeno è stato ampiamente studiato. Per la selettività dell'elettrolita, il diametro interno del canale ionico faciliterà il passaggio di piccoli ioni, mentre l'interazione tra idratazione e carica interna della membrana è un altro fattore importante. Se può interagire con l'interno della membrana in modo appropriato determina anche l'efficienza del trasporto dei materiali.
I non elettroliti generalmente diffondono attraverso il doppio strato lipidico anziché dissolversi.
Pertanto, nonostante all'interno della cellula interagiscano numerosi meccanismi di trasporto, la selettività della membrana e la specificità delle proteine di trasporto sono sufficienti per garantire un efficace adattamento della cellula all'ambiente. La scoperta e la classificazione delle proteine di trasporto forniscono una base importante per comprendere come le cellule mantengano la stabilità del loro ambiente interno attraverso questi meccanismi.
Dovremmo esplorare e scoprire di più su questi meccanismi di trasporto intracellulare per comprendere meglio i misteri della vita?
