Anatomia e Fisiologia

Per comprendere come le sostanze si muovono passivamente attraverso una membrana cellulare, è necessario comprendere i gradienti di concentrazione e diffusione. Un gradiente di concentrazione è la differenza di concentrazione di una sostanza attraverso uno spazio. Le molecole (o ioni) si diffonderanno/si diffonderanno da dove sono più concentrate a dove sono meno concentrate fino a quando non saranno equamente distribuite in quello spazio. (Quando le molecole si muovono in questo modo, si dice che si muovano verso il basso il loro gradiente di concentrazione.) Tre tipi comuni di trasporto passivo includono la diffusione semplice, l’osmosi e la diffusione facilitata.

La diffusione semplice è il movimento di particelle da un’area di maggiore concentrazione a un’area di concentrazione inferiore. Un paio di esempi comuni aiuteranno a illustrare questo concetto. Immaginate di essere all’interno di un bagno chiuso. Se una bottiglia di profumo fosse spruzzata, le molecole di profumo si diffonderebbero naturalmente dal punto in cui hanno lasciato la bottiglia a tutti gli angoli del bagno, e questa diffusione continuerebbe fino a quando non rimane più un gradiente di concentrazione. Un altro esempio è un cucchiaio di zucchero posto in una tazza di tè. Alla fine lo zucchero si diffonderà in tutto il tè fino a quando non rimane alcun gradiente di concentrazione. In entrambi i casi, se la stanza è più calda o il tè più caldo, diffusione avviene ancora più veloce come le molecole sono urtando l’uno contro l’altro e diffondendo più velocemente che a temperature più fredde. Avere una temperatura corporea interna intorno a 98,6° F quindi aiuta anche nella diffusione di particelle all’interno del corpo.

Ogni volta che una sostanza esiste in maggiore concentrazione su un lato di una membrana semipermeabile, come la membrana plasmatica, qualsiasi sostanza che può spostarsi verso il basso il suo gradiente di concentrazione attraverso la membrana lo farà. Considerare sostanze che possono facilmente diffondersi attraverso il doppio strato lipidico della membrana cellulare, come i gas ossigeno (O2) e CO2. L’O2 generalmente si diffonde nelle cellule perché è più concentrato al di fuori di esse e la CO2 in genere si diffonde fuori dalle cellule perché è più concentrata all’interno di esse. Nessuno di questi esempi richiede alcuna energia da parte della cellula, e quindi usano il trasporto passivo per muoversi attraverso la membrana. Prima di andare avanti, è necessario rivedere i gas che possono diffondersi attraverso una membrana cellulare. Poiché le cellule consumano rapidamente l’ossigeno durante il metabolismo, c’è in genere una concentrazione inferiore di O2 all’interno della cellula rispetto all’esterno. Di conseguenza, l’ossigeno si diffonderà dal liquido interstiziale direttamente attraverso il doppio strato lipidico della membrana e nel citoplasma all’interno della cellula. D’altra parte, poiché le cellule producono CO2 come sottoprodotto del metabolismo, le concentrazioni di CO2 aumentano all’interno del citoplasma; pertanto, la CO2 si sposterà dalla cellula attraverso il doppio strato lipidico e nel liquido interstiziale, dove la sua concentrazione è inferiore. Questo meccanismo di diffusione delle molecole da dove sono più concentrate a dove sono meno concentrate è una forma di trasporto passivo chiamata diffusione semplice (Figura 3.15).

Figura 3.15. Diffusione semplice attraverso la membrana cellulare (plasma) La struttura del doppio strato lipidico consente solo a piccole sostanze non polari come ossigeno e anidride carbonica di passare attraverso la membrana cellulare, lungo il loro gradiente di concentrazione, per semplice diffusione.

L’osmosi è la diffusione dell’acqua attraverso una membrana semipermeabile (Figura 3.16). L’acqua può muoversi liberamente attraverso la membrana cellulare di tutte le cellule, attraverso i canali proteici o scivolando tra le code lipidiche della membrana stessa. Tuttavia, è la concentrazione di soluti all’interno dell’acqua che determina se l’acqua si muoverà o meno nella cellula, fuori dalla cellula o entrambi.

Figura 3.16. Osmosi L’osmosi è la diffusione dell’acqua attraverso una membrana semipermeabile lungo il suo gradiente di concentrazione. Se una membrana è permeabile all’acqua, anche se non a un soluto, l’acqua equalizzerà la propria concentrazione diffondendosi sul lato della concentrazione di acqua più bassa (e quindi sul lato della concentrazione di soluto più alta). Nel becher a sinistra, la soluzione sul lato destro della membrana è ipertonica.

I soluti all’interno di una soluzione creano una pressione osmotica, una pressione che tira l’acqua. L’osmosi si verifica quando c’è uno squilibrio di soluti all’esterno di una cellula rispetto all’interno della cellula. Più soluto contiene una soluzione, maggiore sarà la pressione osmotica che la soluzione avrà. Una soluzione che ha una maggiore concentrazione di soluti rispetto ad un’altra soluzione si dice che sia ipertonica. Le molecole d’acqua tendono a diffondersi in una soluzione ipertonica perché la pressione osmotica più alta tira l’acqua (Figura 3.17). Se una cellula è disposta in una soluzione ipertonica, le cellule si raggrinziranno o crenate mentre l’acqua lascia la cellula via osmosi. Al contrario, una soluzione che ha una concentrazione inferiore di soluti rispetto a un’altra soluzione si dice che sia ipotonica. Le cellule in una soluzione ipotonica assumeranno troppa acqua e si gonfieranno, con il rischio di scoppiare, un processo chiamato lisi. Un aspetto critico dell’omeostasi negli esseri viventi è quello di creare un ambiente interno in cui tutte le cellule del corpo sono in una soluzione isotonica, un ambiente in cui due soluzioni hanno la stessa concentrazione di soluti (uguale pressione osmotica). Quando le cellule e i loro ambienti extracellulari sono isotonici, la concentrazione delle molecole d’acqua è la stessa all’esterno e all’interno delle cellule, quindi l’acqua scorre sia dentro che fuori e le cellule mantengono la loro forma normale (e funzione). Vari sistemi di organi, in particolare i reni, lavorano per mantenere questa omeostasi.

Figura 3.17. Concentrazione di soluzioni Una soluzione ipertonica ha una concentrazione di soluto superiore a un’altra soluzione. Una soluzione isotonica ha una concentrazione di soluto uguale a un’altra soluzione. Una soluzione ipotonica ha una concentrazione di soluto inferiore a un’altra soluzione.