La diffusione nella cellula è il trasporto passivo del soluto lungo il suo gradiente di concentrazione. In biologia, il gradiente di concentrazione esiste attraverso una membrana plasmatica semipermeabile, in modo tale che la concentrazione di soluti sia maggiore su un lato della membrana rispetto a quella dell'altro lato.
La forza motrice per il movimento dei soluti durante la diffusione è la differenza nella sua concentrazione attraverso una membrana che forma un gradiente di concentrazione. Dirige il movimento del soluto lungo il gradiente fino a quando il flusso netto di soluti attraverso la membrana diventa uguale.
Qual è la diffusione in una cellula?
La diffusione nella cellula è il processo in cui i soluti da una regione ad alta concentrazione si spostano verso la regione a bassa concentrazione fino a raggiungere l'equilibrio, senza spendere energia o ATP su di essa. I soluti si muovono attraverso la membrana plasmatica per semplice diffusione o per diffusione facilitata, lungo il gradiente di concentrazione.
Cosa fa la diffusione alle cellule?
La diffusione consente a diversi tipi di molecole di entrare ed esistere nelle cellule attraverso la loro membrana plasmatica a seconda delle esigenze delle cellule o delle reazioni metaboliche e regolatorie che avvengono all'interno della matrice cellulare.
- gas: Gas come ossigeno, anidride carbonica e monossido di carbonio possono attraversare la membrana plasmatica per semplice diffusione.
- Molecole polari e cariche: Molecole polari e cariche come ioni, carboidrati, amminoacidi, nucleosidi possono attraversare la membrana plasmatica solo attraverso le proteine facilitatrici presenti nella membrana plasmatica.
- Molecole non polari e non cariche: Piccole molecole non polari e non cariche insieme ad alcune molecole organiche idrofobiche possono attraversare la membrana plasmatica per semplice diffusione.
La diffusione colpisce le cellule?
La diffusione colpisce una cellula in modi diversi. Può influenzare la concentrazione di soluti nella matrice cellulare, modificare il volume e le dimensioni delle cellule se subisce osmosi e determinare cambiamenti conformazionali nelle proteine di membrana della cellula.
In che modo la diffusione influisce sulle cellule?
La diffusione può influenzare le dimensioni della cellula se la cellula subisce un tipo speciale di diffusione chiamato osmosi. Nell'osmosi, l'acqua che è un solvente polare attraversa la membrana plasmatica invece dei soluti disciolti nell'acqua. Di conseguenza, l'assorbimento e il rilascio di queste molecole d'acqua in risposta alla diversa concentrazione di soluto attraverso la membrana porta rispettivamente ad un aumento e una diminuzione del volume e delle dimensioni delle cellule.
In che modo la diffusione influisce sulla dimensione cellulare?
L'osmosi che è un tipo speciale di diffusione nella cellula, colpisce il volume di una cellula a seconda del tipo di soluzione in cui una cellula è collocata o circondata a causa dello scambio di soluto e solventi che avviene fino al raggiungimento dell'equilibrio. Poi di nuovo, il suo effetto è leggermente diverso nelle cellule animali e vegetali. Questi effetti sono di natura reversibile e le cellule possono tornare alle loro dimensioni originali in pochi minuti stabilendo un equilibrio tra la concentrazione di soluto sia all'interno che all'esterno della cellula.
Quando due soluzioni di diversa concentrazione di soluto sono separate da una membrana semipermeabile, le molecole d'acqua nella soluzione ipertonica o iperosmotica si muovono attraverso la membrana semipermeabile verso la soluzione ipotonica o ipoosmotica. ipertonica le soluzioni hanno una concentrazione di soluto relativamente più alta rispetto a quella della cellula, mentre il ipotonico le soluzioni hanno una concentrazione di soluto relativamente inferiore a quella della cellula. isotonica o soluzioni isoosmotiche, hanno invece la stessa concentrazione di soluto di quella della cellula.
Quando viene posta in una soluzione ipotonica rispetto a quella della concentrazione di soluto intracellulare, una cellula tende ad acquisire acqua per endosmosi. Le cellule animali possono assorbire l'acqua e aumentare di volume fino a quando non scoppia mentre, nella cellula vegetale, la parete cellulare aiuta a mantenere un volume costante. Le cellule di solito tornano ad uno stato di equilibrio riducendo la loro pressione interna che si ottiene perdendo i soluti. Anche una cellula plasmolizzata può essere riportata al suo volume originario mettendola in una soluzione ipotonica.
Quando posto in una soluzione ipertonica, una cellula tende a perdere tutta l'acqua nella soluzione circostante dal processo di esosmosi perché la concentrazione di soluto intracellulare è ipotonica in confronto. Le cellule animali si restringono di dimensioni a causa della perdita di acqua e della diminuzione del volume cellulares mentre, le cellule vegetali rimangono intatte per la presenza della parete cellulare ma la sua membrana cellulare si stacca dalla parete cellulare e la matrice si riduce di volume. Una cellula vegetale in cui il la matrice cellulare è notevolmente ridotta, si chiama a cellula plasmolizzata.
Dove avviene la diffusione nella cellula?
La diffusione nella cellula avviene sulla membrana plasmatica di una cellula, dove i soluti o il solvente (come nel caso dell'osmosi), possono diffondersi dentro e fuori la cellula con metodi diversi. I soluti possono subire una diffusione semplice o una diffusione facilitata. Nella semplice diffusione, piccole molecole non cariche, acqua e gas possono attraversare il doppio strato lipidico senza l'aiuto di proteine di trasporto. Quindi, la semplice diffusione può verificarsi quasi ovunque nella membrana plasmatica delle cellule.
La diffusione facilitata viene effettuata con l'ausilio di proteine carrier o canali proteici che sono proteine integrali di membrana specializzate. Queste le proteine di membrana sono altamente selettive e rispondono solo a molecole selezionate che possono attraversarli, mentre non rispondono agli altri e non consentono loro di attraversarli. Così, la diffusione facilitata di un dato soluto può avvenire solo in siti specifici sulla membrana plasmatica della cellula dove sono presenti le proteine integrali di membrana che sono specifiche per il dato soluto.
Quando avviene la diffusione nella cellula?
La diffusione nella cellula avviene attraverso la membrana plasmatica per assorbire i soluti che sono presenti all'esterno e sono necessari per varie funzioni all'interno della cellula o per rilasciare i soluti in eccesso dalla cellula poiché non sono più necessari all'interno della cellula o sono necessari all'esterno della cellula cellula.
A, la diffusione nella cellula avviene lungo il gradiente di concentrazione, i soluti possono attraversare il doppio strato lipidico solo se la sua concentrazione su un lato della membrana è superiore a quella dell'altro lato. Quando si formano o sono presenti tali differenze nel gradiente di concentrazione, i soluti attraversano la membrana plasmatica dal lato della concentrazione di soluto più alta a quello della concentrazione di soluto più bassa. Lo scambio di soluto avviene fino a quando la concentrazione su entrambi i lati diventa uguale.
Come avviene la diffusione nella cellula?
La diffusione in cellula, dei diversi soluti dipende dalla loro dimensione, carica, polarità, permeabilità, idrofobicità e idrofilia. Quindi, ogni tipo di soluto segue un metodo diverso e viene trasportato con l'aiuto di diversi trasportatori facilitatori in caso di trasporto facilitato. Vengono qui menzionati i dettagli della diffusione nella cellula di alcuni soluti come acqua, lipidi, ioni e molecole cariche.
Water
- Pori statistici: l'acqua, avendo una dimensione relativamente più piccola, è in grado di attraversare facilmente il doppio strato lipidico attraverso pori statistici che sono strutture non statiche. Questi pori con a diametro di circa 4.2 Å si formano quando le molecole fosfolipidiche adiacenti nella membrana cellulare si muovono lateralmente ma in direzioni opposte.
- Perdite: I nodi sono difetti strutturali mobili nelle catene aciliche dei fosfolipidi che sono causati dalla fusione della catena acilica. Questi nodi possono consentire all'acqua di attraversarli.
- Acquaporine: Le acquaporine sono a membro della principale famiglia proteica intrinseca che consentono una diffusione facilitata dell'acqua, dentro e fuori la cellula. Nelle piante, le acquaporine sono presenti sia nella membrana cellulare che nella membrana del vacuolo che sono chiamate rispettivamente proteina intrinseca della membrana plasmatica e proteina intrinseca del tonoplasto. Questi sono più comuni nelle cellule che sono fortemente investite nel trasporto dell'acqua come le cellule del tubuli renali negli animali e nella cellula di radici nelle piante.
lipidi
Le molecole lipidiche possono facilmentey si diffondono dentro e fuori la cellula a causa della loro natura idrofobica. La permeabilità dei lipidi è direttamente proporzionale alla sua solubilità. Una penetrazione più rapida significa che il soluto ha una maggiore solubilità lipidica.
- I lipidi prendono a tempo di diffusione relativamente più lungo attraverso il doppio strato lipidico perché il citoscheletro a base di actina presente sulla superficie citoplasmatica della membrana cellulare, fa sì che essa formi dei compartimenti.
- Ostacolo sterico ed elevato rallentamento circonferenziale attorno a proteine transmembrana che sono ancorati alla rete del citoscheletro di actina, porta a confinamento temporaneo dei fosfolipidi presente nella membrana cellulare.
- Il rallentamento della circonferenza è causato dall'elevata quantità di attrito idrodinamico ciò si verifica quando grandi quantità di fosfolipidi si accumulano vicino alle proteine transmembrana.
- Questi compartimenti mediano la localizzazione della risposta intracellulare nelle regioni in cui si è verificata la ricezione del segnale extracellulare.
Ioni e molecole cariche
Il doppio strato lipidico è altamente impermeabile alle particelle cariche o anche ai piccoli ioni come H+, HCO3-, Na+, K+, Ca2+ e Cl-. Poiché questi ioni sono fondamentali per le attività cellulari di diverse moltitudini, tra cui la ricezione e la conduzione dell'impulso nervoso negli animali, l'apertura dei pori degli stomi nelle piante, la contrazione muscolare negli animali, la regolazione del trasporto di altre grandi proteine dentro e fuori dal membrana cellulare in entrambe le piante e animali.
La diffusione degli ioni dentro e fuori le cellule è facilitata da alcuni canali proteici di membrana integrali che sono selettivi e consentono il passaggio solo di determinati tipi di ioni. I canali ionici possono consentire l'afflusso o il deflusso di ioni in milioni al secondo, senza alcun dispendio di energia.
- Canali ionici voltaggio-dipendenti: Canale a membrana proteine che operano sotto l'influenza della carica differenza attraverso il doppio strato lipidico, sono chiamati canali ionici voltaggio-dipendenti. La differenza nella carica tra la matrice intracellulare ed extracellulare media l'apertura e la chiusura di questi canali ionici. Neuroni e cellule muscolari hanno tali canali ionici che aiutano rispettivamente nella conduzione degli impulsi e nel movimento muscolare.
- Canali ionici ligandi: Questi canali ionici subiscono cambiamenti conformazionali quando il i ligandi si legano ad essi sulla superficie esterna o interna/citosolica della membrana plasmatica, quindi, consentendo il passaggio di soluti o ioni in questo caso, attraverso la membrana. Il punto da notare qui è che a il ligando non è né il soluto né viene trasportato attraverso la membrana, invece, fa parte del sistema di segnalamento. Quando l'acetilcolina, un neurotrasmettitore, si lega alla superficie esterna dei canali per facilitare la conduttanza dell'impulso nervoso alle sinapsi. Considerando che, cAMP si lega alla superficie interna di alcuni canali ionici di calcio.
- Canali ionici controllati meccanicamente: Tali canali cambiano la loro conformazione in risposta a forze meccaniche. Le cellule ciliate nell'orecchio interno aprono i canali ionici piegandosi in risposta alle onde sonore. Gli ioni trasportati prendono quindi parte alla formazione dell'impulso nervoso.
Tipo di diffusione nella cellula
La diffusione o la diffusione passiva dei soluti attraverso una membrana semipermeabile può essere classificata in due tipi a seconda della necessità dei canali proteici per il trasporto.
Diffusione passiva semplice
Il soluto si diffonde attraverso il doppio strato lipidico semplicemente diffondendosi dentro e fuori la cellula. Le molecole che possono attraversare la membrana cellulare per semplice diffusione passiva sono gas, acqua e piccoli soluti non carichi. Il processo di semplice diffusione passiva richiede energia per attraversare una membrana a doppio strato ma non sotto forma di ATP. L'energia per attraversare la membrana proviene dall'acqua di idratazione, cioè il numero di gruppi ossidrile (-OH) attaccati ad una molecola di soluto. Il processo avviene in tre fasi-
- Il soluto perde le acque di idratazione.
- Il soluto disidratato attraversa il doppio strato fosfolipidico.
- Riacquista l'acqua di idratazione dall'altro lato della membrana cellulare.
L'energia di attivazione per la diffusione attraverso il doppio strato lipidico è direttamente proporzionale all'acqua di idratazione presente sul soluto. L'unica eccezione a questa relazione è l'acqua in quanto ha una permeabilità estremamente elevata.
Diffusione passiva facilitata
Il soluto si diffonde dentro e fuori i doppi strati lipidici in punti particolari con l'aiuto di proteine di membrana integrali specifiche del soluto che sono anche chiamate trasportatori facilitatori. Ci sono due tipi di proteine coinvolte nella diffusione facilitata, le proteine carrier e proteine del canale.
Quando il soluto si lega da un lato alle proteine trasportatrici, provoca in esse un cambiamento conformazionale. Questa modificata conformazione della proteina facilita il movimento delle particelle di soluto attraverso di essa e attraverso il doppio strato lipidico in entrambe le direzioni, da una regione ad alta concentrazione di soluto a una regione a concentrazione di soluto inferiore, fino al raggiungimento dell’equilibrio. D'altra parte, proteina canales consentono la libera diffusione di qualsiasi molecola che abbia una dimensione adeguata e possa adattarsi al poro che lo attraversa proteina canale.
Diffusione nel metabolismo cellulare
La diffusione nella cellula ha un ruolo vitale da svolgere nel metabolismo cellulare in quanto ha la capacità di regolare le reazioni metaboliche che si verificano in una cellula, ma la diffusione può essere influenzata anche da diversi fattori.
- Gradiente di concentrazione: L'entità del trasporto del soluto dipende dalla differenza tra la concentrazione del soluto su entrambi i lati della membrana. Maggiore è la differenza, maggiore e più veloce sarà la velocità di diffusione dei soluti attraverso la membrana.
- Dimensioni e massa del soluto: La velocità di diffusione è indirettamente proporzionale alla dimensione delle molecole. I soluti di dimensioni maggiori o di massa maggiore impiegano più tempo a diffondersi attraverso il doppio strato lipidico.
- Dimensione della cella: Anche la dimensione della cella o il diametro della cella è inversamente proporzionale alla velocità di diffusione. Una cella di dimensioni inferiori avrà una maggiore velocità di diffusione poiché la distanza da percorrere è minore mentre, in una cella di diametro maggiore, la distanza percorsa dal soluto sarà maggiore e quindi la velocità di diffusione diventerà lenta.
- Interazione con altre molecole: Se i soluti di dimensioni più piccole interagiscono con proteine più grandi, la sua velocità di diffusione si riduce notevolmente rispetto a quando non era coinvolto in tale interazione. Ciò accade perché i soluti più piccoli ora non sono così liberi di diffondersi perché la loro interazione con le molecole più grandi ostacola il loro libero movimento.
- Temperatura: La temperatura è direttamente proporzionale al movimento del soluto in una soluzione ed è quindi anche direttamente proporzionale alla velocità di diffusione. Quando una soluzione è ad alta temperatura, i suoi soluti acquistano molta energia e il loro movimento casuale diventa molto rapido. Di conseguenza, anche tali molecole si diffondono più velocemente.
Ruolo della diffusione nel metabolismo cellulare
- Il glucosio subisce una diffusione facilitata quando la sua concentrazione nel sangue è superiore a quella delle cellule dei muscoli scheletrici e dei tessuti adiposi, grazie all'ausilio dei trasportatori della proteina GLUT. Delle molte proteine della famiglia GLUT, GLUT4 è attivata dall'insulina. Quando l'insulina si lega alla proteina trasportatrice GLUT4, consente una diffusione facilitata ad una velocità molto elevata nei tessuti sensibili all'insulina. Pertanto, l'insulina mantiene il livello di glucosio nel sangue normale.
- Poiché il glucosio svolge un ruolo vitale nel metabolismo cellulare, è richiesto in grande quantità all'interno della matrice cellulare, ma il gradiente di concentrazione può impedire l'afflusso di glucosio nella cellula quando viene raggiunto l'equilibrio. Per evitare che il gradiente di concentrazione raggiunga l'equilibrio, le molecole di glucosio subiscono la fosforilazione quando entrano attraverso la membrana cellulare. La fosforilazione abbassa la concentrazione intracellulare di glucosio e consente un afflusso costante di glucosio nella cellula.
- I neuroni mantengono uno stato di polarizzazione o un potenziale di membrana a riposo poiché hanno un eccesso di ioni sodio all'esterno della membrana cellulare e un eccesso di ioni potassio all'interno di essa. Quando il nervo riceve uno stimolo, i canali ionici sodio-potassio si aprono per consentire a uno ione sodio di entrare nella cellula e a due ioni potassio di uscire dalla cellula. Ciò porta alla depolarizzazione della membrana e il potenziale d'azione viene spostato lungo la membrana portando alla trasmissione dell'impulso nervoso.
- L'emoglobina presente nel sangue di solito si lega con l'ossigeno in alcuni siti particolari e subisce una diffusione facilitata. Oltre a ciò, l'ossigeno viene scambiato anche per semplice diffusione. Anche l'anidride carbonica e il monossido di carbonio vengono scambiati tra gli alveoli e i capillari sanguigni per diffusione in modo simile.
Ruolo della diffusione nella cella
- Proteine GLUT4: il legame dell'ormone insulina alle proteine trasportatrici GLUT4 porta all'afflusso di molecole di glucosio in eccesso all'interno delle cellule per diffusione facilitata.
- Segnalazione del messaggero secondario: i messaggeri secondari sono solitamente piccole molecole o ioni che sono coinvolti nella trasmissione dei segnali dai recettori presenti sulla membrana plasmatica a diverse altre proteine intracellulari e avviano una cascata di segnali. L'afflusso dei messaggeri secondari all'interno della matrice cellulare avviene per diffusione facilitata.
- L'osmosi come tipo speciale di diffusione: l'osmosi è importante nelle cellule sia animali che vegetali. Queste cellule sono coinvolte nell'assorbimento dell'acqua come l'assorbimento dell'acqua dal suolo da parte dei peli delle radici, il riassorbimento dell'acqua da parte dei tubuli contorti prossimali e distali presenti nei reni degli animali, il riassorbimento del fluido tissutale nei capillari sanguigni e l'assorbimento dell'acqua nel il tratto digerente degli animali.
- Filtrazione del sangue: i reni negli animali sono coinvolti nella rimozione dei prodotti di scarto mediante il processo di diffusione sia semplice che facilitata.
- Respirazione: la diffusione nelle cellule consente anche lo scambio di gas tra gli alveoli dei polmoni e i capillari del sangue per consentire la respirazione. Anche lo scambio di gas negli animali acquatici segue un meccanismo simile. Poiché i gas scambiati sono scarichi, subiscono una semplice diffusione.
- Assorbimento del cibo: il cibo che viene digerito nel tratto digerente, contiene una certa quantità di nutrienti liposolubili come la vitamina A, D, R e K, che possono passare facilmente attraverso le cellule presenti nei villi, nel vaso sanguigno dal processo di semplice diffusione.
Diffusione nel trasporto cellulare
La diffusione nella cellula è principalmente responsabile del trasporto cellulare di ossigeno, anidride carbonica, glucosio, aminoacidi e grassi.
- Filtrazione del sangue: Negli animali le cellule di reni sono responsabili dell'eliminazione dei prodotti di scarto come urea, creatinina e liquidi extra dal sangue mediante il processo di diffusione. Lo stesso principio di diffusione viene applicato durante il dialisi del sangue dei pazienti che hanno disturbi della funzione renale.
- Respirazione: L'emoglobina presente nel sangue di solito si lega con l'ossigeno in alcuni siti particolari e subisce diffusione facilitata. A parte quello, anche l'ossigeno viene scambiato per semplice diffusione. Anche l'anidride carbonica e il monossido di carbonio vengono scambiati tra gli alveoli e i capillari sanguigni per diffusione in modo simile.
- Diffusione nelle piante: La diffusione è responsabile della sopravvivenza delle piante in quanto consentono il cellule delle radici per assorbire l'acqua dal terreno circostante. Le piante richiedono un'enorme quantità di acqua per mantenersi turgore sia a livello cellulare che di organo. In caso di perdita dell'acqua in eccesso, che avviene sempre per diffusione, le piante appassiscono e possono seccare se la perdita d'acqua non viene compensata.
Diffusione nella membrana cellulare
La diffusione in una cellula avviene all'interfaccia della superficie cellulare che interagisce sia con la matrice extracellulare che con la matrice cellulare. Sotto la direzione del gradiente di concentrazione, i soluti da una regione ad alta concentrazione si spostano verso la regione a bassa concentrazione. I soluti possono attraversare la membrana plasmatica per semplice diffusione o per diffusione facilitata in cui sono coinvolti le proteine carrier e il canale proteico. Il tipo di diffusione che subisce un soluto dipende dalle sue dimensioni, massa, carica, polarità, idrofilia o idrofobicità e dalla temperatura.
Diffusione facilitata in cellula
La diffusione facilitata è a tipo di diffusione passiva in cui il movimento di soluto, in particolare i soluti polari, avviene con l'aiuto di proteine di membrana altamente specifiche che sono anche chiamate trasportatori facilitatori. Il legame del soluto alla superficie di questi canali proteici integrali porta a un cambiamento nella loro conformazione, consentendo al soluto di passare attraverso di essi e attraverso il doppio strato lipidico, lungo il gradiente di concentrazione. La differenza di concentrazione dei soluti sui due lati della membrana plasmatica determina la direzione del flusso netto.
I trasportatori facilitati possono saturarsi se l'afflusso o il deflusso di soluti supera la capacità massima. Possono far passare da poche centinaia a migliaia di soluti, ogni secondo.
Conclusione
La diffusione gioca un ruolo vitale nel metabolismo cellulare e nella segnalazione cellulare per diffusione semplice o facilitata o per osmosi. La comprensione del meccanismo di diffusione a ogni interfaccia può darci una visione approfondita di come una cellula completa le sue attività.
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