Membrana plasmatica e trasporti: diffusione e osmosi

Tra ottobre e dicembre, in seconda al liceo scientifico, scienze passa dalle biomolecole alla cellula, e quasi sempre il punto in cui si concentrano le domande della verifica è la membrana: com’è fatta, cosa lascia passare e come. Il calendario tipico è «biomolecole e cellula, membrane e trasporti», e la prima verifica seria cade fra sei e nove settimane. È un argomento in cui basta capire due o tre idee per far tornare tutto, e dove invece chi studia a memoria confonde osmosi e diffusione, o sbaglia il verso in cui si muove l’acqua.

Qui trovi il ragionamento in ordine: la struttura, i trasporti che non costano energia, quelli che la costano, una tabella riassuntiva e tre esercizi con la risposta motivata. Non ripeto la panoramica sugli organuli e sulle biomolecole, che è in cellula e biomolecole in seconda al tecnico: lì c’è anche il confronto cellula procariote-eucariote, che qui do per noto.

Com’è fatta la membrana: il modello a mosaico fluido

La membrana plasmatica è un doppio strato di fosfolipidi. Ogni fosfolipide ha una testa idrofila, rivolta verso l’acqua dentro e fuori la cellula, e due code idrofobe, nascoste al centro dello strato. Dentro questo doppio strato ci sono proteine (alcune attraversano la membrana da parte a parte, altre stanno su un solo lato), e ci sono anche molecole di colesterolo nelle cellule animali, che regola la fluidità, e glicoproteine e glicolipidi sul lato esterno, coinvolti nel riconoscimento tra cellule.

Il nome «a mosaico fluido» dice due cose: il mosaico è l’insieme di proteine e lipidi di tipo diverso; fluido significa che i componenti non sono bloccati ma si spostano lateralmente, come in un liquido molto denso. La membrana non è un muro rigido: è una pellicola che può deformarsi, e questo è anche ciò che permette l’endocitosi, più avanti.

Permeabilità selettiva: chi passa e chi no

La membrana è selettivamente permeabile: lascia passare alcune sostanze e ne blocca altre. Il criterio principale è semplice, e deriva dalla struttura:

• passano facilmente le molecole piccole e apolari (ossigeno, anidride carbonica) e le molecole liposolubili, perché attraversano la zona idrofoba;
• passano con difficoltà le molecole polari di grandi dimensioni (glucosio, amminoacidi);
• non passano quasi mai gli ioni (Na${}^{+}$, K${}^{+}$, Cl${}^{-}$), perché la carica li respinge dal centro idrofobo; l’acqua, piccola e polare, passa lentamente per conto suo e molto più in fretta attraverso proteine canale dedicate (le acquaporine).

Tutto ciò che non attraversa da solo ha bisogno di una proteina che lo aiuti, o di un trasporto che spenda energia.

Il trasporto passivo: nessun ATP, a favore di gradiente

Il gradiente di concentrazione è la differenza di concentrazione di una sostanza tra i due lati della membrana. Le molecole, per l’agitazione termica, tendono a distribuirsi in modo uniforme: si muovono in media dalla zona dove sono più concentrate a quella dove lo sono meno, a favore del gradiente. Se per farlo non serve energia metabolica (ATP), il trasporto si dice passivo.

Diffusione semplice. La sostanza attraversa direttamente il doppio strato. Vale per ${\text{O}}_2$ e ${\text{CO}}_2$, e per le molecole liposolubili. Esempio: nei polmoni l’ossigeno passa dall’alveolo (dove è più concentrato) al sangue (dove lo è meno) senza proteine né ATP.

Diffusione facilitata. La sostanza passa a favore di gradiente, ma tramite una proteina di membrana: un canale o un carrier (trasportatore). Serve per ioni e molecole polari come il glucosio. È ancora passiva, e non consuma ATP; è «facilitata» perché senza la proteina quella molecola non riuscirebbe ad attraversare. Le proteine sono specifiche e in numero finito: se sono tutte occupate il trasporto si satura, e aumentare la concentrazione non lo accelera più.

Osmosi. È la diffusione dell’acqua attraverso una membrana semipermeabile, cioè permeabile all’acqua ma non al soluto. L’acqua si sposta dalla soluzione più diluita (meno soluto, più acqua libera) a quella più concentrata. Detto così sembra al contrario rispetto alla diffusione, ma è la stessa idea: l’acqua va dove è meno concentrata, cioè dove c’è più soluto. Il verso dell’acqua è l’errore classico: si ragiona sull’acqua, non sul soluto.

Soluzioni ipotoniche, ipertoniche, isotoniche

Questi termini descrivono una soluzione rispetto a un’altra, quasi sempre l’ambiente esterno rispetto al citoplasma, e si riferiscono alla concentrazione di soluto:

• ipotonica: meno soluto della cellula; l’acqua entra nella cellula;
• ipertonica: più soluto della cellula; l’acqua esce dalla cellula;
• isotonica: stessa concentrazione; l’acqua entra ed esce in quantità uguali, nessuna variazione netta.

Cellula animale. Non ha parete. In ambiente ipotonico si gonfia e può scoppiare (emolisi, nel caso dei globuli rossi); in ambiente ipertonico perde acqua e si raggrinzisce (crenazione). È il motivo per cui le soluzioni endovenose sono isotoniche rispetto al sangue.

Cellula vegetale. Ha la parete cellulare, rigida. In ambiente ipotonico assorbe acqua e si gonfia, ma la parete frena l’espansione e la cellula diventa turgida: la pressione di turgore è ciò che tiene dritte le piante non legnose. In ambiente ipertonico perde acqua, la membrana si stacca dalla parete e si ha plasmolisi; la pianta appassisce. Per questo il sale sparso in un orto, o l’acqua di mare, uccide le piante di acqua dolce.

Il trasporto attivo: ATP, contro gradiente

Quando una cellula deve portare una sostanza contro gradiente, dalla zona meno concentrata a quella più concentrata, serve energia, in genere fornita dall’ATP. Il trasporto si fa con proteine dette pompe.

L’esempio da conoscere è la pompa sodio-potassio (${\text{Na}}^{+}/{\text{K}}^{+}$ ATPasi). A ogni ciclo, spendendo una molecola di ATP, porta fuori dalla cellula 3 ioni sodio e porta dentro 2 ioni potassio. Il risultato è che il sodio sta più concentrato fuori e il potassio più concentrato dentro, e che la cellula mantiene una differenza di carica elettrica tra interno ed esterno, essenziale per i neuroni e per i muscoli. Se si blocca la produzione di ATP, la pompa si ferma e i gradienti si disperdono lentamente: è una conseguenza che torna spesso nelle domande a risposta motivata.

Esiste anche il trasporto attivo secondario, in cui una proteina usa il gradiente di una sostanza (per esempio il sodio, già creato dalla pompa) per trascinare dentro un’altra contro gradiente, come il glucosio nell’intestino; l’ATP è consumato indirettamente, per creare il gradiente iniziale.

Endocitosi ed esocitosi: trasportare «in blocco»

Le molecole molto grandi o le particelle intere non passano né per diffusione né per pompe. La cellula le trasporta con vescicole formate dalla membrana stessa, e questo costa ATP.

• Endocitosi: la membrana si invagina, avvolge il materiale esterno e si chiude in una vescicola che entra nel citoplasma. Se la cellula ingloba una particella solida (un batterio, un frammento) si parla di fagocitosi; se ingloba liquido e soluti, di pinocitosi.
• Esocitosi: una vescicola proveniente dall’interno si fonde con la membrana e scarica il contenuto fuori dalla cellula. È il modo in cui vengono rilasciati ormoni, neurotrasmettitori e proteine di secrezione.

Tabella riassuntiva

Errori tipici

Confondere osmosi e diffusione. La diffusione riguarda qualsiasi sostanza che si muove a favore del suo gradiente; l’osmosi è un caso particolare, la diffusione dell’acqua attraverso una membrana che non lascia passare il soluto. Se la domanda parla di acqua e membrana semipermeabile, è osmosi.

Sbagliare il verso dell’acqua. L’acqua non va verso «dove c’è meno soluto»: va verso dove c’è più soluto, perché lì l’acqua è meno concentrata. Controllo rapido: la soluzione ipertonica «richiama» acqua.

Dire che la facilitata consuma ATP. Non lo consuma: usa una proteina, ma a favore di gradiente.

Leggere «ipotonico» da solo. Ha senso solo in un confronto: «ipotonica rispetto a cosa?». Se la soluzione esterna è ipotonica, la cellula è ipertonica rispetto all’esterno; fissa sempre il punto di vista.

Dimenticare che dopo un certo punto la facilitata si satura. Un carrier ha un numero finito di posti, un canale no.

Tre esercizi con risposta motivata

Esercizio 1. Un globulo rosso (cellula animale) è immerso in una soluzione di NaCl più concentrata del suo citoplasma. Cosa succede? E se la soluzione fosse isotonica?

Risposta. La soluzione esterna è ipertonica rispetto alla cellula: ha più soluto, quindi l’acqua libera è meno concentrata fuori. L’acqua esce per osmosi dalla cellula verso l’esterno e il globulo rosso perde volume, si raggrinzisce (crenazione). Senza parete cellulare non c’è nulla che tenga la forma. In una soluzione isotonica entra ed esce la stessa quantità d’acqua: la cellula resta stabile. Per questo le soluzioni fisiologiche somministrate in vena sono isotoniche con il sangue (circa 0,9% di NaCl, valore che si cita ma di norma non si chiede di calcolare).

Esercizio 2. Una foglia di insalata appassita viene messa in acqua del rubinetto per mezz’ora e torna croccante. Spiega il fenomeno in termini di osmosi.

Risposta. L’acqua del rubinetto è ipotonica rispetto al citoplasma delle cellule, che contiene molti soluti. L’acqua entra per osmosi, passa attraverso la membrana e riempie il vacuolo centrale; la membrana si spinge contro la parete rigida e la cellula diventa turgida. La somma di molte cellule turgide dà una foglia rigida. Il processo non consuma ATP: è osmosi, trasporto passivo. Se la stessa foglia fosse messa in acqua molto salata, avverrebbe l’opposto: plasmolisi e ulteriore appassimento.

Esercizio 3 (quiz). Quali tra queste affermazioni sulla pompa sodio-potassio sono corrette? A) Trasporta sodio e potassio a favore del loro gradiente. B) Per ogni ciclo porta fuori 3 ioni Na${}^{+}$ e porta dentro 2 ioni K${}^{+}$. C) Consuma ATP. D) È un esempio di diffusione facilitata.

Risposta. Corrette B e C. La A è falsa: la pompa lavora contro il gradiente, mantenendo il sodio più concentrato fuori e il potassio dentro. La D è falsa perché la diffusione facilitata è passiva e a favore di gradiente, mentre la pompa è trasporto attivo primario. Una domanda tipica che segue: «cosa succede se si blocca la sintesi di ATP?». La pompa si ferma, i gradienti ionici si dissipano gradualmente e la cellula perde la differenza di carica tra dentro e fuori.

Come studiarlo e dove trovare altro

Un metodo che funziona: disegnare una cellula con le due soluzioni ai lati e segnare prima dove c’è più soluto, poi la freccia dell’acqua. Fatto due volte il verso non lo sbagli più. Il resto è una tabella da sapere a memoria, ma capita bene solo se hai chiaro il perché della struttura a doppio strato. Per la parte successiva del programma, la divisione cellulare, c’è mitosi e meiosi: differenze ed esercizi, e per capire cosa fa la cellula con l’energia che le pompe consumano, fotosintesi, respirazione e fermentazione. Il quadro generale della materia è nella pagina Scienze.

Su questo argomento non c’è una simulazione pertinente; per altre verifiche di scienze e per il formato dei quesiti puoi guardare le simulazioni per il liceo.

Se vuoi controllare insieme come stai messo prima della verifica, la diagnosi gratuita è il modo più rapido.