Un ruolo importante nel mantenere l’omeostasi cellulare costante, è svolto dai sistemi che permettono lo scambio di molecole tra il citosol e il liquido extracellulare e la loro regolazione. Questi sistemi permettono alla cellula di controllare la propria composizione elettrolitica e la concentrazione di substrati e metaboliti dei processi biochimici intracellulari. I processi di scambio vanno distinti fra: passivi e attivi.
La diffusione
Una delle modalità con cui la cellula scambia sostanze con il mondo esterno è la “diffusione”, ossia il passaggio di sostanze attraverso la membrana semipermeabile cellulare, purché questa sostanza abbia una diversa concentrazione ai lati della membrana.
Il passaggio avviene dalla zona dove essa è più concentrata a quella in cui è meno concentrata:seguendo il gradiente elettochimico, per gli ioni carichi; e il gradiente di concentrazione per gli ioni neutri. Nel caso della diffusione il meccanismo attraverso cui le molecole possono passare attraverso la membrana cellulare è un meccanismo definito “passivo” poiché non richiede spesa energetica. La ragione per cui le molecole si muovono è che ciascuna molecola si muove in virtù del proprio moto drowniano multidirezionale in virtù della propria energia termica. Il moto drowniano può espletarsi in qualunque direzione e alla fine il flusso netto è dovuto solo al fatto che è statisticamente più probabile che dove ci siano più molecole si abbia più probabilità che queste si muovano. Il flusso netto di diffusione, ossia dalla quantità di molecole che si muovono, è proporzionale dalla differenza di concentrazione della molecola.
Flusso netto di diffusione = A × P × ΔC
A= la superficie della membrana;
P= il fattore di permeabilità della membrana;
ΔC= differenza di concentrazione ai due lati della membrana.
Nel caso in cui la sostanza che si muove sia uno ione, oltre al gradiente di concentrazione bisogna considerare un gradiente elettrico perché uno ione è per definizione un atomo avente carica e questa carica spostandosi attraverso la membrana fa variare la concentrazione elettrica ai lati di questa. La differenza di gradiente elettrico è data dalla legge di Nernst e si adatta alla cellula nella forma di equazione di equazione di Hodgkin-Goldman-Katz. Anche l’acqua può muoversi per diffusione, e questo fenomeno prende il nome di “osmosi”. Nel caso dell’acqua la legge per la diffusione, il flusso netto sarà uguale ad una costante, che è la conduttanza idraulica per la differenza di pressione osmotica ai lati della membrana.
Il processo passivo di diffusione facilitata, in cui una sostanza passa attraverso la membrana solo grazie l’ausilio di un ”carrier” ossia di una proteina specifica, ciò però non è legato a spesa di energia, ma avviene in virtù del gradiente di concentrazione. La proteina carrier espone alternativamente il suo sito di legame ai due alti della membrana. Un altro modo di trasportare passivamente, ma in modo facilitato è quello di usare dei canali che consentano il passaggio di sostanze, essenzialmente ioni; essi sono i canali passivi, ligando-dipendenti e voltaggio-dipendenti.
Ve ne sono altri che richiedono una spesa energetica e che possono trasportare le sostanze contro gradiente (trasporto attivo primario): vi sono diversi esempi nell’organismo quali una pompa H+/K+ ATPasi dipendente responsabile della secrezione di acido cloridrico a livello dello stomaco. La pompa funziona trasportando dall’interno della cellula 3Na+ verso l’esterno e dall’esterno 2K+ verso l’interno.
Essendo il Na+ più concentrato all’esterno della cellula e viceversa per quanto riguarda il potassio questo è un lavoro contro gradiente. Lo scambio richiede energia e richiede l’idrolisi di ATP. Un altro meccanismo attivo di trasporto è il meccanismo di co-trasporto, il quale comprende due situazioni tipo (trasporto attivo secondario): la prima è detta di simporto e la seconda è detta di contro-trasporto o anti-porto. Nel simporto si sfrutta il gradiente di una delle due sostanze per introdurre nella cellula, nella stessa direzione della prima, una seconda sostanza che diversamente non entrerebbe poiché a sfavore di gradiente.
Nel contro-trasporto il meccanismo usato è lo stesso solo che in questo caso la direzione della seconda sostanza è contraria a quella della prima. Una peculiarità delle cellule epiteliali è quella di avere giunzioni strette in grado di impedire la via di accesso paracellulare, in questo caso si parla di un “trasporto epiteliale” in cui esiste un versante che è quello rivolto normalmente verso il lume. Negli epiteli il trasporto di determinate molecole comporta un doppio passaggio: attraverso membrana apicale e membrana baso-laterale.
