La cellula necessita da un lato di introdurre sostanze da cui ricavare energia per le proprie funzioni e dall’altro di eliminare gli scarti prodotti dall’espletamento di tali funzioni. La membrana plasmatica regola questi passaggi, che possono avvenire senza consumo di energia (trasporto passivo) o con dispendio di energia (trasporto attivo).
Il trasporto passivo è il movimento spontaneo di particelle dall’esterno all’interno della cellula dovuto alla differenza di concentrazione, alta all’esterno e bassa all’interno, che genera energia potenziale per lo spostamento. Quando poi la situazione si rovescia e la concentrazione diventa alta all’interno e bassa all’esterno, la direzione di spostamento si inverte. Esistono tre tipi di trasporto passivo: la diffusione semplice, che riguarda gas e molecole liposolubili che si spostano attraverso la membrana finché la differenza di concentrazione tra l’interno e l’esterno non si annulla, la diffusione facilitata, che riguarda ioni, amminoacidi e monosaccaridi che si spostano da un lato all’altro della membrana legandosi a proteine dette appunto trasportatori, e l’osmosi, che riguarda il passaggio dell’acqua attraverso pori presenti sulla membrana.
Il trasporto attivo invece è un movimento di particelle che richiede energia perché contrasta la differenza di concentrazione, procedendo da zone a bassa concentrazione verso zone ad alta concentrazione. Lo spostamento può riguardare sostanze di rifiuto dall’interno all’esterno e sostanze nutritive dall’esterno all’interno. Questo tipo di trasporto viene svolto da proteine della membrana che funzionano da pompa e utilizzano l’energia fornita dall’ATP per assumere la forma necessaria di volta in volta per legarsi alle molecole da spostare in direzione contraria a quella spontanea. Esistono anche due tipi di trasporto attivo specifici per materiali molto grandi: l’endocitosi, per cui la cellula avvolge con la propria membrana la molecola da introdurre inglobandola in un lisosoma che poi la demolisce, e l’esocitosi, l’espulsione di materiale dall’interno della cellula attraverso l’inserimento in un vacuolo e la fuoriuscita di quest’ultimo dalla membrana.
Le cellule ricavano nutrimento attraverso le reazioni chimiche delle vie metaboliche. Le cellule vegetali, in particolare, producono da sole il proprio nutrimento grazie alla fotosintesi clorofilliana, cioè all’assorbimento di energia solare da utilizzare per produrre glucosio da acqua e anidride carbonica. Nella fase luminosa della fotosintesi la luce solare fornisce l’energia per rompere le molecole di acqua, liberando ossigeno, e per sintetizzare ATP, dal quale, nella fase oscura, si ricava l’energia necessaria per ottenere glucosio dall’anidride carbonica e dall’acqua rimanente (ciclo di Calvin). I legami del glucosio sono ricchi di energia chimica e sono la prima fonte di ATP, cioè di energia per le attività cellulari; per questo gli organismi autotrofi come le piante lo ricavano dalla fotosintesi, mentre gli eterotrofi, come l’uomo, incapaci di farlo, lo assumono tramite le sostanze alimentari, ed entrambi ne liberano l’energia attraverso la glicolisi e la respirazione cellulare o la fermentazione.
La glicolisi è la demolizione del glucosio che avviene nel citoplasma senza bisogno di ossigeno: attraverso l’energia di 2 molecole di ATP il glucosio viene trasformato in acido piruvico e libera energia per costruire 4 molecole nuove di ATP. Per demolire ulteriormente l’acido piruvico e ricavare altra energia è necessario l’intervento dell’ossigeno nella respirazione cellulare. Quest’ultima avviene nei mitocondri, dove prima l’acido piruvico si trasforma in acetil-CoA (acetaldeide + coenzima A) che entra nel ciclo di Krebs, nel corso del quale viene ulteriormente demolito producendo altro ATP. Infine, gli ioni idrogeno prodotti da tutta questa serie di reazioni chimiche formano, sulle creste della membrana mitocondriale, un flusso di elettroni (catena di trasporto degli elettroni) che fornisce energia per produrre altro ATP. In assenza di ossigeno la respirazione cellulare viene sostituita dalla fermentazione, che permette di ricavare energia, anche se in quantità minore, con reazioni anaerobiche (senza ossigeno). Un esempio è la fermentazione lattica, che avviene nei muscoli quando uno sforzo troppo intenso causa insufficienza di ossigeno: l’acido piruvico viene trasformato in acido lattico per produrre energia.
I meccanismi energetici del corpo umano. L’energia è prodotta dai processi rappresentati dalle ellissi
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