Oltre all'esistenza di un gradiente (differenza di concentrazione o di carica elettrica) si deve verificare una seconda condizione affinché una sostanza possa attraversare la membrana: la membrana deve essere permeabile a quella determinata sostanza. Una membrana può essere permeabile perché il composto è spontaneamente in grado di attraversarla o perché il composto passa attraverso un passaggio (poro) che si trova sulla membrana e protegge il composto dal contatto con le molecole del doppio strato lipidico. Quali caratteristiche deve avere un composto, ad es. un farmaco, per poter diffondere spontaneamente attraverso la membrana della cellula ? Il composto deve essere il più possibile solubile nei lipidi e avere molecole di piccole dimensioni. Per questi motivi O 2, CO 2, NO e H 2 O diffondono bene invece zuccheri e aminoacidi penetrano difficilmente.

L'acqua diffonde con grande facilità e precisamente tende ad andare nel compartimento dove c'è una maggior concentrazione di soluti (osmosi). Il compartimento a maggior concentrazione di soluti viene detto ipertonico mentre quello a minor concentrazione viene detto ipotonico.

Se una cellula si trova in una soluzione ipotonica allora l'acqua entra nella cellula per osmosi e questa si rigonfia. Il processo termina quando la concentrazione intracellulare ed extracellulare di soluti si eguagliano (compartimenti i cui fluidi sono isotonici). Da notare che la cellula potrebbe scoppiare (lisi cellulare) prima del raggiungimento dell'equilibrio osmotico.

L’acqua passa dal terreno alle cellule delle radici delle piante per osmosi infatti all'interno dei peli assorbenti la concentrazione salina è superiore a quella del terreno

Il tratto digerente umano secerne una grande quantità di liquidi che normalmente sono riassorbiti più a valle per osmosi dalle cellule dell'intestino. Se questo riassorbimento si arrestasse ci sarebbe il grave pericolo della disidratazione dell'organismo. Tra le cause della diarrea c’è l’alterata permeabilità della parete intestinale a causa di infezioni batteriche

Alcune cellule sono particolarmente permeabili all'acqua grazie a proteine di membrana dette acquaporine. Le cellule dei tubuli renali sono ricche di acquaporine. L'ormone vasopressina (o ADH acronimo dell'inglese antidiuretic hormone) aumenta la ritenzione idrica renale agendo sulle acquaporine. Mutazioni nei geni che codificano per le proteine delle acquaporine possono rendere le acquaporine non responsive al controllo da parte della vasopressina e il paziente perde liquidi emettendo molta urina. Il cloruro mercurico o il nitrato d'argento sono veleni che agiscono inibendo le acquaporine.

Il trasporto del glucosio verso l'interno delle cellule avviene per diffusione facilitata ed è regolato dall'ormone insulina prodotto dalle cellule endocrine del pancreas. Precisamente, un aumento della concentrazione di glucosio nel sangue provoca la secrezione di insulina da parte del pancreas.

L’insulina agisce nelle cellule bersaglio (principalmente muscolo scheletrico e adipociti) stimolando lo spostamento di una classe di proteine facilitanti il trasporto del glucosio (GLUT4) verso la superficie cellulare. Queste proteine esposte all'ambiente esterno facilitano la diffusione del glucosio verso l'interno della cellula. Il mantenimento della differenza di concentrazione di glucosio tra interno ed esterno della cellula ovvero il mantenimento della continua diffusione del glucosio verso l'interno della cellula è dovuta al fatto che il glucosio appena entrato nella cellula viene fosforilato e quindi la concentrazione di glucosio interna rimane inferiore rispetto alla concentrazione esterna.

Riassumendo, il trasporto attivo può avvenire contro-gradiente ed è necessaria energia per spingere le molecole in direzione opposta rispetto a quella di spontanea diffusione. Da notare che questi trasportatori sono molto sensibili ad alterazioni metaboliche quali anossia o veleni metabolici. L'esempio classico di trasporto attivo è quello della pompa ionica sodio-potassio. Essa ad ogni azione espelle 3 ioni Na + e immette nella cellula 2 ioni K +. Un altro esempio è dato dalla pompa ionica del calcio che deve espellere continuamente il Ca2+ dall'interno della cellula. Alcuni glucosidi digitalici si legano all'esterno della pompa sodio-potassio impedendo il legame del K + e bloccandola. Queste molecole sono usate per aumentare la contrazione del muscolo cardiaco perchè aumentano la disponibilità di Ca 2 + nella cellula e quindi l'attivazione cellulare.

Il veleno dello scorpione contiene tossine che bloccano i canali ionici e blocca la segnalazione nervosa paralizzando la preda. La tetrodotossina presente nel pesce palla blocca i canali del sodio quindi impedisce il formarsi del potenziale d'azione nelle cellule nervose. Tale tossina è molto più letale del cianuro e non esiste antidoto. Le carni si possono mangiare se si eliminano con cura le frattaglie (gonadi, fegato, intestino e nella pelle). In Italia è vietato.

Varie malattie ereditarie sono dovute a difetti nelle proteine che fungono da canali ionici, es.: fibrosi cistica, aritmie cardiache, sindrome del QT lungo, atassia episodica... La fibrosi cistica è una malattia che nella popolazione caucasica colpisce circa un bambino ogni Essa è dovuta alla proteina CFTR (regolatore della conduttanza transmembrana della fibrosi cistica) che forma un canale del cloro ma può essere difettosa nelle cellule epiteliali. La malattia colpisce le vie respiratorie, l'intestino, il pancreas e altri organi. I pazienti hanno un muco spesso e appiccicoso difficile da espellere dalle vie respiratorie, questo provoca infezioni e infiammazioni croniche che distruggono i polmoni.

Sindrome del QT lungo e geni implicati.

Le cellule dell'epitelio dello stomaco contengono una pompa ionica H+/K+ che viene attivata (in realtà viene spostata dalle vescicole citoplasmatiche alla membrana plasmatica) dall'ormone istamina a seguito dell'immissione di cibo nello stomaco. Tale pompa riversa nello stomaco acido cloridrico. Un'eccessiva attivazione provoca acidità allo stomaco e questo può essere evitato con due classi di molecole: 1) quelle che inibiscono direttamente la pompa 2) quelle che si legano e inibiscono i recettori dell'istamina H2 impedendo la traslocazione della pompa Nota: per lievi sintomi si usano gli antiacidi da banco, basi che neutralizzano gli acidi liberati nello stomaco

Il cotrasporto La presenza di un gradiente di concentrazione ionico tra l'ambiente interno ed esterno alla cellula rappresenta energia potenziale immagazzinata dalla cellula che può essere sfruttata per trasportare alcuni soluti. Nel caso della pompa sodio-potassio, essa spinge fuori dalla cellula gli ioni Na+ contro il gradiente di concentrazione e porta all'interno gli ioni K+. Questi gradienti creati dal trasporto attivo generano un flusso di ioni passivo (diffusione) attraverso la membrana in direzione opposta a quello del trasporto attivo. Tale diffusione viene utilizzata dalle cellule epiteliali dell'intestino per diffondere il glucosio dal lume intestinale all'interno della cellula insieme al flusso di Na+ in entrata. Poi il glucosio viene riversato nel sangue.

Il cotrasporto si divide in due tipi: - Simporto quando una proteina integrale di membrana trasporta simultaneamente due diverse sostanze nella stessa direzione - Antiporto quando la proteina integrale di membrana trasporta simultaneamente due diverse sostanze in direzione opposta

Simporto

La CO 2 diffonde dagli spazi interstiziali alle cellule della parete dello stomaco. Un enzima (anidrasi carbonica) partendo da CO 2 e H 2 O forma lo ione bicarbonato e lo ione idrogeno. Lo ione idrogeno è trasportato nel lume dello stomaco per trasporto attivo. Togliendo uno dei prodotti (H + ) la reazione enzimatica continua e aumenta la concentrazione di HCO 3 - nella cellula e pertanto tale concentrazione viene ad essere maggiore di quella degli spazi interstiziali. Attraverso una proteina integrale di membrana, HCO 3 - è trasportata nello spazio interstiziale dove la sua concentrazione è minore e lo ione Cl - è portato all'interno della cellula dove non tenderebbe spontaneamente a diffondere perchè la sua concentrazione cellulare è maggiore di quella interstiziale. Questo è un esempio di antiporto.

Particelle di grandi dimensioni possono entrare nella cellula per endocitosi o uscire per esocitosi. In questi processi la particella tocca la membrana cellulare, questa si incurva sempre di più avvolgendola fino a racchiuderla per poi staccarsi dalla membrana sotto forma di vescicola. A questo processo di piegamento della membrana partecipa una proteina detta clatrina.

La fagocitosi (ingresso di una particella solida) è tipica dei macrofagi e di alcuni leucociti. Con questo meccanismo i macrofagi inglobano i batteri patogeni e i residui di cellule morte.

L'esocitosi è il modo in cui le ghiandole endocrine ed esocrine, che producono e conservano gli ormoni proteici in vescicole citoplasmatiche, liberano all'esterno il loro secreto.