Post on 26-Jan-2019
BIOFISICA DELLE MEMBRANE
Biofisica e Fisiologia I
Corso di Laurea Magistrale in “Medicina e Chirurgia”
BIOFISICA DELLE MEMBRANE
Le funzioni biologiche di tutti gli organismi viventi si svolgono mediante scambio di sostanze ed informazioni
attraverso membrane.
Membrana = struttura chesepara due mezzi diversi
BIOFISICA DELLE MEMBRANE
separa due mezzi diversi(gas o liquidi) e che regola selettivamente il trasportodelle sostanze in essi contenute in entrata ed in uscita.
compartimento 2
compartimento 1
membrana
plasmatica
ambiente interno
ambiente esternoambiente esterno
ambiente interno
membrane
intracellulari
CELLULA PROCARIOTE: CELLULA EUCARIOTE:
Tipi di membrane biologiche
CELLULA PROCARIOTE:
membrana plasmatica
CELLULA EUCARIOTE:
membrana plasmatica
membrane intracellulari
membrana epiteliale
ambiente interno dell’organismo
ambiente esterno all’organismo
giunzione intercellularemembrana apicale
membrana basolaterale
Tipi di membrane biologiche
Membrana alveolare
Tipi di membrane biologiche
Membrana epiteliale10-4 cm
Membrana cellulare10-7cm
I fosfolipidi sono molecole anfipatiche
ambiente acquoso
Organizzazione dei fosfolipidi in acqua
ambiente acquoso
Le proprietà del doppio strato dipendono dalla temperatura
CO
NH
Gruppi laterali idrofobici
PROTEINE DI MEMBRANAPROTEINE DI MEMBRANA
1) CANALI: proteine integrali (generalmente glicoproteine), che funzionano
come pori per consentire l’entrata e l’uscita di determinate sostanze in cellula.
2) TRASPORTATORI (o carriers): proteine che, mediante cambiamenti
conformazionali, consentono il passaggio selettivo di determinate molecole o ioni.
3) RECETTORI: proteine integrali che riconoscono specificatamente
determinate molecole (ormoni, neurotrasmettitori, nutrienti ecc.).
4) ENZIMI: proteine integrali o periferiche che catalizzano reazioni
enzimatiche sulla superficie della membrana.
5) ANCORAGGI DEL CITOSCHELETRO: proteine periferiche,
affacciate dal lato citoplasmatico della membrana, che servono per ancorare i
filamenti del citoscheletro.
6) MARCATORI DI IDENTITA’ CELLULARE: glicoproteine o
glicolipidi caratteristici di ciascun individuo, che permettono l’identificazione
delle cellule provenienti da altri organismi (es. marcatori ABO).
Flussi attraverso membrane
Flusso di sostanza = J =“quantità di materia” cheattraversa la membranaper unità di superficie e per unità di tempo
Flusso (soluto): JS = mol (soluto) cm-2•s-1
Il flusso è una grandezza vettoriale
Flusso totale: JS = JS1����2 + JS
2����1
JV = JV1����2 + JV
2����1
Flusso (soluto): JS = mol (soluto) cm-2•s-1
Flusso (soluzione): JV = cm3 (soluzione) cm-2•s-1
Velocità di diffusione attraverso membrane
Velocità di trasporto: VS= S x JS [moli soluto/s]V = S x JV [cm3/s]
Meccanismi di trasporto
Passaggio di sostanze tramite:processi fisici ���� trasporto passivo
Processi fisiciSi ha flusso di soluto se tra i 2 compartimenti Si ha flusso di soluto se tra i 2 compartimenti esiste una differenza (gradiente) di:- concentrazione ���� diffusione- potenziale elettrico ���� elettrodiffusione- temperatura ���� termodiffusione- pressione idraulica ���� filtrazione- pressione osmotica ���� osmosi
Diffusione JS = P ∆C
Elettrodiffusione JS = Ked ∆V
Termodiffusione JS = KT∆T
Flusso di volume J = K ∆P
Flusso di soluto: JS = n.moli soluto /(cm2•s)Flusso globale: JV = volume soluzione/(cm2•s)
S T
Flusso di volume JV = KP∆P
Osmosi JV = Ko ∆π
Legge di Einstein
AB
Coefficiente di diffusione
Il coefficiente di diffusione libera D dipende da:- temperatura assoluta T- caratteristiche fisico-chimiche di soluto e solventedimensioni molecola: raggio r attrito ���� viscosità liquido
D = kT/6πηηηηrD = kT/6πηηηηr(almeno 10000 volte più grande nei gas che nei liquidi)
k = R/N
N = 6.02●1023
R = 8.3 J●mol-1K-1
Molecole R(Å) D(cm2s-1)
H2O 1,5 2 10-5
O2 2,0 1 10-5
C6H12O6 4,5 6,7 10-6
Hb 31,0 6,9 10-7
La legge di Fick può essere applicata alla diffusione passiva attraverso la membrana cellulare
Cacq1 Cm
1 Cm2 Cacq
2
Cacq1 Cacq
2>
x
R(Cm1 – Cm
2)
il flusso netto transmembranario è espresso in funzione delle concentrazioni dentro la membrana :
La legge di Fick descrive la diffusione libera anche in ambienti non acquosi e quindi anche nell’ambiente interno libero di una
qualsiasi membrana omogenea
R = [C]olio/[C]acqua
Diffusione attraverso doppi strati fosfolipidici
JS = P ∆∆∆∆Ccon P = -DmR/∆∆∆∆x = permeabilità della
membranaR = coefficiente di ripartizione olio/acqua
R = [S]olio/[S]acqua
Diffusione attraverso doppi strati fosfolipidici
La permeabilità relativa di una molecola attraverso un doppio strato lipidico è proporzionale al suo coefficiente di ripartizione R tra la fase di olio e la fase acquosa
• Le membrane biologiche sono selettivamente permeabili:
permeabili a molecole idrofobe e di piccole dimensioni,
impermeabili a quelle polari
• Permeano le molecole di acqua (polari ma piccole), i gas
(CO2, O2, N2), altre molecole piccole polari (glicerolo),
molecole grandi apolari (ormoni steroidei, idrocarburi).molecole grandi apolari (ormoni steroidei, idrocarburi).
• Ioni, zuccheri, AA, etc. permeano grazie a proteine di
trasporto (carriers e proteine canale)
C1
C2
Time (s)
Equilibrio diffusivo
Time (s)
∆CJ = P∆C
J
ΔC = costante
tempo
Energia libera e diffusione
La variazione di energia libera che si osserva quando una mole di soluto viene trasferita da un mezzo a concentrazione C1 ad un mezzo a concentrazione C2 è data da:
ΔG = RTln(C2/C1)
ΔG < 0 se C2<C1
ΔG › 0 se C2›C1
ΔG = 0 se C2=C1
V1
V2
V indica il volume di soluzione in cui ècontenuta una mole di soluto
Equilibrio diffusivoΔG = 0
Sinapsi chimica
Membrana presinaptica
Vescicola presinaptica
Spazio sinaptico
Membrana postsinaptica
Meccanismi di trasporto
Passaggio di sostanze tramite:
processi biochimici ���� trasporto facilitatotrasporto attivotrasporto attivo