TRASPORTI ATTRAVERSO MEMBRANA

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La DiffusioneLa Diffusione

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Diffusione è il trasporto netto di sostanze (atomi o molecole) tra due comparti di un sistema, causato dal moto termico casuale, al fine di eguagliare le differenze di concentrazioni.

Quindi due sono gli aspetti principali:

• Molecole si muovono disordinatamente a causa dell’agitazione termica

• Molecole si muovono semi-ordinatamente secondo gradiente di concentrazione

Flusso di una sostanza è la quantità di sostanza trasportata attraverso l’unità di superficie e viene misurato in moli/secondo.

Le membrane, sono permeabili alle molecole???

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Una membrana semipermeabile ideale è permeabile solo all’acqua, ma impermeabile a tutti i soluti.

La maggior parte delle membrane biologiche sono permeabili all’acqua e a piccole molecole, ma impermeabili alle macromolecole (es. proteine).

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TRASPORTO ATTRAVERSO MEMBRANATRASPORTO ATTRAVERSO MEMBRANA

Trasporto rispetta 1a e 2a legge della Termodinamicaavviene con variazioni di Entropiaavviene a T e P costantidescrivibile con:

 Energia libera di Gibbs G = H - TS Entalpia H = U + pV  Trasporto puo’ essere  ·       Passivo = senza consumo di Energia ·       Attivo = con consumo di Energia ·       Facilitato = passivo, ma tramite molecole trasportatrici

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0 M1 M 1 M1.5 M

2 M1 M 3 M130mM

(1) TRASPORTO PASSIVO

Non richiede consumo di Energia; avviene seguendo gradienti di concentrazione

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Rappresenta il flusso netto di soluto tra 2 comparti a diversa concentrazione

Vediamo ora i vari casi in base al tipo di soluto

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1.1. Soluzioni di non-elettrolitiSoluzioni di non-elettroliti

Abbiamo 2 compartimenti I e II (separati da membrana) contenenti un soluto a diversa concentrazione (CI e CII)

 (1) Se membrana è permeabile al soluto

equilibrio si ha all’eguaglianza dei 2 potenziali chimici () 

I = II

 

Ricordiamo che = 0 + RT lnC

00 = potenziale chimico standard sostanza = potenziale chimico standard sostanza

CI CII

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Se I > II ovvero 0 + RT lnC I > 0 + RT lnC II

 Equilibrio quando: 0 + RT lnC I = 0 + RT lnC II

 RT lnC I - RT lnC II = 0  RT ln (C I / C II ) = 0 cioe’ C I = C II

Cioè si avrà flusso di soluto finchè si uguagliano le concentrazioni

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(2) Se membrana e’ impermeabile al soluto, ma permeabile al solvente (acqua)

avremo flusso osmotico di acqua verso comparto dove soluto è più concentrato

Si crea tra i 2 comparti una differenza di pressione idrostatica (PI) che ostacola l’ulteriore passaggio di solvente.

All’equilibrio la differenza di PI compensa la differenza delle

concentrazioni (pressione osmotica)

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Prot. Prot.

Pressione colloido-osmotica (Pressione colloido-osmotica ())

P1 P2

P1

P2

Ricordiamo che P = Forza/Superficie

dove P=peso della colonna di liquido

ΔP=P2-P1

E’ quantificata tramite la differenza di pressione idrostatica (P= P2-P1) che equilibra la tendenza dell’acqua ad andare nel comparto dove si trova il soluto non permeante.

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(1) Se membrana è permeabile al soluto

equilibrio all’eguaglianza dei 2 potenziali elettrochimici  

I = II

 0 + RT lnC I + zF I = 0 + RT lnC II+ zF II

 RT ln (C I - C II) = + zF ( II - I)

 Dove z = valenza dello ione

F = costante di Faraday [96.486 coulomb/mol] = II - I d.d.p. ai lati della membrana

 

2.2. Soluzioni di Soluzioni di elettrolitielettroliti

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= RT ln (C I/C II) Equazione di NernstEquazione di NernstzF

= 61 log10 C I/C II si misura in mV

Quando potenziale misurato Vm ha segno opposto a

ione e’ in totale disequilibrio

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(2) Se membrana è impermeabile ad un soluto

Quando membrana separa 2 comparti contenenti sia molecole diffusibili (es. ioni K+, Cl-…) sia molecole non diffusibili (es. proteine, polianioni organici R-) all’equilibrio si avra’ una distribuzione di ioni asimmetrica per effetto Donnaneffetto Donnan.

 Esterno Interno

K+

Cl-

K+

R-

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Inizialmente Cl- fluiranno da I a II spinti dal gradiente di concentrazione ma, per mantenere l’elettroneutralita’ in ogni comparto, ogni Cl- che passa sarà accompagnato da un K+

All’equilibrio n° ioni che passano da I a II sarà uguale a n° ioni che passano da II a I. All’equilibrio come si distribuiscono gli ioni ai 2 lati della membrana semipermeabile ?

Concentrazione dei diversi ioni nei 2 comparti si calcola tramite Concentrazione dei diversi ioni nei 2 comparti si calcola tramite Equazione di Gibbs-DonnanEquazione di Gibbs-Donnan::

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prodotto delle concentrazioni degli ioni diffusibili ai 2 lati della membrana e’ uguale

[K+]est x [Cl-]est = [K+] int x [Cl-] int

 ovvero

 [K+]est/[K

+] int = [Cl-] int/[Cl-]est

L’effetto Donnan è una differenza di pressione che si crea ai due lati di una membrana a causa della presenza di molecole non permeanti (proteine ad es.) ad un lato della m. il che causa un’ineguale distribuzione anche delle molecole permeanti (cationi e anioni).

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Pertanto, per mantenere in ogni comparto la condizione di elettroneutralità, nel comparto dove c’è l’anione non diffusibile (R-) avremo una maggiore concentrazione dello ione positivo:

[K+]>[Cl-] Questa distribuzione asimmetrica genera una d.d.p. calcolabile

con

Equazione di Nernst:  = d.d.p. = RT ln (K EST/ K INT) zF

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RiassumendoRiassumendo 

Presenza ioni non diffusibili da un lato di una membrana

distribuzione ionica asimmetrica (da un lato > che dall’altro)

pur in condizioni di elettroneutralita’

Insorgenza di una d.d.p. tra i 2 lati della membrana

Insorgenza di un flusso osmotico di acqua dal comparto meno concentrato a quello piu’ concentrato e quindi di una pressione osmotica (chiamata pressione colloido-osmoticapressione colloido-osmotica)

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Le cellule presentano una membrana lipoproteica che separa l’ambiente interno da quello esterno. In tutte le cellule la composizione ionica dell’ambiente interno è differente da quello esterno.

In tutte le cellule vi è una V ≈ 0 V ≈ 0 -90 mV -90 mV tra interno e esterno.

Interno Esterno (mM) (mM)Na+ 5 140K+

140 5Ca2+ 0.1 (M) 2

Cl- 20 130ATP 2 tracce

Le proteine sono presenti solo all’interno e a pH fisiologico (circa 7.3) sono cariche negativamente.

pH= log(1/[H+]), pH 7 10-7 M pH extracell.=7.4

pH intracell.=7.2

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(2) TRASPORTO ATTIVO

Distribuzione asimmetrica di Na+ e K+ tra interno ed esterno della cellula non è spiegabile semplicemente con effetto Donnan Occorre ipotizzare un ruolo attivo della membrana plasmatica per assicurare una asimmetrica ripartizione dei 2 ioni. La distribuzione di Na+ e K+ è contraria all’eq. termodinamico ed è dovuta ad un meccanismo di Trasporto AttivoTrasporto Attivo che genera un flusso di ioni contro gradiente di potenziale elettrochimico. Trasporto attivo richiede consumo di Energia (da idrolisi ATP) e può essere primario o secondario.

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Avviene tramite proteine trasportatrici che possono assumere 2 conformazioni diverse. Il sistema che nella cellula trasporta il K+ verso l’int. ed il Na+ verso l’est. si chiama pompa Napompa Na++/K/K-- ATPasi ATPasi ed è situata sulla m. ituata sulla m. cellulare.cellulare.

La distribuzione dei 2 ioni deriva quindi dal bilancio tra pompa (attiva) e diffusione (passiva).

 

membrana plasmatica e’ virtualmente impermeabilea Na+ e K+

Siccome n° ioni che passano per diffusione = n° ioni che passano per pompa Na/K

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E’ regolata tramite fosforilazione cambiamenti di conformazione:•   Conformazione con alta affinità per Na++ e bassa per K++ quando e’ rivolta verso ambiente intra-cellulare• Conformazione con bassa affinità per Na++ ed alta per K++ quando è rivolta verso ambiente extra-cellulare

La pompa Napompa Na++/K/K++ e’ una proteina di membrana integrale che fa uscire 3 Na++ (contro gradiente di concentrazione ed elettrico) ed entrare 2 K++ (contro gradiente di concentrazione) usando Energia derivante dall’idrolisi di 1 ATP.

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membrana plasmatica risulta virtualmente impermeabilea Na+ e K+

Siccome n° ioni che passano per diffusione = n° ioni che passano per pompa Na++/K++

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Sostanza permea attraverso m. seguendo gradiente chimico o elettrochimico (come in Diffusione Libera), ma richiede l’intervento di molecole trasportatrici (come in Trasporto Attivo) Riguarda trasporto di molecole poco solubili nei lipidi: sostanza A insolubile in lipidi, legandosi a molecola carrier X, solubile, forma complesso XA che potendo attraversare la m. veicola A verso il comparto dove e’ meno concentrata.

A + X AX A+ X 

(3) TRASPORTO FACILITATO

AX

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RISPETTO A DIFFUSIONE LIBERA RISPETTO A DIFFUSIONE LIBERA    Maggiore Velocita’ Cinetica cinetica enzimatica, ossia raggiunge saturazione per elevate concentrazioni della sostanza A•Specificita’•Inibizione ad opera di molecole simili Esempio di trasporto facilitato e’ il passaggio del glucosio nelle cellule epiteliali dell’intestino tenue e nel tubulo renale.

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Spesso Trasporto Facilitato può essere accoppiato ad un Trasporto Attivo. Ad es: gradiente di concentrazione creato dalla pompa NaNa++/K/K++ è utilizzato per trasportare dentro la cellula altre sostanze non solubili in membrana: un aminoacido idrofilico si lega ad un carrier che contemporaneamente lega anche uno ione Na+

gradiente elettrochimico del Na+ e’ la forza motrice che spinge il carrier a veicolare l’aminoacido dentro la cellula Viene pertanto chiamato Trasporto Attivo Secondario per distinguerlo dal primario (es la pompa Na/K)

 

(4) TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO

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I 3 tipi di trasporto attivo secondario sono:I. UniportoII. SimportoIII. Antiporto

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Passaggio da un lato all’altro di m. avviene tramite vescicole:

• Endocitosi:Endocitosi: da est verso int

Pinocitosi per molecole solubiliFagocitosi per materiale particolato (batteri)

 • Esocitosi:Esocitosi: da int verso est

Es. liberazione neurotrasmettitori da vescicole presinaptiche, secrezione ghiandolare di ormoni idrosolubili

TRASPORTO SENZA ATTRAVERSAMENTO TRASPORTO SENZA ATTRAVERSAMENTO MEMBRANAMEMBRANA