BIOFISICA DELLE MEMBRANE

Biofisica e Fisiologia I

Corso di Laurea Magistrale in “Medicina e Chirurgia”

Le funzioni biologiche di tutti gli organismi viventi si svolgono mediante scambio di sostanze ed

informazioni attraverso membrane.

Membrana = struttura chesepara 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

BIOFISICA DELLE MEMBRANE

membrana plasmatica

ambiente interno

ambiente esterno ambiente esterno

ambiente interno

membraneintracellulari

CELLULA PROCARIOTE:membrana plasmatica

CELLULA EUCARIOTE:membrana plasmatica

membrane intracellulari

membrana epiteliale

ambiente interno dell’organismo

ambiente esterno all’organismo

giunzione intercellulare membrana apicale

membrana basolaterale

Tipi di membrane biologiche

Tipi di membrane biologiche

Membrana alveolare

Membrana epiteliale10-4 cm

Membrana cellulare10-7cm

Tipi di membrane biologiche

I fosfolipidi sono molecole anfipatiche

ambiente acquoso

ambiente acquoso

Organizzazione dei fosfolipidi in acqua

http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lecturesf04am/lect08.htm

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).

Il flusso è una grandezza vettoriale

Flusso totale: JS = JS12 + JS

21

JV = JV12 + JV

21

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

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 esiste una differenza (gradiente) di:- concentrazione diffusione- potenziale elettrico elettrodiffusione- temperatura termodiffusione- pressione idraulica filtrazione- pressione osmotica osmosi

Diffusione JS = P ΔCElettrodiffusione JS = Ked ΔVTermodiffusione JS = KT ΔTFlusso di volume JV = KP ΔPOsmosi JV = Ko Δπ

Flusso di soluto: JS = n.moli soluto /(cm2•s)Flusso globale: JV = volume soluzione/(cm2•s)

La legge di Fick può essere applicata alla diffusione passiva attraverso la membrana cellulare

Cacq1 Cm

1 Cm2 Cacq

2

x

Cacq1 Cacq

2>

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

JS = P Ccon P = -DmR/x = permeabilità della

membranaR = coefficiente di ripartizione

olio/acqua R = [S]olio/[S]acqua

Diffusione attraverso doppi strati fosfolipidici

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

Coefficiente di diffusione

Il coefficiente di diffusione libera D dipende da:- temperatura assoluta T- caratteristiche fisico-chimiche di soluto e solvente dimensioni molecola: raggio r attrito viscosità liquido

D = kT/6πr(almeno 10000 volte più grande nei gas che nei liquidi)

k = R/NN = 6.02●1023

R = 8.3 J●mol-1K-1

AB

Legge di Einstein

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

Sinapsi chimica

Membrana presinaptica

Spazio sinaptico

Membrana postsinaptica

Vescicola presinaptica

Meccanismi di trasporto

Passaggio di sostanze tramite:

processi biochimici trasporto facilitato trasporto attivo

C1

C2

Time (s)

ΔCJ = PΔC

Equilibrio diffusivo

tempo

J

ΔC = costante

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=C1V1

V2

V indica il volume di soluzione in cui ècontenuta una mole di soluto

Equilibrio diffusivoΔG = 0

Distribuzione liquidi corporei