BIOFISICA DELLE MEMBRANE

Biofisica e Fisiologia I

A.A. 2016-17

Corso di Laurea Magistrale in

“Medicina e Chirurgia”

Prof. Clara Iannuzzi

Dipartimento di Biochimica, Biofisica e Patologia Generale

clara.iannuzzi@unina2.it

Link per scaricare materiale didattico:

http://www.dbbpg.unina2.it/it/il-

dipartimento1/personale/docenti/item/75-iannuzzi-clara

TEMA CENTRALE DELLA FISIOLOGIA

Omeostasi = mantenimento di una condizione costante del

mezzo interno

•Negli organismi pluricellulari, a parte i tessuti tegumentari e gli

epiteli assorbenti e secernenti, la maggior parte delle cellule non

è in contatto diretto con l’ambiente ma con il mezzo interno

(liquido extracellulare o interstiziale) prodotto dalle stesse cellule.

•L’ambiente extra-cellulare è, pertanto, l’ambiente in cui vivono le

cellule di un organismo.

•Poiché i parametri fisico-chimici del mezzo interno variano

continuamente a causa dell’attività metabolica delle cellule, essi

devono essere continuamente riportati ai valori ottimali che

garantiscono la sopravvivenza cellulare. A questo provvedono

organi di scambio o apparati regolatori molto perfezionati

(apparato respiratorio, circolatorio, digerente ed escretore).

Necessità di scambi acquosi nell’organismo attraverso le membrane

Na+

Cl-

Proteine

plasmatiche

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 epiteliale

Separa ambiente intra ed extra-cellulare

ambiente interno dell’organismo

ambiente esterno all’organismo

giunzione intercellularemembrana apicale

membrana basolaterale

Tipi di membrane

biologiche

membrana

plasmaticaambiente interno

ambiente esternoambiente esterno

ambiente interno membrane

intracellulari

CELLULA PROCARIOTE:

membrana plasmatica

CELLULA EUCARIOTE:

membrana plasmatica

membrane intracellulari

Tipi di membrane

biologiche

Tipi di membrane

biologiche

Membrana epiteliale

10-4 cm

Membrana cellulare

10-7cm

Tipi di membrane

biologiche

STRUTTURA DELLA

MEMBRANA CAPILLARE

MEMBRANA CAPILLARE

I fosfolipidi sono molecole anfipatiche

ambiente acquoso

ambiente acquoso

Organizzazione dei fosfolipidi in acqua

Colesterolo

Anche se dotato di forte idrofobicità, possiede un gruppo polare che gli

consente di intercalarsi nella membrana cellulare alterandone la fluidità

Le proprietà del doppio strato dipendono dalla temperatura

PROTEINE 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

caratteristiche di ciascun individuo, che permettono l’identificazione delle cellule

provenienti da altri organismi.

Grandezze fisiche coinvolte nella

diffusione attraverso membrane

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]

S= superficie attraverso cui avviene lo scambio

Meccanismi di trasporto

Passaggio di sostanze tramite:processi fisici trasporto passivo

Il flusso netto di soluto è diverso da 0 se tra i 2 compartimenti esiste una differenza (gradiente) di:

- concentrazione diffusione- potenziale elettrico elettrodiffusione- temperatura termodiffusione- pressione idraulica filtrazione- pressione osmotica osmosi

Diffusione

Elettrodiffusione

Filtrazione (flusso massivo)

Diffusione JS = P ΔC

Elettrodiffusione JS = Ked ΔV

Termodiffusione JS = KT ΔT

Flusso di volume JV = KP ΔP

Osmosi JV = Ko Δπ

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

AB

Legge di Einstein

D: coefficiente

di diffusione

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

k = R/N

N = 6.02●1023

R = 8.3 J●mol-1K-1

Costante di Boltzmann

Numero di Avogadro

Costante universale dei gas

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

Diffusione attraverso una membrana

Diffusione in fase libera

Diffusione attraverso una membrana

Fattori che influenzano la diffusione semplice:

Ampiezza forza motrice

Superficie della membrana

Permeabilità della membrana

Ampiezza forza motrice

Superficie della membrana

Se aumentiamo l’ampiezza del contenitore, raddoppiando la

superficie della membrana, il numero di molecole che

attraverserà la membrana raddoppia.

Questo vale indipendentemente dal meccanismo di trasporto

Epitelio polmonare e intestinale e endotelio capillare

possiedono un’ampia superficie che aumenta la loro capacità di

trasportare velocemente grandi quantità di molecole.

Permeabilità della membrana

Solubilità nei lipidi della sostanza che diffonde (nel caso di

membrane biologiche).

Dimensione e forma delle molecole che diffondono

Temperatura (poco importante nella fisiologia umana)

Spessore della membrana(maggiore spessore minore

permeabilità)

Membrane cellulari: spessore molto simile

Tessuti specializzati nei trasporti (pareti dei capillari,

endotelio polmonare) tendono ad avere pareti

relativamente sottili aumentando la permeabilità e, quindi,

il trasporto in questi tessuti.

La legge di Fick può essere

applicata alla diffusione

passiva attraverso la

membrana cellulare

Cacq1 Cm

1 Cm2 Cacq

2

x

Cacq1 Cacq

2>

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(Cacq1 – Cm

2)

il flusso netto transmembranario è espresso in funzione delle concentrazioni

dentro la membrana :

R = [C]m/[C]acqCoefficiente di ripartizione

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

membranaR = coefficiente di ripartizione olio/acqua

R = [S]olio/[S]acqua

Diffusione attraverso doppi strati fosfolipidici

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

membranaR = coefficiente di ripartizione olio/acqua

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

Diffusione attraverso doppi strati fosfolipidici

• 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).

• Ioni, zuccheri, AA, etc. permeano grazie a proteine di

trasporto (carriers e proteine canale)

Fondamentali vie di permeazione attraverso

la membrana cellulare