E’ una proprietà fisica fondamentale di tutti i processi biologici
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E’ una proprietà fisica fondamentale di tutti i processi
biologici
Perché parlare del concetto di diffusione?
ecostituisce il motore tramite il
quale le cellule possono generare segnali
Se introduciamo una goccia di colorante in acqua, questo si disperde cioè, diffonde
dispersione
t0 t1 t2 t3
Cos’è la diffusione?
Che cosa spinge le particelle a diffondere?
La diffusione è il movimento molecolare generato dall’energia termica:
moti browniani (A. Einstein)
Che cos’è l’Energia Termica?
Energia Termica = kT (u.d.m. joules)
costante di Boltzmann1.38x10-23 joules/oK
temperatura assoluta300oK a temperatura ambiente
Nota: k · N (Numero di Avogadro) = R (costante dei gas) = P·V/T
Diffusione di Soluti
1
2
Dove:n=no particelleN= numero di AvogadroA=areaT=tempo
Flusso Molare Unidirezionale:
Quantità di soluto che attraversa un’area unitaria nell’unità di tempo
tAN
nf
21 [moli/(cm2sec)]
Flusso netto: 1221 ffF
Flusso netto
Flusso unidirez. C1C2
Flusso unidirez. C2C1
Flusso netto
Equazione di Teorell:
XkF
L’intensità del flusso è proporzionale alla forza che lo genera
(Xdriving force)
PkF mm
21 PPP gradiente pressorio
km dipende da:- viscosità della soluzione- geometria del condotto
Flusso di massa
Flusso diffusionale libero
Diffusione attraverso una membrana
animazioni
Diffusione attraverso una membrana
aspetti quantitativi
Rappresentazione grafica del processo di diffusione
animazioni
Diffusione
t
off eCCCtC
)()( 1111
)1()()( 222 t
of eCCtC
Tempo
Con
cent
r. d
i glu
cosi
o (
mm
oli/l
)
Tempo A Tempo B Tempo C
flusso diffusivo
C’è un flusso netto di colorante dalla zona ad alta concentrazione a quelle a bassa concentrazione
Ia Legge di Fick per la diffusione
dx
CdFd
][ ovvero: CkF dd
è la pendenza del gradiente di concentrazione
La costante di proporzionalità dipende dalla mobilità del
soluto
Migrazione in un campo elettrico
t0 t1
VkzF ee
è la pendenza del gradiente
elettrico
La costante di proporzionalità dipende dalla
mobilità e dalla concentrazione
del soluto
dx
dVFe ovvero:
C’è un flusso netto di cationi (K+) verso il catodo (polo -) e di anioni (Cl-) verso l’anodo (polo +)
cariche - cariche +
Anioni
Cationi
Citoplasma Spazio extracell.{
membrana
Una differenza di cariche (Δq) ovvero di potenziale elettrico (ΔV) ai due capi della
membrana influenza il movimento degli ioni
dx
dVk
dx
dCkF edi
Equazione di Nernst-Planck:
Quindi, il flusso di particelle cariche dipende non solo dal gradiente di concentrazione ma anche dal gradiente elettrico
La diffusione dell’acquaLe molecole d’acqua tendono a diffondere da una soluzione più diluita ad una più concentrata
Tale flusso di acqua è definito flusso osmotico
Se una membrana è permeabile all’acqua ma impermeabile ad un soluto avente concentrazioni diverse ai due lati della stessa, l’acqua si muoverà cercando di uguagliare le concentrazioni di soluto ai due lati della membrana soluto
H2O
più diluito più concentrato
Nel sistema illustrato l’acqua continuerà a diffondere nella camera con la più alta concentrazione di soluto finchè l’energia potenziale della colonna di liquido più alta (a destra) uguaglierà la differenza di energia libera insita nella differenza di concentrazione.
ESEMPIO
La pressione esercitata dalla differenza in altezza delle colonne di liquido, ovvero dal pistone, è definita
Pressione Osmotica
Pressione osmotica
)( 12 CCTR
costante dei gas(=0.082 atm·l·mole-1·oK-1
=8.314 j·mole-1·oK-1)
temperaturaassoluta (oK)
concentrazionedel soluto (moli·l-1)
Nota:
Questa è la relazione che esiste tra energia libera e concentrazione: G=-k·T·ln(C2/C1) ovvero, C2/C1=e- G/kT
Pressione osmotica L’acqua tende a muoversi da un soluto a bassa concentrazione
(acqua ad alta concentrazione) ad un soluto ad alta concentrazione
(acqua a bassa concentrazione)
membrana permeabile all’acqua
pressione idrostatica
Pressione osmotica = pressione idrostaticarichiesta per prevenire un flusso netto di H2O
membrana semipermeabile
molecole di H2O
contenitore a pareti rigide
molecole di saccarosio
LATO 1 LATO 2
parete distensibile
flusso diffusionale
flusso pressorio
Effetto del flusso di acqua attraverso una membrana semipermeabile
Mantenimento del bilancio osmoticoL’acqua si muove attraverso la membrana cellulare dalla zona a bassa concentrazione di soluto (alta [H2O]) ad una ad alta concentrazione di soluto (bassa [H2O]) - osmosi
•Normalmente la [NaCl] extracellulare bilancia la [soluto] intracellulare
•Il bilancio è mantenuto dalla pompa Na-K ATPasi
bassa [soluto]alta [soluto]
pressioneosmotica
H2O H2O
H2O
H2O
si gonfia esplode
Le cellule devono essere isotoniche
Concentrazione di NaCl nel fluido extracellulare
lisatanormale
isotonica
raggrinzita
ipertonica
rigonfia
ipotonicaConcentrazione ionica nel fluido extracellulare
Movimento netto dell’H2OMovimento netto
dell’H2O