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