biofisica delle membrane... · membrana plasmatica cellula eucariote: membrana plasmatica membrane...
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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
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Link per scaricare materiale didattico:
http://www.dbbpg.unina2.it/it/il-
dipartimento1/personale/docenti/item/75-iannuzzi-clara
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TEMA CENTRALE DELLA FISIOLOGIA
Omeostasi = mantenimento di una condizione costante del
mezzo interno
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•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).
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Necessità di scambi acquosi nell’organismo attraverso le membrane
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Na+
Cl-
Proteine
plasmatiche
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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
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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
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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
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Membrana epiteliale
10-4 cm
Membrana cellulare
10-7cm
Tipi di membrane
biologiche
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STRUTTURA DELLA
MEMBRANA CAPILLARE
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MEMBRANA CAPILLARE
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I fosfolipidi sono molecole anfipatiche
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ambiente acquoso
ambiente acquoso
Organizzazione dei fosfolipidi in acqua
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Colesterolo
Anche se dotato di forte idrofobicità, possiede un gruppo polare che gli
consente di intercalarsi nella membrana cellulare alterandone la fluidità
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Le proprietà del doppio strato dipendono dalla temperatura
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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.
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Grandezze fisiche coinvolte nella
diffusione attraverso membrane
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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
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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
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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
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Diffusione
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Elettrodiffusione
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Filtrazione (flusso massivo)
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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)
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AB
Legge di Einstein
D: coefficiente
di diffusione
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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
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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
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Diffusione attraverso una membrana
Diffusione in fase libera
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Diffusione attraverso una membrana
Fattori che influenzano la diffusione semplice:
Ampiezza forza motrice
Superficie della membrana
Permeabilità della membrana
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Ampiezza forza motrice
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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.
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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.
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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
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JS = P Ccon P = -DmR/x = permeabilità della
membranaR = coefficiente di ripartizione olio/acqua
R = [S]olio/[S]acqua
Diffusione attraverso doppi strati fosfolipidici
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JS = P Ccon P = -DmR/x = permeabilità della
membranaR = coefficiente di ripartizione olio/acqua
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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
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Diffusione attraverso doppi strati fosfolipidici
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• 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)
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Fondamentali vie di permeazione attraverso
la membrana cellulare
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