2. Fisiologia Cellulare Diffusione, Trasporto, Osmosi

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1 2. Fisiologia Cellulare Diffusione, Trasporto, Osmosi Prof. Carlo Capelli Fisiologia Laurea in Scienze delle attività motorie e sportive Università di Verona

2 Obiettivi Diffusione semplice e mediata da carrier Trasporto attivo Endo ed esocitosi Membrane semipermeabili e pressione osmotica Osmosi Osmolarità plasmatica

3 Diffusione libera Attraverso una membrana permeabile

4 Diffusione Legge di Fick I Legge di Fick (della diffusione): M = -D. A. c/ x La velocità di diffusione di un soluto (M ) dipende dall area della barriera (A), dal coefficiente di diffusione (D) dallo spessore della membrana ( x) e dal gradiente di concentrazione ai due lati della membrana ( c)

5 Principali determinanti della diffusione M = -D. A. c/ x La diffusione è tanto più rapida quanto più piccola è la particella: D = RT / 6 π η r N r = raggio della particella La diffusione è tanto più rapida quanto minore è la distanza da superare x Sulle lunghe distanze devo sviluppare sistemi di trasposto alternativi ( nervi, vasi)

6 Trasporto di membrana: dimensionitipologia dei soluti La diffusione è più rapida per le molecole liposolubili e quindi la velocità di diffusione dipende anche dall interazione composto-membrana La diffusione è rapida per le molecole di piccole dimensioni (fino a 200 di PM) Glucosio (180 PM) urea (60 PM) e ioni diffondono troppo lentamente. Per gli ioni c è il problema dell acqua di idratazione (non passano anche se sono molto piccoli). Quindi il loro trasporto deve essere organizzato in modo diverso. Le proteine non passano proprio (albumina : di PM) Quindi ci devono essere modalità particolari per veicolare composti di medie-grandi dimensioni e molecole polari

7 Canali o pori Trans membrana: Diffusione semplice : sostanze a basso PM, liposolubili Canali/pori/carrier: Diffusione facilitata: sostanze idrosolubili (p.e. ioni) o ad alto PM Per le sostanze idrosolubili esistono canali preferenziali : la diffusione non avviene attraverso la membrana ma attraverso proteine trans-membrana (PORI) I pori possono essere sempre aperti o venire aperti / chiusi in seguito a: una variazione del potenziale di membrana (canali voltaggio dipendenti) un legame ad un neurotrasmettitore (canali ligando dipendenti)

8 Tipi di Canale 1. Canali sempre aperti (e. g. i canali ionici) sono comunque selettivi. Non solo in base al PM ma anche all acqua di idratazione e a siti specifici di legame / riconoscimento al loro interno K + = 39 di PM ma 0.12 di raggio di idratazione (nm) Na + = 23 di PM ma 0.18 di raggio di idratazione (nm) 2. Canali voltaggio dipendenti 3. Canali ligando dipendenti

9 Trasporto mediato da carrier PASSIVO lungo gradiente Diffusione facilitata ATTIVO contro gradiente (+ G) PRIMARIO SECONDARIO COTRASPORTO (simporto, antiporto)

10 Cinetica della diffusione facilitata e del trasporto attivo Diffusione La diffusione semplice non è saturabile La diffusione facilitata e il trasporto attivo sono saturabili Trasporto attivo: 1. Cinetica di saturazione 2. Specificità chimica 3. Competizione per il trasporto (come per gli enzimi) (k m, v max )

11 Esempio di trasporto attivo: pompa sodio/ potassio Trasporto attivo: serve ATP per espellere dalla cellula sodio e immagazzinare potassio 3 Na + fuori e 2 K + dentro Circa il 33% dell energia prodotta da una cellula viene utilizzato a questo scopo (fino al 70% nei neuroni) ATP --> ADP + Pi + Energia E una pompa elettrogenica: crea una differenza di potenziale ai lati della membrana

12 Specializzazione di membrana Negli epiteli dove il trasporto e la diffusione sono particolarmente importanti si trova una specializzazione di membrana tra il lato apicale (ad esempio verso il tubulo renale) e quello basale (verso i vasi sanguigni) In genere il trasporto è un simporto accoppiato al sodio il gradiente del sodio viene mantenuto dalla pompa sodio potassio relegata nel lato opposto della cellula

13 Osmosi Non sono soltanto i soluti ad attraversare le membrane cellulari ma anche l acqua (acquaporine). OSMOSI: Diffusione delle molecole di solvente da una zona a maggior concentrazione (attività) ad una zona a minor concentrazione attraverso una membrana semipermeabile (al solvente ma non al soluto) La tendenza del solvente a muoversi può essere impedita applicando una pressione alla soluzione più concentrata (la pressione osmotica)

14 La pressione osmotica Π PV = nrt P = RT n/v Π = RT (Φ i c) Φ = coefficiente osmotico i = numero di particelle c = concentrazione La pressione osmotica è proporzionale al numero di particelle (n) presenti in soluzione (proprietà colligativa delle soluzioni), e quindi alla loro concentrazione c P.E., l aggiunta di 1 mole di NaCl da un lato della membrana semipermeabile può essere bilanciata dall aggiunta di 2 moli di glucosio dalla parte opposta (non c entrano le cariche e nemmeno il PM solo il numero di particelle). Se non è possibile bilanciare i soluti si sposta il solvente: l acqua passa attraverso tutte le membrane con estrema facilità e quindi pareggia la concentrazione osmolare in tutti i compartimenti dell organismo variazioni di composizione in soluti causano anche spostamenti di acqua.

15 Π, coef. Osmotico e coef. di Riflessione Π = RT (Φ i c) Φ = coefficiente osmotico i = numero di particelle c = concentrazione Il coefficiente di riflessione indica la relativa facilità con la quale un soluto attraversa la membrana. I soluti non diffusibili attirano acqua più velocemente di quelli diffusibili.

16 Osmolarità e Π plasmatica Concentrazione osmolale = 290 mosm/kg H 2 O Pressione osmotica = 7.3 ATMOSFERE Il globulo rosso è un osmometro (può essere usato per misurare l osmolarità del plasma) Soluzione: Ipo-tonica Iper-tonica Iso-tonica (sol. Salina 0.9%: 9 gr/litro)

17 Osmosi ed eritrociti

18 Osmosi e meccanismi cellulari OSMOSI: Diffusione delle molecole di solvente da una zona a maggior concentrazione ad una zona a minor concentrazione attraverso una membrana semipermeabile Le cellule contengono più soluti dello spazio interstiziale. Per evitare il loro rigonfiamento posso: 1. Irrigidire le pareti cellulari con una contro-pressione pari a quella osmotica e quindi impedire di fatto lo spostamento d acqua (piante) 2. Pompare fuori dalla cellula soluti e quindi impedire di fatto lo spostamento d acqua (animali) 3. Questa è l altra funzione della pompa sodio potassio (oltre alla funzione elettro-genica serve a regolare il volume cellulare)

19 Esocitosi ed Endocitosi Proteine Esocitosi e endocitosi: la membrana NON deve essere attraversata

20 Bibliografia Fisiologia dell Uomo, autori vari, Edi.Ermes, Milano Capitolo : Neurofisiologia generale (capitoli 1.2, 1.3) Fisiologia Generale ed Umana, Rhoades-Pflanzer Capitolo 4: I processi di trasporto attraverso la membrana cellulare

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