Corso di Laurea Magistrale in Medicina e Chirurgia Biofisica e Fisiologia I

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1 Corso di Laurea Magistrale in Medicina e Chirurgia Biofisica e Fisiologia I BIOFISICA DELLE MEMBRANE

2 BIOFISICA DELLE MEMBRANE Le funzioni biologiche di tutti gli organismi viventi si svolgono mediante scambio di sostanze ed informazioni attraverso membrane. Membrana = struttura che separa due mezzi diversi (gas o liquidi) e che regola selettivamente il trasporto delle sostanze in essi contenute in entrata ed in uscita. compartimento 1 compartimento 2

3 ambiente esterno Tipi di membrane biologiche ambiente esterno ambiente interno membrana plasmatica ambiente interno membrane intracellulari CELLULA PROCARIOTE: membrana plasmatica CELLULA EUCARIOTE: membrana plasmatica membrane intracellulari giunzione intercellulare ambiente esterno all organismo membrana apicale membrana basolaterale ambiente interno dell organismo membrana epiteliale

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6 Tipi di membrane biologiche Membrana alveolare

7 Tipi di membrane biologiche Membrana epiteliale 10-4 cm Membrana cellulare 10-7 cm

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9 I fosfolipidi sono molecole anfipatiche

10 Organizzazione dei fosfolipidi in acqua ambiente acquoso ambiente acquoso

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14 Le proprietà del doppio strato dipendono dalla temperatura

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19 Gruppi laterali idrofobici CO NH

20 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 o glicolipidi caratteristici di ciascun individuo, che permettono l identificazione delle cellule provenienti da altri organismi (es. marcatori ABO).

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22 Flusso di sostanza = J = quantità di materia che attraversa la membrana per unità di superficie e per unità di tempo Flussi attraverso membrane Flusso (soluto): J S = mol (soluto) cm -2 s -1 Flusso (soluzione): J V = cm 3 (soluzione) cm -2 s -1 Il flusso è una grandezza vettoriale Flusso totale: J S = J S J S 2 1 J V = J V J V 2 1

23 Velocità di diffusione attraverso membrane Velocità di trasporto: V S = S x J S [moli soluto/s] V = S x J V [cm 3 /s]

24 Meccanismi di trasporto Passaggio di sostanze tramite: processi fisici trasporto passivo Processi fisici 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

25 Flusso di soluto: J S = n.moli soluto /(cm 2 s) Flusso globale: J V = volume soluzione/(cm 2 s) Diffusione J S = P C Elettrodiffusione J S = K ed V Termodiffusione J S = K T T Flusso di volume J V = K P P Osmosi J V = K o π

26 Legge di Einstein A B

27 Coefficiente di diffusione Il coefficiente di diffusione libera D dipende da: - temperatura assoluta T - caratteristiche fisico-chimiche di soluto e solvente dimensioni molecola: raggio r attrito viscosità liquido D = kt/6πηr (almeno volte più grande nei gas che nei liquidi) k = R/N N = R = 8.3 J mol -1 K -1

28 Molecole R(Å) D(cm 2 s -1 ) H 2 O 1, O 2 2, C 6 H 12 O 6 4,5 6, Hb 31,0 6,9 10-7

29 La legge di Fick può essere applicata alla diffusione passiva attraverso la membrana cellulare C acq 1 > C acq 2 C acq 1 C m 1 C m 2 C acq 2 x 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 il flusso netto transmembranario è espresso in funzione delle concentrazioni dentro la membrana : R(C m 1 C m 2) R = [C] olio /[C] acqua

30 Diffusione attraverso doppi strati fosfolipidici J S = P C con P = -D m R/ x = permeabilità della membrana R = coefficiente di ripartizione olio/acqua R = [S] olio /[S] acqua

31 Diffusione attraverso doppi strati fosfolipidici

32 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

33 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 (CO 2, O 2, N 2 ), 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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37 Equilibrio diffusivo C 1 C 2 Time (s) C J = P C

38 ΔC = costante J tempo

39 Energia libera e diffusione La variazione di energia libera che si osserva quando una mole di soluto viene trasferita da un mezzo a concentrazione C 1 ad un mezzo a concentrazione C 2 è data da: ΔG = RTln(C 2 /C 1 ) V 2 ΔG < 0 se C 2 <C 1 ΔG 0 se C 2 C 1 ΔG = 0 se C 2 =C 1 V 1 V indica il volume di soluzione in cui è contenuta una mole di soluto Equilibrio diffusivo ΔG = 0

40 Sinapsi chimica Vescicola presinaptica Membrana presinaptica Spazio sinaptico Membrana postsinaptica

41 Meccanismi di trasporto Passaggio di sostanze tramite: processi biochimici trasporto facilitato trasporto attivo

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Corso di Laurea Magistrale in Medicina e Chirurgia Biofisica e Fisiologia I A.A. 2015-16

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