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

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Linda Bianchi
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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

Membrana = struttura che separa due mezzi diversi (gas o liquidi) e che regola

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

CELLULA EUCARIOTE: membrana plasmatica membrane intracellulari giunzione intercellulare ambiente

6 Tipi di membrane biologiche Membrana alveolare

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

9 I fosfolipidi sono molecole anfipatiche

10 Organizzazione dei fosfolipidi in acqua ambiente acquoso ambiente acquoso

14 Le proprietà del doppio strato dipendono dalla temperatura

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).

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.

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

acquosi e quindi anche nell ambiente interno libero di una qualsiasi membrana omogenea il flusso netto

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)

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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