BIOFISICA DELLE MEMBRANE

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1 Corso di Laurea Magistrale in Medicina e Chirurgia Biofisica e Fisiologia I A.A BIOFISICA DELLE MEMBRANE Prof. Clara Iannuzzi Dipartimento di Biochimica, Biofisica e Patologia Generale [email protected]

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4 TEMA CENTRALE DELLA FISIOLOGIA Omeostasi = mantenimento di una condizione costante del mezzo interno

5 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).

6 Necessità di scambi acquosi nell organismo attraverso le membrane

7 Na + Cl - Proteine plasmatiche

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9 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

10 Tipi di membrane biologiche giunzione intercellulare ambiente esterno all organismo membrana apicale membrana basolaterale ambiente interno dell organismo membrana epiteliale Separa ambiente intra ed extra-cellulare

11 Tipi di membrane biologiche ambiente esterno ambiente esterno ambiente interno membrana plasmatica ambiente interno membrane intracellulari CELLULA PROCARIOTE: membrana plasmatica CELLULA EUCARIOTE: membrana plasmatica membrane intracellulari

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

13 STRUTTURA DELLA MEMBRANA CAPILLARE

14 MEMBRANA CAPILLARE

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16 I fosfolipidi sono molecole anfipatiche

17 Organizzazione dei fosfolipidi in acqua ambiente acquoso ambiente acquoso

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20 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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23 Le proprietà del doppio strato dipendono dalla temperatura

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25 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.

26 Grandezze fisiche coinvolte nella diffusione attraverso membrane

27 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

28 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] S= superficie attraverso cui avviene lo scambio

29 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

30 Diffusione

31 Elettrodiffusione

32 Filtrazione (flusso massivo)

33 Flusso di soluto: J S = n.moli soluto /(cm 2 s) Flusso globale: J V = volume soluzione/(cm 2 s) Diffusione J S = P ΔC Elettrodiffusione J S = K ed ΔV Termodiffusione J S = K T ΔT Flusso di volume J V = K P ΔP Osmosi J V = K o Δπ

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35 Legge di Einstein A B D: coefficiente di diffusione

36 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/6π r (almeno volte più grande nei gas che nei liquidi) k = R/N N = R = 8.3 J mol -1 K -1 Costante di Boltzmann Numero di Avogadro Costante universale dei gas

37 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

38 Diffusione in fase libera Diffusione attraverso una membrana

39 Diffusione attraverso una membrana Fattori che influenzano la diffusione semplice: Ampiezza forza motrice Superficie della membrana Permeabilità della membrana

40 Ampiezza forza motrice

41 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.

42 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.

43 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 acq 1 C m 2) R = [C] m /[C] acq Coefficiente di ripartizione

44 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

45 J S = P C con P = -D m R/ x = permeabilità della membrana R = coefficiente di ripartizione olio/acqua

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47 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

48 Diffusione attraverso doppi strati fosfolipidici

49 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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52 Fondamentali vie di permeazione attraverso la membrana cellulare

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