Fisiologia Cellulare

CONCETTO DI DIFFUSIONE

E' una proprietà fisica fondamentale di tutti i processi biologici e forma il motore tramite il quale le

cellule possono generare segnali.

Esempio

• Attraverso flussi diffusionali che l'O2 passa dagli alveoli polmonari al sangue;

• Attraverso flussi diffusionali che molecole nutritizie e O2 passano dal sangue ai tessuti;

• E' un evento fondamentale che sta alla base del funzionamento dei neuroni, la genesi del

potenziale d'azione, è prodotto dalla diffusione di ioni Na+ dentro la cellula nervosa.

• La trasmissione sinaptica è un evento fondamentale per la comunicazione neuronale, avviene per

diffusione del neurotrasmettitore dal termine pre-sinaptico di un neurone al terminale post-

sinaptico di un altro neurone.

Ma cosa è la diffusione? E cosa spinge le particelle a diffondere?

Se introduciamo una goccia di

colorante in acqua, questo si disperde

ossia si diffonde.

La diffusione è il movimento molecolare generato dall'energia termica ossia l'energia cinetica che

ciascuna di queste molecole possiede.

Questi processi sono rallentati quando si abbassa la temperatura ossia quando minore sarà l'energia

cinetica delle particelle.

DIFFUSIONE DI SOLUTI

Flusso molecolare unidirezionale

Quantità di soluto che attraversa un'area unitaria

nell'unità di tempo (1s).

Se non dividiamo per il il Numero di Avogadro avremmo solo il numero di particelle che partecipano

al flusso. Dividendo per il Numero di Avogadro avremo la quantità di particelle espresse in moli.

Ovviamente esiste un altro flusso molecolare che va dal compartimento 2 all'1.

Per sapere il flusso netto ossia quante particelle espresse in moli vengono scambiate da un

compartimento all'altro e ci da il verso dello spostamento.

Etanolo e Glicerolo sono molecole che passano attraverso la membrana.

Le frecce in grigio rappresentano i 2 flussi unidirezionali e la loro differenza mi da il flusso netto

(freccia nera) e il verso del flusso. Non potrà mai capitare che il flusso netto sia di direzione

opposta e sarebbe un evento non naturale, non spontaneo.

Generalizzando questo concetto abbiamo l'equazione di Teorell: F = k • X

L'intensità del flusso è proporzionale alla forza che lo genera (X = driving force ossia la forza

trainante che trascina le particelle a muoversi in una determinata direzione); k = costante di

proporzionalità che dipende dalle caratteristiche del soluto e da quelle del solvente, oltre che dalla

geometria del volume in cui il flusso si determina.

I° Legge di Fick per la diffusione attraverso una membrana

Immaginiamo che esiste un colorante con caratteristiche simili a una particella che passa attraverso

una membrana. Se il compartimento di sx ha concentrazione maggiore di colorante che quella dx.

C'è un flusso netto di colorante dalla

zona ad alta concentrazione a quelle a

bassa concentrazione. Allo stato

stazionario vale la relazione: Fd = Kd •

∆C

Kd = costante di proporzionalità che

dipende dalla mobilità del soluto.

In un grafico otterremmo una retta che passa

per l'origine (immaginando Kd = Y e ∆C = x che

è l'equazione della retta).

La diffusione di questa legge deve avvenire in

maniera LIBERA ossia senza trasportatori o

canali ionici.

La diffusione di particelle ai due lati della

membrana la si può rappresentare con una

funzione esponenziale.

Quella sotto ha l'(1 - e) perché è una funzione

crescente.

MIGRAZIONE IN UN CAMPO ELETTRICO

Fino ad ora abbiamo visto la migrazione di particelle neutre. Ma se fossero elettricamente cariche

ossia se fossero ioni cosa accadrebbe?

Immaginiamo un recipiente contenente cloruro di potassio. Inseriamo 2 elettrodi collegati a una

batteria (una placca al polo positivo = anodo xk attira gli anioni e l'altra al polo negativo = catodo xk

attira i cationi). Quando la batteria è collegata tra anodo e catodo si crea una differenza di

potenziale. Inoltre si crea una polarizzazione tra gli ioni immersi in soluzione e dopo un certo

periodo di tempo gli anioni andranno verso l'anodo e i cationi verso il catodo. Insomma alla fine si

serparano le cariche elettriche determinando un flusso di cariche elettriche positive e negative

chiamato appunto FLUSSO ELETTRICO.

Fe = z • Ke • ∆V

Ke = costante di proporzionalità che dipende

dalla mobilità e dalla concentrazione del soluto

Alla fine avremo sempre una retta con z = alla y e ∆V = x.

Infatti c'è un'analogia con la legge di Ohm la quale diceva che I (corrente elettrica) = g • ∆V e che

I = ∆V/R ed è la stessa cosa della legge del flusso elettrico.

Ai due capi del bilayer lipidico abbiamo le teste polari rappresentate dai fosfolipidi, glicolipidi e

colesterolo che sono elettricamente cariche. Inoltre abbiamo una diversa distribuzione delle cariche

elettriche ossia quella verso il citoplasma ha soprattutto cariche negative mentre quella rivolta

verso lo spazio extracellulare ha più cariche positive. Questa differenza di cariche (∆q) ossia di

potenziale elettrico (∆V) ai due capi

della membrana influenza il movimento

degli ioni.

Quindi il flusso di particelle cariche

dipende non solo dal gradiente di

concentrazione ma anche dal gradiente

elettrico. Il flusso di uno ione dipende

dal gradiente di concentrazione e anche dal gradiente elettrico. La equazione non è preziosa per

impararla a memoria ma solo che sappiamo

che ci sono 2 variabili.

LA DIFFUSIONE DELL'ACQUA (pag. 16)

Considerando cosa succede all'acqua che si trova ai due capi della membrana possiamo constatare

che le molecole d'acqua tendono a diffondere da una soluzione più diluita ad una più concentrata.

Questo flusso è chiamato FLUSSO OSMOTICO.

Spiego:

Esempio

Immaginando di avere in due compartimenti soluti aventi concentrazione di saccarosio, per esempio,

diversi:

La pressione esercitata dalla differenza in altezza delle colonne di liquido, ovvero dal pistone, è

definita PRESSIONE OSMOTICA:

Effetto del flusso di acqua attraverso una membrana semipermeabile

In un recipiente con membrana semipermeabile assistiamo al movimento dall'acqua dall'altra parte e

quindi a sx si abbasserà il livello di liquido e

si alzerà a dx. Questo avviene quando le

pareti della membrana sono pareti rigide.

Ma se sono elastiche come le membrane

biologiche? Il livello di liquido rimane lo

stesso xk abbiamo una deformazione della

parete e il volume di liquido a dx aumenta

come accadeva per l'altra membrana.

Quando ciò accade per i globuli rossi?

Le cellule innanzitutto devono essere isotoniche con l'ambiente esterno (150 mM NaCl). Modificando

la concentrazione di NaCl, per esempio la raddoppiamo (300 mM NaCl) abbiamo una soluzione

ipertonica ossia esso si raggrinza xk l'acqua fuoriesce dal globulo rosso controbilanciando l'aumento

di concentrazione extracellulare. Se abbiamo una concentrazione più bassa (100 mM NaCl) il globulo

rosso si gonfia diventando una sfera xk l'acqua entra nel globulo rosso. Se la abbassiamo ancora la

cellula si lisa (50 mM NaCl) xk c'è troppa acqua dentro.

TRASPORTI ATTRAVERSO LA MEMBRANA & PROTEINE DI

TRASPORTO (pag. 24)

Noi sappiamo che il bilayer lipidico è permeabile a certi gas, molecole polari non cariche e quelle

cariche non passano.

Esistono, come abbiamo già visto nella 1° lezione, le proteine carrier e le proteine canale.

DIFFUSIONE FACILITATA (proteine carrier) (pag. 33)

Il trasporto avviene secondo gradiente di concentrazione.

Caratteristiche dei trasporti mediati

• I carriers sono dotati di specificità xk la proteina ha una nicchia la quale è selettiva per solo una

molecola e non per altre;

• Sono soggetti a saturazione;

• Possono essere bloccati dagli inibitori competitivi;

• Hanno una elevata dipendenza termica e dal pH: il trasporto funziona meglio a temperature

elevate a causa dell'energia cinetica. Inoltre la conformazione della proteina si modifica in base al

pH;

I trasportatori hanno le caratteristiche di enzimi

• Il comportamento dei carriers è simile a quello che fa un enzima: accelerano un determinato

processo biologico ossia in specifico i carrier il passaggio di sostanze tra un lato e l'altro della

membrana.

• Legano selettivamente il loro substrato, cioè la molecola che deve essere trasportata;

• Cambiano di conformazione per rilasciare il substrato dall'altro lato;

• Ritornano alla conformazione originale per legare un'altra molecola di substrato;

• Seguono una cinetica del tipo Michaelis - Menten

Analisi cinetica del trasporto di una molecola tramite proteina carrier: saturazione

In base alla I° Legge di Fick il flusso di particelle che diffondono liberamente aumenta linearmente

all'aumentare della concentrazione.

Ma la I° Legge di Fick non viene più rispettata se si tratta di un flusso di particelle attraverso la

membrana mediato da carriers.

Fmax è il massimo n° di flusso di particelle trasportabili da un carriers.

I flussi mediati da carriers, a differenza della diffusione libera, sono saturati ossia il flusso è

rappresentabile dall'equazione di una iperbole avente un valore massimo invalicabile.

Ma perché avviene questo nei trasporti mediati?

1. Sulla membrana è presente un numero finito di carriers;

2. Ciascun carrier opera ad una velocità finita.

Rappresentazione del concetto di saturazione con un esempio numerico

Per semplicità consideriamo una membrana

con un solo carrier. La velocità del carrier

è di 50 particelle/s

Quando arriviamo a 100 tutte quante non riescono a passare in 1 secondo e per questo rimane lo

stesso di 50 particelle nel flusso. La stessa cosa se ne abbiamo 1000. Infatti la curva che otteniamo

è simile a quella che abbiamo visto prima ossia abbiamo una saturazione.

I carriers, come gli enzimi, possono essere soggetti a inibizione competitiva

Se introduciamo un inibitore competitivo esso inibisce il trasporto ossia va a competere con la

molecola che deve essere trasportata a livello del sito attivo. Quindi se introduciamo una certa

quantità fissa di inibitore competitivo ci accorgiamo che la nostra curva (nel grafico contenente nelle

ordinate il flusso netto e nelle ascisse la ∆C del substrato) è più bassa anche se il Flusso massimo

viene raggiunto comunque. Se aggiungiamo ancora di più l'inibitore la curva si abbassa di più ma il

flusso massimo viene raggiunto comunque.

Diminuisce xk il flusso massimo dipende dalla quantità di trasportatori.

Come funziona un inibitore competitivo?

Se avessimo delle molecole