TRASPORTI ATTRAVERSO MEMBRANA

La Diffusione Diffusione è il trasporto netto di sostanze (atomi o molecole) tra due comparti di un sistema, causato dal moto termico casuale, al fine di eguagliare le differenze di concentrazioni. Quindi due sono gli aspetti principali: Molecole si muovono disordinatamente a causa dell’agitazione termica Molecole si muovono semi-ordinatamente secondo gradiente di concentrazione Flusso di una sostanza è la quantità di sostanza trasportata attraverso l’unità di superficie e viene misurato in moli/secondo. Le membrane, sono permeabili alle molecole???

Una membrana semipermeabile ideale è permeabile solo all’acqua, ma impermeabile a tutti i soluti. La maggior parte delle membrane biologiche sono permeabili all’acqua e a piccole molecole, ma impermeabili alle macromolecole (es. proteine).

TRASPORTO ATTRAVERSO MEMBRANA rispetta 1a e 2a legge della Termodinamica avviene con variazioni di Entropia avviene a T e P costanti descrivibile con:   Energia libera di Gibbs G = H - TS Entalpia H = U + pV  Trasporto puo’ essere ·       Passivo = senza consumo di Energia ·       Attivo = con consumo di Energia ·       Facilitato = passivo, ma tramite molecole trasportatrici

(1) TRASPORTO PASSIVO Non richiede consumo di Energia; avviene seguendo gradienti di concentrazione 1 M 0 M 1.5 M 1 M 1 M 2 M 130mM 3 M

Rappresenta il flusso netto di soluto tra 2 comparti a diversa concentrazione Vediamo ora i vari casi in base al tipo di soluto

equilibrio si ha all’eguaglianza dei 2 potenziali chimici () Soluzioni di non-elettroliti Abbiamo 2 compartimenti I e II (separati da membrana) contenenti un soluto a diversa concentrazione (CI e CII)   Se membrana è permeabile al soluto equilibrio si ha all’eguaglianza dei 2 potenziali chimici () I =  II Ricordiamo che  = 0 + RT lnC 0 = potenziale chimico standard sostanza CI CII

Cioè si avrà flusso di soluto finchè si uguagliano Se  I >  II ovvero 0 + RT lnC I > 0 + RT lnC II   Equilibrio quando:   0 + RT lnC I = 0 + RT lnC II   RT lnC I - RT lnC II = 0   RT ln (C I / C II ) = 0 cioe’ C I = C II Cioè si avrà flusso di soluto finchè si uguagliano le concentrazioni

(2) Se membrana e’ impermeabile al soluto, ma permeabile al solvente (acqua) avremo flusso osmotico di acqua verso comparto dove soluto è più concentrato Si crea tra i 2 comparti una differenza di pressione idrostatica (PI) che ostacola l’ulteriore passaggio di solvente. All’equilibrio la differenza di PI compensa la differenza delle concentrazioni (pressione osmotica)

Pressione colloido-osmotica () E’ quantificata tramite la differenza di pressione idrostatica (DP= P2-P1) che equilibra la tendenza dell’acqua ad andare nel comparto dove si trova il soluto non permeante. P1 P2 P2 P1 ΔP=P2-P1 Prot. Prot. Ricordiamo che P = Forza/Superficie dove P=peso della colonna di liquido

2. Soluzioni di elettroliti Se membrana è permeabile al soluto equilibrio all’eguaglianza dei 2 potenziali elettrochimici    I =  II 0 + RT lnC I + zF I = 0 + RT lnC II+ zF II RT ln (C I - C II) = + zF ( II -  I) Dove z = valenza dello ione F = costante di Faraday [96.486 coulomb/mol]  =  II -  I d.d.p. ai lati della membrana

 = 61 log10 C I/C II si misura in mV  = RT ln (C I/C II) Equazione di Nernst zF  = 61 log10 C I/C II si misura in mV Quando potenziale misurato Vm ha segno opposto a   ione e’ in totale disequilibrio

(2) Se membrana è impermeabile ad un soluto Quando membrana separa 2 comparti contenenti sia molecole diffusibili (es. ioni K+, Cl-…) sia molecole non diffusibili (es. proteine, polianioni organici R-) all’equilibrio si avra’ una distribuzione di ioni asimmetrica per effetto Donnan.   Interno Esterno K+ Cl- K+ R-

Inizialmente Cl- fluiranno da I a II spinti dal gradiente di concentrazione ma, per mantenere l’elettroneutralita’ in ogni comparto, ogni Cl- che passa sarà accompagnato da un K+ All’equilibrio n° ioni che passano da I a II sarà uguale a n° ioni che passano da II a I.   All’equilibrio come si distribuiscono gli ioni ai 2 lati della membrana semipermeabile ? Concentrazione dei diversi ioni nei 2 comparti si calcola tramite Equazione di Gibbs-Donnan:

prodotto delle concentrazioni degli ioni diffusibili ai 2 lati della membrana e’ uguale [K+]est x [Cl-]est = [K+] int x [Cl-] int   ovvero [K+]est/[K+] int = [Cl-] int/[Cl-]est L’effetto Donnan è una differenza di pressione che si crea ai due lati di una membrana a causa della presenza di molecole non permeanti (proteine ad es.) ad un lato della m. il che causa un’ineguale distribuzione anche delle molecole permeanti (cationi e anioni).

Pertanto, per mantenere in ogni comparto la condizione di elettroneutralità, nel comparto dove c’è l’anione non diffusibile (R-) avremo una maggiore concentrazione dello ione positivo: [K+]>[Cl-]   Questa distribuzione asimmetrica genera una d.d.p. calcolabile con Equazione di Nernst:  = d.d.p. = RT ln (K EST/ K INT) zF

Riassumendo Presenza ioni non diffusibili da un lato di una membrana    Presenza ioni non diffusibili da un lato di una membrana  distribuzione ionica asimmetrica (da un lato > che dall’altro) pur in condizioni di elettroneutralita’ Insorgenza di una d.d.p. tra i 2 lati della membrana Insorgenza di un flusso osmotico di acqua dal comparto meno concentrato a quello piu’ concentrato e quindi di una pressione osmotica (chiamata pressione colloido-osmotica)

pH= log(1/[H+]), pH 7 10-7 M pH extracell.=7.4 Le cellule presentano una membrana lipoproteica che separa l’ambiente interno da quello esterno. In tutte le cellule la composizione ionica dell’ambiente interno è differente da quello esterno. In tutte le cellule vi è una V ≈ 0  -90 mV tra interno e esterno. Interno Esterno (mM) (mM) Na+ 5 140 K+ 140 5 Ca2+ 0.1 (M) 2 Cl- 20 130 ATP 2 tracce Le proteine sono presenti solo all’interno e a pH fisiologico (circa 7.3) sono cariche negativamente. pH= log(1/[H+]), pH 7 10-7 M pH extracell.=7.4 pH intracell.=7.2

(2) TRASPORTO ATTIVO Distribuzione asimmetrica di Na+ e K+ tra interno ed esterno della cellula non è spiegabile semplicemente con effetto Donnan   Occorre ipotizzare un ruolo attivo della membrana plasmatica per assicurare una asimmetrica ripartizione dei 2 ioni. La distribuzione di Na+ e K+ è contraria all’eq. termodinamico ed è dovuta ad un meccanismo di Trasporto Attivo che genera un flusso di ioni contro gradiente di potenziale elettrochimico. Trasporto attivo richiede consumo di Energia (da idrolisi ATP) e può essere primario o secondario.

membrana plasmatica e’ virtualmente impermeabile Avviene tramite proteine trasportatrici che possono assumere 2 conformazioni diverse.   Il sistema che nella cellula trasporta il K+ verso l’int. ed il Na+ verso l’est. si chiama pompa Na+/K- ATPasi ed è situata sulla m. cellulare. La distribuzione dei 2 ioni deriva quindi dal bilancio tra pompa (attiva) e diffusione (passiva).   Siccome n° ioni che passano per diffusione = n° ioni che passano per pompa Na/K membrana plasmatica e’ virtualmente impermeabile a Na+ e K+

La pompa Na+/K+ e’ una proteina di membrana integrale che fa uscire 3 Na+ (contro gradiente di concentrazione ed elettrico) ed entrare 2 K+ (contro gradiente di concentrazione) usando Energia derivante dall’idrolisi di 1 ATP. E’ regolata tramite fosforilazione  cambiamenti di conformazione:    Conformazione con alta affinità per Na+ e bassa per K+ quando e’ rivolta verso ambiente intra-cellulare Conformazione con bassa affinità per Na+ ed alta per K+ quando è rivolta verso ambiente extra-cellulare

membrana plasmatica risulta virtualmente impermeabile Siccome n° ioni che passano per diffusione = n° ioni che passano per pompa Na+/K+ membrana plasmatica risulta virtualmente impermeabile a Na+ e K+

(3) TRASPORTO FACILITATO Sostanza permea attraverso m. seguendo gradiente chimico o elettrochimico (come in Diffusione Libera), ma richiede l’intervento di molecole trasportatrici (come in Trasporto Attivo)   Riguarda trasporto di molecole poco solubili nei lipidi: sostanza A insolubile in lipidi, legandosi a molecola carrier X, solubile, forma complesso XA che potendo attraversare la m. veicola A verso il comparto dove e’ meno concentrata. A + X AX A+ X AX

RISPETTO A DIFFUSIONE LIBERA   ·  Maggiore Velocita’ · Cinetica  cinetica enzimatica, ossia raggiunge saturazione per elevate concentrazioni della sostanza A Specificita’ Inibizione ad opera di molecole simili Esempio di trasporto facilitato e’ il passaggio del glucosio nelle cellule epiteliali dell’intestino tenue e nel tubulo renale.

(4) TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO Spesso Trasporto Facilitato può essere accoppiato ad un Trasporto Attivo.   Ad es: gradiente di concentrazione creato dalla pompa Na+/K+ è utilizzato per trasportare dentro la cellula altre sostanze non solubili in membrana: un aminoacido idrofilico si lega ad un carrier che contemporaneamente lega anche uno ione Na+ gradiente elettrochimico del Na+ e’ la forza motrice che spinge il carrier a veicolare l’aminoacido dentro la cellula Viene pertanto chiamato Trasporto Attivo Secondario per distinguerlo dal primario (es la pompa Na/K)  

I 3 tipi di trasporto attivo secondario sono: I. Uniporto II I 3 tipi di trasporto attivo secondario sono: I. Uniporto II. Simporto III. Antiporto

TRASPORTO SENZA ATTRAVERSAMENTO MEMBRANA Passaggio da un lato all’altro di m. avviene tramite vescicole: Endocitosi: da est verso int Pinocitosi per molecole solubili Fagocitosi per materiale particolato (batteri)   Esocitosi: da int verso est Es. liberazione neurotrasmettitori da vescicole presinaptiche, secrezione ghiandolare di ormoni idrosolubili