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

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

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

Tipi di membrane biologiche Membrana alveolare

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

I fosfolipidi sono molecole anfipatiche

Organizzazione dei fosfolipidi in acqua ambiente acquoso ambiente acquoso

Le proprietà del doppio strato dipendono dalla temperatura

Gruppi laterali idrofobici CO NH

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).

Flussi attraverso membrane Flusso di sostanza = J = “quantità di materia” che attraversa la membrana per unità di superficie e per unità di tempo Flusso (soluto): JS = mol (soluto) cm-2•s-1 Flusso (soluzione): JV = cm3 (soluzione) cm-2•s-1 Il flusso è una grandezza vettoriale Flusso totale: JS = JS12 + JS21 JV = JV12 + JV21

Velocità di diffusione attraverso membrane Velocità di trasporto: VS= S x JS [moli soluto/s] V = S x JV [cm3/s]

Passaggio di sostanze tramite: processi fisici  trasporto passivo 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

Flusso di soluto: JS = n.moli soluto /(cm2•s) Flusso globale: JV = volume soluzione/(cm2•s) Diffusione JS = P ΔC Elettrodiffusione JS = Ked ΔV Termodiffusione JS = KT ΔT Flusso di volume JV = KP ΔP Osmosi JV = Ko Δπ

> x R(Cm1 – Cm2) R = [C]olio/[C]acqua 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 La legge di Fick può essere applicata alla diffusione passiva attraverso la membrana cellulare Cacq1 Cm1 Cm2 Cacq2 x > il flusso netto transmembranario è espresso in funzione delle concentrazioni dentro la membrana : R(Cm1 – Cm2) R = [C]olio/[C]acqua

Diffusione attraverso doppi strati fosfolipidici JS = P C con P = -DmR/x = permeabilità della membrana R = coefficiente di ripartizione olio/acqua R = [S]olio/[S]acqua

Diffusione attraverso doppi strati fosfolipidici

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

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 10000 volte più grande nei gas che nei liquidi) k = R/N N = 6.02●1023 R = 8.3 J●mol-1K-1

Legge di Einstein B A

R(Å) D(cm2s-1) Molecole H2O 1,5 2 10-5 O2 2,0 1 10-5 C6H12O6 4,5 6,7 10-6 6,9 10-7 Hb 31,0

Vescicola presinaptica Sinapsi chimica Vescicola presinaptica Membrana presinaptica Spazio sinaptico Membrana postsinaptica

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

Equilibrio diffusivo C1 C2 Time (s) J = PΔC ΔC

ΔC = costante J tempo

Energia libera e diffusione La variazione di energia libera che si osserva quando una mole di soluto viene trasferita da un mezzo a concentrazione C1 ad un mezzo a concentrazione C2 è data da: ΔG = RTln(C2/C1) ΔG < 0 se C2<C1 ΔG › 0 se C2›C1 ΔG = 0 se C2=C1 V2 V1 Equilibrio diffusivo ΔG = 0 V indica il volume di soluzione in cui è contenuta una mole di soluto

Distribuzione liquidi corporei