Le soluzioni proprietà e rapporti con la membrana cellulare

CONCENTRAZIONE Termine numerico che esprime la quantità di soluto disciolta in una definita quantità di soluzione w = weight ; v = volume C. percentuale in peso (w/w): rapporto tra peso in grammi di soluto e 100g di soluzione C. percentuale in volume (v/v): rapporto tra volume di soluto in ml e 100ml di soluzione Attenzione!!: la massa è additiva, il volume no, poiché nella solubilizzazione ci può essere variazione di volume. Quindi a% (w/w) implica che per a grammi di soluto il solvente è (100-a) grammi, ma lo stesso non può dirsi per a% (v/v) C. percentuale in peso/volume (w/v): grammi di soluto sciolti in 100ml di soluzione. Nota la densità della soluzione, si può calcolare il peso del solvente e ricondursi al (w/w) o (%p/p x d = %p/v) C. in “parti per…” : ( per soluzioni diluite)rapporto tra quantità di soluto ed una quantità stabilita di soluzione, entrambi espressi nella stessa unità. Si utilizzano comunemente le parti per milione (ppm) e le parti per miliardo (ppb)

CONCENTRAZIONE Molarità: numero di moli di soluto disciolto in un litro di soluzione; solitamente indicata con M è anche nota come CONCENTRAZIONE MOLARE ATTENZIONE!!! Il volume della soluzione dipende dalla temperatura!!! Quindi M cambia con T Normalità: numero di pesi equivalenti di soluto in un litro di soluzione; il peso equivalente di un composto è la massa che potrebbe reagire con 1.008g di idrogeno. La normalità N è quindi definita in rapporto ad una reazione stechiometrica con l’idrogeno. In pratica, N= M/n, dove n è il numero di elettroni, protoni o cariche portate Molalità: numero di moli di soluto disciolto in un’unità di massa di soluzione Frazione molare: è definita come rapporto tra le moli della sostanza i ed il numero totali delle moli dei componenti la soluzione. Essa assume valori da 0 a 1 e, per una soluzione contente p sostanze, è data da Ricordare che mentre i pesi sono additivi i volumi no Problemi   1-    Quanti g di NaCl sono contenuti in 40g di una soluzione al 5%p/p?- 2-    Quanti g di HCl sono contenuti in 80 g di una soluzione al 7%p/p? 3-    Qual è la %p/p di una soluzione ottenuta sciogliendo 40g di glucosio in 250g di acqua? 4-    Qual è la %p/p di una soluzione ottenuta sciogliendo 3 moli di NaCl in 40 moli di acqua? 5-Qual è la %p/v di una soluzione ottenuta sciogliendo 5g di glucosio in 300ml di acqua? 6-Quanti g di NaCl sono contenuti in 500 ml di una soluzione al3%p/v? RICORDA che %p/p x d = %p/v preparare 2 l di una soluzione 3M di KCl (PM=74.5) R=447g 10-preparare 500 ml di una soluzione di NaOH 0.1M (PM40) R=2g 11-Quanti g di glucosio sono contenuti in 0.5 l di una soluzione 2M (PM=180)? R=180g 12- Calcolare la molarità di una soluzione di NaCl allo 0.9%p/v 13- Calcolare la molarità di una soluzione di acido solforico al 96%p/p d=1.8g/ml? Calcolare la molarità di una soluzione di acido cloridrico al 37%p/p d=1.1

In altre parole….. Molarità: esprime il numero di moli di soluto in per litro di soluzione; si indica con M (mol l-1). Frazione molare: esprime il rapporto tra il numero di moli di una sostanza e la somma del numero di moli di tutte le sostanze della miscela; si indica con x (adimensionale). Molalità: esprime il numero di moli di una sostanza per Kg di solvente; si indica con m (mol/Kg solvente).

% p/p = numero grammi di soluto in 100 g di soluzione PROBLEMI % p/p = numero grammi di soluto in 100 g di soluzione es. 4% p/p NaCl significa che ci sono 4g di soluto in 100 gr di soluzione cioè 4g di soluto (NaCl) e 96 g di solvente(acqua) % p/v= numero grammi di soluto in 100 ml di soluzione es. 4% NaCl significa che ci sono 4g di soluto in 100ml di soluzione (si pesano 4 gr di NaCl si sciolgono in un po’ di acqua e poi si porta a 100ml con acqua) Molarità= n°moli di soluto in 1litro di soluzione es una soluzione 4M di NaCl è data da 4 moli di NaCl in 1 litro di soluzione Equivalenti/l (Eq/l) (o Normalità) = N° di equivalenti di ioni in 1litro di soluzione ( la concentrazione degli ioni nei liquidi biologici viene generalmente espressa i milliequivalenti /l ) es. 1mole di ioni Na+ =1eq di ioni Na+ 1mole di ioni Ca++ =2eq di ioni Ca++ RICORDA !! IMPORTANTE !! La più semplice soluzione fisiologica è una soluzione di NaCl allo 0,9% p/v ed equivale a 0,155M (SAPERE A MEMORIA) ma perché?

Ricordare che mentre i pesi sono additivi i volumi no Problemi   1-    Quanti g di NaCl sono contenuti in 40g di una soluzione al 5%p/p?- 2-    Quanti g di HCl sono contenuti in 80 g di una soluzione al 7%p/p? 3-    Qual è la %p/p di una soluzione ottenuta sciogliendo 40g di glucosio in 250g di acqua? 4-    Qual è la %p/p di una soluzione ottenuta sciogliendo 3 moli di NaCl in 40 moli di acqua? 5-Qual è la %p/v di una soluzione ottenuta sciogliendo 5g di glucosio in 300ml di acqua? 6-Quanti g di NaCl sono contenuti in 500 ml di una soluzione al3%p/v? 7-Preparare 500 ml di una soluzione al 2%p/v di acido citrico (a-calcolare i g di ac.citrico =10g b—pesare 10 g di acido citrico c- sciogliere i 10 g in un piccolo volume di acqua in un cilindro graduato da 500ml d-    aggiungere acqua fino a 500 ml e agitare) 8-Ad un paziente viene somministrato endovena 1l di una soluzione di NaCl allo 0.9%p/v Quanti g di cloruro di sodio ha ricevuto il paziente? MOLARITA’ 9 -preparare 2 l di una soluzione 3M di KCl (PM=74.5) R=447g in 3litri 10-preparare 500 ml di una soluzione di NaOH 0.1M (PM40) R=2g 11-Quanti g di glucosio sono contenuti in 0.5 l di una soluzione 2M (PM=180)? R=180g 12- Calcolare la molarità di una soluzione di NaCl allo 0.9%p/v 13- Calcolare la molarità di una soluzione di acido solforico al 96%p/p d=1.8g/ml? 14- Calcolare la molarità di una soluzione di acido cloridrico al 37%p/p d=1.1 Quanti ml di una soluzione di HCl al37% p/p d=1.1 devo prendere per fare 500 cc di una soluzione 2M?

OSMOSI L’OSMOSI è il processo attraverso il quale molecole di solvente liquido passano attraverso una membrana con fori di dimensioni tali da impedire il passaggio del soluto Il solvente puro (a dx) ha una tensione di vapore più alta della soluzione, per cui si ha una differente velocità di migrazione delle molecole di solvente attraverso la membrana la velocità di passaggio da solvente puro a soluzione è più veloce del pasaggio inverso per questo il contenitore ha un livello più basso in corrispondenza del solvente puro

DIFFUSIONE E PRESSIONE OSMOTICA La migrazione di una sostanza da una zona di maggiore concentrazione ad una di minore concentrazione è detta DIFFUSIONE La diffusione fa si che il risultato del mescolamento di due soluzioni diverse sia una soluzione con concentrazione uniforme. In presenza di una membrana semipermeabile, ciò non avviene e una delle due soluzioni sarà sempre più concentrata Alternativamente, si può arrestare la migrazione aumentando la pressione sulla soluzione a più alta concentrazione. La PRESSIONE OSMOTICA è la pressione che si deve esercitare per raggiungere l’equilibrio osmotico (cioè per FERMARE il flusso di solvente)

A B membrana semipermeabile (fa passare solo il solvente) solvente Pressione osmotica = pressione che occorre esercitare su A per bloccare il flusso osmotico solvente con soluto solvente puro flusso di solvente (osmosi)

Legge di van’t Hoff Jacobus Henricus van 't Hoff Rotterdam (1852) - Steglitz (1911) Premio Nobel per la Chimica 1901 la pressione osmotica, intesa come la pressione che si deve applicare per impedire la diluizione del soluto, viene misurata quantitativamente con la relazione di Van't Hoff: P = pressione osmotica PV = n RT da cui: P = RT n/V (n/V = molarità) i = RTM osmosi ( è la migrazione spontanea delle particelle del solvente da una soluzione più diluita ad una più concentrata attraverso una membrana semipermeabile) pressione osmotica = è particolarmente importante nell’equilibrio degli elettroliti nell’organismo PV=nRTn La Posm di una soluzione viene espressa in termini di osmolarità e dipende dal N° di particelle in soluzione osmolarità ( Molarità x n°particelle in cui si dissocia il soluto)I LIQUIDI NELL’ORGANISMO HANNO UNA CONCENTRAZIONE DI CIRCA 300 milliOSMOLARE soluzioni iso-ipo-ipertoniche lucido soluzione fisiologica problemi 1-Qualè l’osmolarità di una soluzione 1M di glucosio? R=1 2--Qualè l’osmolarità di una soluzione 1M diNaCl? R=2 3--Qualè l’osmolarità di una soluzione 0.1M di Na2SO4 (R=0.3) 4-Qualè l’osmolarità di una soluzione salina fisiologica la cui concentrazione è 0.9%p/v? R=0.3 5--Qualè l’osmolarità di una soluzione al 5.5%p/v di glucosio (R=0.305 dove: R = costante dei gas = 0.0820 [l][atm][mol] -1 [K] -1; T = temperatura assoluta in K; M= concentrazione della soluzione [mol] [l] -1; = fattore di correzione che tiene conto del numero di molecole in soluzione ( derivanti dalla eventuale dissociazione del soluto);

IMPORTANTE!!!!! Da sapere a memoria e ricavare La pressione osmotica in un liquido nel quale sono disciolte più sostanze è quindi fornita dall'equazione di Van't Hoff. In questo caso, la concentrazione, M,deve rappresentare la concentrazione totale di tutte le particelle che non possono attraversare la membrana. Questa concentrazione M  = prende il nome di osmolarità della soluzione. Il suo valore è dato dalla somma di tutte le particelle che non attraversano la membrana. IMPORTANTE!!!!! Da sapere a memoria e ricavare l'osmolarità del liquido intracellulare è 0.3 osmol/l. Questo significa che in un litro di questo liquido vi sono 0.3 · N ( N = numero di Avogadro = 6 1023) = 1.8 1023 molecole che non attraversano la membrana. La pressione osmotica del liquido intracellulare è dunque: P = 0.30 [osmol/l]· 0.082 [atm·l/mol·K] · (273 + 37 °)[K] = 7.9 atm

Si definisce isotonica una pressione osmotica pari a quella esercitata dal liquido extracellulare attraverso le membrane cellulari. La concentrazione isotonica è solitamente riferita al sangue umano: l'isotonia rispetto ai globuli rossi è prodotta da una soluzione allo 0.9% p/v di NaCl in acqua (la più semplice soluzione fisiologica).

Anche l’acqua ed altre piccole molecole non gassose, come per esempio l’urea, prodotto derivato degli amminoacidi attraversano le membrane senza dispendio di energia, passando tra le molecole di lipidi per osmosi. L’osmosi è un fenomeno che si verifica tra due soluzioni a concentrazioni diversa per passaggio di solvente, attraverso la membrana che le separa dalla soluzione meno concentrata, o ipotonica, a quella più concentrata, o ipertonica. Il passaggio si arresta quando le due soluzioni raggiungono la stessa concentrazione. Le membrane che permettono l’osmosi, come quelle biologiche vengono definite semipermeabili perché lasciano passare il solvente, ma non il soluto; la differenza di concentrazione delle soluzioni con cui sono in contatto determina sulla loro superficie una pressione, chiamata osmotica La pressione osmotica in una cellula come il globulo rosso, immersa in una soluzione ipotonica, può essere tanto alta da far scoppiare la cellula stessa: l’acqua infatti, entra nella cellula fino a farla gonfiare e spezzare quindi, la sua membrana. ,(EMOLISI) Una cellula (globulo rosso) immersa in una soluzione ipertonica, viceversa, lascerà uscire l’acqua dal suo interno e si raggrinzirà. (PLASMOLISI)

La dimostrazione classica della pressione osmotica e dell’osmosi: eritrociti posti in soluzioni a osmolarità variabile

Osmolarità dei fluidi Il termine osmolarità si riferisce alla concentrazione dei soluti ed è basata solamente sul numero di particelle, indipendentemente dalla grandezza o dalla natura di esse. osmolarità per litro = osmol/L osmolalità per chilogrammo = osmol/kg nelle soluzioni diluite, come i fluidi corporei, dove il volume occupato dai soluti è piccolo, si preferisce calcolare la concentrazione delle particelle in termini di osmolarità Sia la membrana capillare che quasi tutte le membrane cellulari sono liberamente permeabili all’acqua ma sono impermeabili ad alcuni soluti. I soluti (osmols), che non possono entrare liberamente nelle membrane dei compartimenti vengono chiamati sostanze osmolari effettive mentre quelle che possono passare liberamente la membrana cellulare vengono chiamate non effettive. Le sostanze osmolari effettive determinano la distribuzione dell’acqua tra i compartimenti. Un qualsiasi cambiamento nella concentrazione di soluti osmoticamente attivi su di un lato della membrana crea un gradiente osmotico: ne consegue che l’acqua verrà ridistibuita tra i compartimenti finchè sarà nuovamente raggiunta la medesima osmolarità (isosmolarità) tra i compartimenti.

I Fluidi extracellulari: porte di Ingresso e di Uscita Acqua del Plasma: I nutrienti assorbiti raggiungono le cellule attraverso il plasma I prodotti cellulari di rifiuto passano attraverso il plasma prima della loro eliminazione Acqua dello spazio interstiziale: - punto di accesso diretto per quasi tutte le cellule del corpo (tranne quelle del sangue) Principi di distribuzione dell’acqua nell’organismo I sistemi di controllo dell’organismo regolano ingestione/escrezione dell’acqua affinchè: il contenuto di acqua del corpo risulti costante l’osmolarità totale del corpo risulti costante L’osmolarità è identica in tutti i fluidi dei compartimenti del corpo (condizioni di stato stazionario) - L’acqua Del Corpo Si Ridistribuisce Come Necessario Per Realizzarlo

Intracellular Fluid Volume (ICFV) ICFV viene alterato da: Variazioni della osmolarità del fluido extracellulare ICFV NON viene alterato da: Variazioni iso-osmotiche del volume del fluido extracellulare Extracellular Fluid Volume (ECF) ECF subisce variazioni proporzionali del: volume dell’acqua Interstiziale volume dell’acqua del Plasma

POTENZIALI DI MEMBRANA All’interno e all’esterno di una cellula c’è una differente [ioni] che in particolare sono Na+ e K+ Quindi abbiamo in realtà una pila a concentrazione con una ΔE. La ΔE è di circa 40-100 mV L’esistenza di questo potenziale di membrana è fondamentale per la trasmissione dell’impulso nervoso, per la contrazione muscolare, per la secrezione delle cellule ghiandolare. Sui potenziali redox si basano molte indagini mediche come l’eeg, l’ecg e molti altri.

l’equilibrio di Gibbs-Donnan. La comprensione di quanto avviene nella membrana cellulare parte dalla descrizione del più comune degli equilibri ionici passivi: l’equilibrio di Gibbs-Donnan. Questo equilibrio passivo si verifica poiché all’interno delle cellule ci sono gli anioni proteici che non possono attraversare la membrana. Quando abbiamo un lato con ioni non diffusibili l’equilibrio è caratterizzato da una minore concentrazione degli ioni diffusibili aventi lo stesso segno di quello non diffusibile, e da una maggiore concentrazione degli ioni diffusibili di segno opposto. In un equilibrio elettrochimico, quale è quello di Gibbs-Donnan, poiché restano costanti le concentrazioni ioniche tra i due lati della membrana, il passaggio di ogni singolo ione (K+ o Cl-) dall’uno all’altro compartimento dovrà essere compensato dal passaggio di un uguale ione in senso opposto; dall’altro canto, affinché anche la differenza di potenziale tra i due lati della membrana resti costante è necessario che al passaggio di ogni K+ nell’uno o nell’altro senso corrisponda il passaggio consensuale di un Cl-.

Condizioni soddisfatte 10Cl- H20 10KCl 5K+ 5Cl- a b 10K+ Condizioni soddisfatte 10Cl- 5KPr 10KCl 5Pr- 6K+ 9K+ 4Cl- 6Cl- [K+] a =[Pr-] + [Cl-] [K+] a + [Cl- ]a > [K+]b + [Cl-]b 5K+ 10Cl- 5Pr- 10K+ [K+] a x [Cl-]a = [K+]b x [Cl-]b Movie sull’equilibrio di Gibbs Donnan http://entochem.tamu.edu/Gibbs-Donnan/index.html

Il potenziale di diffusione: “Effetto Gibbs-Donnan” LATO 1 LATO 2 Lato1: Na+ Na+ Lato 2: 100mM di 100mM di Proteinato Pr- Cl- NaCl di sodio

Cl-1K+1=Cl-2K+2 Dal momento che la probabilità congiunta che un K+ ed un Cl- passino simultaneamente da (1) a (2) sarà proporzionale al prodotto Cl-1K+1 delle loro concentrazioni in (1). Poiché all’equilibrio i flussi ionici netti sono nulli e la differenza di potenziali costante, i due prodotti devono essere uguali, cioé: Cl-1K+1=Cl-2K+2 Significa che in condizioni di equilibrio, i prodotti delle concentrazioni degli ioni diffusibili aventi opposto segno sono uguali ai due lati. Può anche essere così espressa: K+1/K+2=Cl-2/Cl-1=K dove la costante K dipende dalla concentrazione K dello ione non diffusibile. Tanto maggiore è la costante tanto maggiore è l’inuguaglianza di distribuzione degli ioni diffusibili tra i due lati. Un’altra conseguenza che viene da questo equilibrio è che la concentrazione totale degli ioni diffusibili è maggiore nel compartimento (1) che nel compartimento (2).

Quando l’Na+ e il Cl- arrivano all’equilibrio la membrana sarà caricata ad un potenziale ricavabile dall’equazione: Em=ECl-=ENa+ allora avremo che: Il prodotto delle concentrazioni degli ioni diffusibili,ai lati della membrana,è uguale a: [Na+]1 x [Cl-]1 = [Na+]2 x [Cl-]2

La membrana che bisogna considerare quando si parla di “equilibrio di Gibbs-Donnan” è permeabile a più specie ioniche ed impermeabile almeno ad una delle specie ioniche presenti. Nel nostro caso, la specie ionica a cui la membrana non è permeabile è il PROTEINATO DI SODIO.

Il fatto che [Na+]1 + [Cl-]1 > [Na+]2 + [Cl-]2 ha importanti conseguenze a livello fisiologico: Gli anioni proteici spostano gli anioni diffusibili fuori dalla membrana e trattengono ioni di segno opposto come, ad esempio, K+ o anche H+. Lo spostamento degli ioni diffusibili provoca un potenziale elettrico (equazione di Nerst). Il K+ sta prevalentemente all’interno mentre il Na+ all’esterno (c’è anche una spiegazione di maggiore permeabilità del sodio rispetto al potassio)

Importanza biologica degli ioni idratati Volume ione Volume ione idratato Ogni ione in soluzione è circondato da molte molecole d’acqua perché uno ione che ha un’intera carica elettrica per neutralizzarla deve legare molte molecole che hanno una parziale carica di segno opposto mediante legame ione dipolo Gli ioni in acqua essendo circondati da molecole d’acqua hanno un volume maggiore del singolo ione Consideriamo i cationi del primo gruppo del sistema periodico Li Na K I raggi dei cationi sono in ordine crescente Se consideriamo la densità di carica elettrica, hanno un’unica carica elettrica positiva su un volume crescente Quindi passando dal litio al potassio la densità di carica elettrica (carica/volume) e quindi l’energia diminuisce Per neutralizzare la carica elettrica questi ioni si legano ad un certo numero di molecole d’acqua Il Li che ha una densità maggiore si legherà a 13 molecole, il sodio a 9 , il K a 4

Volume ione idratato La mobilità di un catione in acqua diminuisce all’aumentare del suo diametro: Un catione idrato più grande es Na+ si muove più lentamente in una soluzione e nella cellula attraversa con più fatica i pori delle membrane cellulari di uno ione idrato più piccolo es K+

Il "LEGAME" IDROFOBICO Si chiama"legame idrofobico" una forza che tiene legate più molecole (o parti di molecole), senza che tra di esse si istauri un tipico legame chimico. Per spiegare questo legame (che non è un vero legame) ricorriamo a un esempio. Abbiamo acqua in cui ogni molecola è legata ad altre 4 da forti legami H. Per inserire in acqua un composto (incapace di formare legami con le molecole di acqua), dobbiamo rompere questi legami e quindi consumare energia. Se il composto con l'acqua formasse legami (ionici, ione-di polo, H, dipolari etc) l'energia che ricaveremmo dalla formazione di questi nuovi legami compenserebbe quella spesa per rompere i legami tra le molecole dell'acqua, quindi il processo sarebbe energeticamente favorito e il composto si scioglierebbe in acqua. Immaginiamo ora di mettere in acqua 2 molecole di benzene (un composto organico di forma esagonale e planare, privo di gruppi chimici capaci di formare legami di qualsiasi tipo con le molecole di acqua). Ognuna di queste 2 molecole (schematizzate con un ovale nella figura A), insinuandosi come indicato in figura, tra le molecole di acqua, rompe legami acqua-acqua. Immaginiamo che ognuna ne rompa 6. Abbiamo avuto la rottura di 12 legami senza che se ne formino altri, quindi il processo è energeticamente sfavorevole. Ma se le 2 molecole,invece di esser separate si mettono adiacenti, l'una attaccata ali'altra, senza molecole di acqua tra di esse (parte B della fig.) il n° dei legami acqua-acqua rotti è 6 e non 12.

RISULTATO Per evitare di rompere molti legami acqua-acqua,le 2 molecole rimangono attaccate tra loro come se fossero legate, come se vi fosse un legame chimico, che non c'è Le molecole rimangono attaccate non perché formano un legame chimico, ma perché non riescono a formare legami con le molecole del solvente, che le respingono. Si chiama legame idrofobico quella forza che tiene unite molecole che non riescono a formare legami con le molecole di acqua.

Il legame idrofobico ha una enorme importanza in biologia Quando mettiamo in acqua goccioline di olio (fatto da composti chimici che non riescono a formare legami con le molecole di acqua), queste goccioline non si sciolgono in acqua e non restano separate tra loro, ma si riuniscono per formare goccie più grandi, che, avendo una densità minore di quelle dell'acqua, salgono alla superficie e formano uno strato formato da solo olio. Il legame idrofobico ha una enorme importanza in biologia - stabilizza la struttura delle proteine e degli acidi nucleici - mantiene la struttura delle membrane biologiche