TRASPORTI ATTRAVERSO MEMBRANA

Presentazione sul tema: "TRASPORTI ATTRAVERSO MEMBRANA"— Transcript della presentazione:

1 TRASPORTI ATTRAVERSO MEMBRANA

2 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???

3 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).

4 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

5 (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

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

7 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

8 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

9 (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)

10 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

11 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 [ coulomb/mol]  =  II -  I d.d.p. ai lati della membrana

12  = 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

13 (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-

14 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:

15 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).

16 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

17 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)

18 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 K Ca (M) Cl ATP tracce Le proteine sono presenti solo all’interno e a pH fisiologico (circa 7.3) sono cariche negativamente. pH= log(1/[H+]), pH M pH extracell.=7.4 pH intracell.=7.2

19 (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.

20 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+

21 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

22 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+

23 (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

24 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.

25 (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)

26 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

27 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