Lavoro di Trasporto Attraverso le Membrane Biologiche, Appunti

Lavoro di Trasporto Attraverso le Membrane Biologiche

Un sistema vivente genera e mantiene le differenze di concentrazione ionica e di soluti attraverso le
membrane biologiche mediante lavoro di trasporto.

Equazione Generale del Trasporto - Equazione di Teorell

il trasporto attraverso una membrana biologica o una superficie, prende il nome di flusso, che
misura a tutti gli effetti la quantità di sostanza che si muove (moli) nell'unità di tempo (sec) attraverso
una determinata area (cm2).

• Il flusso di una sostanza all'interno di una soluzione dipende fondamentalmente dalla forza che lo
  genera, cioè dalla forza che è responsabile di quello spostamento.
  La proporzionalità è resa dal fattore K, ovvero la costante di proporzionalità.
  L'equazione di Teorell afferma che il flusso di una sostanza, all'interno di una soluzione per
  esempio, è direttamente proporzionale alla forza che genera questo movimento per via di un
  fattore di proporzionalità K. La costante di proporzionalità K dipende fondamentalmente, se siamo
  in soluzione libera, dalle caratteristiche del soluto (es. dimensioni). La forza F invece è la forza
  motrice, cioè la forza responsabile del movimento.
• Il flusso di una sostanza (i) in soluzione libera è direttamente proporzionale alla forza che lo
  genera.
  Eq. Teorell:
  Ji = Ki x Fi
  Ji = flusso = moli . sec -1 . cm-2
  Ki = costante di proporzionalità, dipende dalle caratteristiche
  del soluto (mobilità della sostanza in esame, dimensioni etc)
  Fi = forza motrice, è la forza che sposta una mole di materiale

Forze Coniugate al Flusso

• Sono le forze che rendono possibile il lavoro di spostamento
• Possiamo esprimerle come gradiente di lavoro.
  Le forze coniugate al flusso possono essere espresse come lavoro compiuto per spostare una
  mole di soluto in un tratto unitario di percorso (gradiente di lavoro).
  Gradiente = differenza (4) ai due lati della membrana:
  Di concentrazione
  Outside
  Inside
  Elettrico
  +
  +
  C
  Membrane
  Di pressione
  La pressione sanguigna
  nei capillari costringe l'acqua
  e i piccoli solut come i sali a
  passare attraverso fessure
  delle cellule del
  capilar.
  Soluto
  Acqua
  Parete del-
  capilare
  Globulo
  10550
  Queste fessure
  trattengono le particelle
  grandi come gli eritrociti.
  Un'altra forza che determinerà il flusso delle
  sostanze e dell'acqua stessa da un
  compartimento all'altro, quindi dall'interno
  all'esterno del capillare, sarà il gradiente di
  pressione.

Classificazione dei Trasporti

Trasporto Passivo

• Quando l'energia che si traduce in lavoro è parte
  dell'energia libera del sistema.
  Cioè quando per muoversi una molecola sfrutta un'energia,
  quindi una forza, che è normalmente già presente all'interno del
  sistema (ad esempio un gradiente di concentrazione che si è già
  accumulato all'interno del sistema).
  Trasporto passivo
  Trasporto attivo
  Diffusione facilitata
  Diffusione passiva
  AT
  MEDICINA ONLINE
  Le molecole in questo caso si diffondono attraverso trasporto
  passivo e normalmente il movimento di queste molecole è facilitato dal suo gradiente - ci dice che
  avviene secondo gradiente: da dove sono più concentrate a dove sono meno concentrate.
• sfrutta le forze coniugate già presenti nel sistema - trasporto passivo.
  Esempio - trasporto del glucosio:
  Nel momento in cui abbiamo appena finito di mangiare, la concentrazione ematica di glucosio è
  molto più elevata rispetto a quella della cellula, pertanto attraverso un meccanismo di trasporto
  passivo, il glucosio si sposta dall'ambiente extracellulare verso l'interno della cellula.

Trasporto Attivo

• Quando l'energia che si traduce in lavoro è fornita dal metabolismo.
  Normalmente i trasporti attivi sono tutti quei trasporti che spingono una sostanza contro il suo
  gradiente di concentrazione: da dove è meno concentrata a dove è più concentrata. Una cosa del
  genere è innaturale, ma può avvenire se sfrutto una sorgente di energia che di solito è resa
  disponibile direttamente o indirettamente dalla presenza di ATP.

Trasporto Passivo e Diffusione

• Utilizza l'energia cinetica posseduta dalle molecole.
• Le molecole si muovono secondo il loro gradiente chimico o elettrico:
  - Chimico se sono molecole non cariche
  - Elettrico se sono molecole cariche
  Questo processo di trasporto passivo prende il nome di diffusione.
• La diffusione è un tipo di trasporto passivo, che avviene secondo gradiente, sfruttando l'energia
  posseduta dalle molecole del sistema.

Diffusione in Ambiente Liquido

• Tutte le molecole o particelle in soluzione possiedono una
  energia cinetica: esse si muovono casualmente, urtano tra loro
  e cambiano continuamente direzione.
• Movimento di molecole da un'area ad alta concentrazione
  verso una a bassa (gradiente di concentrazione) - Questo
  processo è noto con il termine di diffusione.
• La diffusione è un movimento passivo.
  9Proprietà della diffusione

1. Le molecole diffondono da una zona a maggiore concentrazione verso zone a
   più bassa concentrazione.
2. Più grande è la differenza di concentrazione e maggiore è la velocità delle
   molecole che diffondono.
3. La diffusione è direttamente proporzionale alla temperatura.
4. La diffusione è inversamente proporzionale alla dimensione molecolare
   1
   2
   1-2
   Come abbiamo già visto, l'equazione di Teorell afferma che il flusso di una sostanza è direttamente
   proporzionale alla forza che lo genera.

• La forza che lo genera è il gradiente di concentrazione.
• Il gradiente di concentrazione in questo caso è dato dalla differenza di concentrazione tra il punto
  di inizio 1 e il punto finale 2.
• In questo caso 2 è praticamente nullo, quindi dipenderà fondamentalmente dalla concentrazione
  di 1 (C1).
  La costante di proporzionalità non è altro che il coefficiente di diffusione, che definisce in qualche
  modo le caratteristiche del sistema e contiene anche in un certo senso le caratteristiche della
  sostanza stessa. Ci dice che il flusso è direttamente proporzionale alla C del soluto (> C soluto, >
  velocità di trasporto) e questa velocità dipenderà da questa costante, che a sua volta dipende da
  R,T,N e f.
  Eq di Teorell: Ji = Ki x Fi

-
J1-2 = D x [C1]
D = coefficiente di diffusione = D (cm2/s) = RT / Nf
R = costante dei gas
T = temperatura assoluta
N = numero di Avogadro
f = coefficiente di attrito

1. La diffusione delle molecole procede fino a quando la concentrazione è
   uguale in entrambi i lati della membrana (si raggiunge un equilibrio).

• La diffusione avviene fintanto che esiste, tra ambiente di partenza e di arrivo,
  un gradiente di concentrazione.
  J2-1
  Attenzione:
  Si raggiunge un equilibrio dinamico, perchè il movimento delle molecole
  continua senza spostamenti netti. Cioè viene mantenuta la stessa concentrazione
  di sostanza nell'ambiente 1 e 2, attraverso però un continuo movimento di
  molecole.
  1
  2
  Jnetto = J1-2 - J2-1 = D x (C1-C2)
  1
  2
  All'equilibrio: Jnetto = 0
  Flusso netto = risultante del flusso della molecola che stiamo considerando nelle
  due direzioni.
  Il flusso netto è praticamente la somma algebrica dei due flussi.

1. La diffusione è rapida a breve distanza e molto lenta su scala macroscopica.
   La diffusione è un sistema molto comodo che non consuma energia, però ha dei limiti:

• Avviene solo su scala ridotta (breve distanza).
• Avviene fintanto che si raggiunge l'equilibrio: se ad un certo punto si raggiunge l'equilibrio tra
  ambiente extracellulare e intracellulare, non è più utile per trasportare in modo netto una sostanza
  da un ambiente all'altro.
  1
  2
  J1-2.
  10Gli scambi tra ambiente extracellulare e intracellulare avvengono attraverso la membrana

Diffusione Attraverso le Membrane

La diffusione attraverso le membrane è un po' più complicata rispetto alla diffusione in
un sistema aperto, poiché la membrana è di natura lipidica.

1. La diffusione può avvenire attraverso il core lipidico - Diffusione semplice
   Se la sostanza è di natura lipidica, può entrare nel doppio strato lipidico della membrana,
   muoversi in esso e venire rilasciato nell'ambiente interno. In questo caso - quindi in
   presenza di sostanze lipidiche - queste sostanze seguono un processo di diffusione,
   detto diffusione semplice.
   Esterno
   Interno
   O
   0
   O
   O
   È così detto perchè avviene in modo naturale/semplice attraverso il doppio strato lipidico.
   Le molecole che possono svolgere questo movimento sono limitate a quelle di natura lipidica, che
   possono quindi sciogliersi in ambiente lipidico.
2. La diffusione può avvenire attraverso il poro acquoso delle proteine - Diffusione facilitata
   Tante molecole di interesse biologico sono infatti di natura idrofila, quindi non possono sfruttare la
   membrana biologica, ma la cellula ne ha comunque bisogno.

• La natura ha dotato la membrana plasmatica di proteine carrier o proteine trasportatrici che
  hanno la funzione di creare dei pori acquosi all'interno dei quali le molecole si possono muovere.
  In questo caso, poiché la diffusione avviene sempre attraverso un gradiente di concentrazione, ma
  si serve di una struttura presente a livello della membrana plasmatica, parliamo di diffusione
  facilitata.
  Diffusione semplice
  Caratteristiche dei soluti
  Gas
  Molecole
  idrofobiche
  Piccole
  molecole polari
  Solo le sostanze che possono attraversare il centro lipidico di una membrana
  possono muoversi per diffusione semplice. Tra queste:
  - Molecole piccole e non polari
  CO2
  - Gas: 02, CO2, NO
  Benzene
  Etanolo
  - Molecole liposolubili (ormoni steroidei, vitamina A,D,E,K)
  - Piccole molecole polari: H20, EtOH, urea
  Esclusi:
  - Ioni
  - Piccole molecole organiche (aminoacidi, glucosio)
  La diffusione attraverso la membrana plasmatica è più complessa, avviene di due fasi:
  1) Passaggio della molecola dalla fase acquosa al doppio strato lipidico: la concentrazione in
  membrana aumenta all'aumentare del coefficiente di partizione olio/acqua, K.
  Sono necessarie delle costanti che tengano conto della natura della molecola. Questo fattore,
  estremamente utile nei processi diffusivi, prende il nome di coefficiente di ripartizione olio/acqua.
  Il coefficiente di partizione olio/acqua di una molecola che viene definita K, indica in qualche modo
  quali chance ha una molecola, data la sua natura, di entrare nel doppio strato lipidico.
  Una volta che la molecola è entrata nel doppio strato lipidico, deve diffondere all'interno dello
  stesso. Questo coefficiente, data una molecola, va a vedere quale parte di questa molecola si
  ripartisce in una soluzione di natura lipidica come la membrana biologica, e quanto invece rimane
  acqua. - > coefficiente di partizione olio/acqua, più è probabile che la molecola entri nel doppio
  strato lipidico.
  Una volta entrata del doppio strato, sulla base delle sue proprietà e di quelle della membrana, potrà
  attraversare la membrana.
  2) Diffusione della molecola nello spessore della matrice lipidica: la velocità di trasporto aumenta
  proporzionalmente al coefficiente di diffusione della sostanza.
  Grosse
  molecole polari
  Molecole cariche
  CI
  H
  Ca2+
  Na+
  Ioni
  Glucosio
  Amminoacidi
  H2O
  11