2. Fisiologia Cellulare Diffusione, Trasporto,

Osmosi Prof. Carlo Capelli

Fisiologia Laurea in Scienze delle attività motorie e

sportive Università di Verona

Obiettivi •  Diffusione semplice e mediata da carrier •  Trasporto attivo •  Endo ed esocitosi •  Membrane semipermeabili e pressione osmotica •  Osmosi •  Osmolarità plasmatica

“libera”

Attraverso una membrana

“permeabile”

Diffusione

La velocità di diffusione di un soluto (M’) dipende dall’area della barriera (A), dal coefficiente di diffusione (D) dallo spessore della membrana (∆x) e dal gradiente di concentrazione ai due lati della membrana (∆c)

I Legge di Fick (della diffusione): M’ = -D . A . ∆c/∆x

Diffusione Legge di Fick

M’ = -D . A . ∆c/∆x

La diffusione è tanto più rapida quanto più piccola è la particella:

D = RT / 6 π η r N

r = raggio della particella

La diffusione è tanto più rapida quanto minore è la distanza da

superare ∆x

Sulle “lunghe distanze” devo sviluppare sistemi di trasposto

alternativi ( nervi, vasi)

Principali determinanti della diffusione

•  La diffusione è più rapida per le molecole liposolubili e quindi la velocità di diffusione dipende anche dall’interazione composto-membrana

•  La diffusione è rapida per le molecole di piccole dimensioni (fino a 200 di PM)

•  Glucosio (180 PM) urea (60 PM) e ioni diffondono troppo lentamente.

•  Per gli ioni c’è il problema dell’acqua di idratazione (non passano anche se sono molto piccoli). Quindi il loro trasporto deve essere organizzato in modo diverso.

•  Le proteine non passano proprio (albumina : 69000 di PM)

•  Quindi ci devono essere modalità particolari per veicolare composti di medie-grandi dimensioni e molecole polari

Trasporto di membrana: dimensioni-tipologia dei soluti

•  Per le sostanze idrosolubili esistono “canali preferenziali”: la diffusione non avviene “attraverso” la membrana ma “attraverso” proteine trans-membrana (PORI)

Trans membrana: Diffusione semplice : sostanze a basso PM, liposolubili

Canali/pori/carrier: Diffusione facilitata: sostanze idrosolubili (p.e. ioni) o ad alto PM

•  I pori possono essere sempre aperti o venire aperti / chiusi in seguito a: •  una variazione del potenziale di membrana (canali voltaggio dipendenti) •  un legame ad un neurotrasmettitore (canali ligando dipendenti)

Canali o pori

1. Canali sempre aperti (e. g. i canali ionici) sono comunque selettivi. Non solo in base al PM ma anche all’acqua di idratazione e a siti specifici di legame / riconoscimento al loro interno

K + = 39 di PM ma 0.12 di raggio di

idratazione (nm)

Na + = 23 di PM ma 0.18 di raggio di idratazione (nm)

Tipi di Canale

2.  Canali voltaggio dipendenti 3.  Canali ligando dipendenti

•  PASSIVO lungo gradiente Diffusione facilitata

•  ATTIVO contro gradiente (+∆G) •  PRIMARIO •  SECONDARIO COTRASPORTO

(simporto, antiporto)

Trasporto mediato da carrier

Diffusione •  La diffusione semplice non è

saturabile

•  La diffusione facilitata e il trasporto attivo sono saturabili

•  Trasporto attivo: 1.  Cinetica di saturazione 2.  Specificità chimica 3.  Competizione per il

trasporto (come per gli enzimi) (km, vmax)

Cinetica della diffusione facilitata e del trasporto attivo

•  Trasporto attivo: serve ATP per espellere dalla cellula sodio e immagazzinare potassio

• 3 Na+ fuori e 2 K + dentro

•  Circa il 33% dell’energia prodotta da una cellula viene utilizzato a questo scopo (fino al 70% nei neuroni)

• ATP --> ADP + Pi + Energia

•  E’ una pompa elettrogenica: crea una differenza di potenziale ai lati della membrana

Esempio di trasporto attivo: pompa sodio/potassio

Negli epiteli dove il trasporto e la diffusione sono particolarmente importanti si trova una specializzazione di membrana tra il lato apicale (ad esempio verso il tubulo renale) e quello basale (verso i vasi sanguigni) In genere il trasporto è un simporto accoppiato al sodio il gradiente del sodio viene mantenuto dalla pompa sodio potassio “relegata” nel lato opposto della cellula

Specializzazione di membrana

Non sono soltanto i soluti ad attraversare le membrane cellulari ma anche l’acqua (acquaporine).

OSMOSI: Diffusione delle molecole di solvente da una zona a maggior

concentrazione (attività) ad una zona a minor concentrazione attraverso una membrana semipermeabile (al solvente ma non al soluto)

La tendenza del solvente a muoversi può essere impedita applicando una pressione alla soluzione più concentrata (la pressione osmotica)

Osmosi

•  PV = nRT •  P = RT n/V

Π = RT (Φ i c)

•  Φ = coefficiente osmotico •  i = numero di particelle •  c = concentrazione

La pressione osmotica Π

•  La pressione osmotica è proporzionale al numero di particelle (n) presenti in soluzione (proprietà colligativa delle soluzioni), e quindi alla loro concentrazione c

•  P.E., l’aggiunta di 1 mole di NaCl da un lato della membrana semipermeabile può essere bilanciata dall’aggiunta di 2 moli di glucosio dalla parte opposta (non c’entrano le cariche e nemmeno il PM solo il numero di particelle).

•  Se non è possibile bilanciare i soluti si sposta il solvente: l’acqua passa attraverso tutte le membrane con estrema facilità e quindi “pareggia” la concentrazione osmolare in tutti i compartimenti dell’organismo … variazioni di composizione in soluti causano anche spostamenti di acqua.

Il coefficiente di riflessione indica la relativa facilità con la quale un soluto attraversa la

membrana.

I soluti non diffusibili attirano acqua più velocemente di quelli diffusibili.

Π = RT (Φ i c)

Φ = coefficiente osmotico i = numero di particelle

c = concentrazione

Π, coef. Osmotico e coef. di Riflessione

Soluzione: Ipo-tonica Iper-tonica Iso-tonica (sol. Salina

0.9%: 9 gr/litro)

Concentrazione osmolale = 290 mosm/kg H2O Pressione osmotica = 7.3 ATMOSFERE

Il globulo rosso è un osmometro (può essere usato per “misurare” l’osmolarità del plasma)

Osmolarità e Π plasmatica

Osmosi ed eritrociti

OSMOSI: Diffusione delle molecole di solvente da una zona a maggior concentrazione ad una zona a minor concentrazione attraverso una membrana semipermeabile

•  Le cellule contengono più soluti dello spazio interstiziale. Per evitare il loro rigonfiamento posso:

1.  Irrigidire le pareti cellulari con una contro-pressione pari a quella

osmotica e quindi impedire di fatto lo spostamento d’acqua (piante)

2.  Pompare fuori dalla cellula soluti e quindi impedire di fatto lo spostamento d’acqua (animali)

3.  Questa è l’altra funzione della pompa sodio potassio (oltre alla funzione elettro-genica serve a regolare il volume cellulare)

Osmosi e meccanismi cellulari

•  Proteine •  Esocitosi e endocitosi: la

membrana NON deve essere attraversata

Esocitosi ed Endocitosi

Bibliografia

• Fisiologia dell’Uomo, autori vari, Edi.Ermes, Milano •  Capitolo : Neurofisiologia generale (capitoli 1.2, 1.3)

• Fisiologia Generale ed Umana, Rhoades-Pflanzer •  Capitolo 4: I processi di trasporto attraverso la membrana cellulare