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Flussi
Perché parlare del concetto di diffusione? E’ una proprietà fisica fondamentale di tutti i processi biologici e costituisce il motore tramite il quale le cellule possono generare segnali Cos’è la diffusione? Se introduciamo una goccia di colorante in acqua, questo si disperde cioè, diffonde dispersione t0 t1 t2 t3 Che cosa spinge le particelle a diffondere? La diffusione è il movimento molecolare generato dall’energia termica: moti browniani (A. Einstein) Che cos’è l’Energia Termica? Energia Termica = kT (u.d.m. joules) costante di Boltzmann 1.38x10-23 joules/oK temperatura assoluta 300oK a temperatura ambiente Nota: k · N (Numero di Avogadro) = R (costante dei gas) = P·V/T Diffusione di Soluti Flusso Molare Unidirezionale: Quantità di soluto che attraversa un’area unitaria nell’unità di tempo 1 2 Flusso netto: n [moli/(cm2sec) f12 N At ] Dove: n=no particelle N= numero di Avogadro A=area T=tempo F f12 f21 Flusso netto Flusso unidirez. C1C2 Flusso unidirez. C2C1 Flusso netto Equazione di Teorell: F kX L’intensità del flusso è proporzionale alla forza che lo genera (Xdriving force) Flusso di massa Fm km P P P1 P 2 gradiente pressorio km dipende da: - viscosità della soluzione - geometria del condotto Flusso diffusionale libero animazioni Diffusione attraverso una membrana Diffusione attraverso una membrana aspetti quantitativi animazioni Rappresentazione grafica del processo di diffusione Diffusione Concentr. di glucosio (mmoli/l) Tempo A Tempo B Tempo C C1(t ) C1f (C1f C1o ) e t t C 2(t ) (C 2f C 2o ) (1 e ) Tempo Ia Legge di Fick per la diffusione flusso diffusivo C’è un flusso netto di colorante dalla zona ad alta concentrazione a quelle a bassa concentrazione d [C ] Fd dx è la pendenza del gradiente di concentrazione ovvero: Fd kd C La costante di proporzionalità dipende dalla mobilità del soluto Migrazione in un campo elettrico t0 t1 C’è un flusso netto di cationi (K+) verso il catodo (polo -) e di anioni (Cl-) verso l’anodo (polo +) dV Fe dx è la pendenza del gradiente elettrico ovvero: Fe z ke V La costante di proporzionalità dipende dalla mobilità e dalla concentrazione del soluto Una differenza di cariche (Δq) ovvero di potenziale elettrico (ΔV) ai due capi della membrana influenza il movimento degli ioni cariche - cariche + Anioni Cationi Citoplasma { Spazio extracell. membrana Quindi, il flusso di particelle cariche dipende non solo dal gradiente di concentrazione ma anche dal gradiente elettrico Equazione di Nernst-Planck: dC dV Fi k d ke dx dx La diffusione dell’acqua Le molecole d’acqua tendono a diffondere da una soluzione più diluita ad una più concentrata Tale flusso di acqua è definito flusso osmotico Se una membrana è permeabile all’acqua ma impermeabile ad un soluto avente concentrazioni diverse ai due lati della stessa, l’acqua si muoverà cercando di uguagliare le concentrazioni di soluto ai due lati della membrana più diluito soluto H2O più concentrato ESEMPIO Nel sistema illustrato l’acqua continuerà a diffondere nella camera con la più alta concentrazione di soluto finchè l’energia potenziale della colonna di liquido più alta (a destra) uguaglierà la differenza di energia libera insita nella differenza di concentrazione. La pressione esercitata dalla differenza in altezza delle colonne di liquido, ovvero dal pistone, è definita Pressione Osmotica Pressione osmotica R T (C 2 C1) costante dei gas (=0.082 atm·l·mole-1·oK1 =8.314 j·mole-1·oK-1) temperatura assoluta (oK) concentrazione del soluto (moli·l-1) Nota: Questa è la relazione che esiste tra energia libera e concentrazione: G=-k·T·ln(C2/C1) ovvero, C2/C1=e- G/kT Pressione osmotica L’acqua tende a muoversi da un soluto a bassa concentrazione (acqua ad alta concentrazione) ad un soluto ad alta concentrazione (acqua a bassa concentrazione) membrana permeabile all’acqua pressione idrostatica Pressione osmotica = pressione idrostatica richiesta per prevenire un flusso netto di H2O Effetto del flusso di acqua attraverso una membrana semipermeabile membrana semipermeabile molecole di H2O contenitore a pareti rigide LATO 1 molecole di saccarosio LATO 2 parete distensibile flusso diffusionale flusso pressorio Mantenimento del bilancio osmotico L’acqua si muove attraverso la membrana cellulare dalla zona a bassa concentrazione di soluto (alta [H2O]) ad una ad alta concentrazione di soluto (bassa [H2O]) - osmosi bassa [soluto] alta [soluto] H2O H2O esplode si gonfia pressione osmotica H2O H2O •Normalmente la [NaCl] extracellulare bilancia la [soluto] intracellulare •Il bilancio è mantenuto dalla pompa Na-K ATPasi Le cellule devono essere isotoniche Concentrazione di NaCl nel fluido extracellulare Movimento netto dell’H2O Movimento netto dell’H2O raggrinzita ipertonica normale rigonfia Concentrazione ionica nel fluido extracellulare isotonica ipotonica lisata