E’ una proprietà fisica fondamentale di tutti i processi

biologici

Perché parlare del concetto di diffusione?

ecostituisce il motore tramite il

quale le cellule possono generare segnali

Se introduciamo una goccia di colorante in acqua, questo si disperde cioè, diffonde

dispersione

t0 t1 t2 t3

Cos’è la diffusione?

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 Boltzmann1.38x10-23 joules/oK

temperatura assoluta300oK a temperatura ambiente

Nota: k · N (Numero di Avogadro) = R (costante dei gas) = P·V/T

Diffusione di Soluti

1

2

Dove:n=no particelleN= numero di AvogadroA=areaT=tempo

Flusso Molare Unidirezionale:

Quantità di soluto che attraversa un’area unitaria nell’unità di tempo

tAN

nf

21 [moli/(cm2sec)]

Flusso netto: 1221 ffF

Flusso netto

Flusso unidirez. C1C2

Flusso unidirez. C2C1

Flusso netto

Equazione di Teorell:

XkF

L’intensità del flusso è proporzionale alla forza che lo genera

(Xdriving force)

PkF mm

21 PPP gradiente pressorio

km dipende da:- viscosità della soluzione- geometria del condotto

Flusso di massa

Flusso diffusionale libero

Diffusione attraverso una membrana

animazioni

Diffusione attraverso una membrana

aspetti quantitativi

Rappresentazione grafica del processo di diffusione

animazioni

Diffusione

t

off eCCCtC

)()( 1111

)1()()( 222 t

of eCCtC

Tempo

Con

cent

r. d

i glu

cosi

o (

mm

oli/l

)

Tempo A Tempo B Tempo C

flusso diffusivo

C’è un flusso netto di colorante dalla zona ad alta concentrazione a quelle a bassa concentrazione

Ia Legge di Fick per la diffusione

dx

CdFd

][ ovvero: CkF dd

è la pendenza del gradiente di concentrazione

La costante di proporzionalità dipende dalla mobilità del

soluto

Migrazione in un campo elettrico

t0 t1

VkzF ee

è la pendenza del gradiente

elettrico

La costante di proporzionalità dipende dalla

mobilità e dalla concentrazione

del soluto

dx

dVFe ovvero:

C’è un flusso netto di cationi (K+) verso il catodo (polo -) e di anioni (Cl-) verso l’anodo (polo +)

cariche - cariche +

Anioni

Cationi

Citoplasma Spazio extracell.{

membrana

Una differenza di cariche (Δq) ovvero di potenziale elettrico (ΔV) ai due capi della

membrana influenza il movimento degli ioni

dx

dVk

dx

dCkF edi

Equazione di Nernst-Planck:

Quindi, il flusso di particelle cariche dipende non solo dal gradiente di concentrazione ma anche dal gradiente elettrico

La diffusione dell’acquaLe 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 soluto

H2O

più diluito più concentrato

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.

ESEMPIO

La pressione esercitata dalla differenza in altezza delle colonne di liquido, ovvero dal pistone, è definita

Pressione Osmotica

Pressione osmotica

)( 12 CCTR

costante dei gas(=0.082 atm·l·mole-1·oK-1

=8.314 j·mole-1·oK-1)

temperaturaassoluta (oK)

concentrazionedel 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 idrostaticarichiesta per prevenire un flusso netto di H2O

membrana semipermeabile

molecole di H2O

contenitore a pareti rigide

molecole di saccarosio

LATO 1 LATO 2

parete distensibile

flusso diffusionale

flusso pressorio

Effetto del flusso di acqua attraverso una membrana semipermeabile

Mantenimento del bilancio osmoticoL’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

•Normalmente la [NaCl] extracellulare bilancia la [soluto] intracellulare

•Il bilancio è mantenuto dalla pompa Na-K ATPasi

bassa [soluto]alta [soluto]

pressioneosmotica

H2O H2O

H2O

H2O

si gonfia esplode

Le cellule devono essere isotoniche

Concentrazione di NaCl nel fluido extracellulare

lisatanormale

isotonica

raggrinzita

ipertonica

rigonfia

ipotonicaConcentrazione ionica nel fluido extracellulare

Movimento netto dell’H2OMovimento netto

dell’H2O