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/(cm2sec)
f12
N  At ]
Dove:
n=no particelle
N= numero di Avogadro
A=area
T=tempo
F  f12  f21
Flusso netto
Flusso unidirez. C1C2
Flusso unidirez. C2C1
Flusso netto
Equazione di Teorell:
F kX
L’intensità del flusso è proporzionale alla forza che lo genera
(Xdriving 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