Meccanismi di trasporto nei sistemi biologici

Gli organismi viventi esplicano le loro funzioni biologiche, regolando l’assorbimento e l’eliminazione di sostanze attraverso strutture dette membrane.

I principali meccanismi di trasporto passivo che permettono il trasferimento di molecole da una parte all’altra delle membrane sono:

• Diffusione (meccanismo dovuto alla differenza di concentrazione);
• Filtrazione (meccanismo dovuto alla differenza di pressione);
• Osmosi (dovuto alla differenza di concentrazione ai lati di un setto poroso);
• Gradiente di potenziale elettrico;

Le soluzioni biologiche hanno come solvente l’H₂O: tutti gli esseri viventi (animali o vegetali) sono costituiti in gran parte di H₂O. Quindi, le proprietà diffusive delle membrane biologiche dipendono dalle proprietà chimico-fisiche dell’H₂O, quali:

• Forma e dimensione della molecola;
• Momento di dipolo dell’acqua: p = 6.127 x 10⁻³⁰ Cm;
• Elevata costante dielettrica relativa ε_r ≃ 80;

I due comparti separati da una membrana possono essere costituiti da miscele di gas o da soluzioni liquide.
Nel caso di miscele di gas, il parametro importante è la «pressione parziale» dei singoli gas della miscela. Nel caso delle soluzioni, il parametro importante è la concentrazione del soluto, C ═ m/V, dove ‘m’ è la massa del soluto e V è il volume della soluzione o del solvente.

Per la [C] di soluto si usa anche la ‘Molarità’ e ‘Frazione molare‘:

dove M è la molarità, n le moli di soluto, l i litri di soluzione ed x la frazione molare.

Il flusso di sostanze attraverso una membrana è descritto mediante due grandezze fisiche: Flusso di soluto e Flusso di volume (o globale). Il flusso di soluto J_S è il numero di moli di soluto che attraversa la membrana nell’unità di tempo e per unità di superficie:

dove n è il numero di moli di soluto, t è il tempo e S è la superficie della membrana.

Il flusso di volume (soluto + solvente) J_V è il volume di soluzione che attraversa la membrana nell’unità di tempo e per unità di superficie:dove V è il volume della soluzione.
Il flusso di soluto ha come unità di misura moli/(m² s) per quanto riguarda il Sistema Internazionale e moli/(cm² s) per quanto riguarda il Sitema di Gauss. Il flusso di volume invece si misura in m/s per il Sistema Internazionale e cm/s per il Sistema di Gauss.

In realtà J_V e J_S sono grandezze vettoriali la cui direzione e verso è definita dalla direzione di spostamento delle sostanze che attraversano la membrana.
Lo stato di equilibrio attraverso una membrana consiste nel mantenere costante nel tempo i valori delle concentrazioni delle soluzioni nei 2 comparti. Si tratta di un equilibrio dinamico, in quanto le molecole di soluto e solvente sono in continuo movimento ed attraversano la membrana in continuazione.
All’equilibrio dinamico il numero di molecole che attraversano la membrana in un senso è pari al numero di molecole che si muove in senso opposto. In tal caso i flussi netti di J_S e J_V sono nulli per cui J_S = 0 e J_V = 0.

Queste considerazioni valgono anche quando i compartimenti sono costituiti da miscele di gas.

Fonte: Fisica biomedica.