1. DIFUSION MOLECULAR EN SOLUCIONES Y GELES BIOLOGICOS1.1. Difusión de solutos biológicos en líquidos

Este es un mecanismo de gran importancia en el procesamiento y almacenamiento de sistemas biológicos y en los procesos vitales de microorganismos, animales y plantas.En los procesos de fermentación, los nutrimentos, azucares, oxigeno, etc., se difunden en los microorganismos y estos expulsan los productos de desprecios y hasta algunas enzimas.Ademas de la difusión de Fick que se va a estudiar, en los sistemas biológicos suele haber un transporte mediado cuando se verifican reacciones químicas.Interacción y “enlace” en la difusión, las macromoléculas de las proteínas son muy grandes en comparación con los solutos del tipo de la urea, el cloruro de potasio y el caprilato de sodio, y suelen tener cierto números de centros de interacción o de “enlace” del soluto o de las moléculas de ligandos. La difusión de Fick de macromoléculas y moléculas de soluto pequeña puede afectarse en alto grado por la presencia simultánea de ambos tipos de moléculas, incluso cuando están muy diluidas.Los métodos experimentales para determinar las difusividades de solutos biológicos son muy similares a k difusión en líquidos, con algunas modificaciones.En la siguiente tabla se muestran las difusividades de algunas proteínas, asi como de solutos pequeños, frecuentes en los sistemas biológicos.Los coeficientes de difusión para moléculas proteicas grandes son del orden 5 x 10-11 m2/s en comparación con los valores de 1 x 10-9 m2/s para solutos pequeños que se indican en la siguente tabla. Esto significa que las macromoléculas se difunden a velocidades unas veinte veces menores que las moléculas de soluto pequeños con la misma diferencia de concentración.

Para predecir la difusividad de un soluto pequeño puro en solución acuosa, se utiliza la siguiente ecuación, (1000 a menores a 0.500m3/kg mol)

DAB=1.173 x 10−16¿

Para solutos mayores, las ecuaciones que se conocen no son tan precisas. La expresión de Stokes- Einstein, puede usarse como aproximación:

DAB=9.96×10−16T

μV A1/3

Es probable que la ecuación semiempirica de Polson, que se recomienda para pesos moleculares superiores a 1000, sea más aproximada. La siguiente modificación de esta igualdad toma en consideración las diferencias en temperatura en soluciones acuosas diluidas:

DAB=9.40×10−15T

μ¿¿¿Donde M A es el peso molecular de una molécula grande A. Cuando la forma de la molécula es muy diferente a la de una esfera, la ecuación debe usarse como precaución.Predicción de la difusividad de solutos pequeños en una solución proteica. Los datos necesarios para pronosticar estos efectos son la difusividad DAB, del soluto A en el agua sola, el agua de hidratación de la proteína y el factor de obstrucción. Una ecuación semiteorica que puede utilizarse para obtener un valor aproximado de la difusividad DAP de A una solucion de proteicas P de tipo globular es la siguiente, donde solo se consideran los efectos del bloqueo (C8, G5, G6) y no hay enlace:

DAP=DAB (1−1.81 x10−3 cp)

Donde cp = kg P/m3. Entonces, la ecuación de difusión es,

N A=D AB (cA 1−c A2 )

z2−z1

Donde c A1 es la concentración de A en Kg mol A/m3.

La predicción de la difusividad con enlace, cuando A esta en una solución proteica P y se enlaza a P, el flujo de difusión de A es igual al flujo del soluto A no ligado en la solucion mas el flujo del complejo de proteína y soluto. Hay métodos para predecir este flujo (G5, G6) cuando los datos de enlace se han obtenido experimentalmente. La ecuación que se utiliza es

DAP=(D¿¿ AB (1−1.81x 10−3 cp )(%deA libre100 )+D p(% de Aenlazado100 ))¿Donde D p es la difusividad de la proteína sola en la solucion m2/s, y el A no se enlazo a la proteína y e determina a partir del coeficiente de enlace experimental.

A continuación se muestr la tabla de difusividad típica de solutos en soluciones acuosas de geles biológicos diluidos.