MEMBRANAS BIOLÓGICAS

Dr. Carlos Morales A.Cardiólogo Pediatra

UPCP – Hospital Coquimbo

ESTRUCTURA MEMBRANAS

DIFUSIÓN A TRAVÉS DE MEMBRANA

DIFUSION SIMPLE:Por bicapaPor canales

DIFUSION FACILITADA

TRANSPORTE ACTIVOPrimario (bombas)Secundario

Cotransporte.Contratransporte.

DIFUSION SIMPLE

POR BICAPA LIPIDICADependerá de:1. Concentración (cantidad)2. Cinética molecular (T)3. Liposolubilidad

Ejemplo: Oxígeno

DIFUSION SIMPLE

POR CANALES PROTEICOSAltamente efectivos.Especialmente para agua.

(100 veces volumen GR)

Depende de:1. Hidrosolubilidad2. Tamaño3. Polaridad

Selectividad

CANALES PROTEICOS

ALTAMENTE SELECTIVOS PARA UN SOLUTO

CANALES PROTEICOS

PERMEABILIDAD MODULABLE POR EL MEDIOPOR LIGANDOPOR VOLTAJE

DIFUSION FACILITADA

1. Mediada por transportadores.

2. A diferencia de la simple, tiene una velocidad máxima (Vmax) de difusión.

3. Vmax dependería del número de transportadores. No de la cantidad de solutos.

(figura 4-6)

DIFUSION FACILITADA

La velocidad del transporte no puede ser mayor a la velocidad del cambio conformacional de la proteína

Ejemplos: glucosa, aminoácidos

FACTORES DETERMINANTES DE DIFUSION

La tasa neta de difusión dependerá de:

1) La diferencia de concentraciones entre un lado y otro de la membrana.

2) Diferencia de presión a través de la membrana

Fig. 4 – 8 (a)

Fig. 4 – 8 (b)

FACTORES DETERMINANTES DE DIFUSION

La tasa neta de difusión dependerá de:

3) Potencial eléctrico de membrana (iones). Ecuación de NERSNT

Fig. 4 – 8 (c)

OSMOSISDifusión neta de agua dadas diferencias en su concentración.

Ocurre en membranas selectivamente permeables (un soluto no atraviesa y se acumula en un lado)

Fig. 4 – 9

PRESION OSMOTICA

La presión osmótica depende del número de partículas por unidad de volumen y no de la masa.

Esto se debe a que las partículas grandes son mas lentas y las más pequeñas son más rápidas. Por ende, energía cinética promedio será la misma

PRESION OSMOTICA Lo anterior implica que necesitamos conocer la

CONCENTRACION MOLAR de una sustancia (número de partículas) = Osmol.

Osmolalidad = 0smol/Kilógramo solución. Osmolaridad = Osmol/Litro solución (más practico).

RELACIÓN OSMOLARIDAD Y PRESIÓN (37°C). 1 Osmol/Kg = 19.300 mmHg 1 mOsmol/Kg = 19,3 mmHg 300 mOsmol/Kg = 5790 mmHg VALOR REAL = 5500 mmHg (atracción iónica, disociación parcial).

TRANSPORTE ACTIVO

1. Mediado por Bombas (enzimas en membranas).

2. Hay muchas (Na, K, Ca, H, etc).

3. En diferentes membranas (celular, retículo endoplásmico, mitocondria).

4. La mas estudiada es la NaKATPasa.

TRANSPORTE ACTIVO

TRANSPORTE ACTIVO

• Compuesta por 2 subunidades:– ALFA: 100.000 daltons– BETA: 55.000 daltons

• ALFA: 3 componentes:– 3 sitios receptores Na dirección hacia dentro– 2 sitios receptores K dirección hacia afuera– 1 sitio actividad ATPasa en el interior.

• BETA: Aparente función de anclaje.

TRANSPORTE ACTIVO

• La bomba tiene importancia en el control del volumen intracelular.– Proteínas intracelulares tienen carga negativa– Atraen iones positivos.– NaKATPasa retira 3 Na por 2 K.

• La bomba tiene capacidad electrógena.– Hay movimiento neto de 1 ión (+) hacia afuera.– Se crea por ende un potencial transmembrana.

TRANSPORTE ACTIVO

ENERGÉTICA DE LA BOMBA• Para concentrar una sustancia 10 veces, se requiere 1400

calorías, para hacerlo 100 veces, se requiere 2800 calorías. 1000 veces 4200 calorías, es decir:

• Siendo la energía estimada en Calorías por Osmol.

COTRANSPORTE

CONTRATRANSPORTE

POTENCIAL DE MEMBRANA

POTENCIALES ORIGINADOS POR DIFUSIÓN

FIBRA A: Potencial de difusión a través de una membrana causado por difusión de iones K desde el interior al exterior. El potencial eléctrico resultante será negativo.

FIBRA B: Potencial de difusión a través de una membrana causado por difusión de iones Na desde el exterior al interior. El potencial eléctrico resultante será positivo.

RELACIÓN ENTRE POTENCIAL DE DIFUSIÓN Y DIFERENCIA DE CONCENTRACION

ECUACION DE NERNST

Relaciona el potencial transmembrana necesario para mantener una diferencia de concentraciones de un ión monovalente a 37°C

CONSIDERACIONES:Exterior se considera 0 mV. Interior se considera que varía.Si ión es (+) el valor se considera (-). Si ión es (-), el valor se considera (+).

POTENCIAL DE DIFUSIÓN CUANDO LA MEMBRANA ES PERMEABLE A VARIOS IONES

DIFERENTES

POTENCIAL DE DIFUSIÓN CUANDO LA MEMBRANA ES PERMEABLE A VARIOS IONES

DIFERENTES

ECUACION DE GOLDMAN-HODGKIN-KATZ

CONSIDERACIONES:1. Na, K, Cl, son los principales iones involucrados.2. Todos son monovalentes.3. La ecuación compensa carga (-) de Cl invirtiendo su relación,

porque Cl al entrar produce más electronegatividad en el interior.4. La importancia de cada ion en cada instante será proporcional a su

permeabilidad.

POTENCIAL DE REPOSO

• DETERMINANTES:– Potencial difusión del K • Único canal abierto en reposo es el canal de escape

– Difusión de sodio • Canales de escape 100 veces menos numerosos que K

– Bomba NaK ATPasa.• Bombea 3Na hacia afuera por 2K hacia dentro.

POTENCIAL DE REPOSO

• Potencial difusión del K• Concentraciones: Exterior 4 mEq/l – Interior: 140 mEq/l• Cuociente: Ki/Ke = 35.• Nersnt: FEM = -61 log 35 = -61 * 1,54 = -94 mV

• Potencial difusión Na• Concentraciones:Exterior 140 mEq/l – Interior 14 mEq/l• Cuociente Nai/Nae = 0,1• Nersnt = +61• Pero, permeabilidad es 100 veces menor• Goldman (K * 0,01Na) = -86 mEq/l

POTENCIAL DE REPOSO

• Bomba NaKATPasa:– Aporta con -4 mV adicionales al retirar en forma

neta más cargas positivas del interior.

POTENCIAL DE REPOSO TOTAL: - 90 Mv.

POTENCIAL DE ACCION

Dr. Carlos Morales A.Cardiólogo Pediatra

UPCP – Hospital Coquimbo

POTENCIAL DE ACCION DEL NERVIO

• Las señales nerviosas se transmiten mediante potenciales de acción.

• POTENCIAL DE ACCION– Cambio brusco del potencial de membrana (negativo a

positivo) con 2 características:1. Propagable.2. Reversible.

FASES DEL POTENCIAL DE ACCION

1. Generación Potencial Acción1. Fase de reposo2. Fase de Despolarización3. Fase de Repolarización

2. Propagación Potencial Acción3. Recuperación Potencial Reposo

FASE DE REPOSO

CANAL DE SODIO VOLTAJEDEPENDIENTE

(A) En reposo, el portal de activación (AG) está cerrado y el de inactivación (IG) abierto.

(B) Durante la activación, ambos portales se abren. (C) En la inactivación, se cierra el portal de inactivación, el de activación aún

permanece abierto. (D) Durante el período refractario, ambos portales están cerrados

CANAL DE POTASIO VOLTAJEDEPENDIENTE

(A) En reposo: Canal cerrado

(B) Cerca de 0 mV: Canal abierto. Lentos, coinciden con fase (C) inactivación canales Na.

DESPOLARIZACION/REPOLARIZACION

FASE DE REPOLARIZACIÓNCanales de PotasioVoltaje dependientes

FASE DESPOLARIZACIONCanales de SodioVoltajedependientes

Postpotencial “positivo”

LOS OTROS IONES

• ANIONES CITOPLASMÁTICOS:– IMPERMEABLES: No pueden salir.– Responsables de la carga (-) frente a déficit de K.

• CALCIO:– Bomba calcio: Gradiente 10-3/10-7

– Canales Calcio voltajedependiente• Lentos (10 a 20 veces).• Permeables a Na y Ca

– Calcio iónico modula tanto canales rápidos como lentos.

GENERACION POTENCIAL ACCION

FEEDBACK (+) PARA APERTURA CANALES SODIO:Cuando un canal abre despolariza un poco más, propiciando que otro canal abra.

Mientras más cerca de 0 mV, más canales abrirán.

UMBRAL EXCITACIÓN:Estimulo debe despolarizar un mínimo para producir potencial acción.

De modo que ρNa > ρK Generalmente basta llevar de -90 a -65 mV

GENERACION POTENCIAL ACCION

EXCITABILIDAD:Dependerá de:

1. Concentraciones de K previas2. Permeabilidad de canales K libres.

EXCITABILIDAD AUMENTADA:Potencial reposo más cerca del umbral.Menos K intracelularMenos flujo del K intracelular.

EXCITABILIDAD DISMINUIDA:Potencial de reposo más lejos del umbralMás K intracelularMás flujo del K intracelular (compensa entrada de Na).

GENERACION POTENCIAL ACCION

POTENCIAL SUBUMBRALAquel que no logra generar potencial acción.

POTENCIAL UMBRALSí lo genera.

La intensidad del estímulo reduce el tiempo de latencia entre estímulo y generación del potencial de acción.

GENERACION POTENCIAL ACCION

PERIODOS REFRACTARIOS

ABSOLUTO:Es imposible desencadenar un segundo estímuloCanales Na INACTIVADOSDura 1/2500 segundos.

RELATIVO:Un estímulo suficientemente intenso logra estimularCanales K ABIERTOS(Algunos canales Na inactivos)Dura entre 25 y 50% de PRA.

GENERACION POTENCIAL ACCION

INTENSIDAD DEL ESTÍMULO:Se traducirá en frecuencia de potenciales.

FRECUENCIA MÁXIMA:Depende de:Mínima latenciaAusencia potenciales subumbralesAusencia periodo refractario relativoPeriodo refractario absoluto

FRECUENCIA MÁXIMA:2500 IMPULSOS POR SEGUNDO.

POTENCIAL ACCION COMO CIRCUITO RC

PROPAGACION POTENCIAL ACCION

PRINCIPIO TODO O NADAPara desencadenar un potencial de acción se debe superar el umbral.

Sólo una despolarización completa en un segmento garantiza la despolarización en el segmento siguiente

PROPAGACION POTENCIAL ACCION

PRINCIPIO TODO O NADAPara desencadenar un potencial de acción se debe superar el umbral.

Sólo una despolarización completa en un segmento garantiza la despolarización en el segmento siguiente

PROPAGACION POTENCIAL ACCION

DIRECCION DE LA PROPAGACIÓNSEGMENTO ROJO: Despolarización

Canales Na: AbiertosCanales K : Cerrados

SEGMENTO NARANJA: RepolarizaciónCanales Na: InactivadosCanales K: Abiertos

PROPAGACION COMO CIRCUITO ELECTRICO

PROPAGACION POTENCIAL ACCION

RECUPERACIÓN POTENCIAL REPOSO

BOMBA NaKATPasaGran capacidad de regeneración del potencial.

Adaptable según concentración Na intracelular

10 20 mEq/l aumenta 8 veces actividad.

CIRCUNSTANCIAS ESPECIALES

FIBRAS MIELÍNICA Y AMIELÍNICAS

FIBRAS MIELÍNICA Y AMIELÍNICAS

POTENCIALES MESETA

Prolonga Periodo Contracción (hasta 300 msec)

CAUSAS:• Canales Lentos.• Canales K aún más lentos

POTENCIALES RITMICOS