16/03/2011
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Transporte a través de la Transporte a través de la membrana celularmembrana celular
Departamento de BiofísicaDepartamento de BiofísicaFacultad de EnfermeríaFacultad de Enfermería
(Material de uso Interno)
ObjetivosObjetivos
AnalizarAnalizar parteparte dede laslas funcionesfunciones dede laslasmembranasmembranas celularescelulares..EstudiarEstudiar elel pasajepasaje dede sustanciassustancias aa travéstravésdede lala mismamisma..ExpresarExpresar enen formaforma cuantitativacuantitativa laslas leyesleyesqueque gobiernangobiernan dichodicho pasajepasaje..
Estructura básicaEstructura básicaComposición química:
-Lípidos-Proteínas (intrínsecas y
extrínsecas) -Glúcidos
≠ proporciones
Propiedades:
-Liposolubilidad-Fluidez: varía: -temperatura
-características de los lípidos-asimetría estructural y funcional (cara
interna y externa)
UnaUna dede laslas principalesprincipales funcionesfunciones dede laslasmembranasmembranas biológicasbiológicas eses lalacompartimentacióncompartimentación (mantener(mantenerdiferenciadadiferenciada lala composicióncomposición internainterna dedelala externa)externa)..EjEj NN ++ 1515 áá t dt d llEjEj:: NaNa++ 1515 vecesveces másmás concentradoconcentrado enen elelexteriorexterior queque elel interiorinterior ((145145 mMmM vsvs 1212 mMmM))
LasLas proteínasproteínas dede membranamembrana sonson laslasmacromoléculasmacromoléculas queque determinandeterminan elelgradogrado dede especializaciónespecialización dede estaesta..
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TransporteTransporte activoactivo dede ionesiones yy metabolitosmetabolitosLímiteLímite físicofísico (compartimentación)(compartimentación)EntradaEntrada dede nutrientesnutrientesSalidaSalida dede metabolitosmetabolitosC i ióC i ió i t l li t l l
Funciones de la membrana celularFunciones de la membrana celular
ComunicaciónComunicación intercelularintercelularFormaciónFormación dede canalescanales iónicosiónicosGeneraciónGeneración dede segundossegundos mensajerosmensajeros dededistintasdistintas víasvías metabólicasmetabólicasTransducciónTransducción dede energíaenergíaReconocimientoReconocimiento celularcelular
Barrera al pasaje de iones y solutos Barrera al pasaje de iones y solutos cargadoscargados
La facilidad con que los solutos atraviesan La facilidad con que los solutos atraviesan las membranas biológicas dependen de las membranas biológicas dependen de diversos factores, algunos de ellos son:diversos factores, algunos de ellos son:
Masa molar (tamaño)Masa molar (tamaño)Solubilidad en lípidos (liposolubles vs Solubilidad en lípidos (liposolubles vs hidrosolubles)hidrosolubles)Densidad de cargaDensidad de carga
EsEs lala capacidadcapacidad queque poseeposee unauna membranamembrana(sea(sea éstaésta naturalnatural oo artificial),artificial), dede permitirpermitir elelpasajepasaje dede unauna sustanciasustancia aa travéstravés dede ellaella..
PermeabilidadPermeabilidad
blImpermeablesSemipermeables (permiten el paso selectivo desustancias a través de difusión, ej: agua)
De permeabilidad selectiva (algunos solutoscruzan la membr libremente, algunos la cruzan con asistencia yotros no pueden cruzar)
Sin selectividad
Se considera a las membranas biológicascomo de permeabilidad selectiva.
Deben existir por tanto mecanismosDeben existir por tanto, mecanismoscapaces de disminuir la barrera deenergía que presenta la bicapa lipídicapara que exista pasaje apreciable demoléculas cargadas a través de ella.
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Para estudiar el pasaje de sustancias a Para estudiar el pasaje de sustancias a través de la membrana celular, primero través de la membrana celular, primero debemos expresarlo en formadebemos expresarlo en forma cuantitativacuantitativadebemos expresarlo en forma debemos expresarlo en forma cuantitativa.cuantitativa.
FLUJO
Cantidad de sustancia (moles o gramos) que atraviesa una determinada sección perpendicular a la dirección del desplazamiento por unidad de tiempo
Definiciones básicasDefiniciones básicas
J = ∆n(mmol/seg)
DENSIDAD DE FLUJO
Flujo que atraviesa la sección por unidad de área
m =J
A A . ∆t
∆n= (mmol/seg.cm2)
J = ∆t
(mmol/seg)
EquilibrioEquilibrio
Es el estado al que llega un sistemadespués de cierto tiempo sin que actúenfuerzas exteriores, manteniéndoseinvariable con el tiempo.invariable con el tiempo.
Estado EstacionarioEstado Estacionario
En contraposición al anterior, podemosdefinirlo como un estado de nono equilibrioequilibrio elcual se mantiene constante en el tiempo.Esto requiere aporte de energía.q p g
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µ : Cte ( µ = µ si C = 1 M y φ = 0 )
µ = µ φο
Comp químico Comp físico
µ : Cte. ( µ = µ si C = 1 M y φ = 0 )R : Cte. de los gases (julio / grado.mol)T : Temperatura absoluta (º Kelvin)z : Carga / ionF : Cte. de Faraday ( carga de un mol de iones
monovalentes 96500 coul.)µ : julio/mol
ο
µ > µ1 2
µ = µ1 21 2
1 21 2RT ln C + zF φ = RT ln C + zF φ
Flujo neto= 0
ECUACIÓN DE NERNST
220110
21
zFφRTlnCµzFφRTlnCµ
µµ
++=++
=
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ECUACIÓN DE NERNST
21
FRTl CFRTl C
µµ =
220110 zFφRTlnCµzFφRTlnCµ ++=++
ECUACIÓN DE NERNST
21 µµ =
2211 zFφRTlnCzFφRTlnC +=+
ECUACIÓN DE NERNST
2211
21
zFφRTlnCzFφRTlnC
µµ
+=+
=
1
221
1221
CC ln RT)φzF(φ
)lnCRT(lnC)φzF(φ
=−
−=−
ECUACIÓN DE NERNST
221
21
CC ln RT)φzF(φ
µµ
=−
=
1
221
1
CC ln
zFRT)φ(φ
C
=−1
2
CC ln
zFRTε =
ε
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Consecuencias de la ley de Consecuencias de la ley de NernstNernst
Un ion puede estar en equilibrio químicoaun cuando susu concentraciónconcentración nono seasea lalamismamisma enen ambosambos compartimientoscompartimientos.pp
Si C1 = C2, ε=0, ln (1)=0
Clasificación de transporteClasificación de transporte
Difusión simple
Transporte PASIVOTransporte Facilitado
- transportadores- canales
Transporte ACTIVO
Primario
Secundariocotransporte
contratransporte
Transporte PASIVO
Producido por la diferencia de potencialelectroquímico de la especie transportada.
Incluye: a) Difusión simpleb) Transporte facilitado
) DIFUSIÓN SIMPLE) DIFUSIÓN SIMPLEa) DIFUSIÓN SIMPLEa) DIFUSIÓN SIMPLE
El desplazamiento de una especie química de donde hay mayorconcentración a otra de menor, en términos termodinámicos,produce una liberación de energía libre (pérdida de energía,- ∆G).
∆G=-RTln C2C1
Cuando la diferencia de concentración es única causa del desplazamiento de la especie química y la concentración cae en forma lineal, la densidad de flujo entre dos puntos será proporcional a la diferencia de concentración (∆C) e inversamente proporcional a la distancia (∆x).
C
x
m = D. C1-C2∆x
J = - D. ∆C .A Ley de Fickx ∆x
∆C/∆x: gradiente de concentración
D: coeficiente de difusión (depende de la solución y de la temperatura)
Se puede calcular el flujo neto de una sustancia, siendo la suma de flujos unidireccionales
La ley de Fick es aplicable en un medio homogéneo, (D = cte)
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En un recipiente, en un determinado instante se mide laconcentración de soluto a diferentes distancias de la pareddel recipiente:
Signo de JSigno de J
-indique el sentido de los flujos a XA, XB, XC y XD.-a qué estado llegará el sistema luego de un largo períodode tiempo?
Flujo a través de la membranaFlujo a través de la membrana
Dm, se supone cte y las concentraciones en el espesor de la membrana hacia cada lado
De acuerdo con Ley de Fick: J = Dm c1- c2 . Aa
e pe o de memb na = espesor de membranaA = superficie de la membrana
c1 = k.C1
c2 = k.C2
k = ciCi
Coeficiente de partición (k): razón de concentracionesentre la bicapa y la fase acuosa. Indica cuan fácil se “disuelve” una sustancia química en un hidrocarburo
Para una membrana y un soluto determinados,k, a y Dm son ctes:
P = k D P (coeficiente de permeabilidad de la
J = Dm . k (C1-C2) .A
a
P = k . Dm P (coeficiente de permeabilidad de lamembrana)
- composición, estructura de membrana- espesor de membrana- especie química que difunde
Entonces:J = P (C1- C2) A
a
EN RESUMEN
En la membrana celular, la difusión simple se produce a través de la bicapa lipídica y obedece a la expresión:
J = P (C1 –C2) A
que deriva de la primera ley de Fick.J
∆C
Difunden según esta ecuación sustanciasliposolubles. k desempeña un papel importante
Transporte de iones a través de la membranapor difusión simple es despreciable
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∆C∆C
c1c1
c2 c2
Importancia de k
J
J
I II
Mayor J en II
b) TRANSPORTE FACILITADOb) TRANSPORTE FACILITADO
Permite el transporte PASIVO de iones y sustancias hidrosolubles Se da por sitios específicos: - canales
- transportadores
Los 2 mecanismos no son excluyentesLos 2 mecanismos no son excluyentes
Un canal con múltiples estados conformacionales puede aproximarse al comportamiento cinético de un transportador
Disminuyen la barrera de energía para que exista un flujo apreciable de moléculas cargas o polares
Transportadores
Estructuras proteicas con uno o más sitios de unión, queexponen alternativamente uno o varios sitios de unión a unlado y otro de la membrana
Etapas:
1- atrapar ión y despojarlo de las moléculas de hidratación
Mecanismos: encerrar el ión, brindado refugio con cubierta hidrofóbica (ej: antibiótico valinomicina, transporta K+).
Transporte mediante cambios conformacionales
p y p j2- cruzar el ión3- liberarlo y rehidratarlo en la otra orilla
Canales
Importancia: participan en diversos procesos celulares (Excitabilidad)
Definición:Son proteínas transmembrana que poseen un poro cuya apertura es controlada por voltaje, ligando, mecánicamente, y permite el flujo de iones a través de la membrana
Presentes en tejidos excitables y no excitables, involucrados en procesos de señalizaciónCanales:
Na+ y K+: participan en la generación del potencial de acciónCa++: transmisión de señales. Acoplamiento excitación-contracciónAcetilcolina: placa neuromotora
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Flujo por canales y transportadores tiene una cinética de saturación
J = Jmáx .[S]K+[S]
J
[A] + [S] [AS]K
[S]
J máx
1/2 J máx
KK: cte de equilibrioA: sitio de uniónS: ligando
Transporte ACTIVO
Incluye todos los mecanismos de transporte que no son producidos por la diferencia de potencial electroquímico
La energía libre para el transporte puede provenir de procesos metabólicos directamente, o del transporte de otra especie a favor de su gradientefavor de su gradiente
T Activo
Primario: bomba de Na+/K+, con importantefunción electrogénica
Secundario
Cotransporte (mismo sentido)
Contratransporte
PREGUNTAS
1- Explique las diferencias entre flujo y densidad deflujo.
2- Defina el potencial electroquímico y explique el2 Defina el potencial electroquímico y explique elequilibrio con base en este concepto.
3- Utilizando la expresión matemática de la ley de Fick,justifique el hecho de que los iones NO atraviesan lamembrana por el mecanismo de difusión simple.
5- Defina un canal y hable sobre la importancia enla fisiología normal del hombre.
6- Cuál es la importancia en las cienciasbiomédicas conocer las funciones, estructuras ymecanismos de los canales?mecanismos de los canales?
7- Menciones las diferencias entre los dosmecanismos de transporte activo (cotransporte ycontratransporte).
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