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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).