biofisica de membranas

BIOFISICA DE MEMBRANAS

Membranas biológicas

CARACTERISTICAS GENERALES

• Liposolubilidad• Estructura trilaminar• Compuestas por lípidos, proteínas y glúcidos• Son fluidas• Presentan asimetría estructural y funcional• Son estructuras dinámicas

FUNCIONES

• PERMEABILIDAD SELECTIVA• ACTIVIDAD ENZIMATICA• INTERCAMBIO DE INFORMACION • RECONOCIMIENTO

Permeabilidad difusional

1 2

NaCl g/100mL 0,9 0,45

Membrana permeable al agua e impermeable al soluto

021..21 CCAPdJ

021..12 CCAPdJ

Para el soluto:

•Para el solvente:Gradiente de concentraciónDiferencia de osmolaridad

Cálculo de la osmolaridad

NaCl g/100mL 0,9 0,45

La osmolaridad es:

gvLmmolKgmOsmdOsmolarida ..// Donde:

v = número de partículas en que se disocia

g = coeficiente osmótico

Para el ejemplo: v= 2 y g=0,93

Calcular la osmolaridad de cada comparimento

PMNaCl= 58.44

1 2

Molaridad mmol/L 154 77

Osmolaridad mOsm/L 286.4 144.4

122221 OHOHenOsmenOsm

FLUJO OSMÓTICO13 . scmJvFlujo de volumen

Flujo de moléculas de agua 1. smolJV

Jvagua

Relación con gradiente osmótico 21.. OsmOsmAPJv osm

Coeficiente de permeabilidad osmótica

Despejando:

OsmscmcmOsmcm

scm

dOsmolaridaA

JvPOsm ..

..

.

.14

32

13

Para el agua::

VELOCIDADscmcmmolcmmolcm

scm

dOsmolaridaAv

JvPagua

1

3213

13

...

.

..

Ejemplos:

Tubulo proximal (rata) 0,231

Tubulo colector (rata) 0,038

Mucosa gástrica (perro) 0,069

Intestino (rata) 0,011

Piel (sapo) 0,002

PRESIÓN OSMÓTICA

• Presión para contrarrestar el paso de agua

• Diferencia de presión hidrostática entre compartimentos

• Jv = 0 P = π

Medición de la presión osmótica

Agua

Agua + azúcar

Membrana semipermeable

Medición de la presión osmótica

Agua

Agua + azúcar

Medición de la presión osmótica

Agua

Agua + azúcar

Estado estacionario (steady state)

Entrada H20 = salida H2O

Patm

h

azúcaratm

OHOH

OHazúcarOHatm

PP

PP

PPPP

inout

inout

22

22

En este momento las presiones a ambos lados están igualadas, por lo tanto:

pero

Es decir, la presión del agua a cada lado de la membrana es la misma.

Puede calcularse la presión osmótica (cuando cesa el flujo neto) de la solución con:

Ley de Van´t Hoff

“La presión osmótica de una solución, su temperatura, el número de moles del soluto y su volúmen están ligados por la misma relación que existe entre magnitudes análogas de un gas ideal”

nRTV

Fórmula de Van’t Hoff

Donde: = presión osmótica n = número de moles del solutoV= volumen de la soluciónR = constante universal de los gasesT = temperatura absoluta

dOsmolaridaTR ..

TRV

n..1

Cumplida esta condición, dos o más soluciones tendrán la misma presión osmótica

si su temperatura es la misma.

Dos soluciones que tienen igual presión osmótica se denomina isosmóticas o

isotónicas.

Si una solución A tiene menor presión osmótica que otra B, A será

hipotónica respecto a B; y B será hipertónica respecto a A.

La determinación experimental de la presión osmótica permite calcular el peso molecular de una sustancia. En efecto, si:

= n / V . R.T

Y siendo n = m/M Donde m = masa (g); M = peso molecular

Sustituyendo resulta: = m.RT M. V

Conclusiones:

1. La presión osmótica es proporcional a la concentración del soluto a temperatura constante.

2. La presión osmótica es proporcional a la temperatura del medio si la concentración de soluto no varía

3. Para diferentes solutos, cuyas concentraciones y temperatura sean iguales, la presión osmótica es inversamente proporcional al peso molecular.

La presión osmótica en vegetales es del orden de 5 – 20 atmósferas!!!!!!

En la sangre, la presión osmótica es de 7.6 – 7.9 atmósferas.

Ejemplos:

Coeficiente de reflexión de Staverman (σ)

• Si está presente alguna permeabilidad a soluto• Desviación del valor de π• Corregida por

» Coeficiente de reflexión • Entonces se calcula

» πef= PRESIÓN OSMÓTICA EFECTIVA

dOsmolaridaTRef ...

1 ≤ ≥ 0Impermeable Permeable

calculada

real

Presión osmótica:

Medida de forma práctica

Estimada con ecc. Van´t Hoff

Por extensión:

En relación al Flujo osmótico:

calculada

real

dOsmolarida

dOsmolarida

dOsmolaridaTRAJv .....

Glucosa 0,5

Urea 0,2

NaCl 1,0

Consecuencias del Flujo Osmótico

1. Compartimentos con volúmenes similares• Var. Del volúmen• Llega a

• Igualdad de Osmolaridad, [H2O], π• Concentración de equilibrio

2. Volumen de un compartimento infinito con respecto al otro

• Flujo de agua hasta equilibrio de osmolaridad• Variación del volumen final• Existencia de un volúmen osmóticamente inactivo (b)

ffii VCVC ..

Biofísica de Membrana

Transporte pasivo

Transporte a través de las Membranas Biológicas

Debido a la naturaleza no polar de la bicapa, las membranas de fosfolípidos puros son altamente impermeables a iones y moléculas orgánicas polares.

TRANSPORTE PASIVO

CARTACTERISTICAS GENERALES:Ocurre:• Sin gasto de energía• A favor de un gradiente• Es equilibrante• por diferencias de potencial electroquímico

de la especie transportada

Proteínas de membrana transportadoras de solutos

Lodish et al. 2004

Flujo difucional• Flujo

• Densidad de flujo

• Difusión

Cantidad de sustancia que atraviesa una determinada sección perpendicular, moviéndose de un punto a otro en la unidad de tiempo

Flujo que atraviesa la sección de una membrana por unidad de área

Movimiento de soluto o de solvente, donde la agitación térmica y la diferencia de concentración son las fuerzas impulsoras. Su flujo se denomina:FLUJO DIFUSIONAL

Tipos de flujo difucional

• FLUJO UNIDIRECCIONAL: flujo en una dirección determinada a través de una membrana

• FLUJO NETO: Es la cantidad de sustancia que se mueve de un lado a otro del recipiente, por unidad de tiempo.

J = J 12 – J21

• El flujo (J) es un vector cuyo módulo mide la cantidad de partículas que atraviesan la unidad de área en la unidad de tiempo (moles/cm2 . seg).

• Su dirección y sentido es desde la región de mayor concentración hacia la de menor concentración.

C1 = C2

J12 = J21

Jneto = 0

C1 ˃ C2

J12 ˃ J21

Jneto ≠ 0

100 100 Glucosa mmol/L 200 100

LEY DE FICK

• “El flujo neto de moléculas por unidad de área de membrana es proporcional al gradiente de concentración”.

Coeficiente de difusión

Cantidad de soluto que pasa por unidad de tiempo a través de una separación perpendicular de 1 cm2, cuando el gradiente de

concentración es 1

La ley de Fick puede expresarse como :

Donde J = vector flujo ; y D = coeficiente de Difusión (moles × s-1 × cm-2)

• La constante de proporcionalidad en la expresión de la ley de Fick es el coeficiente de difusión D (cm2/seg), que depende, en general, de:

• la temperatura (aumenta con la temperatura), • del soluto (tamaño de las partículas a difundir) y• del medio a través del cual difunde (membrana).

• Esta ley es válida sólo cuando el pasaje es debido exclusivamente a una diferencia de concentraciones que se mantiene en régimen estacionario (no varía con el tiempo).

DIFUSIÓN SIMPLE

Factores de la Ley de FicK

• Temperatura» A mayor agitación térmica, mayor el número de

moléculas que en la unidad de tiempo atraviesen la membrana

• Concentración» A una misma T°, cuanto mayor sea el número de

partículas por unidad de volumen, mayor será el numero de estas en condiciones de atravesar la membrana

• Distancia» Cuanto mayor sea la distancia que separa los puntos en

los que se ha tomado la concentración, habrá un mayor efecto de fricción entre el medio material y las partículas

Gradiente de concentración

• Área de membrana» A mayor área, mayor flujo

• Coeficiente de difusión» A mayor D, mayor flujo. Su valor depende de la solución

de que se trate y de la temperatura

C1

C2

∆X

∆C

• Gradiente no es diferencia, los cocientes son gradientes y las diferencias solo numeradores

• Cuando el flujo difusional se da a través de una membrana, los valores de C1 y C2 están determinador por:

» Concentración a ambos lados de la membrana» Coeficiente de partición e la interfase

Espesor de la membrana

Consecuencias del flujo difucional • Se llega a una concentración de equilibrio

• Hay un gradiente de concentración en función del tiempo. Al llegar al equilibrio Jneto se torna CERO, pero habrán flujos unidireccionales

• Hay una relación entre flujo difucional neto y diferencia de concentración

• “a mayor diferencia de concentración, mayor flujo”

C equilibrio

C

t

DIFUSION FACILITADA

• Se produce cuando un ión o moléculas hidrosolubles cruza la membrana “a favor” de su gradiente electroquímico o de concentración, hasta que se obtiene el equilibrio.

• No hay gasto energético • Es facilitado por la presencia de canales o de

transportadores de naturaleza proteica• Sitios de unión• Cambio de conformación

Básicamente el mecanismo de transporte tiene cuatro etapas que son:

a) unión reversible del soluto a transportar a sitios específicos del transportador (receptores)

b) desplazamiento del par receptor-ligando hacia la superficie opuesta de la membrana

c) liberación del solutod) vuelta del sistema al estado inicial

La cantidad de sustancia que atraviesa la membrana depende de:

a) La diferencia de concentración del soluto a transportar entre ambos lados de la membrana

b) La cantidad de transportador disponible. Cuando se saturan los transportadores se alcanza un flujo máximo (Cinética de saturación)

c) La velocidad con que tiene lugar la unión y la separación entre el soluto y el transportador.

A medida que aumenta la diferencia de concentraciones, aumenta el flujo.

A partir de una C determinada, los transportadores se saturan y el flujo alcanza un valor constante, llamado flujo máximo.

Cualquier aumento de concentración a partir de ese punto no traerá aparejado cambio alguno en el flujo.

Este tipo de comportamiento obedece a la ecuación

de Michaelis - Menten

Canales de iones

•Son proteínas integrales de membrana plegadas formando un poro a través del que se transportan iones.

•El tamaño del poro y la densidad de cargas en su interior determinan su selectividad a los diferentes iones.

•Pueden estar en un estado conformacional no conductor (cerrado) o conductor (abierto).

• Su apertura o cierre puede estar regulada por factores físicos (voltaje, tensión mecánica) o químicos (iones, neurotransmisores, hormonas, fosforilación, etc.).

•Pueden estar constituidos por una o varias cadenas polipeptídicas.

•En el estado abierto, transportan 107 a 108 iones/s, Están involucrados en procesos fisiológicos como conducción del impulso nervioso, secreción celular, regulación del volumen celular, apertura de estomas, quimiotaxis, etc.

Modelo de la difusión facilitada de glucosa mediada por el transportador GLUT-1

1

2

3

4

Forma A = transportador con sitio activo hacia el exteriorForma S = sustancia a transportarForma B = transportador con sitio activo hacia el interiorTR = transportador

ASBS

Pudiendo darse dos situaciones:

A. Cuando la concentración de la sustancia es alta

B. Cuando la concentración de la sustancia es baja

Biofísica de Membranas

Transporte activo

CARACTERISTICAS

• SATURACION• COMPETITIVIDAD• ESPECIFICIDAD• INHIBICION• ES UNIDIRECCIONAL

FUNCIONES DEL TRANSPORTE ACTIVO

• Intercambio de material celular• Mantenimiento del pH y equilibrio iónico

intracelular• Eliminación de sustancias toxicas

Estructura química de la bomba de sodio o Na+-K+-ATPasa

Está compuesta de dos subunidades : • (110 kDa) y • (55 kDa).

Las funciones catalíticas están en la subunidad , que contiene el residuo fosforilable por el ATP. La cadena (≈1000 AAs) posee 10 segmentos de transmembrana unidos por 5 cortas asas extracelulares .

La subunidad un glicopéptido (≈ 370 AAs) tiene un solo segmento transmembrana y expone la mayor parte de su estructura muy plegada al exterior. Se postula que se requiere para el adecuado plegamiento de la proteína y su destinación a la MP.

citosol

extracelular

Sitio de fosforilación As369

Características de su transporte• Sufre cambio conformacional

• E1= forma que fija ATP y se le une Na• E2= se forma al liberarse PO4 que

» ↑afinidad por K» ↓afinidad por Na

• Sitios de unión• 3 → Na+• 2 → K+

• Hidroliza 1 ATP• Es electrogénica

• Genera corriente eléctrica hacia afuera de la célula• Su velocidad de funcionamiento depende de:

• Campo eléctrico a través de la membrana• Concentración interior de Na y exterior de K

• Es saturable

Cl

Por antiportador: Modelo

• Dos configuraciones• A = sitio activo expuesto hacia el lado externo de la MC• B = sitio activo expuesto hacia el lado interno de la MC

• El cambio de conformación implica• Variación de la energía libre

Na+ / Ca2+Na+ / H+

R = 0,008314 = 8,314 x 10-3 J/mo.°K = 1,98 cal/ml.°K

T = °KC2 = concentración en el destinoC1 = concentración en el origen