la membrana plasmática impide el paso de iones y metabolitos de un lado a otro debido a su...
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La membrana plasmática impide el paso de iones y metabolitos de un lado a otro debido a su naturaleza hidrofóbica.
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
Aspectos termodinámicos del Transporte a través de membrana
¿ Cómo pasan los metabolitos e iones a través de las membranas ?
¿ Que fuerza hace posible ese paso ?
Tipos de Transporte
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
Difusión Simple o Pasiva : No requiere Proteínas que participen en el proceso
Difusión Facilitada : Se requieren Proteínas que participan en el proceso. No se requiere el acoplamiento a un donador de Energía.
1. Canales de iones2. Transportadores
Transporte Activo : Se requieren Proteínas que participan en el proceso. Se requiere además el acoplamiento a un donador de Energía.
1. Primario 2. Secundario
Transporte Pasivo : No se requiere el acoplamiento a un donador de Energía.
Glucosa
Las sustancias neutras ( no ionizadas o cargadas eléctricamente ) con frecuencia pasanDe un lado a otro únicamente impulsadas por su diferencia de concentración.
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membrana
Termodinámica del Transporte de moléculas no cargadas
En este caso podemos decir que la variación de Energía libre del proceso de paso de un lado a otro de la membrana viene dado por la concentración a ambos lados :
[Glucosa] ext
[Glucosa] int
Si consideramos el paso en dirección desde el exterior al interior, tendremos :
C1 = [Glucosa] ext C2 = [Glucosa] int
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Podemos considerarlo un proceso con una constante de equilibrio Ke como si se tratase de una reacción cualquiera :
[Glucosa] ext [Glucosa] int
C1 = [Glucosa] ext C2 = [Glucosa] int
G = -RT ln Ke + RT ln ____
C1
C2 G = + RT ln ____
C1
C2
Como Ke = 1
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[Glucosa] ext [Glucosa] int
Como podemos observar, la variación de energía libre estandar será :
G0´ = 0 Kcal mol-1 ºK-1
Mientras que la variación de energía libre en condiciones reales dependerá exclusivamente de las concentraciones C1 y C2 ( en el exterior y en el interior ).
¿ Que ocurre cuando existe una carga eléctrica en la molécula que va a atravesar la membrana ? ¿ Que fuerza dirige ese movimiento ?
Cuando la molécula está ionizada habrá que considerar además de la carga del ión :
La Variación de Energía libre del proceso debida a una diferencia de concentración
La diferencia de potencial a ambos lados de la membrana
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Termodinámica del Transporte de moléculas cargadas ( iones )
[ Na+ ] = 145 mM
[ Na+ ] = 12 mM
[ K+ ] = 4 mM
[Cl- ] = 4 mM
[ K+ ] = 139 mM[ Mg++ ] = 1.5 mM
[Cl- ] = 116 mM
[ Ca++ ] = 1.8 mM
[HCO3- ] = 29 mM
[HCO3- ] = 12 mM
[ Ca++ ] < 0.2 μM
[ Mg++ ] = 0.8 mM
[Proteinato- ] = 9 mM
[Proteinato- ] = 138 mM
CONCENTRACIÓN DE IONES EN CITOSOL Y EN SANGRE
+
+
+
+
+
+
+
+
+
++
+
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-
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Esta diferencia en la concentración de iones a ambos lados de la membrana crea una diferencia de potencial denominada potencial de reposo.
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+
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- -
+
+
+
+
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+
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+
+
++
+
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Esta diferencia en la concentración de iones a ambos lados de la membrana crea una diferencia de potencial denominada potencial de reposo.
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
+
-
- -
V = - 70 mV
Todas las células tienen potencial de reposo, y el valor del potencial de reposo es variable. Las células excitables ( neuronas y musculares ) tienen un valor aproximado a -70 mV. En lo sucesivo representaremos y utilizaremos este valor como valor de referencia.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
++
+
---
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-
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-
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-
¿ En que dirección atravesará la membrana un catión ( ión + ) que tenemos en el espacio extracelular en mayor concentración que en el citosol ?
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+
-
- -
V = - 70 mV
La respuesta es obvia : pasará desde el espacio extracelular hasta el citosol
I+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
++
+
---
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-
-
-
-
-
Ahora bien, ¿ En que dirección atravesará la membrana un catión ( ión + ) que tenemos en el espacio extracelular en menor concentración que en el citosol ?
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+
-
- -
V = - 70 mV
Por un lado tenemos que considerar que la variación de energía libre para el proceso de entrada de I+ en la célula vendrá dado, según vimos para una molécula neutra, por el gradiente químico :
[I+]int >[I+]extC1=[I+]ext
C2=[I+]int
G = + RT ln ____
C1
C2
C2 > C1____
C1
C2
> 1 G > 0
[I+]int[I+]ext
+
+
+
+
+
+
+
+
+
++
+
---
-
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-
-
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-
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+
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- -
V = - 70 mV
[I+]int >[I+]extC1=[I+]ext
C2=[I+]int
G = + RT ln ____
C1
C2
C2 > C1____
C1
C2
> 1 G > 0
[I+]int[I+]ext
C2 > C1
+
+
+
+
+
+
+
+
+
++
+
---
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+
-
- -
V = - 70 mV
Sin embargo, el problema no queda resuelto. Es verdad que la molécula debido al gradiente químico tenderá a salir de la célula, pero también es evidente que tenemos una molécula cargada I+ ( + ) que se encuentra en un campo eléctrico. El campo eléctrico hace que cualquier catión ( carga positiva ) tienda a entrar en la célula debido a que el potencial de reposo es negativo.
[I+]int >[I+]extC1=[I+]ext
C2=[I+]int
La variación de energía libre debida al campo eléctrico será : G = Z F V
Donde Z es la carga del ión, V es la diferencia de potencial entre ambos lados de la membrana y F es la constante de Faraday.
Z = +1
F = 23.062 cal mol-1 V-1
V = - 70 10-3 V
+
+
+
+
+
+
+
+
+
++
+
---
-
-
-
-
-
-
-
La variación de energía libre total del proceso de transporte o de paso del ión a través de la membrana será por lo tanto la suma de ambas, la debida al gradiente químico y la debida al campo eléctrico :
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+
-
- -
V = - 70 mV
+ Z F V G = G= + RT ln
____ C1
C2__
Ges llamado potencial electroquímico de un ión
__
C1=[I+]ext
C2=[I+]int
Difusión Simple o Pasiva : No requiere Proteínas que participen en el proceso
Difusión Facilitada : Se requieren Proteínas que participan en el proceso. No se requiere el acoplamiento a un donador de Energía.
1. Canales de iones2. Transportadores
Transporte Activo : Se requieren Proteínas que participan en el proceso. Se requiere además el acoplamiento a un donador de Energía.
1. Primario 2. Secundario
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Recordemos los tipos de transporte. Podemos decir que la fuerza que dirige el paso de una molécula a través de una membrana es el potencial electroquímico de esa molécula. Esto es cierto cuando el paso o transporte se realiza en ausencia de acoplamiento a un donador de energía. Es el caso de la Difusión Simple y la Difusión Facilitada.
Transporte Pasivo : No se requiere el acoplamiento a un donador de Energía.
Difusión Simple
El paso de moléculas a través de una membrana artificial compuesta únicamente de fosfolípidos, se realiza en función de su solubilidad en disolventes orgánicos. Cuanto mayor es la solubilidad de una molécula en disolventes orgánicos ( hidrofobicidad ) mayor es su capacidad para atravesar una membrana artificial. El tamaño es otro factor que influye en esta capacidad de atravesar la membrana.
membrana artificial compuesta
únicamente de fosfolípidos
Mol
écul
as p
olar
es
Moléculas apolares
-
+
-OH
-CH3
Moléculas pequeñas
Moléculas grandes
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membrana artificial compuesta
únicamente de fosfolípidos
La capacidad de una molécula para atravesar una membrana se cuantifica mediante el coeficiente de difusión ( D ). El coeficiente de difusión de una sustancia determinada para una membrana determinada va a depender de varios factores : temperatura, propiedades de la sustancia que difunde y de la naturaleza de la membrana y el medio.
Unidades del coeficiente de Difusión : D se expresa en cm2 s-1
Otra forma de cuantificar la capacidad de una molécula para atravesar una membrana es mediante el coeficiente de Permeabilidad ( P ).
P = ____D
ee
Unidades del coeficiente de Permeabilidad : P se expresa en cm s-1
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La Primera Ley de Fick nos permite conocer cual va a ser el Flujo de una sustancia determinada a través de una membrana. Es válida para pequeñas moléculas que no tengan carga.
La Ley de Fick nos dice que el Flujo ( J ) es proporcional al Gradiente de Concentración a ambos lados de la membrana.
También se puede decir que es proporcional a la diferencia de concentraciones a ambos lados de la membrana.
El Flujo ( J ) de una sustancia a través de una membrana son los moles de esa sustancia que atraviesan la membrana por unidad de superficie y por unidad de tiempo.
J = - D x (Gradiente de Concentración )
Donde D es el coeficiente de Difusión de esa sustancia
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El Flujo se expresa en : M cm s-1
Otra forma de expresarlo es en : moles cm-2 s-1
¿ Que es el Gradiente de Concentración ?
Ce > Ci
Ce
Ci
C = Ci - CeGradiente de Concentración = ______
C
e
e
J = - D x (Gradiente de Concentración ) = - D x ________ Ci - Ce
e________Ce - Ci
e= D x
J = P x ( Ce – Ci )
Si estudiamos el paso de una sustancia desde el exterior al interior de la célula :
En el caso más sencillo
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J se expresa en : M cm s-1
Como acabamos de ver, J se expresa en : M cm s-1
J es : M cm s-1 J es : mol cm -3 cm s-1 J es : mol cm -2 s-1
Sin embargo decimos que el Flujo J es el número de moles que atraviesan la membrana por unidad de superficie y por unidad de tiempo.
Efectivamente, podemos expresar J así :
La velocidad V con la que una sustancia atraviesa una membrana de área A será :
V = J x A
V se expresa en : moles s-1
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Flujo
J
mM
cm
s-1
Concentración exterior – Concentración interior
Pendiente = P
La cinética de la Difusión Simple es linealEs decir, es una cinética no hiperbólica, no saturableLa pendiente de la recta es la Permeabilidad P
Cinética de la Difusión Simple
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membrana artificial compuesta
únicamente de fosfolípidos
En la práctica el paso por Difusión Simple de sustancias a través de una membrana artificial es muy lento y no representa una forma de transporte mas que para algunas moléculas.
Los gases atraviesan las membrana por Difusión Simple a una velocidad considerable y es su forma normal de transporte.
Es el caso de : CO2 , NO , O2 y N2
CO2
NOO2
N2
CO2
NOO2 N2
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membrana artificial compuesta
únicamente de fosfolípidos
Una molécula cuyo comportamiento real no se ajusta a su coeficiente de difusión es el agua. El agua, contrariamente a lo esperado difunde rápidamente, y esto se ha explicado por los movimientos de “aleteo” aleatorios que se producen en la membrana, que dejan “huecos” que permiten el paso del agua.
El agua también atraviesa la membrana por poros específicos de una proteína denominada aquaporina
H2O
H2O
H2O
H2O
H2OH2O
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H2O
UREAGLICEROL
TRIPTÓFANOGLUCOSA
Cl -
Na+
K+
10-4
10-2
10-6
10-8
10-14
10-12
10-10
Baja Permeabilidad
Alta Permeabilidad
Coeficiente de Permeabilidad de algunas sustancias naturales
P en cm s-1
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Difusión Facilitada : Se requieren Proteínas que participan en el proceso. No se requiere el acoplamiento a un donador de Energía.
1. Canales de iones2. Transportadores
Los canales de iones son proteínas integrales de membrana. Permiten el paso de iones de una forma selectiva.
Existen canales de iones específicos para los diferentes iones. Así encontramos en las membranas plasmáticas de diferentes tipos celulares canales de Na+, canales de K+, canales de Ca++, etc.
Los canales de iones no existen únicamente en la membrana plasmática, existen también en las membranas de diferentes estructuras celulares como vesículas, retículo endoplásmico, etc.
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
Su estructura simula un cilindro cuyas paredes están constituidas por diferentes dominios transmembrana. Los iones pueden pasar por la luz del interior del canal
http://www.bio.cmu.edu/Courses/BiochemMols/Channels/1k4c-1lnq.htm
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