¿cuál es la respuesta correcta a esta demanda?
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Gradientes
y
Flujos
Bioq. Pedro Catania JTP
¿Cuál es la respuesta correcta a esta demanda?
Probablemente todos consideren que la respuesta correcta es…
Y nadie pensaría que la respuesta correcta sea…
… Bueno, casi nadie :)
¿Por qué?
¿Por qué entra agua al cuerpo cuando la bebemos?
Boca
Esófago
Estómago
Intestino delgado
El camino del agua
¿Por qué entra agua al cuerpo cuando la bebemos?
Debemos considerar al hombre como un conjunto de compartimientos acuosos
rodeados por membranas.
Compartimientos del
organismo
Líquido intracelular
Líquido extracelular
Plasma
Líquido intersticial
Líquido transcelular
Compartimientos líquidos del organismo
Las células, con su líquido intracelular (LIC), que constituyen el cuerpo, viven en un “mar interior” de líquido extracelular (LEC) encerrado dentro de los epitelios del animal.
Del LEC las células toman oxígeno y sustancias nutritivas, y en él descargan sus desechos metabólicos.
El LEC es más diluido que los mares actuales pero sería semejante a los océanos primitivos donde se supone que se originó la vida.
El LEC se divide en líquido intersticial (que baña a las células y está fuera de los vasos sanguíneos) y el plasma sanguíneo.
En el hombre joven adulto el 60% del peso corporal es agua:
40% es LIC 20% es LEC (5% es plasma y 15% es líquido intersticial)
Hay un compartimiento llamado transcelular, que se diferencia del intersticial por estar separado por el plasma y una capa continua de células epiteliales.
el LCR el líquido pleural el líquido sinovial el humor acuoso del ojo el humor vítreo del ojo la saliva
A diferencia del líquido intersticial, tienen una composición especial, según sus funciones.
Cuando se analiza la composición de cada compartimiento se verifica que la composición de cada uno de ellos es diferente.
Plasma mEq/l
Intersticial mEq/l
Intracelular mEq/l
CATIONES
Na + 142 145 10
K + 4 4,1 159
Mg ++ 1 1 40
mEq/l totales 149,5 152,5 209
ANIONES
Cl 104 117 3
CO 3 H 24 27,1 7
Proteinatos 14 < 0,1 45
Otros 7,5 8,4 154
mEq/l totales 149,5 152,5 209
NO ELECTROLITOS mmol/l mmol/l mmol/l
Glucosa 4,7 5,0
Urea 5,6 6,0 6,0
Esquemas como este se conocen como IONOGRAMAS
Si las composiciones de los diferentes compartimientos se mantienen prácticamente constantes en el tiempo…
¿Quiere decir que están en equilibrio?
¡NO!
Las composiciones de los diferentes compartimientos se mantienen prácticamente constantes en el tiempo…
Porque las células están en estado estacionario.
Volvamos al camino del agua…
Si el agua y los solutos se mueven, es porque existe una fuerza impulsora.
Y esa fuerza impulsora aparece cuando existen gradientes.
¿Qué es un gradiente?
Es la variación de una magnitud (en este caso, concentración) en función de la distancia.
Existen 4 tipos básicos de gradientes:
Químico Eléctrico Electroquímico Osmótico
Gradiente químico
Ocurre cuando existe una diferencia de concentración.
El gradiente químico es el responsable de la difusión (ya que cuando existe una diferencia de concentración, la misma tiende a disiparse debido a choques al azar por la agitación térmica).
La ley que rige la difusión es la ley de Fick:
D x A x ΔC J =
ΔX
Donde D es el coeficiente de difusión del medio o de la membrana y da una idea de la resistencia que se opone al paso del soluto. A es el área que separa los compartimientos. ΔC es la diferencia de concentración entre compartimientos. ΔX es la distancia que separa los compartimientos
Análisis dimensional:
cm 2 s 1 cm 2 mol cm 3 = mol s 1
cm
Como D es una constante y ΔC también lo es, el cociente D/ ΔC es una nueva constante llamada coeficiente de permeabilidad (Ps) y se mide en unidades de velñocidad (cm s 1 ).
Por lo tanto la ley de Fick queda expresada como:
J = Ps x A x ΔC
¿En qué se parecen los seres humanos a una máquina de vapor?
Con la invención de la máquina de vapor surgió la Revolución Industrial y se desarrolló una rama de la física llamada Termodinámica.
La Termodinámica estudia la transferencia de calor y trabajo entre un sistema y su entorno.
La termodinámica descubrió leyes o principios que se aplican tanto a máquinas como a organismos vivos.
El hombre está compuesto, en un 6065%, por agua.
Desde el punto de vista fisicoquímico el hombre puede ser considerado una solución cuyo solvente es agua y cuyos solutos son las proteínas, la glucosa, la urea, el sodio, el cloruro, el potasio, etc., disueltos en ella.
Pero…
¿Qué relación hay entre un gas y una solución acuosa?
¿En qué se parece un gas a una solución diluida?
La respuesta se la debemos al holandés ganador del premio Nobel de Física del año 1901:
Jacobus Henricus van’t Hoff
¿Qué postuló van ‘t Hoff?
1 Las ecuaciones que describen el comportamiento de los gases suponen que éstos están formados por moléculas muy pequeñas comparadas con el espacio que las separa, y que la presión que ejerce un gas se debe al choque de sus moléculas contra las paredes que lo contienen.
2 ¿No es esto parecido al caso de una disolución muy diluida? En ella hay un conjunto de moléculas moviéndose aleatoriamente en un espacio que las separa que es mucho mayor que su propio tamaño.
3 Podrían entonces aplicarse las leyes de los gases perfectos a las concentraciones diluidas.
• Las Leyes Termodinámicas descubiertas en máquinas de vapor se pueden aplicar a soluciones diluidas.
• Las células contienen una solución de proteínas, glucosa, urea, sodio, cloruro, potasio, etc.
• Luego:
Las Leyes Termodinámicas se aplican a las células.
¿Para qué necesitan energía las células?
• 1 Para realizar trabajo de síntesis (cambios en enlaces químicos)
• 2 Para realizar trabajo mecánico (movimiento de la célula o sus partes)
• 3 Para realizar trabajo de concentración (movimiento de moléculas en contra de un gradiente de concentración)
• 4 Para generar calor (mantenimiento de temperatura corporal en omeotérmicos)
• 5 Para generar bioluminiscencia (producción de luz)
Potencial Químico
Si el soluto disipa su gradiente, se consume la energía asociada al trabajo de mover las partículas.
La energía libre (ΔG) consumida en la difusión se expresa como potencial químico (Δμ)
μ 1 – μ 2 = Δμ = R T Ln C 1 /C 2
Potencial Eléctrico
En este caso la fuerza impulsora es una diferencia de potencial eléctrico (ΔV).
Para el caso de gradientes eléctricos, la ley de Fick toma la siguiente forma:
J iónico = Pe x A x ΔV
El ΔV (Va – Vb) es la energía o trabajo que es necesario realizar para movilizar una carga desde a hasta b.
Δ E Joule ΔV = = = Volt
Q Coulomb
Por lo tanto ΔE = ΔV x Q
Si no es una carga sino un mol de cargas Q = F (96500 Coulombs) y como los iones pueden ser o no monovalentes debo agregar Z, por lo que queda:
ΔE = Z F ΔV
Gradiente Electroquímico
Resulta de considerar tanto el gradiente químico como el eléctrico, por lo tanto
Δμ = R T Ln C 1 /C 2
ΔE = Z F ΔV
Δμ + ΔE = R T Ln C 1 /C 2 + Z F ΔV
Hasta ahora se ha considerado el movimiento de solutos (por gradiente químico, eléctrico y electroquímico), pero ahora trataremos el movimiento del agua.
El agua se moviliza por ósmosis cuando:
1 existen dos compartimientos con distinta concentración de solutos y
2 los compartimientos están separados por una membrana semipermeable (es decir es permeable al agua pero impermeable a los solutos)
hipertónica hipotónica
membrana semipermeable
hipertónica hipotónica
membrana semipermeable
Comportamiento de dos disoluciones separadas
por una membrana semipermeable.
Presión osmótica
Como, de acuerdo con van ‘t Hoff, pueden aplicarse las leyes de los gases perfectos a las concentraciones diluidas:
n R T π =
V
Como n/V = M
Entonces π = M R T
A diferencia de las soluciones de moléculas con enlaces covalentes, las soluciones de moléculas con enlaces iónicos (electrolitos) generan en solución un número de partículas que no coincide con el número de moles, por lo tanto se debe agregar un coeficiente de van’t Hoff (i), que indica en cuántas partículas se disocia una molécula. Por lo tanto la fórmula quedará:
π = M i R T
Ahora bien, no todas las moléculas del electrolito se disocian (los electrolitos fuertes sí, pero los débiles no), por lo tanto debe agregarse el coeficiente osmótico (Φ) y la fórmula quedará:
π = M i R T Φ
Ya dijimos que el agua se moviliza por ósmosis cuando los compartimientos están separados por una membrana permeable al agua pero impermeable a los solutos). Pero, ¿qué ocurre cuando la membrana no es completamente impermeable a los solutos?
Ocurre que se dan al mismo tiempo la difusión y la ósmosis, de modo que el flujo osmótico será menor que el previsto y la presión osmótica efectiva será una fracción menor que la calculada.
Se define al coeficiente de reflexión de Staverman (σ) como:
π efectiva σ =
π calculada
Entonces…
¿Por qué entra agua al cuerpo cuando la bebemos?
Fin