03Transporte a Través de Membranas Biológicas

7/25/2019 03Transporte a Travs de Membranas Biolgicas

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Transporte a travs de Membranas Biolgicas.

Transcrito por: Maximiliano Aspe.

David Reyes.

Cuando hablamos de difusin de molculas y de iones en solucin tenemos

que pensar en las fuerzas que impulsan este movimiento. Estas fuerzas pueden

ser: gradientes de concentracin, el potencial elctrico y la presin, stas

determinan el movimiento de partculas en solucin; hay que destacar que en

condiciones biolgicas la presin es constante, as que no se considerar una

variable y se tomar en cuenta solamente el potencial elctricoy la gradiente de

concentracin .

Cundo van a operar ambas?, y Cundo va a operar slo una? Depende,

si la molcula est cargada necesariamente va a ser influenciada por un campo

elctrico, ahora si no tiene carga depender de la gradiente de concentracin.

Atencin con lo siguiente, en las molculas cargadas depender de la gradiente

de concentracin y del potencial elctrico. El gradiente siempre est, se considera

aunque su magnitud puede ser nula, los que no tienen carga no se vern

afectados por el potencial elctrico; ahora cuando tienen carga (iones), todas

estas estarn influencias por un potencial de campo, por lo tanto lo que mover a

esa molcula es su potencial elctrico y su gradiente de concentracin. Aunque

puede ser nula en magnitud alguna de ellas.

Cuando hablemos de difusin entonces, hablaremos (para molculas no

cargadas) de el movimiento desde un mayor potencial a un menor potencial.

Existen dos potenciales: el potencial qumico y el potencial elctrico, y en conjunto

se conocen como el potencial electroqumico.

La base molecular de la difusin consiste en el movimiento al azar debido a

choque entre ellas o molculas del solvente causada por la agitacin trmica.

Bsicamente el movimiento de difusin ms simple se debe a eso. Y en el caso de

la gradiente de concentracin se desprende que hay una mayor agitacin trmica

porque hay mas colisiones. A mayor concentracin habr una mayor colisin y

este sistema tendr un estado de alta energa y todos los sistemas tienden a

alcanzar su menor estado de energa, as que esa energa se para alcanzar ese

menor estado de energa y se disipa movindose y aumentado la entropa.


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El ejemplo tpico es que si uno pone en un vaso distintas partculas

coloreadas en este caso, en tiempo cero tendrn una distribucin discreta en la

solucin. Luego de 5 minutos las partculas empiezan en el territorio a mezclarse

aunque seguir habiendo una pequea localizacin de sus partculas pero ms

difusa y despus de 10 min es indistinguible.

En el caso del potencial de campo si tenemos una placa cargada

positivamente y tenemos iones con carga positiva y negativa, en un momento

inicial los iones negativos sern atrados a la placa positiva, es una atraccin de

iones, esto en trminos cinticos. Inmediatamente, ya que los iones negativos se

fueron a la placa positiva, los iones positivos tienden a moverse para seguir a los

iones negativos, su contra in. Pero luego habr una repulsin por la placa

positiva hacia los iones positivos, por lo tanto, en equilibrio habr distintas tipos de

fuerza que determinen el movimiento, por una parte las cargan positivas podranmoverse hacia el plano positivo por una cosa de difusin, pero por otra parte, al

mismo tiempo habr cargas que repelen a esa carga positiva, entonces tenemos

el componente de difusin alta y concentracin y est el componente elctrico que

determinen que se aleje. Lo mismo con las cargas negativas, va a habr un

componente elctrico y otro difusin que los alejar, esto ltimo ya que estas

cargas negativas que fueron atradas hacia la placa negativa producirn una

gradiente alta y eso determinara que se disipe el gradiente alejando algunos

cargas negativas de la placa. Finalmente, el movimiento neto ahora depender de

cual en magnitud energtica sea mayor si la elctrica o la de concentracin.


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Una gradiente, en trminos termodinmicos es un potencial. Se define

como el paso de una solucin con partculas muy juntas (concentradas) a una

condicin donde las partculas se dispersan, este proceso de disipacin

representa la disipacin de la gradiente.

Cuando pensamos en un estado inicial de partculas concentradas, en ese

punto tendremos un mayor potencial de tipo qumico, bsicamente hablamos de

un potencial qumico nos referimos a un potencial de concentracin y ese

potencial alcanza un estado final cuando el potencial de concentracin sea

mnimo y el proceso por el cual este potencial se disipa se conoce como una

gradiente. Esta ltima se define como un proceso dinmico dependiente del

tiempo, es una disipacin de potencial de manera discreta, gradual y es una

funcin logartmica donde su velocidad no es constante.

El potencial electroqumico, est dado por el componente qumico y el

componente elctrico. Quin ganar Coulomb o la difusin? Depender de la

magnitud numrica de cada uno. Se podra decir que va en contra la

termodinmica, pero no, energticamente el potencial elctrico manda y puede

provocar que las partculas se encuentren de esa forma, pueden estar muy

concentradas, si, pero en magnitud el potencial electroqumico depender

bsicamente del componente de campo elctrico.


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Por otro lado, la velocidad de difusin depender del dimetro de las

molculas o iones, su temperatura, si hay cargas, si tienen cargas y de su

gradiente. Estamos introduciendo un nuevo componente, adems del potencial

elctrico y el qumico, ahora estamos agregando dos nuevas variables en la

velocidad de difusin, porque la sta depende de la temperatura, pero en

condiciones biolgicas es relativamente constante, y tambin del dimetro de las

molculas o iones. Qu significa esto? Que para un mismo potencial elctrico y

un potencial de concentracin la velocidad depender del tamao de las

partculas, eso determina que hay iones que se movern ms rpidos de otros, su

difusin ser mayor. Las que avanzan ms rpido son las de menor dimetro.

Membranas

Dentro de sus funciones encontramos que su funcin bsica es ser un

lmite. Pero por otra parte, regulan el transporte controlado de metabolitos, control

de ingreso y de salida, un metabolito consiste en todo lo que participe en una ruta

metablica, no considera iones. Tambin tienen un rol importante en sealizacin,

en su superficie hay receptores (transducsomas) que desencadenan una

respuesta intracelular, adems existen reacciones enzimticas en su membrana

como la fosoforilacin oxidativa, la sntesis de prostaglandinas. Tienen roles

importantes en el contacto con otras clulas a travs de molculas de adhesin, y

de anclaje con protenas de superficie de membrana al citoesqueleto. Una clula

que pierde este tipo de interacciones es una clula transformada, y una clula

transformada puede llegar a ser una clula tumoral, estas son caractersticas delas clulas tumorales, pierden sus molculas de adhesin al citoesqueleto.


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Tenemos un lado exterior y un lado interior, por donde pasarn las

molculas de un lado a otro dependiendo de las fuerzas que los impulsen que

pueden ser los componentes elctricos o el de concentracin.

La ley de Fick, no considera la caga slo considera la gradiente de

concentracin y define como la velocidad de difusin de un soluto es directamente

proporcional al gradiente de concentracin. El flujo corresponde al nmero de

iones o molculas transportadas por unidad de tiempo a travs de una unidad de

rea. Tiene unidades de moles partido por segundo partido por alguna unidad de

rea.

J= P C

J= flujo

P= cte. De permeabilidad

C= concentracin

Cuando hablamos de difusin a travs de una membrana, es decir, la

difusin que ocurre al atravesar la membrana, en ese caso el flujo es igual a una

constante por el delta C y esa cte. P se conoce como la cte. de permeabilidad que

depende la membrana, propiedades de transporte de la membrana y el tamao del

soluto. El supuesto es que la disipacin de la gradiente es un modelo lineal. Qurefleja el coeficiente de permeabilidad? Si el flujo puede ser mayor o menor; en un

grfico ser representada por la pendiente, que puede llegar a ser cero. Puedo

tener una diferencia de concentracin enorme, muchos iones fuera y pocos dentro

de una misma partcula pero igual puede tomar el valor 0 y el valor mximo de 1.

Si el flujo es uno el flujo depender exclusivamente de la diferencia de

concentracin. Entonces los flujos variables dependern de la permeabilidad de la

membrana y de las vas de permeabilidad.

Entonces, cuando hablemos de permeabilidad (a

modo de recordatorio, sealando la imagen): esto esuna membrana sinttica, no hay protenas: es una

bicapa de fosfolpidos, que asemeja una bicapa de

una clula, qu significa eso, nios?

Gianella: Que depende de la naturaleza de la partcula

si difunden o no, a travs de la membrana.

Bicapa fosfolipdica: Cabezas polares

y colas apolares (anfipata).


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Depende de la naturaleza de la partcula su

difusin. Este monito muestra, entonces, que

partculas hidrofbicas como el oxgeno (O2),

el CO2, el nitrgeno (N2) o esteroides, por

ejemplo, molculas que son de naturaleza

hidrofbica, son altamente permeables. Por

qu el oxgeno (O2) ser altamente permeable,

o el CO2 molecular, o el nitrgeno (N2)

molecular? Porque NO TIENEN

ELECTRONEGATIVIDAD. Son molculas casi neutras, no tienen interacciones.

Desde el punto de vista qumico son inertes, son muy poco reactivas. Por lo tanto,

en general, los gases, desde el punto de vista de interacciones, son hidrofbicos.

Adems, totalmente permeables en bicapas lipdicas. Ahora, molculas pequeas,

polares pero sin carga, como el glicerol o la urea, son parcialmente difundibles.

Recuerden: estamos pensando en bicapas lipdicas, no hay protenas. Molculas,ahora de mayor peso molecular, polares sin carga, como la glucosa o la sacarosa,

son muy poco permeables.

Iones, como los protones (H+), el sodio

(Na+), el bicarbonato (HCO3-), el

potasio (K+), el calcio (Ca2+), el cloruro

(Cl-) y el magnesio (Mg2+), son

totalmente impermeables en bicapas

fosfolipdicas, porque tienen carga, al ser el seno de la capa totalmente

hidrofbico. El agua (H2O) es impermeable tambin, o muy poco permeable,virtualmente impermeable, tampoco atraviesa bicapas porque tiene un elevado

momento bipolar. El agua entra solamente si hay una protena: las acuaporinas.

Todas estas partculas que son de alto peso, que son cargadas o polares,

necesitan una va de permeabilidad extra, porque por la bicapa NO van a pasar, y

eso, es muy bueno, pues el ingreso va a ser sumamente selectivo. Dada su baja

permeabilidad a membranas, es regulado, y adems podemos mantener

gradientes electroqumicas, SIEMPRE, de manera permanente, y eso es muy

bueno. Esa es la base de cmo la mitocondria genera energa.

Movimiento de iones a travs de membranas semipermeables:

Si tenemos, lejos del equilibrio, dos compartimentos en un

vaso con una membrana

semipermeable y ponemos a

tiempo cero, moles de cierto

reactivo, en el equilibrio, se


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van a equilibrar. Por lo tanto, lo que gobierna el movimiento aqu es, slo,

gradiente de concentracin. Sin embargo, en el caso de molculas cargadas: si yo

pongo, a tiempo cero, un exceso de cargas positivas (compartimento izquierdo) a

este lado, y un exceso de cargas negativas (compartimento derecho) a este otro

lado, esto va a generar una diferencia de potencial: una acumulacin distinta,

en un lado respecto al otro, de cargas. Eso va a ocurrir antes del equilibrio. Por

otro lado, si se igualan las cargas en el equilibrio se llega a un potencial de

membrana igual a cero Se disipa la gradiente de potencial!

Julio: Por ejemplo, cuando hay diferencia de carga en la membrana, dicen

diferencia de potencial se asimila como un voltaje.

Si yo tengo una distribucin asimtrica de cargas, en un lado respecto al otro de la

membrana, eso genera una diferencia de potencial. Si pongo un electrodo aqu,

puedo medir la diferencia de potencial. Cmo se va alcanzar la diferencia de ese

potencial? A travs del movimiento de las cargas elctricas corriente elctrica.

Antes del equilibrio, tenemos una diferencia de potencial, y a tiempo cero se

disipa, el potencial es cero, para que lleguemos de un punto al otro, ocurre una

corriente elctrica. En otras palabras, la pila que hay aqu se est agotando, y

ese movimiento de cargas es una corriente elctrica.

Entonces, en el equilibrio, SIEMPRE, los potenciales se disipan, y es el estado de

menor energa. Cmo se podra mantener ese potencial, constantemente? Si la

membrana es permeable, NO HAY POTENCIAL. La nica posibilidad de que haya

potencial, es que haya una comunicacin respecto a los iones. Por ejemplo, si hay

una distribucin asimtrica de K+en ambos lados de la membrana, la nica forma

de que haya potencial es que la membrana sea permeable a K +. Si es

impermeable a K+, NO hay corriente de K+. Por lo tanto, el potencial no puede

depender de K+. Est implcito en la definicin: ES UN POTENCIAL. Si no fuera

permeable a K+, ese potencial puede disiparse?: NO, por lo tanto, no hay

potencial. La nica forma de que exista un potencial es que este lado sienta lo que

pasa en el otro, y eso se logra slo con una va de permeabilidad. Cmo

podemos mantener esta pila? Metiendo la energa, y existen protenas que

gastan de ella para poder hacerlo. El potencial est dado por la distribucin

asimtrica de potencial, dependiendo de la permeabilidad. Si la membrana, no espermeable, seran dos vasos independientes. Si no hay comunicacin, no existe

esa potencialidad de generar trabajo. El potencial depende slo de las cargas,

independiente de quin las porte.


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Tenemos una membrana que es permeable a H2O, totalmente, a Na+y a Cl-pero

no a A-. Tenemos esta membrana permeable, tenemos dos vasitos y ponemos

120 milimolar (mM) de KCl en un lado. En el equilibrio, qu va a pasar?: se van a

equilibrar, va a haber igual concentracin en ambos lados. Sin embargo, si yo

agrego, en un lado, A-pero que no es permeable en un lado. Este es el equilibrio:

60 mM de K+, 60 mM de Cl-, 60 de K+, 60 de Cl-, 60 de K+la misma condicin,

pero ahora a un lado agrego uno

de los iones permeables K+, pero

con su contra ion NO permeable,

por ejemplo, A- (protenas con

carga negativa), hay una diferencia

para equilibrar las cargas en ambos

lados. Sin embargo, si uno suma,

no dan la misma suma. Hay un

principio que establece que cadacompartimento debe ser

electroneutro (en un lado, debe haber la misma cantidad de cargas positivas y

negativas, y en este otro lado, tambin. No es lo mismo decir que debe haber las

mismas cargas en un lado y en otro [en un mismo compartimento, la suma total de

los iones debe ser igual positivo a los negativos]). En un lado se cumple y en el

otro no. Por qu? En otras palabras, al poner esta solucin, de 60 mM de K+, 60

mM de A-que no es permeable, a tiempo cero, en un lado de uno de los vasos

tengo 120 mM de K+, 60 mM de Cl- y 60 mM de A-, siendo estos ltimos

constantes al no ser permeables. Pero, hay un movimiento de cargas, al poner

ms K+en uno de los lados. El sistema es electroneutro en cada compartimento,pero cmo es la gradiente de concentracin, respecto al K+? Hay una gradiente

en el equilibrio, porque hay ms en un lado que en el otro. Para Cl-, es inversa a la

del K+; para A-, se indefine, porque no hay nada en el otro compartimento (al ser

impermeable). Como hubo un movimiento de cargas para compensar el anin NO

permeable, inmediatamente hubo un movimiento de agua desde el compartimento

que no tiene el anin impermeable, hacia el que lo tiene. Esto, se conoce como

Equilibrio Donnan o Gibbs-Donnan: el producto de las concentraciones de

los iones permeables (en este caso, las de K+ y Cl-)de un compartimento, es

igual al producto de las concentraciones de ambos en el otro

compartimento. Compartimentos separados por una membrana

semipermeable.

Esto pasa en el equilibrio. Como se mueven iones, tambin se mueve H2O por

osmosis. Por lo tanto, qu consecuencia tendra que una clula alcance el

Equilibrio Donnan? El flujo de H2O, segn Donnan es desde afuera hacia adentro.

Por lo tanto, si en una clula operara el equilibrio Donnan, si la concentracin,


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adems, de aniones (protenas de alto peso que impermeables) fuera muy alta, la

clula se hincha y se va a reventar. Producto del equilibrio Donnan, asociado a

esta distribucin asimtrica de iones, que sin embargo, el producto de los iones

permeables es constante (eso establece el equilibrio Donnan), va a generar un

movimiento de H2O, por osmosis, debido al movimiento de los iones. En las

membranas celulares son permeables a agua y a iones, pero NO a protenas de

alto peso molecular. Las clulas huyen del equilibrio, pues es el estado de menor

energa (muerte celular). Mxima entropa alcanzada por una clula se genera por

una desintegracin de todos sus componentes en el espacio (desde el punto de

vista terico). El equilibrio termodinmico es sinnimo de muerte. Los sistemas

biolgicos usan energa para huir del equilibrio, para NO estar en equilibrio,

porque el equilibrio ES muerte. Entonces, la clula debe tener un mecanismo que

contrarreste Donnan. Cmo la clula vence el equilibrio electroqumico?

Concentraciones inicas

tpi cas den tro y fu era de unaclu la, dependiendo el tipocelular puede variar un poco,pero eso es ms o menos loque se mantiene relativamenteconstante. De esto dependenlos potenciales de membrana.Todo esto es en una clula en reposo. Todas lasclulas tienen potencial de membrana TODAS!Lo que pasa es que unas son excitables y otras no son excitables.Concentraciones asimtricas de Na+y K+, tanto dentro como fuera de la clula.

Fabin: En ningn caso hay cero en uno de los dos lados? Porque las clulas

huyen del equilibrio de Donnan, no?

Pero ojo, nunca habra cero. Cundo habra cero? Si no estuviera el ion,

virtualmente, a menos que cundo habra cero, por ejemplo? Piensen en K+,

dentro y fuera de una clula. Tenemos una clula, negativa adentro, porque tiene

iones impermeables negativos. En qu condiciones habra cero K+afuera y 140

mM adentro? La membrana es totalmente permeable Vanlo del punto de vista

energtico qu condicin particular se da cuando hay cero K

+

y 140 mM en unaclula negativa dentro? Cuando el potencial elctrico es mucho mayor, cuando el

potencial de atraccin al intra es mucho mayor, dependiendo de la magnitud. En

otras palabras, esa situacin hipottica de cero K+ afuera y todo dentro, puede

ocurrir si el potencial elctrico fuera mayor para que el K+ entre, atraiga el K+

adentro, mayor que la gradiente de concentracin slo en ese caso!

In [Intracelular]mM [Extracelular]mM

Na+ 10 145

K+ 159 4.1

Cl- 3 113

H+ 0.0001 0.00004

Ca+ 0.0001 2.4

Esta tabla, es como La Biblia

para Fisiologa*


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Estos nmeros (los de la tabla) son re mal ejemplo porque detrs de todo esto hay

energa que est alterando para escapar del

equilibrio, bsicamente Donnan, que es el que ms

impacta en la clula. Y cmo lo hace la clula? A

travs de una protena llamada Bomba Na+/K+

ATPasa, la cual es responsable de generar una

distribucin asimtrica de Na+y K+, contragradiente.

De hecho, lo que hace es sacar Na+,

contragradiente, habiendo ms Na+afuera, sacando

3 Na+ y metiendo 2 K+. Por qu es una bomba?

Porque est sacando Na+, dnde hay ms Na+?

Afuera, y mucho ms, o sea, lo est sacando contra

su gradiente de concentracin y elctrica, contra su

gradiente electroqumica totalmente, porque por carga el Na+ debera estar

adentro, si la clula es negativa en su interior. Pero, adems hay mucho ms Na

+

.En otras palabras, lo est sacando contra su gradiente elctrica y lo est sacando

contra su gradiente de potencial qumico. Y con el K+ qu est haciendo? Lo que

hace esta Bomba es meter 2 K+, por lo tanto, lo est concentrando dentro de la

clula, metindolo contra su gradiente de potencial y a favor de su gradiente

elctrico, (recuerden que la clula es negativa y estoy metiendo una carga

positiva, o sea, est favorecido por su componente de campo, pero, de todas

maneras est metindolo contragradiente). Con el Na+es distinto, porque lo est

sacando contragradiente de concentracin, pero adems contragradiente de

potencial elctrico. Porque, el interior es negativo. Adems, tengo que vencer la

fuerza de atraccin de carga para sacar el Na+.

La gracia de la Bomba Na+/K+ ATPasa es que se define como una bomba

electrognica, qu significa electrognica? Que genera corriente neta: si saca 3

cargas y mete 2, la diferencia es que neta hay 1 carga, y de hecho, lo que hace la

Bomba Na+/K+, es que por cada ciclo de transporte de una protena Na+/K+

ATPasa genera, aproximadamente, -3mV de corriente. Y ese movimiento que

permite, finalmente, esta distribucin asimtrica de cargas es lo que hace que NO

alcancemos el equilibrio Donnan, gracias a la Bomba Na+/K+ATPasa. Y como el

nombre lo dice, es una Bomba, gasta ATP directamente. La bomba saca cargas, y

si saca cargas, arrastra H2O, y el efecto neto es que est sacando cargas haciaafuera, por lo tanto, el efecto neto es que se mueve H2O, por arrastre, hacia

afuera.

Consecuencia de esto:

Mantener un potencial de membrana, relativamente constante. Pero, el efecto

neto, es que est sacando cargas, y al sacar cargas, se arrastra H2O, de dentro.


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Donnan qu dice? Que entra H2O, y eso contrarresta el movimiento osmtico de

H2O.

Ejemplo:

(Bueno, esto lo van a ver en farmacologa)

La ouabaina, es un frmaco que se conoce

como digitlico, tambin, porque proviene

de una planta que se llama digitalis prpura, y

lo que hace es inhibir la Bomba Na+/K+

ATPasa, no totalmente, pues si la inhibe

totalmente, qu le pasa a la clula? Muere

por hidrlisis, por ingreso de H2O. Este

frmaco se usa en enfermedades cardacas

para bajar la fuerza de contraccin de la

Bomba del corazn, por ejemplo, enhipertrofias cardacas izquierdas, por hipertensin. Por qu ser? Cul ser el

mecanismo de accin de la ouabaina y por qu disminuye la fuerza contrctil de la

fibra cardaca? Hay un in importante que es el que entra, del que dependen la

contraccin de todos los msculos, del Ca2+. Si inhibimos parcialmente la Bomba

Na+/K+ ATPasa, qu le va a pasar a la clula, como efecto neto? Va a entrar

H2O, pero no lo suficiente para que la clula se reviente, y ese ingreso qu

provocar? Dilucin del medio intracelular. Por lo tanto, cuando aumente el Ca2+,

concentracin la cual est muy regulada, habr menos disponibilidad de l para la

maquinaria contrctil, y eso disminuye el inotropismo (qu tan fuerte es la

contraccin). Por eso se utiliza ouabaina. Lo bonito es que es natural, es un

alcaloide vegetal, y se sigue utilizando en cardiologa. Y eso es una consecuencia,

entonces: inhibir parcial, entra un poco de H2O, hay menor concentracin de

TODO, incluido Ca2+. Entonces, cuando llega una seal de contraccin hay menos

Ca2+y la clula siente menos Ca2+de lo que hay y se contrae menos fuerte, no es

que no se contraiga/ inotropismo/ fuerza de contraccin. Una sobredosis de

ouabaina es DONNAN!

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