biofisica-1 - Nestoriano

MECANISMOS DISIPATIVOS Y SUS
FUERZAS IMPULSORAS
Bibliografía
• Temas de Biofísica
– Mario Parisi
– Capítulo 3: Los Grandes Mecanismos
Disipativos y sus Fuerzas Impulsoras
Gradiente
Variación de una “cierta cantidad” en función de la
distancia
x
x
A
B
[C]-[B]
C
D
 [D]-[C]
E
Gradiente
•
•
•
•
Gradiente Químico
Gradiente Eléctrico
Gradiente Electroquímico
Gradiente Osmótico
Gradiente Químico
Variación de concentración…
Agua
Gota
colorante
Cuando entre dos puntos de un sistema
existe una variación de concentración, esta
tiende a disiparse.
Gradiente Químico
Difusión…
• Diferencia de Concentración
• Movimiento al azar
• Movimiento espontáneo
–
G < 0
Fuerza Impulsora: Agitación Térmica
Movimiento “cinético” de las partículas
debido a su energía interna.
Gradiente Químico
Membranas…
• Permeables
• Semipermeables
• Impermeables
Coeficiente de
Staverman (S)
a soluto  s = 0
a soluto  s = 1
Pe
S
Pc
OsM e
S
OsM c
Glucosa 100 mM
Glucosa 100 mM
Difusión: Movimiento de
una partícula de un
lugar a otro debido a la
existencia de una F. I:
Agitación Térmica
Glucosa 100 mM
Flujo: J=J
Gradiente Químico
Flujo...
Cantidad de “algo” que atraviesa
determinada en la unidad de tiempo.
un
área
• Flujo Unidireccional
• Flujo Neto: paso de soluto desde el lugar de
mayor concentración hacia el de menor
concentración
dA
J
dt
 Kg m C 
 ; ; ,...
 s s s 
3
Glucosa 100mM
Glucosa 200mM
J1
J2
J1
J2
Jt
Jt=J2-J1
Ley de Fick
Establece los factores que están relacionados con la
magnitud del flujo neto de difusión.
C
Jα
x
c1
c2
C
J  DA
x
C1  C2
J  DA
x
KT
D
6a
d
Ley de Fick
D
A
C
x
J
C1  C2
J  DA
x
Coeficiente de Difusión [cm2/s]
Área [cm2]
Variación de la concentración [mol/cm3]
Distancia [m]
Flujo [mol/s]
[mol/s.cm2]
C1  C2
J  Dm A
x
Dm: Coeficiente de Difusión
para una membrana
Dm
= Ps
x
J Ps AC
Difusión y Potencial Químico
• La disipación de un gradiente libera una
cierta energia.
• El potencial quimico expresa la energia
libre asociada al gradiente quimico,
disponible para realizar un trabajo.
• Soluciones diluidas  gas ideal
R
TlnC
o
Difusión y Potencial Químico
R
TlnC
o
: Potencial Químico para un soluto en solución
o: Potencial de Referencia
R: Constante de los gases
T: Temperatura Absoluta
C: Concentración
Diferencia de Potencial
Químico
C1
  RT ln
C2
Forma medible de expresar la Energía Libre de Gibbs
Gradiente Eléctrico
Concepto...
• Potencial de
Membrana
• Contracción Muscular
• Impulso Nervioso, etc
NaCl 100 mM
Variación o distribución de cargas en
función de la distancia
Gradiente Eléctrico
Flujo Eléctrico...
V
Jion  V Jion=PeAV
-
+
NaCl 100 mM
Cl Na
Pe Coeficiente de
Permeabilidad eléctrica
del ión en la membrana
Flujo eléctrico:
Cantidad de carga que
atraviesa la membrana
en un tiempo
determinado.
Gradiente Eléctrico
F. Impulsora: Diferencia de Potencial (V)...
Función que define cuánta energía se le debe
asociar a una carga para desplazarla.
Energía disponible para realizar un trabajo
We = Ue = qV
Ej: 1 mol de cargas monovalentes
Valencia = 1
Equivalente eléctrico = # moles. i
Equivalente eléctrico = 1 mol. 1
Equivalene eléctrico = 1
Gradiente Eléctrico
F. Impulsora: Diferencia de Potencial (V)...
La carga en coulombs de un equivalente es la Constante
de Faraday F (Medida Experimentalmente)
F = 96500 C/mol
Ue qV
Ue FV
Caso General
Ue zFV
Donde z: Valencia
Gradiente Electroquímico
EL soluto tiene carga neta....
El transporte de soluto se ve influído tanto por la
gradiente de concentración como por el gradiente
eléctrico a través de la membrana
Ejemplo: El potencial de membrana
Extra C
+
[Na ]
140mEq/l
+
Intra C
[Na+]
14mEq/l
-
Potencial electroquímico favorable para entrar
Potencial Electroquímico
Potencial Químico
μ  μ  RTlnC
o
Potencial Eléctrico
U e  zFV
Potencial Electroquímico
μ  μ  RTlnC  zFV
o
Energía Libre de Gibbs
C1
G  RT ln
 zFV
C2
Gradiente osmótico:
ósmosis
• Se genera un gradiente osmótico entre dos
soluciones, separadas por una membrana cuando
existe una diferencia de osmolaridad (OsM).
Sacarosa 100 mM
Agua
Gradiente osmótico: ósmosis
Sistema de Regulación....
P
• Diferencia de Osmolaridad
• Diferencia de P.Hidrostática
 P equilibrio
 P menor
 P mayor
Sacarosa 100 mM
Agua
Presión osmótica
Presión de equilibrio....
•
•
•
Diferencia de presión que debe existir entre la
solución y su solvente puro para que este no pase
(en ningún sentido) a través de la membrana.
Propiedad inherente a toda solución
Osmómetro
–
Ej: Presión osmótica del plasma  7 atmósferas
Soluto: Comportamiento según el modelo de
Gas Ideal
n
  RT
V
  MRT
[] = atmósferas
  MiRT
Gradiente osmótico: ósmosis
Ejemplo....
•
Es necesaria una presión de 22,4 atm para impedir el
paso neto de agua a través de una membrana
osmótica, desde un compartimiento de agua pura
hacia otro con una solución.
Presión Osmótica de una solución 1 Molar a 0ºC
π  M RT
mol
atm.l
π 1
x 0.082
x 273K
l
mol.K
π  22.4 atm
Propiedades Coligativas
Agua pura a nivel del mar ...
• Congelamiento a 0°C
• Ebullición a 100°C
• Presión de vapor 47mmHg a 37°C
¿ Qué pasa si se agrega un soluto ?
Congelamiento: Menor 0°C: Descenso Crioscópico
Ebullición: Mayor 100°C: Ascenso Ebulloscópico
Presión de vapor: Menor 47mmHg a 37°C:
Descenso de la presión de vapor
Descenso Crioscópico
Tc,ag-Tc,sol=Tc=Kc*M
Kc= 186 K.l/mol
T1
T2
Ascenso Ebulloscópico
Te,sol-Te,ag=Te=Ke*M
Ke = 0.512 Kl/mol
Descenso en la Presión de Vapor
Pv = Pvi-Pvf
Presión a la cual debe estar sometido el sistema para
que el estado líquido y el estado gaseoso coexistan a
una determinada temperatura.
Te  K e M
Tc  K c M
PV  PVi  PVf
π  MRT
Número de Partículas de
soluto en solución por
unidad de volumen
Si el soluto es cargado...
i: valencia