Membrana Celular y Transporte: Ley de Fick

La membrana es una bicapa lipídica, los lípidos son mayormente fosfolípidos anfipáticos.
Otro componente estructural importante es la presencia de proteínas, principalmente las
integrales de membrana.
Las proteínas de la membrana pueden ser:
Periféricas: asociada a una u otra cara de la membrana
Integrales: incluídas en la bicapa o transmembrana, permiten la permeabilidad de solutos en
la bicapa.
Esta estructura se llama modelo de mosaico fluido. Fue descrita en los 60´s
El nombre de mosaico fluido es porque el estado de los lípidos es fluido y permite el
desplazamiento de las proteínas en la membrana, a no ser que la misma esté fijada al
citoesqueleto.
La membrana es el límite físico de la célula, por tanto la entrada de nutrientes y la salida de
productos metabólicos así como secreciones celulares, todos pasan por la membrana.
Hay procesos de transporte intermembrana que implican cantidades importantes de
solución intra o extracelular por mecanismos como exocitosis, fagocitosis o endocitosis.
Todos son procesos globales, donde la membrana engloba una cantidad importante del
volumen de soluciones con productos a transportar.
Pero vamos a estudiar solo el transporte de moléculas únicas a través de la membrana.
Este transporte depende de la interacción entre la molécula transportada y la membrana,
fundamentalmente el lípido.
La facilidad con la que los solutos pueden atravesar la membrana depende principalmente
de su solubilidad en lípidos.
Cuando más soluble en lípidos sea, más fácil le será difundir en la membrana.
Hay muchos solutos en los cuales la solubilidad en lípidos es muy baja pero aún así se
difunden en la membrana fácilmente.
Hay otros factores que determinan el pasaje en la membrana.
Determinando la solubilidad en lípidos está la carga eléctrica en el soluto: puede ser una
carga neta real o una carga inducida.
Cuanto más cargado el soluto, menos soluble en lípidos va a ser. Para solutos solubles en
lípidos su tamaño será otro determinante ya que de eso dependerá su velocidad también.
Clasificación según la permeabilidad:
-Impermeable
-Semipermeable: dejan pasar el solvente pero no el soluto.
-Permeable: la membrana es permeable.
No todos los solutos pasan con la misma facilidad por eso decimos que la membrana tiene
permeabilidad selectiva, prefiere algunos por sobre otros.
Vamos a introducir una ecuación que representa un tipo de transporte llamado difusión, la
misma es un proceso de transporte de materia, que ocurre como resultado a la diferencia de
concentración de materia entre dos regiones en el espacio de la molécula que se transporta.
Transporte de una materia donde está más concentrada a donde está menos concentrada.
La difusión se puede dar en un límite físico real como la membrana pero también puede
ocurrir en un medio continuo.
La ley que regula este proceso se llama Ley de Fick:
plantea el transporte de materia a través de una superficie.
Caracteriza la intensidad de ese transporte por una magnitud llamada densidad de flujo.
La densidad de flujo es la cantidad de masa transportada a través de esa superficie en la
unidad de tiempo y por unidad de superficie.
Por tanto tiene unidades de masa/tiempo/longitud al cuadrado.
La primera ley de Fick dice que la densidad de flujo es directamente proporcional a cuán
empinada es esa diferencia de concentración en función de la distancia.
Dependerá entonces del cociente entre la diferencia de concentración y la distancia en la
cual se establece esa diferencia de concentración.
La ecuación dice que la densidad de flujo= cte D x la diferencia de concentración (C1 C2)/distancia delta equis (que corresponde a donde se establece esa diferencia de
concentración, esa región).
La difusión sabemos que va desde donde está más concentrado a donde está menos
concentrado, la ecuación nos dice que no es importante sólo la diferencia de concentración
sino que también el cociente entre la diferencia de concentración y la distancia en la que
que esta se establece.
Y la cte. D se llama coeficiente de difusión es la cte de la relación entre la densidad de flujo
y la diferencia de concentración.
El cociente de esta ecuación recibe el nombre de gradiente de concentración y tiene como
unidad masa/longitud a la cuarta.
Por eso el coeficiente de difusión tendrá unidades de longitud al cuadrado/tiempo.
El símbolo de menos viene de que el cociente llamado gradiente de concentración a medida
que delta x se acerca a 0, ese cociente tiende a ser la pendiente de la gráfica de distancia
para una posición dada.
El signo de menos dice que el flujo será positivo si la derivada es negativa y viceversa.
Tomamos el flujo positivo si ocurre en la dirección positiva del espacio.
Si C1 es mayor que C2 la concentración cae, la derivada es negativa, pero el flujo es
positivo.
Si ponemos una cierta cantidad de materia en cierto volumen de solvente en una posición
dada, a medida que esa masa se disuelve tengo diferentes concentraciones por el resultado
del proceso de difusión.
A medida que me muevo en el sentido positivo en el eje x vemos que tenemos una derivada
positiva en el pico, y luego una derivada negativa en la parte más baja.
En el máximo de concentración (pico) la derivada es 0 y el flujo también.
DIFUSIÓN:
Cuando la tinta tiñe el agua se debe a que ocurre como resultado del movimiento térmico al
azar del soluto en el solvente.
Ese proceso al azar, hace que todo se mezcle.
El flujo de donde hay más a donde hay menos depende de la probabilidad.
A pesar de que todo ocurre parece que ocurre por acción de una fuerza de donde está más
concentrada a donde está menos concentrada, en realidad hay un movimiento al azar y la
fuerza que puede surgir es de la interacción de las partículas pero no hay uan fuerza sobre
ellas. Eso se comprendió observando un fenómeno clásico que es el movimiento browniano
que es el movimiento al azar de las partículas en suspensión en un líquido de las moléculas
del líquido.
Las partículas de polen se mueven de esta forma y así fue su experimento.
En esta imagen vemos una trayectoria de una partícula browniana observada a intervalos
regulares de tiempo, la trayectoria es desordenada en dirección, sentido y longitud de
trayectoria en cierto período de tiempo no es siempre la misma.
Si observamos cada uno de estos trayectos detectados en el intervalo de tiempo de
observación, y si lo observamos con mayor resolución temporal, el sistema es autosimilar.
Si observamos el trayecto de A a B en un minuto y en una hora es la misma trayectoria al
azar, desordenada, impredecible. Y esa es la causa difusión
El efecto de la difusión es igualar la concentración en todo el volumen accesible.
En este ejemplo, a tiempo 0 se coloca toda la masa en ese plano intensamente coloreado y
se estudia la difusión en la cubeta.
La difusión se da en una dimensión, a medida que se difunde la concentración en la
posición inicial llamemos x=0.
Empieza a haber mayores concentraciones en regiones contiguas tal que si hacemos la
gráfica de la concentración medida en función de la distancia es muy simétrico y con forma
de campana que se va achatando a medida que pasa el tiempo. El ancho de la campana
aumenta, y si le damos tiempo terminará toda la concentración homogénea y baja en la
cubeta.
La gráfica en forma de campana representa la curva de Gauss, esa ecuación de la
distribución normal.
Graficamos superpuestas las curvas obtenidas a diferentes tiempos y la solución de la ley
de Fick más la Ley de conservación de masas da como colusión en función de la distancia
esta función normal centrada en x=0. Y la varianza de esa función normal es una función
lineal del tiempo donde el factor de proporcionalidad es dos veces la cte. de difusión de
manera que el desvío estándar es una función raíz cuadrada del tiempo.
No es casual que en un proceso probabilístico aparezca como solución de las ecuaciones
de difusión la distribución normal.
Einstein hizo un procedimiento llamado marcha aleatoria y el resultado que se obtiene es
igual al uso de la ecuación de la ley de Fick + el principio de conservación de masas.
El transporte a través de la membrana celular con la Ley de Fick:
La densidad de flujo (M) tiene dimensiones de masa x unidad de superficie x unidad de
tiempo.
Masa:moles
Unidad de longitud: cm
Unidad de superficie: cm al cuadrado.
El gradiente tiene dimensiones de concentración molar x unidad de longitud.
Gradiente: moles x cm a la cuarta.
Resolviendo la ecuación dimensional, las unidades del coeficiente de difusión será:
cm al cuadrado/segundos.
En el caso de una membrana celular, con dimensiones espaciales, donde el espesor de la
membrana es muy pequeño (50nm), rápidamente la sustancia que difunde en la membrana
lo hará en estado estacionario, y la función de concentración versus distancia en el espesor
de la membrana será una expresión lineal. O sea, el gradiente a través de la membrana es
cte porque la membrana es el espacio limitante en la difusión por tanto el compartimiento
intra y extracelular tendrá una concentración homogénea aunque distintas entre ellos, y esa
diferencia de concentración se establece en el espesor de la membrana.
Nuestra ley de Fick se simplifica porque la derivada es cte, para calcularla tomamos la
diferencia de concentración de los compartimientos y dividirlo entre el espesor de la
membrana.
Delta es el espesor de la membrana (𝛿)
Ce: Concentración externa
Ci: Concentración interna.
D: coeficiente de difusión del soluto en cuestión en la membrana,
Como el -D, es más facil multiplicar la ecuación x-1 y nos queda Ci-Ce.
Tomamos como 0 del eje longitud el extremo interno de la membrana ay el flujo es positivo
si es de dentro a afuera, y negativo si es de afuera a adentro,
Delta es una cte, por tanto podría escribir la ecuación de manera más sencilla si definiera
otra cte a la cual llamaré coeficiente de permeabilidad (P), como el cociente del coeficiente
de difusión y el espesor de la membrana.
Todo lo cte lo englobo en un mismo factor y me va a quedar que:
M (densidad de flujo)= permeabilidad x diferencia de concentración.
La ecuación de permeabilidad me permite medir el coeficiente de permeabilidad de la
membrana.
Medimos la propiedad de permeabilidad por una magnitud llamada coeficiente de
permeabilidad de la membrana y eso tiene una definición operativa que será igual a:
cociente entre la densidad de flujo y la diferencia de concentración.
Así queda la Ley de Fick
M(densidad de flujo)= Permeabilidad. delta C (variación de concentración).
Un soluto que se transporte a través de la membrana obedeciendo a la Ley de Fick se
transporta por difusión simple.
La difusión simple se caracteriza porque la densidad de flujo es directamente proporcional a
la diferencia de concentración.
En el ejemplo de la imagen vemos dos solutos donde el coeficiente de permeabilidad de A
es menor que el de B, B amarillo A en rojo.
La pendiente de A es menos inclinada que B, ya que la pendiente de la recta es el
coeficiente de permeabilidad.
Como la membrana tiene mayor permeabilidad para B, para la misma diferencia de
concentración, la densidad de flujo de B será mayor que la de A. Directamente proporcional
al coeficiente de permeabilidad.
Para que el soluto difunda en la membrana debe disolverse en la misma, la disolución en la
membrana es un paso necesario, porque en función de cuán soluble sea el soluto en el
medio de la membrana (bicapa lipídica), la concentración del soluto es mayor o menor a la
concentración en al solución de origen dependiendo si es más o menos soluble en el lípido
que en agua. Esa propiedad, la solubilidad relativa en lípidos respecto a agua, se maneja
por un coeficiente llamado: coeficiente de partición. Y el que nos interesa es el coeficiente
de partición lípido-agua. Ya que los solutos que difunden en los lípidos son todos acuosos.
Ese coeficiente de partición es el cociente entre la concentración en el compartimiento de
origen x el coeficiente de partición, esto me da la concentración en la cara de la membrana
que enfrenta ese compartimiento.
Por así decir, el coeficiente de partición es el cociente entre la concentración en la
membrana y la concentración en el compartimiento acuoso de origen.
El soluto puede ser igualmente soluble en lípidos y en agua y el coeficiente de partición va a
valer 1.
El soluto puede ser más soluble en lípidos que en agua por tanto el coeficiente de partición
va a ser mayor a 1.
El soluto puede ser menos soluble en lípidos que en agua por tanto el coeficiente de
partición va a ser menor a 1. Y la concentración en la membrana va a ser menor que la
concentración en el compartimiento.
El coeficiente de partición tiene un papel muy importante en la fuerza impulsora de la
difusión.
Hay que tener en cuenta ele efecto de la solubilidad para determinar la intensidad del flujo.
Como el coeficiente de partición es una cte lo vamos a englobar en la permeabilidad.
La Permeabilidad = coeficiente de difusión x coeficiente de partición/ espesor de la
membrana.
El coeficiente de partición no tiene unidades por tanto no va a cambiar las unidades al
coeficiente de permeabilidad.
Considerar la solubilidad no modifica las unidades de la permeabilidad.
La difusión simple se aplica solo a solutos que pasan por la bicapa lipídica.
Coeficiente de difusión= D.R.T (D es una cte de movilidad x cte universal de los gases x la T
absoluta)
-El movimiento térmico que es la base de la difusión depende de la T, y aumenta
proporcionalmente a la T absoluta
-Hay un factor llamado movilidad que va a depender del tamaño de la molécula (cuanto más
grande, mayor será el rozamiento y la movilidad es menor, por tanto el tamaño tiene que ver
con el peso molecular), cuanto mayor peso molecular mayor tamaño y la movilidad es
menor para moléculas más pesadas.
Sustituyendo todos estos conceptos nos queda la ecuación final de permeabilidad.
El coeficiente de permeabilidad es cte, si la T absoluta es cte.
Tenemos es especificar la T.
Existen solutos que cruzan la membrana con facilidad que la esperable dado su solubilidad
en lípidos, lo que nos lleva a plantearnos de que hay algún camino alternativo para cruzar la
membrana que no sea la bicapa.
La membrana tiene poros (discontinuidades), que permite que una sustancia que no se
disuelve en la bicapa, pueda pasar por un camino no lipídico.
Estos poros se deben a proteínas integrales que cruzan la membrana, la proteína constituye
la pared de un camino más o menos acuoso, ya que el soluto se va a sentir como si
estuviera en agua, en algunas partes de ese camino si es agua, y otras no.
El soluto estará en una situación energéticamente parecida al agua.
Podemos plantear la Ley de Fick para una membrana con poros:
Dado que relacionamos la densidad de flujo con el área total de la membrana, escribimos
una ecuación donde el cociente de difusión, suponiendo que los poros son acuosos,
usamos el el cociente de difusión del agua.
El gradiente de concentración se establece entre los extremos del poro/ delta (que será el
largo del poro).
Y también aparece un factor que podemos tomarlo como probabilidad, que es la relación
entre el área de membrana (área de un poro x la cantidad de poros)/ el área total de
membrana.
Los poros son lugares discretos (separados)y hay muchos poros, y eso me sugiere que la
dependencia con la concentración del flujo no es lineal en todo el rango de concentración.
Porque si tengo todos todos los poros ocupados pasando soluto puedo asociarlo con una
saturación del flujo .
La difusión a través de poros, si bien puede aproximarse con la Ley de Fick, no
necesariamente se cumple en todo el rango de concentración.
En el caso de la difusión simple a través de la bicapa si se cumple en todo el rango de
concentración.
Hasta ahora hemos visto el transporte de solutos a través de la membrana.
Movimiento del solvente: o sea, cómo el agua cruza la membrana celular
Esto implica dos factores:
-La fuerza que determina el flujo neto
-Mecanismo por el cual el agua cruza la membrana celular.
La causa del movimiento de agua:
presión osmótica: tiene que ver con la capacidad de captar agua por una solución.
para soluciones diluidas (no concentradas), bastante menos que 1M, obedece a una
ecuación llamada Ley de Van´t Hoff, que dice que la presión osmótica (𝝅) es = al producto
de: R.T.C
R.T: energía térmica por mol
C: concentración molar de partículas en solución.
No hablamos de la concentración de una especie química en particular sino de la
concentración molar de todas las partículas en solución.
Si pongo un soluto que no se disocia (ej: glucosa), pongo 1 mol de glucosa o 100mM, en 1
litro de agua y tengo una concentración 1M o 100mM.
Puedo pensar que todo lo que puse se va a disolver, esa solución tiene una molaridad de
100mM y una osmolaridad numéricamente igual.
Si tenemos un soluto que se disocia (ej: cloruro de sodio), pasa a la solución, la molécula se
separa en anión cloruro y catión sodio.
Por cada mol de cloruro de sodio, tengo un mol de sodio y otro de cloruro por tanto la
osmolaridad será el doble de la molaridad porque la disociación me da dos moléculas.
Por eso es importante conocer la estequiometría de la unión de la molécula que se disuelve.
Si la T no cambia, es cte. Cuando nos referimos a la osmolaridad o a la presión osmótica
hay una relación biunívoca.
Si cambio la T, habrá otra presión osmótica que corresponde a esa T.
Determinando el equilibrio del agua entre dos compartimientos, además será importante el
efecto de la presión hidrostática. Que es la presión debida al efecto de la gravedad sobre la
columna de líquidos en los dos compartimientos.
Si tengo dos compartimientos vinculados a través de una membrana que permite el pasaje
de agua, y tengo que la altura de la columna líquida del compartimiento 1 es mayor que la
altura de la columna líquida del compartimiento 2, tendré un flujo neto de agua de 1 a 2,
porque la presión hidrostática será mayor en el compartimiento 1. Hasta que las dos alturas
se igualen, ahí las dos presiones hidrostáticas se igualan y no hay ninguna fuerza neta que
haya un flujo de agua de un compartimiento al otro.
Si suponemos que no tenemos gravedad:
Tenemos dos soluciones con diferente osmolaridad (por ende, distinta presión osmótica), a
la misma T.
En una tenemos muchas partículas en solución y en la otra tenemos menos partículas en
solución.
Se observa que el agua pasa desde donde la osmolaridad y presión osmótica es menor a
donde la osmolaridad es mayor.
El volumen de agua que va a pasar va a ser tal que al final ambas soluciones tienen la
misma osmolaridad. La misma concentración de partículas en solución.
El flujo de agua tiene dos componentes:
-Debido a la diferencia de presión hidrostática entre dos compartimientos que va a hacer
que el agua pase desde donde la presión hidrostática es mayor a donde es menor hasta
que ambas se igualen.
-La diferencia de presión osmótica o de concentración de solutos: determina que el agua
pasa desde donde la concentración de solutos es menor (presión osmótica menor) a donde
es mayor.
Donde la concentración de soluto es menor, la concentración de agua es mayor.
Si pensamos que el potencial químico del agua va a depender de alguna función de la
concentración del agua, el agua pasa desde su potencial químico es mayor (está más
concentrada) menos soluto, a donde el potencial químico sea menor, menos concentrado y
más soluto con el efecto de igualar las la energía química del agua en los dos
compartimientos.
En la situación realista con gravedad:
Si el pasaje de agua del compartimiento 2 al 1, en el caso ignorábamos el efecto gravitatorio
y solo nos preocupábamos por la diferencia de presión osmótica determina un aumento en
el alto de la columna líquida, una vez que consideramos la gravedad, este aumento de la
columna líquida va a determinar una diferencia de presión hidrostática cuyo efecto es
opuesto a la diferencia de presión osmótica. O sea, que el equilibrio lo vamos a encontrar
no cuando las presiones osmóticas sean iguales, ni cuando las presiones hidrostáticas sean
iguales sino cuando la diferencias de presiones hidrostáticas y presiones osmóticas sean
iguales y contrarias.
En el caso realista, tenemos que la diferencia de presión hidrostática es igual y contraria a
la diferencia de presión osmótica.
Y esa condición de equilibrio permite considerar la presión osmótica como una verdadera
presión. No tengo que poner ningún factor de conversión.
La presión osmótica opera como una prisión
El flujo de volumen de agua (J) es igual a la conductividad hidráulica (cte L) multiplicado por
la diferencia de presión hidrostática con la presión osmótica.
Esto se cumple si consideramos una membrana semipermeable, que sólo deja pasar agua.
Las fuerzas que determinan el flujo del agua son:
-a favor de la diferencia de presión hidrostática y en contra de la diferencia de presión
osmótica.
Ese es el sentido del flujo de agua.
Para estar en equilibrio los flujos osmóticos deben ser opuestos a los flujos por diferencia de
presión hidrostática.
Aplicando todo lo que vimos sobre ósmosis a la situación de la membrana celular.
Debemos destacar que la membrana celular no es semi permeable (no es permeable sólo al
agua).
Es permeable al agua y a otros solutos a los cuales presenta permeabilidad selectiva, para
algunos presenta más permeabilidad que a otros.
Debemos considerar la diferencia permeabilidad de los solutos e integrar un concepto que
es el coeficiente de reflección (σ), que puede valer entre 0 y 1, número sin unidades y lo que
hace es pesar la con contribución a la osmolaridad efectiva de la solución de los diferentes
solutos en función de su permeabilidad.
-Si el soluto es permeable el coeficiente de reflección vale 0, la membrana no lo refleja.
Por tanto un soluto libremente permeable no va a contribuir a la osmolaridad efectiva de
ninguna de las dos membranas porque se va a distribuir en equilibrio osmótico.
-En el caso de un soluto extremadamente impermeable, su coeficiente de reflección es 1 y
todo el soluto es reflejado por la membrana. Para estos solutos la contribución a la
osmolaridad efectiva de la solución es la que corresponde a su concentración.
Entre estos dos casos extremos el coeficiente de reflección puede tener valores
intermedios, por tanto la presión total osmótica efectiva será la suma de las presiones
osmóticas que contribuyen cada uno de los solutos en función de su concentración y está
expresada por el coeficiente de reflección
En el caso de que haya un soluto solo y coeficiente de reflección único, el flujo de agua
responde a la ecuación que dice que el flujo de volumen de agua (J)= cte de la
conductividad hidrodinámica x la fuerza impulsora del flujo que son presiones (diferencia de
la presión hidrostática menos la diferencia de la presión osmótica efectiva).
Concentrándonos en flujo de agua, vamos a definir una terminología de uso común y que
utiliza la osmolaridad normal del medio extracelular que generalmente está en equilibrio con
el medio intracelular como referencia.
Solución isotónica: cuando su osmolaridad es la osmolaridad normal del medio extracelular.
para una célula animal terrestre está en los 310 mOsm.
Solución hipertónica: cuando su osmolaridad de la solución es mayor que la osmolaridad
fisiológica.
para una célula animal terrestre es mayor a 310 mOsm.
Solución hipotónica: cuando su osmolaridad de la solución es menor que la osmolaridad
fisiológica.
para una célula animal terrestre es menor 310 a mOsm.
Si una célula animal, se la baña en una solución isotónica, como no hay diferencia entre el
medio interno y externo, los flujos netos de agua son 0.
Por tanto la célula se encuentra en equilibrio osmótico.
En una célula que se bañe en solución hipertónica, vemos que habrá una tendencia a salir
el agua de la célula. Habrá una concentración de los solutos intracelulares hasta que la
osmolaridad de se iguale, a expensas de mayor concentración de solutos intracelulares.
Da como resultado que el medio intracelular también se vuelva hipertónico.
Esta salida de agua de la célula disminuye el volumen celular, y la célula se encoge o
deshidrata.
Si colocamos a la célula en una solución hipotónica cuya osmolaridad es inferior al medio
extracelular normal , el agua tiende a entrar para diluir los solutos intracelulares de manera
que la osmolaridad de las dos soluciones se igualen. Es un problema grave ya que la célula
se expande con el agua y si la membrana celular fuera resistente podría causar el equilibrio
por la presión hidrostática.
Pero la membrana es tenue, no pueden sostener grandes presiones, la capacidad de
desarrollar una presión hidrostática opuesta a la diferencia de presión osmótica es limitada y
si no se llega a un equilibrio osmótico antes de que la célula se hinche más allá de la
capacidad de soportar, la membrana se puede romper y generar lo que se llama lisis
osmótica de la célula.
Se debe a que la membrana no desarrolla gran presión hidrostática y la distensión le genera
un tensión a la membrana que tampoco la puede sostener.
El transporte de agua a través de la membrana por ósmosis es una forma de transporte
pasivo, también lo es cuando es impulsada por la diferencia de presión hidrostática pero es
un problema menos relevante en células animales.
La distribución de agua es la diferencia de presión osmótica.
El transporte pasivo se da a expensas de la diferencia de potencial químico del agua.
El agua a desde donde la presión osmótica es menor (donde hay menos partículas
concentradas) a donde es mayor.
la solución con menor osmolaridad corresponde con un potencial químico del agua mayor,
va desde un potencial mayor al menor.
El mecanismo de pasaje por la cual el agua pasa a través de la membrana impulsada por la
diferencia de presión osmótica.
El agua puede pasar la bicapa.
El flujo de agua a través de canales específicos para el transporte de agua llamados
acuaporinas.
Son tubos proteicos que cruzan la membrana, han sido identificadas genéticamente y se
puede sintetizar la proteína a través de ese ADN.
Estas proteínas van a la membrana celular y tienen 6 segmentos transmembrana que
forman un tubo. Cada segmento contribuye a una parte del tubo como la hoja de un barril.
Diagrama de hidropaticidad: las regiones con valores positivos son hidrofóbicas y
corresponden a los 6 fragmentos transmembrana.
Mientras que las regiones negativas y corresponden a los bucles ya sea intra o
extracelulares.
Estos canales cruzan la membrana, son una vía para que el agua pase a través de ellos,
estos canales pueden estar abiertos o cerrados y asu vez, la célula regula el número de
canales de manera de que la permeabilidad al agua de la membrana puede ser regulada
dinámicamente.
Este esquema muestra los segmentos.
Hay bucles que pasan en la parte intra y extracelular y se van al interior de la membrana
formando lo que llamamos el sitio o filtro de selectividad para el agua.
Esto le da un entorno al agua similar al que una molécula siente al estar rodeada de otras
moléculas de agua. Camino hidrofílico del agua impulsado por la diferencia de presión
osmótica.
Por ahora hemos visto la distribución de solutos no cargados a través de la membrana,
entre el compartimiento intra y extracelular.
O del solvente.
La mayoría de los componentes de las soluciones fisiológicas son solutos iónicos, o sea que
presentan carga eléctrica neta.
Si extendemos nuestro tratamiento al estudio del equilibrio para un soluto iónico y de las
fuerzas que determinan los flujos de este a través de una membrana celular.
Consideramos dos soluciones acuosas de sal de potasio por ejemplo, es un catión (ión
positivo en solución), y la sal resulta de la unión covalente de un potasio con un anión
(cloruro por ejemplo) y forman cloruro de potasio.
Y vamos a considerar una membrana que separa dos compartimientos donde la
concentración de potasio y su anión es mayor en el compartimiento de la izquierda que en
el de la derecha.
Las soluciones son electroneutras (misma cantidad de carga negativa que positiva), la
disociación de la sal hace que aparezcan partículas con carga neta de un signo u otro, pero
la suma de todas es 0.
Las dos soluciones al inicio tienen la misma cantidad de carga eléctrica neta (0) por tanto no
hay una diferencia de potencial entre lso dos compartimientos.
Vamos a suponer que el compartimiento izquierdo tiene una permeabilidad que deja pasar
solo el potasio y rechaza al anión.
Como resultado de la diferencia de concentración, por difusión el potasio pasa del
compartimiento donde está más concentrado a donde está menos concentrado.
Cada potasio lleva consigo su carga positiva y en tanto la membrana impide que el anión
migre acompañando su correspondiente potasio, por cada potasio que pasa al
compartimiento de la derecha, vamos a tener una situación en que deja detrás un anión. Por
tanto el compartimiento de la derecha comienza a adquirir carga en exceso positiva, y el de
la izquierda carga negativa.
Por tanto, se genera una diferencia de potencial eléctrico donde paradójicamente el que
tiene menos concentración de cationes es el que queda cargado positivamente.
A medida que el potasio difunde y el compartimiento de la derecha se carga positivamente,
aparece esa diferencia de potencial y esta se opone al flujo de potasio, porque el excesos el
exceso de carga positiva en el compartimiento derecho y el exceso de carga negativa del
lado izquierdo genera un campo eléctrico a través de la membrana y cuando el potasio va a
cruzar la membrana, sobre el se ejerce una carga eléctrica que va de derecha a izquierda y
se opone al efecto de la diferencia de concentración que era determinar un flujo neto de
potasio de izquierda a derecha,
Es concebible que se genere una situación de equilibrio en el cual los flujos son iguales y
contrarios, por tanto la concentración de potasio permanece cte en los dos compartimentos,
y el potasio se encuentra en un estado de equilibrio electroquímico, ya que es el resultado
del balance del efecto de la fuerza eléctrica con el efecto de la diferencia de concentración.
Hay una función termodinámica llamada potencial electroquímico:
Y esta surge a través de esa ecuación
la letra mu con un techo representa el potencial electroquímico.
El potencial electroquímico tiene 3 componentes:
-Una cte: llamada mu techo sub0
-Un término que contiene a la concentración del ión (término químico)
-Y otro término que contiene al potencial eléctrico (término eléctrico)
El término químico es R.T.lnC, R es la cte de los gases, T es la T absoluta y logaritmo
natural de la concentración.
R.T tiene dimensiones de energía por unidad de masa: J/mol y Kelvin
z.F: z es valencia (carga del ión) y F es la cte de Faraday (carga de un mol de iones
monovalentes)
F: 96500 culombios,
El producto de z.F. fi (que es el potencial eléctrico), me da la energía por unidad de masa de
origen eléctrica.
Y en R.T me da la energía por unidad de masa de un mol, la vamos a multiplicar por un
factor (lnC) que depende de la concentración pero no es la misma en sí, sino el logaritmo de
esta.
Como el ln de la concentración unitaria vale 0, es necesario introducir lo que se llama el
potencial químico estándar.
Si no hay potencial eléctrico en la solución o el soluto es neutro, z.F.fi es 0, y nos queda
solo mu techo sub0 + R.T.lnC, queda solo el componente químico de la ecuación.
La situación de equilibrio implica entre dos compartimientos que tienen una especie iónica a
diferente concentración, la situación de equilibrio implica que los potenciales
electroquímicos sean iguales en los dos compartimientos de manera que no haya diferencia
de energía por unidad de masa, y así la tendencia de pasar de 1 a 2 por causa química está
exactamente contrapeasada por la diferencia de pasa de 2 a 1 por causa eléctrica.
Los efectos de los dos componentes se neutralizan.
Siempre que haya una diferencia de potencial electroquímico, el flujo neto será desde
donde el potencial electroquímico sea mayor a donde es menor.
La función potencial electroquímico nos permite tratar cuantitativamente la situación de
equilibrio o el alejamiento del mismo.
Vamos a considerar el equilibrio:
Si igualo los dos potenciales electroquímicos en los compartimientos 1 y 2, puedo escribir
esta igualdad, simplifico el potencial químico estándar porque es el mismo, me queda un
igualdad donde tengo el término químico de un lado y el térmico eléctrico del otro.
sumados es = a la suma del término eléctrico del lado 2 + el término químico del lado 2.
Si la valencia es 0, o sea un soluto no iónico, esta ecuación solamente retiene los
componentes químicos que dependen de la concentración y el equilibrio solo ocurre si la
concentración 1= a la concentración 2.
Pero si es un ión y las concentraciones son distintas, puede existir una situación de
equilibrio en las cuales la diferencia entre los componentes eléctricos es igual y contraria a
los componentes químicos.
Esto surge de la igualdad de los dos potenciales electroquímicos
Pasamos a un miembro de la igualdad los dos términos que tienen el potencial eléctrico y al
otro miembro de la igualdad los términos químicos.
Me queda
z.F(potencial eléctrico en 1 – potencial eléctrico en 2) = R.T. lnC2 — lnC1
La diferencia de los potenciales eléctricos están al revés (1-2), comparado con los ln de las
C (C2 –C1). Esto reafirma el hecho de que los términos químicos y eléctricos son iguales y
contrarios.
Como C2– C1 = C2/C1 me queda:
z.F(potencial eléctrico en 1 – potencial eléctrico en 2) = R.T. ln(C2/C1)
Y de acá podemos despejar el voltaje de membrana, pasamos la F dividiendo:
R.T/z.F será una cte a T absoluta cte. a un mol. Energía/carga en un mol de ese ión.
Unidad será voltaje.
Y ese voltaje que calculo con la ecuación de Nernst es el que dadas dos concentraciones
C2 y C1 equilibra el efecto de esa diferencia de concentración con un efecto eléctrico igual y
contrario.
Es lo que llamamos el voltaje de equilibrio electroquímico:
La ecuación de Nernst nos permite calcular la diferencia de potencial eléctrico entre los dos
compartimientos que pone en equilibrio electroquímico al sistema dada la diferencia de
concentración.
Si las concentraciones son iguales y el voltaje es 0 el sistema está en equilibrio.
Si el voltaje eléctrico es diferente de 0, el efecto eléctrico llega al ión a un lado u otro
dependiendo de la diferencia de potencial.
Como tengo igualdad de concentraciones no hay un efecto químico para balancear.
Por tanto, cualquier variación de voltaje dado que las concentraciones son iguales
determina un flujo neto y el sistema no está en el equilibrio.
Si la diferencia de concentración son distintas, el voltaje transmembrana en el cual el
sistema se equilibra es distinto de 0.
La diferencia de potencial eléctrico se define a través de la membrana, el exceso de carga
de un lado un signo, y del otro lado el otro signo esa carga se pone sobre la membrana, en
la superficie de la solución y la cantidad de carga necesaria va a depender de un parámetro
eléctrico de esta membrana que es la capacidad de la membrana.
La ecuación de Nernst implica que el voltaje de equilibrio es directamente proporcional al
logaritmo del cociente de concentraciones.
Si grafico la ecuación de nernst en coordenadas semilogarítmicas en función de la
concentración; me da una recta, se calcula el potencial de equilibrio para el ión potasio para
distintas concentraciones extracelulares pero a la misma concentración intracelular.
La escala de concentraciones no es lineal, es logarítmica.
Lineal es la escala de voltaje.
La pendiente de esa recta corresponde a R.T/z.F
Vamos a utilizar la ecuación de Nernst para varias cosas.
Ej: análisis de la situación termodinámica de cada especie iónica relevante para una célula
animal.
Debemos conocer las concentraciones en los dos compartimientos y luego utilizaremos la
medida del potencial de membrana,
las células animales exhiben una diferencia de potencial eléctrico a través de su membrana
celular que siempre es negativo el interior con respecto al exterior en condiciones normales
y su valor depende del tipo celular.
Puede ser muy negativo como en el caso de las células del músculo esquelético (cerca de
-86mv)
Pueden ser menos negativos como en células nerviosas (entre -60 y -70).
Glóbulos rojos cerca de -30
Acá se esquematiza la situación de los 3 principales iones, 2 cationes y 1 anión.
Estos datos corresponden a células musculares esqueléticas.
El principal catión extracelular es el sodio, principal en el sentido cuantitativo (abundante),
su concentración extracelular es de 145 mM e intracelular es de 12mM.
El principal catión intracelular es el potasio y su concentración intracelular es de 155mM y
extracelular es de 4mM
La situación del sodio y potasio es casi la inversa, uno muy concentrado dentro de la célula
y el otro muy concentrado fuera de la misma.
Y esos cationes están muy poco concentrados en el compartimiento opuesto.
Usamos el convenio de signo para medir el voltaje, medimos el intracelular respecto al
extracelular y eso nos da que el intracelular es más negativo.
Si queremos calcular que diferencia de potencial intra y extracelular coloca en equilibrio a
un ión dado el cociente de concentración, debemos tomar la concentración externa en el
numerador (C2) y la concentración interna en el denominador (C1).
Si calculo a través de la ecuación de Nernst el potencial de equilibrio del potasio me da que
el valor que debería tener el potencial transmembrana para que el potasio esté en equilibrio
es -92 mv y para el sodio es 63 mv.
Esto quiere decir que para que el sodio esté en equilibrio el interior celular debería estar a
63 mv positivos respecto al exterior.
Y para que el potasio esté en equilibrio el interior celular debería estar a -92mv negativos
respecto al exterior.
El potasio no está en equilibrio porque el potencial de membrana no es lo suficientemente
negativo para equilibrar el cociente de concentración exterior sobre interior
El sodio tampoco está en equilibrio, además está enormemente alejado del equilibrio
porque, mientras que la distancia respecto al potencial de equilibrio electroquímico del
potasio respecto al transmembrana es solo 6 mv menos negativo el potencial de membrana
que el del potasio.
En el caso del sodio hay 145 mv más negativo el potencial de membrana que el del sodio.
Hay una gran distancia entre el equilibrio del sodio y el de la membrana.
Hay una pequeña distancia entre el equilibrio del potasio y el de la membrana.
Como las soluciones son generalmente electroneutras, el sodio y el potasio están
parcialmente compensadas sus cargas por un anión, o varios aniones.
En la solución extracelular el anión más abundante es el cloruro, es casi igual a la de sodio,
un poquito menor la concentración del cloruro.
En solución intracelular el cloruro no es de ser el principal anión, sino que es baja (unos 3 y
5).
Porque el cloruro deja espacio eléctrico a una cantidad de componentes intracelulares que
son aniónicos y no difusibles (mayoría polianiones proteicos, aportan la carga negativa que
contrarresta la positiva de los potasios mayormente).
El potencial de equilibrio del cloruro me da esencialmente igual al del reposo. El cloruro está
en equilibrio.
Los signos en la ecuación de Nernst derivan de dos factores:
-Del signo del logaritmo
-Del signo de la valencia.
El logaritmo de 1 es 0, el logaritmo de un número mayor que 1 es un número positivo y el
logaritmo de un número menor a 1 es un número negativo.
-En el caso del cloruro, tengo más cloro fuera que dentro de la célula o sea que el cociente
es positivo, el logaritmo de este cociente es positivo pero como la valencia es negativa, el
valor final me da un número negativo.
-En el caso del potasio, la concentración extracelular de potasio es menor que la
intracelular, el cociente es un número menor que la unidad, el logaritmo de ese número es
negativo, y como el potasio es monovalente positivo, el signo del potencial de equilibrio
preserva el número del logaritmo y es negativo.
-En el caso del sodio, como el cociente es mayor que 1, positivo, la valencia es positiva no
le cambia el signo queda un número positivo.
Como el potasio está más concentrado dentro que fuera, necesito que el exterior celular sea
positivo para repelerlo o el interior celular sea negativo para atraerlo.
¿Cuán negativo tiene que ser ese valor de voltaje?
tiene que ser -92, si no es tan negativo, entonces el efecto de la diferencia de concentración
va a predominar sobre el efecto de la diferencia de potencial eléctrico, así podemos afirmar
que para un potencial de reposo celular, potencial transmembrana de -87 mv, y una
concentración de potasio intracelular de 155mM y extracelular de 4mM va a haber un flujo
neto de potasio saliente, porque el voltaje transmembrana no es lo suficientemente negativo
como para balancear exactamente esa tendencia a salir del potasio por esa diferencia de
concentración.
Para que el sodio estuviera en equilibrio dada la gran diferencia de concentración
fuera-adentro, que hace que el sodio tienda a entrar tendría que ser positivo el interior
(63mv) respecto al exterior, en realidad es negativo el interior.
O sea que el sodio pasa por la membrana impulsado por la diferencia de concentración pero
también cruza la membrana por la diferencia de potencial eléctrico.
El sodio está bien alejado del equilibrio, el potasio está cerca del equilibrio y el cloruro está
en equilibrio.
Un experimento famoso donde se muestra que el potencial transmembrana sigue
groseramente el potencial de equilibrio del potasio.
Midiendo el potencial de membrana estacionario que se llega a cada concentración
(meseta), y lo que se obtiene la curva colo ocre, donde se ve que a medida que yo hago
que la concentración de potasio aumente, en el medio extracelular, el potencial de
membrana se hace progresivamente menos negativo.
las concentraciones llegan a ser muy altas porque este experimento se hace en una
neurona de un animal marino, que tiene su linfa con la misma concentración que el agua de
mar, y la concentración del agua de mar es básicamente una solución de cloruro de sodio
cercano a 5 M, si aumentamos el potasio sacando el sodio se mantiene la osmolaridad de la
solución pero cambia su composición química y el catión dominante.
Este experimento me dice que de forma cualitativa, es que el aumento de la concentración
extracelular de potasio despolariza el potencial de membrana, que es lo que se espera de la
ecuación de Nernst.
Cuando todo el potasio sustituye al sodio el potencial de membrana se hace 0.
Hay una diferencia en el rango de concentración fisiológico, donde el potencial de
membrana es algo menos que el potencial de equilibrio del potasio.
¿Por qué el potencial de membrana sigue al potencial del ión potasio?
Vamos a introducir la teoría de la ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz
Esta teoría asume que tenemos iones fuera del equilibrio, y que hay flujos netos de esos
iones, pero hay uan situación estacionaria desde el punto de vista eléctrico.
Porque si bien las concentraciones de los iones en los compartimientos intra y
extracelulares son tales, que al potencial de membrana medido no está en equilibrio y por
tanto espero flujo de los iones, sin embargo el potencial de membrana medido es un
potencial estacionario, lo que quiere decir es que no hay flujo neto de carga.
Si el potasio tiende a salir y el sodio tiende a entrar, voy a tener un flujo neto de sodio y otro
de potasio pero si estos fueran iguales, el de sodio entrante y el de potasio saliente; la
cantidad de carga transferida en la membrana se compensaría y eso explicaría un potencial
transmembrana cte, para el flujo neto de masa (del sodio y del potasio), pero no flujo neto
de carga.
Esa situación de balance eléctrico neutro explica el potencial estacionario.
La suma del flujo de cationes + el flujo de aniones debe ser 0.
Y esto son siempre flujos eléctricos: flujo de masa x la carga involucrada.
Resolviendo la ecuación que implica conocer la ley matemática que me dice cómo depende
el flujo no solo de la concentración sino también del potencial de membrana.
Se obtiene la ecuación en azul, esta ecuación nos dice que:
El voltaje transmembrana estacionario resultante del balance de los flujos eléctricos debe
cumplir con la relación de la ecuación con las concentraciones de los iones involucrados,
pero además con la permeabilidad de esos iones.
Como son todos iones monovalentes la valencia vale 1, y por eso no se agrega la z, queda
R.T/F. multiplicado por el logaritmo natural de un cociente.
El cociente es la suma de los productos permeabilidad x concentración de los cationes
extracelulares + los productos permeabilidad x concentración de los aniones intracelulares
(cloruro).
Difiere de la ecuación de Nerst ya que esta no es una ecuación de equilibrio, sino que acá
hay flujos netos de cada uno de los iones considerados excepto el cloruro.
El cloruro no tiene que estar en equilibrio para aplicar la ecuación.
También difiere en que no se refiere a un ión sino a varios, además aparece la
permeabilidad de los iones.
Si uno piensa en un único ión que puede cruzar la membrana, si la permeabilidad de sodio y
cloruro fueran 0, todos los términos en sodio y cloruro valdrían 0 y me quedaría solo el
término en potasio, y las P se simplifican, dejándome que el potencial de flujo eléctrico 0 es
el potencial de equilibrio.
Pero si tengo más de un ión que puede difundir en la membrana con permeabilidades no
nulas, el potencial de flujo 0 no es el potencial de ninguno de los iones.
Si la permeabilidad guarda esta relación:
si tomamos como 1 la P de potasio, podemos considerar las P relativas, la P de potasio
relativa a la de potasio es 1, la P relativa del sodio relativa a la de potasio vale 0,04 (o sea
que esta membrana es 25 veces más permeable que a sodio).
La P de cloruro es casi igual a la de sodio en este caso (0,05).
Con estos números podemos calcular un potencial de membrana estacionario:
Resultados del estudio en una célula nerviosa de un animal marino, cambiando la
concentración extracelular de potasio, y estos son los puntos experimentales.
Se mide el potencial de reposo de esa célula, la recta corresponde al potencial de equilibrio
del potasio calculado a diferentes concentraciones extracelulares y a concentraciones
intracelulares que se asumen constantes.
Las curvas A y B son curvas calculadas con la ecuación de Goldman asumiendo valores
relativos de permeabilidad diferentes.
La ecuación de Goldman predice razonablemente el potencial de reposo en su dependencia
del potasio y me explica por qué se desvía, ya que vemos que a concentraciones bajas de
potasio, los términos de la ecuación se vuelven importantes.
A medida que subo la concentración de potasio, extracelular y tiendo a acercarme a la
conducta de una membrana muy selectiva a potasio.
Esta ecuación permite pensar qué le pasa la potencial de membrana no si cambio las
concentraciones sino los valores de permeabilidad.
Las membranas nerviosas y musculares experimentan cambios muy importantes en la
permeabilidad a los iones como resultado del cambio de estado funcional de la célula y esos
cambios de permeabilidad se reflejan en los potenciales de membrana.
Nosotros tenemos una situación en las células animales en la cual los iones que pueden
permear la membrana están distribuidos asimétricamente entre los compartimientos intra y
extracelular y sobre todo los dos cationes predominantes (el sodio en el extracelular y el
potasio intracelular), no se encuentran en equilibrio.
Y una diferencia de potencial transmembrana de 1-86 mv negativo en el interior celular.
¿Cómo se mantiene esa situación estacionaria?
Se mantiene porque los flujos de masa de sodio y potasio iguales y contrarios que se
compensan entre sí desde el punto de vista eléctrico ocurren como consecuencia de que
sus concentraciones no están en equilibrio.
Además, a pesar de que sabemos que existen esos flujos, sabemos que hay una entrada
neta de sodio a la célula y una salida neta de potasio de la célula, por transporte pasivo, las
concentraciones intracelulares se mantienen ctes.
Por tanto el estado estacionario global tanto químico como eléctrico se mantiene por:
Lo que mantiene las concentraciones intracelulares ctes es un sistema de transporte
transmembrana con una maquinaria molecular específica que recibe el nombre de bomba
de sodio y potasio.
Esta lo que hace es sacar sodio a la misma velocidad que entra pasivamente, sacarlo de
manera activa en contra del gradiente electroquímico.
Entra porque hay mucha concentración del mismo afuera y además el interior es muy
electronegativo.
Para mover sodio hacia afuera debo hacerlo en contra de la diferencia de concentración y
en contra de la diferencia de potencial eléctrico, y eso requiere energía.
No puedo extraer energía de la diferencia de concentración o la diferencia de potencial
eléctrico porque eso es lo que lleva el sodio hacia adentro.
Con el potasio pasa lo mismo, hay una pérdida pasiva de potasio porque el potencial de
membrana no es lo suficientemente negativo como para equilibrar su tendencia a salir por la
diferencia de concentración o sea que también necesita una fuente de energía para meter
potasio desde afuera porque la tendencia natural del mismo es de salir por la diferencia de
concentración.
Esto es el transporte activo, requiere una fuente de energía que no es la electroquímica.
la bomba sodio potasio acopla los dos flujos activos y usa una fuente de energía metabólica
(ATP), el ATP es hidrolizado para usarse a contra gradiente, sodio hacia afuera y potasio
hacia adentro.
Ese flujo compensa los flujos pasivos y las concentraciones intracelulares se mantienen
ctes.
Tenemos una situación estacionaria porque no cambia en el tiempo, alejada del equilibrio y
requiere un aporte de energía metabólica para ser mantenida.
La diferencia de permeabilidades de potasio y sodio explican que los flujos sean iguales a
pesar de que la diferencia de energía para los flujos pasivos es muy grande.
La membrana compensa esas grandes diferencias con permeabilidades diferenciales, la
permeabilidad de sodio es muy pequeña y por tanto una gran fuerza impulsora actuando
sobre una pequeña permeabilidad me da un flujo x no muy grande.
La permeabilidad de potasio es mucho más grande que la de sodio entonces una pequeña
fuerza impulsora me da un flujo pasivo del mismo tamaño que el flujo pasivo de sodio en
diferentes direcciones.
O sea que esa membrana a diferentes permeabilidades con flujos eléctricos de igual calibre,
y con flujos activos que compensan los flujos de masa pasivos genera esta situación
estacionaria y el potencial de membran resulta del predominio del potencial de equilibrio del
ión más permeante, cuya permeabilidad es mayor, el potasio.
La estequiometría del transporte no es un sodio y un potasio, sino que 3 sodios y dos
potasio.
La bomba en su ciclo de transporte saca 3 sodios y mete 2 potasios, el flujo de sodio es una
vez y media el flujo de potasio. por tanto la bomba es electrogénica, genera una corriente
eléctrica que es saliente, y en cada ciclo pasa una carga positiva elemental hacia afuera y
esto se hace acoplado a la hidrólisis de una molécula de ATP.
Por cada 3 sodios que salen, y dos potasios que entran se hidroliza 1 ATP a ADP y Pi.
Esto en parte complejiza la situación anterior, ya que nos habíamos planteado flujos pasivos
iguales y contrarios, y flujos activos iguales y contrarios.
No descalifica las conclusiones generales.
La principal ventaja de un sistema tan complejo como la bomba sodio potasio:
El transporte activo no es electroneutro y por tanto los flujos pasivos no se compensan
exactamente sino que lo que se compensa globalmente es la suma total de los flujos.
Constitución química de las soluciones intracelulares y las consecuencias físico químicas
que eso tiene.
Ya vimos que el cloruro no compensa la carga positiva aportada por el potasio.
Eso se debe a que los principales aniones intracelulares son provistos por macromoléculas
multi cargadas con carga negativa (mayoría proteínas) y las características que tienen estas
macromoléculas es que además no son permeantes a través de la membrana.
No difunden a través de la membrana celular hacia afuera, lo cual es bueno ya que esas
proteínas son sintetizadas, cumplen funciones muy variadas y la célula está adaptada a
preservarlas en el interior celular.
Hay un interés en preservar esas proteínas, como las mismas no son permeantes a través
de la membrana,representan una carga osmótica y contribuyen toda su osmolaridad a la
solución intracelular.
Vamos a considerar este caso:
sistema fisicoquímico en el cual se estudia el equilibrio a través de una membrana para la
cual hay un anión que no puede cruzarla.
Esto se llama equilibrio de Gibbs- Donnan.
Hay dos compartimientos supongamos interno y externo, donde en el interno además de
cationes y aniones que pueden cruzar la membrana tenemos un anión que no puede
hacerlo.
Ese anión es polivalente, la electroneutralidad de las soluciones implica que la suma total de
los cationes y aniones me de 0 en carga, la suma de las concentraciones sean iguales.
Multiplicamos la concentración de cationes x la carga (supongamos que es 1),la
concentración de aniones monovalentes x la carga y la concentración de aniones no
difusibles x su valencia que es mayor que 1.
Esto genera que la concentración del anión difusible sea menor que la concentración del
catión difusible en el compartimiento que tiene el anión no difusible.
En el compartimiento externo la situación es más sencilla, asumimos que las dos
concentraciones son iguales y que los aniones están en equilibrio y se cumplen las
relaciones de Nernst. Y debería haber una diferencia de potencial eléctrico que es
simultáneamente el potencial de equilibrio del catión y del anión difusible.
La presencia del anión no difusible determina que el compartimiento que lo contiene sea
electronegativo.
Como consecuencia de que los iones difusibles se equilibran, se genera una diferencia de
presión osmótica, resulta que la presión osmótica del compartimiento intracelular es mayor
que la del extracelular.
Esto es un problema, si tengo un sistema donde los iones difusibles, cationes y aniones,
todos se equilibran; y tengo un compartimento donde hay un anión no difusible, ese será
electronegativo lo cual podría explicar el potencial de reposo de la célula, pero genera una
situación de desbalance osmótico y eso genera que tendré un flujo de solvente de agua,
llevándola al interior de la célula y genera que el equilibrio de los iones difusible se
pierda/disipe, y vuelvo a la misma situación pero con una concentración de agua intracelular
un poco mayor, los iones van a volver a pasar por el mismo ciclo a no ser que el
desequilibrio osmótico lo pueda mantener una presión hidrostática agregada.Y la membrana
no puede mantener esa presión y la membrana se rompe.
O sea que el potencial de reposo no es un potencial de equilibrio.
Si lo fuera, no tendríamos equilibrio osmótico a no ser que le agregáramos una presión
hidrostática.
Partimos del equilibrio osmótico y desequilibrio de los iones difusibles, llegamos al equilibrio
de los iones difusibles y se establece el desequilibrio osmótico, entra el agua, se
desequilibran los iones difusibles y esto continúa hasta el estallido
¿Cómo hace una célula animal para manejar esto?
La aparición del bombeo:
El bombeo mantiene a uno de los cationes difusibles, fuera del equilibrio.
El bombeo puede ser una manera indirecta de hacer impermeable al sodio.
La situación es como un doble equilibrio, donde el catión no difusible extracelular (sodio)
tiene efectos especulares que los que tiene el anión difusible intracelular.
Genera que el potasio esté prácticamente en equilibrio, el cloruro en equilibrio, dos
osmolitos que no están en equilibrio que la membrana es impermeable para ellos (sodio
extracelular y las proteínas intracelulares) cada uno de ellos opera para retener el agua en
su respectivo compartimiento.
Difusión simple: solubilización y difusión en la membrana lipídica
Difusión facilitada: transporte a favor de la diferencia de concentración usando un medio de
transporte para sustancias que no son liposolubles. (transportadores: canales).
En el mediano requiere una molécula mecanística transportadora (proteína de membrana).
Los canales, transportadores de mayor masa transportan iones y H2O, transporte pasivo.
Su selectividad por el soluto transportado es menor respecto a los otros transportadores.
La especificidad no debe ser demasiado alta porque eso implica que la unión es muy
estable y eso va en contra de la tasa de transporte (un millón de iones por segundo).
Los canales fluctúan entre el estado abierto y el estado cerrado. Cuando se abre
permanece abierto por un periodo largo (milisegundos) y pasan cantidades de iones.
El transportador tiene una tasa de especificidad intermedia. Menos de 10 a la 4 iones por
segundo, pasivo. Hay un acoplamiento estricto entre el cambio conformacional que permite
el transporte y la cantidad de iones transportados.
Las bombas son mucho más específicas.
La tasa de transporte es baja 10 a la 2 por segundo, en contra del gradiente necesita
energía. Estequiometría baja y fija.
Cuando está cerrado pasan poquitos iones, y abierto muchos. en A
Pero un intercambiador (B), es mucho más estricto. Fenómeno de compuerta, Se abre, el
ión entra, se cierra la compuerta y el ión no puede salir a ningún lado (estado ocluido del
ión), se abre la compuerta y el ión salga al medio final y se reemplace por el ión que será
transportado en su lugar.
La bomba de sodio potasio es una ATP’asa que tiene varios estados intermedios y une
sodio en el lado intracelular llevándolo al lado extracelular donde lo libera, une potasio en su
lugar y lo lleva al lado intracelular, en esto se une y se hidroliza ATP. La bomba une sodio
intracelular a baja concentración, o sea a alta afinidad,y luego lo libera extracelular hacia un
compartimiento donde hay alta concentración del mismo. Sin embargo el sodio abandona la
bomba y eso ocurre porque la afinidad del sitio de transporte cuando está expuesto al lado
extracelular es mucho menor a cuando está expuesto al lado intracelular.
Ese cambio de afinidad usa ATP.
Luego une al potasio para llevarlo a intracelular, dos potasios, y cuando se liberan los
productos del sodio, afinidad por potasio es alta aunque haya poca concentración del
mismo.
La hidrólisis del ATP se da durante varios pasos, incluso se libera primero el ADP y luego el
Pi.
Cambio de afinidad.
Podemos representar todas las vías de transporte:
Canales son específicos para el ión transportado, o para el agua (aquaporinas).