- TEMA 6.1 – CONCEPTOS DE PERMEABILIDAD Y POTENCIAL DE MEMBRANA
FISIOLOGIA DE LA MEMBRANA.
La función de la membrana es la de proteger el interior de la célula frente al líquido extracelular que tiene una composición diferente y de permitir la entrada de nutrientes, iones o otros materiales específicos. También se intercomunica con otras células a través de las hormonas, neurotransmisores, enzimas, anticuerpos, etc.
PERMEABILIDAD SELECTIVA.
La membrana plasmática regula la entrada y salida de materiales, permitiendo la entrada de unos y restringiendo el paso de otros. Esta propiedad se llama permeabilidad selectiva.
La membrana es permeable cuando permite el paso, más o menos fácil, de una sustancia. La permeabilidad de la membrana depende de varios factores relacionados con las propiedades físico-químicas de la sustancia:
* Solubilidad en los lípidos: Las sustancias que se disuelven en los lípidos (moléculas hidrófobas, no polares) penetran con facilidad en la membrana dado que esta está compuesta en su mayor parte por fosfolípidos.
* Tamaño: la mayor parte de las moléculas de gran tamaño no pasan a través de la membrana. Sólo un pequeño número de moléculas no polares de pequeño tamaño pueden atravesar la capa de fosfolípidos
* Carga: Las moléculas cargadas y los iones no pueden pasar, en condiciones normales, a través de la membrana. Sin embargo, algunas sustancias cargadas pueden pasar por los canales proteicos o con la ayuda de una proteína transportadora.
También depende la permeabilidad de una membrana de la naturaleza de las proteínas de membrana existentes:
* Canales: algunas proteínas forman canales llenos de agua por donde pueden pasar sustancias polares o cargadas eléctricamente que no atraviesan la capa de fosfolípidos.
* Transportadoras: otras proteínas se unen a la sustancia de un lado de la membrana y la llevan del otro lado donde la liberan.
En general, estos canales y proteínas transportadoras muy altamente selectivas permitiendo el paso a un única sustancias.
POTENCIAL DE MEMBRANAS.
Los potenciales de membrana son cambios rápidos de polaridad a ambos lados de la membrana que separa dos disoluciones de diferente concentración, como la membrana celular que separa el interior y el exterior de una célula. Duran menos de 1 milisegundo. Cuando se habla de potenciales de membrana, se debería de hablar del "potencial de difusión" o "potencial de unión líquida". Dicha diferencia de potencial esta generada por una diferencia de concentración iónica a ambos lados de la membrana celular. Los potenciales de membrana son la base de la propagación del impulso nervioso.
Al estudiar los potenciales de membrana desde un punto de vista teórico, debemos conocer:
- Potencial de Nernst.
- Ecuación de Goldman (aplicable a membranas permeables a múltiples iones).
- TEMA 6.2 – SISTEMAS DE TRANSPORTE:
- CANALES
Hay sustancias que las células no necesitan y deben ser eliminadas; hay otras en el exterior que deben tomar para nutrirse. A la gran mayoría de ellas les está prohibido, ya sea por su naturaleza polar o por su tamaño, cruzar la bicapa lipídica de la membrana. Antes que otras funciones más complicadas de las células, está la de su propia nutrición y excreción. Con este fin primordial se desarrollaron los sistemas de transporte; moléculas o grupos de ellas, generalmente proteínas, que en ocasiones funcionan como poros selectivos, permiten simplemente el paso de las sustancias, o en otras, inclusive, las "obligan" a entrar o salir, según las necesidades de la célula.
LOS CANALES.
Los canales son sistemas de transporte que se imaginan como canales o poros. No se conoce el mecanismo preciso del funcionamiento de ninguno de ellos; sin embargo, a través de su función se ha llegado a un modelo imaginario. El poro o canal es más que nada la conceptualización de un sistema rápido de transporte; es más fácil imaginar el movimiento rápido como flujo a través de un túnel, que por un mecanismo de acarreo más complicado. Se piensa que debe tener antes que nada una especie de entrada o filtro capaz de discriminar o escoger entre distintas sustancias o iones. Por ejemplo, hay poros que pueden distinguir fácilmente el Na+ y K+ a pesar de su semejanza, pero que difieren por el tamaño. Otra de las características importantes de los poros es la existencia de una especie de "compuertas" o dispositivos que les permiten abrir y cerrarse al paso de los iones.
- ACARREADORES
LOS ACARREADORES MÓVILES
En el caso de sistemas de transporte más lento, se ha imaginado que se trata de moléculas de proteína que situadas en la membrana cuentan con un sitio capaz de reconocer a las sustancias que han de transportar, de manera semejante como las enzimas tienen un sitio activo en el que se coloca el sustrato que van a modificar. En este sentido no habría diferencia con los poros. El sistema del paso de los iones de un lado al otro sería diferente; sin que se conozca el mecanismo íntimo, se piensa que, o bien la molécula de la vuelta y el sitio activo que estaba hacia un lado de la membrana se desplaza al otro, o bien el ion u otra sustancia es movido al otro lado por movimientos peristálticos, semejantes a los de intestino, "exprimiendo" a la sustancia transportada hacia el otro lado. El único hecho real que hay es que estos sistemas de transporte son mucho más lentos que los canales o poros.
- TEMA 6.3 – CUANTIFICACIÓN DEL TRANSPORTE
Coeficiente de Permeabilidad
El gráfico de flujo versus diferencia de concentración es una línea recta cuya pendiente se conoce como coeficiente de permeabilidad P (cm/seg). Mientras más permeable es el soluto, mayor es el valor del coeficiente de permeabilidad:
J = Dm β (C1 – C2) / d
J = P (C1 – C2) Donde P= Dm β/ d
El coeficiente de permeabilidad depende de:
- El coeficiente de difusión en la membrana (Dm).
- El coeficiente de partición (membrana/agua) (b).
- El grosor de la membrana (d).
Difusión simple y medición experimental de la permeabilidad.
Cuando se encuentra que la velocidad de transporte de un soluto es directamente proporcional a la diferencia de concentración, se dice que el soluto atraviesa la membrana por difusión simple. Generalmente esto significa que el soluto atraviesa la membrana a través de la bicapa.
En la difusión simple los solutos más permeables son los más pequeños (mayor coeficiente de difusión) y los más liposolubles (mayor coeficiente de partición).
Experimentalmente las etapas a seguir en la medición de la permeabilidad son:
1) Medir el flujo unidireccional de entrada o salida.
Flujo unidireccional de entrada (Cint. = 0): Jext. => int. = P Cext.
Flujo unidireccional de salida (Cext. = 0): Jint. => ext. = P Cint.
Para medir el flujo unidireccional de entrada se incuban las células con un soluto en el medio externo y se mide la aparición en el compartimiento intracelular. Se grafica la concentración en función del tiempo y se calcula la pendiente de la curva, cuando ésta es máxima (al inicio del proceso). Este flujo se conoce como flujo inicial. Para medir el flujo unidireccional de salida se cargan las células previamente con un soluto, se reemplaza el medio externo y se mide la aparición en el compartimiento extracelular. Se grafica la concentración extracelular en función del tiempo y se calcula la pendiente inicial de la curva.
Las diferencias entre los flujos unidireccionales es el flujo neto. En el caso de un soluto no cargado el flujo neto es cero cuando las concentraciones a ambos lados se igualan y el sistema alcanza un equilibrio.
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2) Repetir la determinación del flujo inicial a distintas concentraciones de sustrato.
3) Graficar los flujos iniciales determinados versus las concentraciones de sustrato y calcular la pendiente del gráfico que corresponde a la permeabilidad:
Energética de Transporte
La fuerza que dirige la difusión es el cambio de entropía, ya que ésta aumenta durante el proceso.
SFINAL > SINICIAL = ΔS > 0
Cuando el soluto tiene una carga neta, su transporte se ve influído tanto por la gradiente de concentración como por el gradiente eléctrico a través de la membrana (el potencial de membrana). El gradiente de concentración y el gradiente eléctrico pueden combinarse para calcular la fuerza neta de la dirección del flujo o gradiente electroquímico para cada soluto.
Casi todas las membranas plasmáticas tienen una diferencia de potencial (gradiente de voltaje) a través de ellas, siendo habitualmente el interior negativo con respecto al exterior. Esta diferencia favorece la entrada a la célula de iones cargados positivamente y se opone a la entrada de aniones.
La energía asociada a la difusión de un soluto puede estimarse midiendo la diferencia de potencial electroquímico del soluto en el estado final e inicial.
La energía de un soluto en solución se conoce como potencial electroquímico (m) y depende de:
- Las interacciones que el soluto establece con el solvente
- La concentración del soluto
- El potencial eléctrico
- La carga del soluto
- La temperatura
La energía asociada a la transferencia de un soluto entre dos medios, que se diferencian sólo en la concentración del soluto y el potencial eléctrico, es igual a la diferencia de potencial electroquímico:
Δμ = RT ln C2 / C1 + zF (V2 – V1)
En esta ecuación:
R: Constante universal de los gases (8,31 joule/°K mol)
T: temperatura absoluta
C1: Concentración en el compartimiento de origen
C2: Concentración en el compartimiento de destino
z: Carga del ion
F: Constante de Faraday (96500 coulombs/mol)
V2 - V1: Diferencia de potencial eléctrico
Cuando la diferencia de potencial electroquímico es negativa, la transferencia es espontanea. La condición general de equilibrio es la igualdad de los potenciales electroquímicos. Si el potencial electroquímico no es homogéneo, el ion se moverá espontáneamente desde los puntos de mayor potencial electroquímico a los de menor potencial electroquímico, hasta que la sumatoria de todos los mk sea cero.
Potencial de membrana
A través de la gran mayoría de las membranas biológicas existe una diferencia de potencial eléctrico. Esta diferencia se llama potencial de membrana y se define como el potencial eléctrico interno menos el externo: Vm = Vi - Ve. En reposo (cuando la célula no está "excitada") fluctúa, dependiendo de la célula, entre -10 y -90 mV. Por lo tanto, cada soluto con carga eléctrica está sujeto a una fuerza eléctrica.
Potencial de Equilibrio
Una manera de establecer si un ion se encuentra en equilibrio en un sistema de dos compartimientos sujetos a distintos potenciales eléctricos es calculando el potencial de equilibrio del ion.
Supongamos un sistema con dos compartimientos, interno (i) y externo (e), sujetos a potenciales eléctricos Vi y Ve, y que contienen un ion a concentraciones Ci y Ce respectivamente. En el equilibrio, la diferencia de potencial electroquímico será cero:
Equilibrio: Δμ = Δμi – Δμe = 0
0 = RT ln Ci / Ce + zF (Vi – Ve)
La ecuación puede escribirse como:
Vi – Ve = RT (ln Ce / Ci) / zF
La diferencia Vi - Ve se define como Veq o Potencial de equilibrio. La ecuación 15 se conoce como Ecuación de NERNST:
Veq = RT (ln Ce / Ci) / zF
Esto significa que si existe esta diferencia de potencial entre los compartimientos interno y externo, el ion alcanzará el equilibrio a distintas concentraciones en ambos medios.
A través de la membrana plasmática de todas las células hay diferentes gradientes de concentración de iones. Por ejemplo, hay mucho más K+ en el compartimiento intracelular que en el extracelular, y más Na+ en el compartimiento extracelular que en el intracelular. Estos iones no están en equilibrio.
Un ion está en equilibrio si su potencial de equilibrio es igual al potencial de membrana. De otro modo, los iones tenderán a atravesar la membrana en la dirección de su menor potencial electroquímico.
El potencial de equilibrio de cada ion es distinto para cada uno, mientras que el potencial de membrana es la diferencia de potencial eléctrico que existe a través de la membrana de una célula, y que todos los iones sienten igualmente.
Distribución de iones en distintas células |
Célula | Ion | Razón concentraciones | Potencial de | Potencial de |
Músculo | Na+ | 12 | +67 | -90 |
K+ | 0.0026-98 | -98 | ||
Cl- | 30 | -90 | ||
Ca+2 | 15000 | +123 | ||
Axón | Na+ | 9 | +57 | -60 |
K+ | 0.029 | -83 | ||
Cl- | 14 | -67 | ||
Ca+2 | 10000 | +118 |
REFERENCIAS
http://bio-cl.iespana.es/bio-cl/trans3.htm
http://www.iqb.es/cbasicas/farma/farma01/sec01/c1_002.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Potencial_de_membrana
http://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/06membrana.htm
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