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FÍSICA BIOLÓGICA
DISPERSIONES. SOLUCIONES. CONCENTRACIÓN
JTP. Carlos J. Dabin - Prof. Adj. Graciela Bazzoni. Cátedra de Biofísica.
Facultad de Ciencias Médicas, UNR.
Contenidos
Introducción. Dispersiones. Definición y clasificación. Solubilidad Concentración de una solución y sus distintas formas de expresión. Empírica. Molaridad. Número de Avogadro. Mol. Molécula-gramo. Normalidad. Ley de electroneutralidad. Equivalente químico-gramo. Osmolaridad. Diferencia entre concentración y cantidad de soluto. Relación PM, mol, equivalente, osmol. Dilución
INTRODUCCIÓN
En nuestra vida cotidiana, podemos entender a la materia como “todo aquello que está”, “que ocupa un espa- cio”, “que llena un recipiente” o “que impresiona nuestros sentidos”. Con más rigor científico, la materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio y las sustancias químicas son tipos o clases de materia. Cada sustancia química tiene propiedades que la identifican y que permiten reconocerla. Podemos mencionar la existencia de sustancias puras, ejemplo: los elementos químicos como sodio (Na), hierro (Fe), calcio (Ca), cloro (Cl) y mezclas de sustancias que pueden dar lugar a sistemas homogéneos o sistemas heterogéneos. En cuanto a los sistemas homogéneos, todas las porciones que los constituyen son exactamente iguales, no observándose límites físicos o paredes físicas entre ellas (por ejemplo: mezcla de agua y vinagre). Por el con- trario, en los sistemas heterogéneos no todas las porciones que los constituyen son uniformes en composición, estructura y propiedades, pudiéndose percibir límites de separación entre ellas (por ejemplo: mezcla de agua y aceite). Cada una de estas distintas porciones del sistema se llama fase y se hallan separadas por superficies bien delimitadas, que se conocen como interfases. Por lo tanto sistemas homogéneos son aquellos constitui- dos por una sola fase, sistemas heterogéneos son aquellos constituidos por más de una fase.
DISPERSIONES: Definición y Clasificación
Nuestro medio interno está formado por diferentes sustancias disueltas constituyendo las denominadas solu- ciones. Pero las soluciones son una de las formas en que se clasifican las dispersiones. Una dispersión es la mezcla de dos o más sustancias, denominándose soluto o fase dispersa a la/s sustancia/s que se encuentran en menor cantidad en el seno de otra mucha más abundante llamada solvente o fase dispersante. Los componentes de esa mezcla pueden verse como una sola fase o distintas fases, como por ejemplo: azúcar en agua, aceite en agua. Existen diferentes tipos de dispersiones que resultan de las combinaciones posibles entre los tres estados de la materia (sólido, líquido y gaseoso) Ej.: sólido en sólido (piedras), sólido en gas (humo), gas en sólido (esponja), líquido en líquido (aceite en agua), etc. El tamaño de las partículas dispersas condiciona muchas de las propiedades de las dispersiones, por lo que se lo utiliza como criterio de clasificación. El tamaño del soluto afecta la visibilidad (a simple vista o con el uso
Material para uso pedagógico No está autorizada su venta Guía de Aprendizaje - Crecimiento y Desarrollo - 1- de dispositivos ópticos especiales), la estabilidad en solución y la posibilidad de que el soluto difunda a través de membranas que presentan poros de diferente tamaño (difusibilidad). Se definen así tres tipos de dispersio- nes cuyas características se muestran en la tabla siguiente.
CARACTERÍSTICAS
TIPO DE DISPERSIÓN
HETEROGÉNEAS HOMOGÓNEAS
GROSERAS COLOIDALES VERDADERAS
Tamaño de las partículas en nm ( 1nm=10-9m ) Mayor a 100 De 1 a 100 Menor de 1 Ejemplos arena en agua humo aceite en agua plasma el líquido intersticial cremas cosméticas ultrafiltrado plasmático en túbulo renal lágrimas sudor azúcar en agua sal en agua Estabilidad
- gravedad
- centrifugación
- ultracentrifugación No No No Si Si No Si Si Si Difusibilidad a través de las mem branas
- permeable
- dialíticas
- semipermeables No No No Si No No Si Si No
Nota: Las dispersiones coloidales y verdaderas también son denominadas soluciones coloidales y
verdaderas, respectivamente
Material para uso pedagógico No está autorizada su venta Guía de Aprendizaje - Crecimiento y Desarrollo - 1- cias tales como glucosa, urea, triglicéridos o colesterol. Por Ej: el rango normal de la concentración de glucosa en sangre (glicemia) es: 70 - 110mg% (ó 0,7 - 1,10g‰). Aplicación : ¿Cuál será la concentración (C) empírica de una solución donde se disolvieron 3g de glucosa, alcanzándose un volumen total de 20ml? Datos del problema: V: 20 ml solución Q: 3 g C empírica: incógnita Solución del problema: I) 3g 20 ml solución O II) 3g 20 ml solución x g 100 ml solución x g 1000 ml solución x = 15g x = 150g Respuesta : g % = 15 g ‰ = 150
b) MOLARIDAD
Previo a la definición de esta forma de concentración debemos introducir algunos conceptos como: NÚMERO DE AVOGADRO : Esta constante universal tiene un valor de 6,023x10^23 entes. El número de Avoga- dro expresa una cantidad fija similar a cuando expresamos la cantidad en docenas. Es decir, sabemos que una docena expresa una cantidad fija que es 12. MOL : Es la cantidad de materia que contiene 6,023 × 10^23 (número de Avogrado) entes de la misma especie (moléculas o átomos). Por ejemplo: en 1 mol de urea hay 6,023 × 10^23 moléculas de urea; en 1 mol de ATP hay 6,023 × 10^23 moléculas de ATP; en 1 mol de zinc hay 6,023 × 10^23 átomos de Zn. Se establece que la masa de esa cantidad de materia donde se encuentran 6,023 × 10^23 moléculas de esa sustancia se denomina molécula gramo o mol gramo y coincide con el valor del peso molecular ó atómico ex- presado en gramos. Retomando el concepto de docena: en una docena de manzanas sabemos que hay doce manzanas y en una docena de sandias también hay doce sandias pero el peso dependerá de cada tipo de fruta. Ejemplo: glucosa (PM 180) y albúmina (PM 67.000), teniendo en cuenta lo dicho anteriormente el número de Avogadro de moléculas de glucosa (6,023 .10^23 ) le corresponde una masa de 180g; mientras que el mismo número de moléculas de albúmina pesará 67.000g (67kg) Una vez comprendido el concepto de mol, podemos definir Molaridad (M) de una solución como: “la cantidad de moles de soluto contenidos en un litro de solución”. (M = moles/l ó moles/1000ml,) Como en cualquier sistema de medidas, el prefijo mili (m) equivale a 10^3 (1000) veces más chico, por lo tanto 1mol=1000mmoles; 1 milimol= 0,001 mol, es decir 10-3^ mol. Por lo tanto, 1mM=1milimolar= 0,001M: 1 mmoles/l ó 1 mmoles/1000ml. Esta forma de expresar la concentración no se utiliza en la vida cotidiana, pero es importante en Medicina porque refleja la composición molecular de las soluciones. Aplicación: Calcular la M (molaridad) de un litro de solución compuesta por 117g de NaCl (PM: 58,5) y de un litro de solu- ción que contiene 360 g de glucosa (PM: 180). Datos del problema: Solución 1: V: 1 litro QNaCl : 117 g PM (^) NaCl: 58,5 M: incógnita
Material para uso pedagógico No está autorizada su venta Solución 2: V: 1 litro QGlucosa: 360 g PMglucosa: 180 M: incógnita Solución del problema: Solución1: 1 mol de NaCl 58,5 g x mol NaCl 117g en 1000ml de solución x = 2 moles de NaCl en 1000 ml de solución Solución 2: 1 mol de glucosa 180 g x mol glucosa 360 g en 1000 ml de solución x = 2 moles de glucosa en 1000 ml de solución Respuesta: solución 1: 2 M ó 2 moles de NaCl en 1 litro de solución (1000 ml) solución 2: 2 M ó 2 moles de glucosa en un litro de solución (1000ml) Algunas consideraciones sobre la molaridad: A) Dos soluciones pueden estar compuestas por distintos solutos que tienen la misma molaridad, en el ejem- plo anterior: 2M, el mismo número de moléculas (2 x 6,023^23 moléculas) PERO, nótese, que la MASA que las contiene es DIFERENTE B) Si en un canasto colocamos 5 manzanas y 5 sandías, podemos decir que hay 10 frutas. Pero son frutas dife- rentes, si lo relacionamos con el concepto de mol, deberemos citar la cantidad de cada fruta por separado. En nuestro caso, si 2 solutos diferentes forman parte de una misma solución (por ejemplo: en un litro de solución tenemos 2 moles de glucosa y 2 moles de urea) no se puede calcular la molaridad total de la solución ( el re- sultado 4M sería erróneo ). Este resultado equivoco surge de no haber contemplado la definición de mol: can- tidad de entes de la misma especie. Entonces, deberemos informar por separado la molaridad de cada soluto que constituye la solución. (M de la glucosa= 2 y M de la urea= 2, ambas forman parte de una misma solución).
c) NORMALIDAD
Antes de definirla, debemos conocer y entender la ley de electroneutralidad, y el concepto de equivalente químico gramo LEY DE ELECTRONEUTRALIDAD: Es una propiedad fundamental de toda solución electrolítica cuyo enun- ciado establece: “En solución, la carga positiva total de los cationes es igual en valor absoluto a la carga negativa total de los aniones”. Discutamos brevemente este enunciado. Si bien toda molécula es eléctricamente neutra, existen moléculas de determinadas sustancias que puestas en agua se disocian generando partículas cargadas (positivas y negati- vas). A esas sustancias se las denomina electrolitos (porque conducen la corriente eléctrica) y a las partículas cargadas iones. Los iones pueden tener carga positiva (cationes) o carga negativa (aniones). Por lo tanto cuando una solución contiene por ej. NaCl, KCL y CaCl 2 la cantidad total de cargas negativas (CL-) es igual a la de las cargas positivas (Na+, K+^ y Ca++). De esta forma se enuncia: los iones se neutralizan equivalente a equivalente de forma tal de cumplir con la ley de electroneutralidad. EQUIVALENTE QUÍMICO GRAMO: En Fisiología, se aplica el equivalente químico a los electrolitos. El equi- valente químico (eq.qco. o Eq) es la cantidad de materia que contiene el número de Avogadro de valencias.
Material para uso pedagógico No está autorizada su venta ron esos iones. Pero una vez liberados, ya no se sabe que sales los generaron, por esto la composición está dada en iones. Sin embargo, dado que provienen de la disociación de sales neutras, se cumple que el número de equivalentes de cationes es exactamente igual al número de equivalentes de aniones. De acuerdo a los libros de Fisiología, la composición electrolítica de los líquidos corporales es la siguiente: Plasma Líquido intersticial Líquido intracelular Cationes (mEq/l ) Na+^142 145 K+^4 4,
Ca++^ 2,5 2,
Mg++^1
Total 149,5 152,5 209 Aniones (mEq/l) Cl-^104
CO 3 H-^24 27,
Proteinatos 14 <0,
Otros 7,5 8,
Total 149,5 152,5 209
d) OSMOLARIDAD
Esta forma de expresar la concentración nos permite predecir el intercambio de líquido entre compartimentos cuando la membrana sólo deja pasar al solvente (membrana semipermeable). Este fenómeno denominado ósmosis se debe a que el agua se desplaza desde el compartimiento donde los solutos están menos concen- trados (el que tiene mayor proporción de agua) al de mayor concentración de solutos (menor proporción de agua), y será estudiado con mayor atención en el Área EL SER Y SU MEDIO. Osmolaridad es el número de osmoles de soluto dispersos en un litro de solución. El osmol es la can- tidad de materia que contiene el número de Avogadro de partículas. Esta forma de concentración se abrevia Osm. La cantidad de osmoles no depende del tamaño, ni la carga, ni la naturaleza química del soluto, sino del número total de partículas presentes en la solución. Cuando la cantidad de soluto es pequeña se utiliza el submúltiplo miliosmol (1osmol=1000miliosmoles) y la concentración se expresa como miliosmolar ( mOsm ). Así, cuando se solubiliza cualquier sustancia no electrolítica (Ej.: glucosa, sacarosa o urea) sus moléculas se hallan separadas entre sí por moléculas de solvente pero no se disocian y un mol produce 6,023.10^23 partículas
Material para uso pedagógico No está autorizada su venta Guía de Aprendizaje - Crecimiento y Desarrollo - 1- es decir, un osmol. En cambio, si se considera un electrolito -como NaCl- cada molécula al disolverse se separa (NaCl →Na++^ Cl-) dando lugar: a 1 catión y a 1 anión y cada uno de ellos corresponden a 1 partícula. Esto quiere decir que en 58,5 gramos de NaCl (1mol: 6,023 × 10^23 moléculas) existe 2 veces el número de Avogadro (6, × 10^23 ) de partículas. Del ejemplo anterior se puede deducir que la masa de un osmol de cualquier sustancia se calcula dividiendo el peso molecular (PM) expresado en gramos por el número de partículas que aporta cada molécula.
DIFERENCIA ENTRE CONCENTRACIÓN Y CANTIDAD DE SOLUTO
Resulta importante distinguir la diferencia entre estos dos conceptos. Para ello, centraremos la atención en la noción de propiedades de la materia. Las propiedades intensivas son aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia o del tamaño de un cuerpo, por lo que el valor permanece constante al subdividir el sistema inicial en varios subsistemas, por este motivo no son propiedades aditivas (por ejemplo: temperatura, color, sabor, densidad). Por el contrario, las propiedades extensivas son aquellas que sí dependen de la cantidad de sustancia o del tamaño de un cuerpo, y por lo tanto se modifican cuando se fracciona el sistema original. Estas magnitudes pueden ser expresadas como la suma de las magnitudes del conjunto de subsistemas que forman el sistema original (por ejemplo: masa, longitud, volumen). Esto se conoce como aditividad. Aplicación: Si preparamos un litro de una solución 0,1M de glucosa (0,1 mol de glucosa en 1000 ml de solución), la con- centración será 0,1M en cualquier parte del sistema. A) Si dividimos este litro de solución en dos recipientes - uno de 400 ml y otro de 600 ml - la concentración en cada uno de ellos seguirá siendo la misma: 0,1M. Por lo definido anteriormente, la concentración es una propiedad intensiva. B) La cantidad de glucosa y la cantidad de agua en cada uno de los recipientes será diferente a la del recipiente original 1000ml _______0,1mol 400ml ______ x = 0,04mol Y haciendo el mismo razonamiento, en 600ml hay 0,06mol Sumando independientemente volumen de solución y cantidad de sustancia, dan como resultado: 1000ml _______0,1mol Por lo tanto, (por presentar aditividad) volumen y cantidad de sustancia son propiedades extensivas.
RELACIÓN PM, Mol, Equivalente, Osmol
La cantidad de soluto presente en una solución y la concentración de la solución, como vimos hasta ahora, podemos expresarla de distintas maneras. Estas formas se pueden ínter convertir. Para ello debemos conocer el peso molecular (PM) y si se trata de un soluto que se disocia (electrolito) o un no electrolito (molécula que no se disocia). En el caso de un electrolito necesitamos conocer su ecuación de disociación. Aplicación: Ejemplo 1: soluto que se disocia NaCl → Na+^ + Cl-^ (PM=58,5) I) cada molécula nos da 2 partículas (1mol = 2osmoles) II) hay 1 valencia en juego (1mol = 1Eq) III) recordando el concepto de molécula-gramo (1mol = 58,5gr)
Material para uso pedagógico No está autorizada su venta Guía de Aprendizaje - Crecimiento y Desarrollo - 1- Aplicación: Ejemplo 1 : En un vaso de precipitado se tienen 200 ml de una solución 0,1M y se le agregan 800ml de H 2 O. ¿Cuál será la concentración final? Datos del problema: Vinicial: 200ml Cinicial: 0,1M Vfinal: 200ml de solución inicial + 800ml H2O Cfinal: incógnita Solución del problema: 0,1mol ______ 1000ml x mol ______ 200ml x = 0,02moles ______ 200ml solución
0,02 moles 1000ml solución final Respuesta: 0,02 M Conclusión: el agregado de 800ml de H2O a los 200ml de solución 0,1M produjo un aumento del volumen (1000ml), una disminución de la concentración (0,02) manteniendo la cantidad de soluto (Q = 0,02 moles) Ejemplo 2: A partir de 1000ml de solución 2M, preparar 200ml de una solución 0,5M Datos del problema: Vinicial: 1000ml Cinicial: 2M Vfinal: 200ml Cfinal: 0,5M Solución: I) encontrar la cantidad de soluto necesaria para preparar 200ml (Vfinal) con una concentración de 0,5M (Cfinal) 0,5moles ________ 1000ml x moles ________ 200ml 0,1 moles II) determinar que volumen de la solución original 2M (Cinicial) contiene los 0,1 moles 2moles ________ 1000ml 0,1moles _______ x ml 50ml de la solución original Respuesta : para preparar el volumen de solución pedido se procederá: 50ml de la solución original + 150ml de agua Conclusión: De la solución más concentrada (2M) se toman 50ml que contienen 0,1mol, cantidad de soluto necesaria para preparar 200ml con una concentración final de 0,5M. Luego se le agregan 150ml de agua para llegar a tener 200ml con la concentración requerida (0,5M).
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Referencias bibliográficas
GRIGERA R.J.: “Elementos de Biofísica”. Ed. Hemisferio Sur S.A., 1980. FRUMENTO A.: “Biofísica”. Ed. Interamericana. JIMÉNEZ-VARGAS: “Fisicoquímica – Fisiológica”. RODRIGUEZ GUARNIZO J. – RODRIGUEZ BARRANTES D. Reflexiones didácticas sobre los estados de agregación de la materia
Guía de autoaprendizaje:
1.- La fase dispersa de una solución no sedimenta espontáneamente y es solo separada por una membrana dialítica o por ultracentrifugación. Se trata de una dispersión: a) coloidal b) verdadera c) grosera 2.- Cuántas fases distintas pueden reconocerse en cada caso: a) un balde de agua con arena y trozos de madera b) un vaso de agua con 5 cubos de hielo c) una taza con café y 10 cucharadas de azúcar d) una olla con agua y 5 verduras distintas 3.- El plasma y el suero de acuerdo a sus características, se clasifican como: a) verdaderas b) coloidales c) groseras 4.- Son formas diferentes de expresar la cantidad de soluto: a) milímetro b) g, mg c) mol, equivalente químico d) osmol, g e) ml 5.- La masa de sustancia que contiene el número de Avogadro de moléculas es: a) el peso atómico expresada en g b) el peso molecular expresado en g c) la valencia d) el número de partículas
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FÍSICA BIOLÓGICA
SEMINARIO DISCIPLINAR:
SOLUCIONES. FORMAS DE EXPRESAR SU CON-
CENTRACIÓN
Docente Responsable: Carlos J Dabin. JTP. Cát. De Física Biológica
INTRODUCCIÓN
Nuestro cuerpo, cuyo principal componente es el agua, está organizado en compartimentos que tienen distin- ta composición y se hallan separados por membranas. El intercambio de agua y solutos entre los compartimen- tos mantiene la composición de las soluciones acuosas intra y extracelulares de acuerdo a sus requerimientos fisiológicos. Para comprender la composición y la homeostasis del medio interno, debemos comenzar con el estudio de “qué es una dispersión” y las distintas formas de expresar la concentración de los solutos que componen al medio interno. Por otra parte, la preparación y el uso de soluciones son temas cotidianos dentro de la Práctica Médica: en promoción, terapéutica, diagnóstico, prescripción, etc.
OBJETIVOS
- Conceptuar las distintas formas de expresar la concentración de una solución y la cantidad de soluto disuelto.
- Saber interconvertir entre sí las distintas formas de expresar la concentración y la cantidad de soluto de las soluciones.
- Comprender el concepto de dilución y su aplicación en la práctica médica
- Interpretar a qué tipo de dispersión corresponde cada uno de los líquidos biológicos.
CONTENIDOS
Dispersiones: concepto y clasificación. Formas de expresar la cantidad de soluto y la concentración de una solución. Proceso de dilución DURACIÓN: 2 horas. Los alumnos DEBEN concurrir al seminario propuesto con la lectura previa del Material Académico aportado por la Cátedra de Física Biológica.
DESARROLLO
1- Indique qué tipo de dispersión constituyen los siguientes ejemplos. Justifique.
- Líquido cefalorraquídeo (agua, glucosa, aminoácidos, hormonas, vitaminas, electrolitos, células)
- Secreción pancreática (agua, bicarbonato, enzimas proteolíticas y lipolíticas, amilasa)
- Bilis (sales biliares, proteínas, colesterol, hormonas y agua)
- Líquido intersticial (agua, aminoácidos, azúcares, ácidos grasos, coenzimas, hormonas, neurotransmiso- res, sales minerales y productos de desecho de las células).
Material para uso pedagógico No está autorizada su venta Guía de Aprendizaje - Crecimiento y Desarrollo - 1- 2 - La concentración de una sustancia puede expresarse de distintas maneras. Indique para las siguientes, cuál considera es la forma más adecuada de expresar su concentración: a- Na+ b- K+ c- Glucosa d- Proteínas e- Todas las sustancias del plasma tomadas en conjunto 3- Un recipiente contiene 100ml de una solución de ClNa (cloruro de sodio) 9gr‰ (llamada solución o suero fisiológico - SF) (NaCl → Na+ + Cl-. PM: 58,5). Si se divide el contenido en dos recipientes: uno que contiene 70ml y otro que contiene los 30ml restantes: a- Indique que propiedades intensivas y extensivas se han modificado en cada vaso. b- ¿Cuántos grs de ClNa habrá en cada uno de los recipientes? c- ¿Cuál será la concentración de la solución que contiene cada uno expresada en moles/l, en meq/l y en osm/l? 4- ¿Cuántos gramos de soluto se requieren para preparar 1.000 cm3 de las siguientes soluciones?: a- KCl 2M (KCl → K+ + Cl-, cloruro de potasio, PM: 74,5) b.- CaCl2 0, 03M (CaCl2 → Ca++ + 2 Cl-, cloruro de calcio, PM: 111) 5- Una solución de MgCl2 (MgCl2 → Mg++ + 2 Cl-, cloruro de magnesio, PM: 95) es 15M. ¿Cómo debe pro- cederse para preparar 100ml de solución 3M? 6- Para poder ser consumida por lactantes, la leche de vaca debe ser diluida. Teniendo en cuenta los datos de la siguiente tabla, calcule: a- ¿qué volumen de la leche de vaca se debe tomar? b- ¿cuánta agua debe agregarse para preparar un litro de leche apta para la alimentación de un lactante?
Sodio (mg/100 ml) Potasio (mg/100 ml)
Leche materna 15 53
Leche de vaca 45 159
Material para uso pedagógico No está autorizada su venta Guía de Aprendizaje - Crecimiento y Desarrollo - 1- J = flujo, ΔC = diferencia de concentración y P = coeficiente de permeabilidad, que expresa la facilidad de un soluto específico para atravesar una dada membrana.
J
Graficando J en función de ΔC tenemos (Fig.1):
P
J = variable dependiente.
ΔC = variable independiente
P = pendiente.
ΔC
La ley de Fick permite calcular el flujo para el caso de sustancias sin carga eléctrica. La difusión de agua o de moléculas de solvente se denomina ósmosis y describe el flujo espontáneo de agua entre disoluciones que están separadas por una membrana semipermeable. La membrana que permite el paso libre del agua pero no de las sustancias disueltas se denomina membrana semipermeable. Son ejemplos conocidos de membranas semipermeables las de pergamino o de ferrocianuro cúprico. Cuando la membrana puede ser atravesada por ciertos solutos pero no por otros, se trata de una membrana selectiva. La permeabilidad selectiva es una propiedad de la membrana; todas las membranas que rodean células, núcleos, vacuolas y estructuras subcelulares poseen permeabilidad selectiva. Membranas dialíticas: son permeables al agua y solutos verdaderos como ClNa, ClK, pero no las atraviesan los solutos de mayor tamaño. Por ejemplo el endotelio capilar que puede ser atravesada por las soluciones electrolíticas pero no por las proteínas plasmáticas. Membranas impermeables: son aquellas que no las pueden atravesar ni el disolvente, ni los solutos; por ejem- plo, aunque no en un sentido muy riguroso, los tegumentos.
TRANSPORTE DE SOLUTOS A TRAVES DE MEMBRANAS
La membrana celular es la parte de la célula que presenta mecanismos de transporte peculiares de los sis- temas vivientes y que mantiene diferencias en la concentración de muchas sustancias a su través. Así, en la mayoría de las células, el K+^ está más concentrado en el interior celular y el Na+^ y el Cl-^ en el exterior. Entonces el Na+^ y el Cl-^ tienen tendencia a entrar y el K+^ a salir por diferencia de concentración. La mayoría de las células animales tienen una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) a través de sus membranas plasmáticas. El citoplasma es, por lo general, eléctricamente negativo en relación con el líquido extracelular. La diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana plasmática en una célula se denomina potencial de reposo de la membrana. Así el Na+^ y el K+^ que tienen carga positiva son atraídos por el interior negativo, mientras el Cl-^ es rechazado por el interior negativo. Por otro lado, la permeabilidad de la membrana plasmática a una determinada sustancia aumenta con su liposolubilidad. El agua y las moléculas hidrosolubles muy pequeñas y desprovistas de carga atraviesan las membranas celulares muchos más rápidamente de lo que cabría esperar en función de su liposolubilidad y radio molecular. La mayoría de las teorías proponen que las proteínas de membrana son las responsables del pasaje de agua y moléculas hidrosolubles. Las moléculas hidrosolubles de mayor tamaño (carbohidratos, aminoácidos) utilizan transporte mediado por proteínas para su paso a través de la membrana.
Clasificación desde el punto de vista mecanístico
Por lo visto podemos proponer la siguiente clasificación de los mecanismos de transporte: I Difusión simple II Difusión facilitada III Canales iónicos IV Mecanismos de Bombas
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I Difusión simple
La velocidad de este proceso depende de la solubilidad y movilidad de las moléculas de soluto en la bicapa lipídica. Los estudios realizados demuestran que para un gran número de compuestos orgánicos existe una correla- ción estrecha entre la solubilidad de la sustancia en lípidos y la permeabilidad de la membrana a ella. Cuanto mayor es la solubilidad, mayor es la permeabilidad. La mayoría de las sustancias transportadas por este me- canismo son los materiales liposolubles y los gases disueltos (O 2 , CO 2 , etc.) El paso por difusión simple es siempre pasivo, es decir no utiliza energía de la célula. Sus propiedades re- sultan de aplicar, al caso de las membranas biológicas, la Ley de Fick que rige el proceso de difusión de la materia en una solución.
II Difusión facilitada
Una partícula que no podría atravesar la membrana por no ser liposoluble o por su tamaño, puede hacerlo si se combina con una molécula intramembranosa apropiada llamada carrier o transportador. Si bien se sabe que todos los sistemas de transporte contienen en su estructura proteínas integradas de la membrana, se sabe poco acerca del mecanismo molecular del transporte. Se denomina transporte mediado ya que la sustancia a ser transportada no atraviesa la membrana como tal, sino formando un complejo con el sistema de transporte (carrier) que actúa como “mediador”. Este mecanismo muestra una llamativa analogía con el de las reacciones enzimáticas, ya que en ellas también se requiere la formación de un complejo entre la sustancia que se transporta y la proteína enzimática. Así el transporte mediado muestra: A- Cinética de saturación:
Si se grafica J (flujo) en función de ΔC se obtiene una curva de pendiente creciente hasta alcanzar un
valor máximo, a partir del cual el flujo no se modifica al aumentar la diferencia concentración de la sustancia transportada. Este punto corresponde a la situación en que todos los transportadores están funcionando, por lo tanto, un aumento en la oferta de sustancia a transportar, no puede ocasionar aumento de la veloci- dad de transporte. (Fig. 2)
J máximo
J Fig. 2
ΔC
B- Selectividad característica y especificidad Sustancias que son muy similares desde el punto de vista químico a las efectivamente transportadas, son incapaces de atravesar la membrana utilizando el mismo transportador. Ejemplo: la membrana de la célula hepática transporta D glucosa y no L-glucosa. La proteína mediadora posee especificidad química, es decir, sólo transporta moléculas con la debida estructura química. C- Inhibición competitiva: Moléculas de estructura similar o estrechamente relacionada pueden competir por el mediador. En gene- ral, la presencia de un segundo sustrato a ser transportado reducirá la velocidad de transporte del primer sustrato porque compite por la proteína transportadora. Esta competencia es similar a la inhibición compe- titiva de una enzima. Se desconocen los detalles moleculares de cómo funcionan las proteínas transportadoras. Los modelos
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IV Mecanismo de bombas
Cuando el transporte mediado por carriers mueve sustancias en contra de un gradiente electroquímico (suma de la diferencia de concentración y diferencia de potencial eléctrico a través del espesor de la membra- na), con el aporte de energía metabólica, se denomina transporte activo o Bomba. En las células la fuente de energía es la hidrólisis del ATP (trifosfato de andenosina) que, en una reacción exergónica (libera energía), se hidroliza en difosfato de adenosina (ADP) y ortofosfato inorgánico (Pi).
ATPi + H 2 O 4 ADP + Pi
Características especiales de todos los transportes activos. El transporte activo presenta las mismas características del transporte mediado. Pero además se pueden agregar como características particulares, las siguientes: 1.-Dependencia de sustratos metabólicos: Como ya vimos la energía que mueve las partículas proviene de la energía química de la oxidación de los sustratos orgánicos. 2.- Sensibilidad a venenos metabólicos: Los inhibidores de la glicólisis y de la respiración celular (como el fluoruro, el iodo acetato, el arsénico, el cianuro y los agentes que son desacoplantes de la fosforilación oxidativa como el 2-4 dinitrofenol), inhiben el transporte activo. La bomba de sodio y potasio es una ATPasa activada por Na+^ y K+. Como vimos las células presentan una diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana celular, siendo negativo el interior con respecto al exterior. Además, las células contienen más K+^ que Na+^ en su interior y la composición del medio que las rodea contiene más Na+^ que K+. Estas diferencias de concentración y de potencial eléctrico determinan una fuerte tendencia del Na+^ a ingresar pasivamente a la célula y una pequeña tendencia del K+^ a salir pasivamente de la célula. Por lo dicho anteriormente el bajo Na+^ y el alto K+^ intracelulares observados en condiciones fisiológicas deben ser consecuencia de la acción de un transporte activo que genera un flujo de Na+^ hacia el exterior y otro de K+^ hacia el interior de célula, que compense los movimientos espontáneos y determine así una distribución estacionaria alejada del equilibrio. Usando un símil hidraúlico, el mecanismo de transporte activo de Na+^ y K+ bombea Na+^ al exterior y K+^ al interior de la célula y por este motivo también se denomina “ bomba de Na+^ y K+^ ”. Se desconoce por qué las células mantienen esa diferencia de composición iónica con el medio. Sin embargo, se sabe que hay varios procesos celulares que requieren K+^ y no Na+. Además, la distribución asimétrica de iones es indispensable para mantener el volumen y la integridad celular. Debido a que la bomba transporta Na+^ solo cuando dispone de K+^ para ser bombeado al interior y requiere para ello la energía proveniente de la hidrólisis del ATP, es lícito suponer que el sistema tiene las propiedades de una enzima ATPasa activada por Na+^ y K+^ conjuntamente. En 1965 mediante experimentos en glóbulos rojos humanos y más recientemente en otras células se ha demostrado que 3 equivalentes de Na+^ son transportados desde el interior hacia el exterior y 2 equivalentes de K+^ son transportados desde el exterior hacia el interior de la célula, cuando un mol de ATP se hidroliza a ADP y Pi. (Fig. 4) Medio extracelular célula 2 K+
ATP
3 Na+
ADP +Pi
Fig. 4
Material para uso pedagógico No está autorizada su venta Guía de Aprendizaje - Crecimiento y Desarrollo - 1- Por lo tanto puede escribirse:
3 Na+ i + 2 K+ e + ATPi +H 2 O 4 3 Na+ e + 2 K+ i + ADP +Pi.
TRANSPORTE DE AGUA A TRAVÉS DE LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS: ACUAPORI-
NAS
Sabemos que el agua es el componente predominante de todos los organismos vivos, y por esa razón, interviene en la regulación de la mayoría de los procesos biológicos. La elevada permeabilidad al agua de la mayoría de las membranas biológicas, en respuesta a mínimas diferencias osmóticas, permite que los compar- timientos intra y extracelulares mantengan su isotonicidad, necesaria para la homeostasis celular. El agua puede atravesar la membrana celular por difusión simple o a través de poros acuosos. Debido a la baja solubilidad del agua en la fase lipídica de la membrana, este mecanismo requiere una elevada energía de activación, lo que llevó a un grupo de científicos a plantearse que, necesariamente, tenían que existir mecanis- mos que aceleraran esta difusión en algunas circunstancias. Los investigadores estadounidenses Peter Agre y Roderick Mac Kinnon recibieron el Premio Nobel de Quí- mica en 2003 por sus descubrimientos sobre la estructura proteica de los canales iónicos y del agua en la membrana celular. Peter Agre fue premiado por haber identificado una proteína que permite selectivamente el pasaje del agua a través de las membranas biológicas: las acuaporinas. Las acuaporinas constituyen una familia de proteínas que puede subdividirse en dos grupos: las acuaporinas clásicas (sólo permeables al agua) y las acuagliceroporinas (permeables al agua, glicerol y a otros solutos de bajo peso molecular). Las acuaporinas son proteínas integrales de membrana, poseen extructura tetramérica, y son reguladas por diversos factores intracelulares, fundamentalmente por el pH y la fosforilación. Su permeabilidad al agua es muy alta, del orden de 300 millones de moléculas de agua por segundo. Hasta la actualidad se han identificado once acuaporinas que se encuentran detalladas a continuación LOCALIZACIÓN ACUAPORINA FUNCIONES CONOCIDAS Ojo: Cristalino AQP0 Balance de fluido intraocular Glóbulos rojos Riñón: TCP y asa desc. de Henle Ojo: Epitelio ciliar Cerebro: Plexo coroideo Pulmón: Epitelio alveolar Endotelio capilar Oído Músculos: esquelético, cardíaco y liso AQP1 Protección osmótica Concentración de la orina Producción de humor acuoso Producción de fluido cerebroespinal Hidratación alveolar Intercambio de fluido con los tejidos ? ? Riñón: Células principales de los túbu- los colectores AQP2 Concentración de la orina mediada por la HAD Riñón: Túbulos colectores Tráquea: Células epiteliales AQP5 Reabsorción de agua hacia los va- sos sanguíneos Secreción de agua hacia la tráquea Riñón: Túbulos colectores Cerebro: Células epindemales Cerebro: Hipotálamo Pulmón: Epitelio bronquial AQP4 Reabsorción de agua hacia los va- sos sanguíneos Balance de fluido cerebro-espinal ¿Función osmosensora? Secreción de fluido bronquial Glándula salival Glándula lacrimal AQP5 Producción de saliva Producción de lágrimas
