3 biomembrana

BIOFISICA

Fuerzas físico-químicas que Fuerzas físico-químicas que intervienen en los procesos de la intervienen en los procesos de la

difusión simpledifusión simple

La DifusiónLa Difusión

Es un Es un procesoproceso netamente netamente físicofísico..

Es el Es el movimiento continuomovimiento continuo de de moléculas y iones en medios moléculas y iones en medios gaseosos o líquidos.gaseosos o líquidos.

Tiene un basamento físico en Tiene un basamento físico en una sencilla teoría cinético-una sencilla teoría cinético-molecular.molecular.

Difusión de una moléculaDifusión de una molécula

Movimiento difusivoMovimiento difusivo

La difusión es la consecuencia directa del movimiento La difusión es la consecuencia directa del movimiento térmico y probabilístico (al azar) de las moléculas y térmico y probabilístico (al azar) de las moléculas y iones en solución.iones en solución.

La molécula al moverse por su energía termal, La molécula al moverse por su energía termal, colisiona en su trayectoria con otra molécula que colisiona en su trayectoria con otra molécula que también está difundiendo. también está difundiendo.

Resultado de la colisión, la molécula cambiará de Resultado de la colisión, la molécula cambiará de dirección al azar y se moverá en otros sentido, y así, dirección al azar y se moverá en otros sentido, y así, sucesivamente.sucesivamente.

Movimiento difusivo:Movimiento difusivo: Movimiento Browniano Movimiento Browniano

Es el movimiento que lleva a cabo una Es el movimiento que lleva a cabo una partícula muy pequeña que está partícula muy pequeña que está inmersa en un fluido. inmersa en un fluido.

Se caracteriza por ser continuo y muy Se caracteriza por ser continuo y muy irregular. irregular.

La trayectoria que sigue la partícula es La trayectoria que sigue la partícula es en zigzag. en zigzag.


Luego de un número significativo de colisiones, la Luego de un número significativo de colisiones, la molécula se hallará a una distancia (S) del punto molécula se hallará a una distancia (S) del punto original de partida (punto 0).original de partida (punto 0).


Por análisis estadístico, luego de (N) Por análisis estadístico, luego de (N) colisiones, la distancia de la molécula del colisiones, la distancia de la molécula del punto de partida es en promedio:punto de partida es en promedio:

S = L S = L N NL: promedio de movilidad libre de la

molécula, depende a su vez del tamaño de la molécula y de la viscosidad del medio.

La velocidad de una molécula depende a La velocidad de una molécula depende a su vez de su vez de la temperatura la temperatura del medio y de del medio y de su masasu masa..

Movimiento difusivo Movimiento difusivo (Tips)(Tips)

Los gases están menos densamente Los gases están menos densamente empaquetados que los líquidos; a empaquetados que los líquidos; a consecuencia de ello, consecuencia de ello,

En los gases el promedio del valor de En los gases el promedio del valor de movilidad libre de una molécula es mayor y movilidad libre de una molécula es mayor y el tiempo de difusión es más corto.el tiempo de difusión es más corto.

Por lo tanto, los gases difunden más Por lo tanto, los gases difunden más rápidamente que los líquidos.rápidamente que los líquidos.

¿Cómo demostrar la ¿Cómo demostrar la difusión?difusión?

¡El colorante agregado, difundirá de la zona de mayor concentración a la de menor concentración! ..hasta que

se igualen las concentraciones en todas partes…

¿Cómo demostrar la ¿Cómo demostrar la difusión?difusión?

¿De qué depende la ¿De qué depende la difusión?difusión?

La velocidad dependerá de:La velocidad dependerá de:

1. La energía cinética (que a su vez, depende de 1. La energía cinética (que a su vez, depende de la temperatura).la temperatura).

2. El gradiente de concentración.2. El gradiente de concentración.

3. El tamaño de las moléculas. 3. El tamaño de las moléculas.

4. La solubilidad de las moléculas en la porción 4. La solubilidad de las moléculas en la porción hidrofóbica de la bicapa lipídica de la membrana hidrofóbica de la bicapa lipídica de la membrana plasmática.plasmática.

Transporte de moléculas Transporte de moléculas por difusiónpor difusión


Región 1

Región 2

0

C1

C2

X=0 X=X


Se puede calcular a partir de la suposición Se puede calcular a partir de la suposición anterior, el número de moléculas anterior, el número de moléculas transportadas por difusión de una región a transportadas por difusión de una región a otra.otra.

Velocidad de difusión (Vd) es la velocidad promedio Velocidad de difusión (Vd) es la velocidad promedio de difusión desde el sitio (X=0) hasta el sitio (X=de difusión desde el sitio (X=0) hasta el sitio (X=X).X).

La velocidad se deduce de la distancia (La velocidad se deduce de la distancia (X) dividida X) dividida por el tiempo promedio de difusión (t); es decir:por el tiempo promedio de difusión (t); es decir:

Vd = Vd = X / tX / t


Considerando que: S = L Considerando que: S = L N Vd = N Vd = x / tx / t

t = (t = (x)x)22 / Lv/ Lv

v: velocidad termal promedio de una partícula, v: velocidad termal promedio de una partícula, queda que:queda que:

Vd = Vd = x x

((x)x)22 / Lv / Lv

Vd = Lv / Vd = Lv / x x

Y aquí, ya podemos introducir el concepto de Y aquí, ya podemos introducir el concepto de FLUJOFLUJO


El número de moléculas de soluto (J) arribando El número de moléculas de soluto (J) arribando por segundo desde la (R1) con concentración por segundo desde la (R1) con concentración (1) a la (R2) con concentración (2) es:(1) a la (R2) con concentración (2) es:

Vd Vd xx C1 C1 x x AA

J1 = J1 =

22A: áreaA: área

factor 2 del denominador: por el hecho que las moléculas están factor 2 del denominador: por el hecho que las moléculas están difundiendo hacia y desde la región 2.difundiendo hacia y desde la región 2.

J = FLUJOJ = FLUJO


El El Flujo (J)Flujo (J) va a determinar la va a determinar la cantidad de partículas que se cantidad de partículas que se movilizan en una determinada movilizan en una determinada dirección, dirección,

expresada en moles de soluto expresada en moles de soluto que atraviesan la unidad de que atraviesan la unidad de sección (A) en la unidad de sección (A) en la unidad de tiempo (t).tiempo (t).


Región 1

Región 2

0

C1

C2

X=0 X=x


Pero al mismo tiempo, las moléculas van a Pero al mismo tiempo, las moléculas van a comenzar a difundir de la región (2) a la región comenzar a difundir de la región (2) a la región (1) para equilibrar las concentraciones, y así:(1) para equilibrar las concentraciones, y así:

JJ22 = Flujo de (2) a (1) = Flujo de (2) a (1)

Vd Vd xx C2 C2 x x AA

JJ22 = =

22

A: áreaA: área

factor 2 del denominador: por el hecho que las moléculas factor 2 del denominador: por el hecho que las moléculas están difundiendo hacia y desde la región 1.están difundiendo hacia y desde la región 1.


Región 1

Región 2

0

Flujo Unidireccional

FlujoBi-Direccional


Se puede deducir ahora el Se puede deducir ahora el FLUJO NETO FLUJO NETO (J(Jnetoneto):):

El (El (JJnetoneto) será la diferencia entre ambos flujos) será la diferencia entre ambos flujos

parciales:parciales:

Vd Vd x x A A XX (C1 – (C1 – C2)C2)

JnJn = J1 – J2 = = J1 – J2 =

22


Esta cantidad de flujo neto expresa la cantidad de partículas Esta cantidad de flujo neto expresa la cantidad de partículas que se desplazan del lado (1) hacia el lado (2) del sistema.que se desplazan del lado (1) hacia el lado (2) del sistema.

En el primer sistema representado (R1), el flujo neto es igual a En el primer sistema representado (R1), el flujo neto es igual a

cero.cero.

Pero en el segundo sistema (R2), y debido a esa diferencia de Pero en el segundo sistema (R2), y debido a esa diferencia de concentración, el flujo neto adquiere un valor distinto de cero.concentración, el flujo neto adquiere un valor distinto de cero.

Cuando el sistema adquiera la condición de equilibrio, las Cuando el sistema adquiera la condición de equilibrio, las concentraciones se igualan entre los dos compartimientos, y concentraciones se igualan entre los dos compartimientos, y ahí se detiene el flujo neto de soluto.ahí se detiene el flujo neto de soluto.


Como deducción lógica podemos señalar Como deducción lógica podemos señalar que para que exista un flujo neto entre dos que para que exista un flujo neto entre dos puntos de un sistema es necesario puntos de un sistema es necesario mantener una diferencia de concentración.mantener una diferencia de concentración.

Entonces, ese flujo desordenado, al azar, Entonces, ese flujo desordenado, al azar, observado en el primer esquema se observado en el primer esquema se convierte en convierte en flujo direccionalflujo direccional, debido a esa , debido a esa diferencia de concentración, y es el flujo diferencia de concentración, y es el flujo neto.neto.

Deducción Ley de FickDeducción Ley de Fick

En la fórmula de flujo neto (Jn) se sustituye (Vd) porEn la fórmula de flujo neto (Jn) se sustituye (Vd) por:: Vd = Lv / Vd = Lv / x x

Lv A (C1 – C2)Lv A (C1 – C2)

Jn = Jn =

2 2 x x

Se asume que las velocidades (v) de las moléculas son uniformes en ambas regiones.

El flujo neto depende obviamente de la diferencia de concentración de partículas o moléculas difusibles entre las dos regiones.

El flujo neto se incrementa con el aumento de la temperatura

(aumenta velocidad termal de las partículas), y decrece con la

distancia entre las dos regiones.

Deducción Ley de FickDeducción Ley de Fick

Re-escribiedo la ecuación anterior de (Jn) queda:

Haciendo al término (Lv/2) = Kd = Haciendo al término (Lv/2) = Kd = coeficiente de difusióncoeficiente de difusión

Jn = Kd. A (C1-C2)Jn = Kd. A (C1-C2)

DDx se convierte en D (distancia)L: promedio de movilidad libre de la molécula, depende a su vez

del tamaño de la molécula y de la viscosidad del medio.

Los coeficientes de difusión (Kd) de la mayoría de las moléculasbiológicamente importantes oscilan entre 10-7 y 10-5 cm2/s

Coeficientes de difusión Coeficientes de difusión (Kd)(Kd)

Coeficientes de difusión (Kd) de algunas sustancias y moléculas Coeficientes de difusión (Kd) de algunas sustancias y moléculas orgánicasorgánicas

SustanciaSustancia Peso molecularPeso molecular Kd (x10Kd (x10-5-5) (cm) (cm22/seg)/seg)

AguaAgua 18 18 2,12,1 UreaUrea 60 60 1,21,2 GlucosaGlucosa 180 180 0,60,6 InsulinaInsulina 12.000 12.000 0,150,15 MioglobinaMioglobina 17.500 17.500 0,110,11 HemoglobinaHemoglobina 68.000 68.000 0,0630,063

A mayor masa molecular de la partícula del soluto, menor será la A mayor masa molecular de la partícula del soluto, menor será la Kd, yKd, y

por lo tanto, menor será la cantidad de flujo (J)por lo tanto, menor será la cantidad de flujo (J)

Difusión a través de Difusión a través de membranas biológicasmembranas biológicas

El flujo neto de moléculas (J) fluyendo a través de El flujo neto de moléculas (J) fluyendo a través de la membrana está dado en términos del la membrana está dado en términos del coeficiente de permeabilidad de la membrana coeficiente de permeabilidad de la membrana (P):(P):

J = P. A. (C1 – C2)J = P. A. (C1 – C2)

P: incluye el coeficiente de difusión y el espesor de la membrana.

P: depende del tipo de membrana y de la molécula que difunde.

La diferencia de permeabilidad de las moléculas La diferencia de permeabilidad de las moléculas difusivas permite a las células mantener una difusivas permite a las células mantener una composición a la del medio extracelularcomposición a la del medio extracelular

Transporte masivo o por Transporte masivo o por arrastrearrastre

Compensa la dificultad del proceso difusional para Compensa la dificultad del proceso difusional para transportar sustancias a largas distancias.transportar sustancias a largas distancias.

En el transporte masivo cuando el soluto se mueve en En el transporte masivo cuando el soluto se mueve en un sentido, es porque el solvente también lo ha hecho en un sentido, es porque el solvente también lo ha hecho en ese mismo sentido. ese mismo sentido.

El movimiento del solvente arrastra consigo El movimiento del solvente arrastra consigo las partículas de soluto. las partículas de soluto.

Este proceso si es efectivo a grandes distancias.Este proceso si es efectivo a grandes distancias.

EjemplosEjemplos::

Sistema circulatorio y Sistema respiratorio.Sistema circulatorio y Sistema respiratorio.

Sistema RespiratorioSistema Respiratorio

En reposo, un adulto de 70 Kg. requiere unas 70 Cal. de energía/hora, lo que implica un consumo de oxígeno de cerca de 14,5 litros de oxígeno/hora, o sea, unas 1020 moléculas por segundo.

Sólo menos del 1% puede difundir a través de la piel.

En la membrana alveolo-capilar pulmonar el oxígeno se intercambia por difusión con la sangre y el aire que penetra.

También difunde CO2.

Sistema RespiratorioSistema Respiratorio

Los dos pulmones contienen cerca de 300 millones de alveolos con diámetro entre 0,1 y 0,3 mm c/u.

El área alveolar total es cerca de 100 m2, o sea, 50 veces mayor que el área total de la superficie de la piel.

El espesor de la membrana es de unos 4 x 10-5 cm.El intercambio de esta forma es, rápido.

El oxígeno viaja disuelto en el aire que respiramos, y viaja desde las fosas nasales hasta los alveolos pulmonares gracias al transporte masivo.

Sistema CirculatorioSistema Circulatorio

Con la sangre que circula por todo nuestro organismo, sucede algo similar al sistema respiratorio.

Todas las sustancias viajan disueltas en ella y logran llegar hasta el tejido más apartado del cuerpo humano, hasta la célula más recóndita, suministrando los nutrientes necesarios, oxígeno y eliminando sustancias de desecho, productos del metabolismo celular.

Caso especial de difusión:Caso especial de difusión:difusión y lentes de difusión y lentes de

contactocontacto La córnea (la capa superficial que cubre al ojo) no contiene vasos La córnea (la capa superficial que cubre al ojo) no contiene vasos

sanguíneos (por eso es transparente). sanguíneos (por eso es transparente).

Las células cornéales reciben oxígeno por Las células cornéales reciben oxígeno por difusióndifusión desde la capa desde la capa superficial de fluido lagrimal, el cual es rico en oxígeno.superficial de fluido lagrimal, el cual es rico en oxígeno.

Esto explica el por qué no deben usarse lentes de contacto para Esto explica el por qué no deben usarse lentes de contacto para dormir. dormir.

Estos lentes que se fijan sobre la córnea impiden que el parpadeo Estos lentes que se fijan sobre la córnea impiden que el parpadeo humedezca las células señaladas, y al dormir no se parpadea y la humedezca las células señaladas, y al dormir no se parpadea y la córnea se priva de oxígeno, que puede resultar en pérdida de la córnea se priva de oxígeno, que puede resultar en pérdida de la transparencia de la córnea.transparencia de la córnea.

FINFIN

EL ARTE TERMINA EN EL EL ARTE TERMINA EN EL MOMENTO EN QUE CESAMOS MOMENTO EN QUE CESAMOS

DE PREGUNTARDE PREGUNTAR

gracias

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