La membrana plasmática impide el paso de iones y metabolitos de un lado a otro debido a su naturaleza hidrofóbica. Realizado por Dr. A. Martínez-Conde.

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2 La membrana plasmática impide el paso de iones y metabolitos de un lado a otro debido a su naturaleza hidrofóbica. Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Aspectos termodinámicos del Transporte a través de membrana ¿ Cómo pasan los metabolitos e iones a través de las membranas ? ¿ Que fuerza hace posible ese paso ?

3 Tipos de Transporte Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Difusión Simple o Pasiva : No requiere Proteínas que participen en el proceso Difusión Facilitada : Se requieren Proteínas que participan en el proceso. No se requiere el acoplamiento a un donador de Energía. 1.Canales de iones 2.Transportadores Transporte Activo : Se requieren Proteínas que participan en el proceso. Se requiere además el acoplamiento a un donador de Energía. 1. Primario 2. Secundario Transporte Pasivo : No se requiere el acoplamiento a un donador de Energía.

4 Glucosa Las sustancias neutras ( no ionizadas o cargadas eléctricamente ) con frecuencia pasan De un lado a otro únicamente impulsadas por su diferencia de concentración. Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid membrana Termodinámica del Transporte de moléculas no cargadas

5 En este caso podemos decir que la variación de Energía libre del proceso de paso de un lado a otro de la membrana viene dado por la concentración a ambos lados : [Glucosa] ext [Glucosa] int Si consideramos el paso en dirección desde el exterior al interior, tendremos : C 1 = [Glucosa] extC 2 = [Glucosa] int Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Podemos considerarlo un proceso con una constante de equilibrio Ke como si se tratase de una reacción cualquiera : [Glucosa] ext[Glucosa] int

6 C 1 = [Glucosa] extC 2 = [Glucosa] int  G = -RT ln K e + RT ln ____ C 1 C2C2  G = + RT ln ____ C 1 C2C2 Como K e = 1 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid [Glucosa] ext[Glucosa] int Como podemos observar, la variación de energía libre estandar será :  G 0 ´ = 0 Kcal mol-1 ºK-1 Mientras que la variación de energía libre en condiciones reales dependerá exclusivamente de las concentraciones C 1 y C 2 ( en el exterior y en el interior ).

7 ¿ Que ocurre cuando existe una carga eléctrica en la molécula que va a atravesar la membrana ? ¿ Que fuerza dirige ese movimiento ? Cuando la molécula está ionizada habrá que considerar además de la carga del ión : La Variación de Energía libre del proceso debida a una diferencia de concentración La diferencia de potencial a ambos lados de la membrana Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Termodinámica del Transporte de moléculas cargadas ( iones )

8 [ Na + ] = 145 mM [ Na + ] = 12 mM [ K + ] = 4 mM [Cl - ] = 4 mM [ K + ] = 139 mM [ Mg ++ ] = 1.5 mM [Cl - ] = 116 mM [ Ca ++ ] = 1.8 mM [HCO 3 - ] = 29 mM [HCO 3 - ] = 12 mM [ Ca ++ ] < 0.2 μ M [ Mg ++ ] = 0.8 mM [Proteinato - ] = 9 mM [Proteinato - ] = 138 mM CONCENTRACIÓN DE IONES EN CITOSOL Y EN SANGRE + + + + + + + + + + + + - -- - - - - - - - Esta diferencia en la concentración de iones a ambos lados de la membrana crea una diferencia de potencial denominada potencial de reposo. Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid + - - -

9 + + + + + + + + + + + + - -- - - - - - - - Esta diferencia en la concentración de iones a ambos lados de la membrana crea una diferencia de potencial denominada potencial de reposo. Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid + - - -  V = - 70 mV Todas las células tienen potencial de reposo, y el valor del potencial de reposo es variable. Las células excitables ( neuronas y musculares ) tienen un valor aproximado a -70 mV. En lo sucesivo representaremos y utilizaremos este valor como valor de referencia.

10 + + + + + + + + + + + + - -- - - - - - - - ¿ En que dirección atravesará la membrana un catión ( ión + ) que tenemos en el espacio extracelular en mayor concentración que en el citosol ? Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid + - - -  V = - 70 mV La respuesta es obvia : pasará desde el espacio extracelular hasta el citosol I+I+

11 + + + + + + + + + + + + - -- - - - - - - - Ahora bien, ¿ En que dirección atravesará la membrana un catión ( ión + ) que tenemos en el espacio extracelular en menor concentración que en el citosol ? Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid + - - -  V = - 70 mV Por un lado tenemos que considerar que la variación de energía libre para el proceso de entrada de I + en la célula vendrá dado, según vimos para una molécula neutra, por el gradiente químico : [I + ] int >[I + ] ext C 1 =[I + ] ext C 2 =[I + ] int  G = + RT ln ____ C 1 C2C2 C 2 > C 1 ____ C 1 C2C2 > 1  G > 0 [I + ] int [I + ] ext

12 + + + + + + + + + + + + - -- - - - - - - - Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid + - - -  V = - 70 mV [I + ] int >[I + ] ext C 1 =[I + ] ext C 2 =[I + ] int  G = + RT ln ____ C 1 C2C2 C 2 > C 1 ____ C 1 C2C2 > 1  G > 0 [I + ] int [I + ] ext C 2 > C 1

13 + + + + + + + + + + + + - -- - - - - - - - Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid + - - -  V = - 70 mV Sin embargo, el problema no queda resuelto. Es verdad que la molécula debido al gradiente químico tenderá a salir de la célula, pero también es evidente que tenemos una molécula cargada I + ( + ) que se encuentra en un campo eléctrico. El campo eléctrico hace que cualquier catión ( carga positiva ) tienda a entrar en la célula debido a que el potencial de reposo es negativo. [I + ] int >[I + ] ext C 1 =[I + ] ext C 2 =[I + ] int La variación de energía libre debida al campo eléctrico será :  G = Z F  V Donde Z es la carga del ión,  V es la diferencia de potencial entre ambos lados de la membrana y F es la constante de Faraday. Z = +1 F = 23.062 cal mol -1 V -1  V = - 70 10 -3 V

14 + + + + + + + + + + + + - -- - - - - - - - La variación de energía libre total del proceso de transporte o de paso del ión a través de la membrana será por lo tanto la suma de ambas, la debida al gradiente químico y la debida al campo eléctrico : Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid + - - -  V = - 70 mV + Z F  V  G =  G  = + RT ln ____ C 1 C2C2 __  G  es llamado potencial electroquímico de un ión __ C 1 =[I + ] ext C 2 =[I + ] int

15 Difusión Simple o Pasiva : No requiere Proteínas que participen en el proceso Difusión Facilitada : Se requieren Proteínas que participan en el proceso. No se requiere el acoplamiento a un donador de Energía. 1.Canales de iones 2.Transportadores Transporte Activo : Se requieren Proteínas que participan en el proceso. Se requiere además el acoplamiento a un donador de Energía. 1. Primario 2. Secundario Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Recordemos los tipos de transporte. Podemos decir que la fuerza que dirige el paso de una molécula a través de una membrana es el potencial electroquímico de esa molécula. Esto es cierto cuando el paso o transporte se realiza en ausencia de acoplamiento a un donador de energía. Es el caso de la Difusión Simple y la Difusión Facilitada. Transporte Pasivo : No se requiere el acoplamiento a un donador de Energía.

16 Difusión Simple El paso de moléculas a través de una membrana artificial compuesta únicamente de fosfolípidos, se realiza en función de su solubilidad en disolventes orgánicos. Cuanto mayor es la solubilidad de una molécula en disolventes orgánicos ( hidrofobicidad ) mayor es su capacidad para atravesar una membrana artificial. El tamaño es otro factor que influye en esta capacidad de atravesar la membrana. membrana artificial compuesta únicamente de fosfolípidos Moléculas polares Moléculas apolares - + - OH - CH 3 Moléculas pequeñas Moléculas grandes Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

17 membrana artificial compuesta únicamente de fosfolípidos La capacidad de una molécula para atravesar una membrana se cuantifica mediante el coeficiente de difusión ( D ). El coeficiente de difusión de una sustancia determinada para una membrana determinada va a depender de varios factores : temperatura, propiedades de la sustancia que difunde y de la naturaleza de la membrana y el medio. Unidades del coeficiente de Difusión : D se expresa en cm 2 s -1 Otra forma de cuantificar la capacidad de una molécula para atravesar una membrana es mediante el coeficiente de Permeabilidad ( P ). P = ____ D ee Unidades del coeficiente de Permeabilidad : P se expresa en cm s -1 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

18 La Primera Ley de Fick nos permite conocer cual va a ser el Flujo de una sustancia determinada a través de una membrana. Es válida para pequeñas moléculas que no tengan carga. La Ley de Fick nos dice que el Flujo ( J ) es proporcional al Gradiente de Concentración a ambos lados de la membrana. También se puede decir que es proporcional a la diferencia de concentraciones a ambos lados de la membrana. El Flujo ( J ) de una sustancia a través de una membrana son los moles de esa sustancia que atraviesan la membrana por unidad de superficie y por unidad de tiempo. J = - D x (Gradiente de Concentración ) Donde D es el coeficiente de Difusión de esa sustancia Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid El Flujo se expresa en : M cm s -1 Otra forma de expresarlo es en : moles cm -2 s -1

19 ¿ Que es el Gradiente de Concentración ? C e > C i CeCe CiCi  C = C i - C e Gradiente de Concentración = ______ CC e e J = - D x (Gradiente de Concentración ) = - D x ________ C i - C e e ________ C e - C i e = D x J = P x ( C e – C i ) Si estudiamos el paso de una sustancia desde el exterior al interior de la célula : En el caso más sencillo Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid J se expresa en : M cm s -1

20 Como acabamos de ver, J se expresa en : M cm s -1 J es : M cm s -1 J es : mol cm -3 cm s -1 J es : mol cm -2 s-1 Sin embargo decimos que el Flujo J es el número de moles que atraviesan la membrana por unidad de superficie y por unidad de tiempo. Efectivamente, podemos expresar J así : La velocidad V con la que una sustancia atraviesa una membrana de área A será : V = J x A V se expresa en : moles s -1 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

21 Flujo J mM cm s -1 Concentración exterior – Concentración interior Pendiente = P La cinética de la Difusión Simple es lineal Es decir, es una cinética no hiperbólica, no saturable La pendiente de la recta es la Permeabilidad P Cinética de la Difusión Simple Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

22 membrana artificial compuesta únicamente de fosfolípidos En la práctica el paso por Difusión Simple de sustancias a través de una membrana artificial es muy lento y no representa una forma de transporte mas que para algunas moléculas. Los gases atraviesan las membrana por Difusión Simple a una velocidad considerable y es su forma normal de transporte. Es el caso de : CO 2, NO, O 2 y N 2 CO 2 NO O2O2 N2N2 CO 2 NO O2O2 N2N2 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

23 membrana artificial compuesta únicamente de fosfolípidos Una molécula cuyo comportamiento real no se ajusta a su coeficiente de difusión es el agua. El agua, contrariamente a lo esperado difunde rápidamente, y esto se ha explicado por los movimientos de “aleteo” aleatorios que se producen en la membrana, que dejan “huecos” que permiten el paso del agua. El agua también atraviesa la membrana por poros específicos de una proteína denominada aquaporina H2OH2O H2OH2O H2OH2O H2OH2O H2OH2OH2OH2O Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

24 H2OH2O UREA GLICEROL TRIPTÓFANO GLUCOSA Cl - Na + K + 10 -4 10 -2 10 -6 10 -8 10 -14 10 -12 10 -10 Baja Permeabilidad Alta Permeabilidad Coeficiente de Permeabilidad de algunas sustancias naturales P en cm s -1 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

25 Difusión Facilitada : Se requieren Proteínas que participan en el proceso. No se requiere el acoplamiento a un donador de Energía. 1.Canales de iones 2.Transportadores Los canales de iones son proteínas integrales de membrana. Permiten el paso de iones de una forma selectiva. Existen canales de iones específicos para los diferentes iones. Así encontramos en las membranas plasmáticas de diferentes tipos celulares canales de Na +, canales de K +, canales de Ca ++, etc. Los canales de iones no existen únicamente en la membrana plasmática, existen también en las membranas de diferentes estructuras celulares como vesículas, retículo endoplásmico, etc. Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

26 Su estructura simula un cilindro cuyas paredes están constituidas por diferentes dominios transmembrana. Los iones pueden pasar por la luz del interior del canal http://www.bio.cmu.edu/Courses/BiochemMols/Channels/1k4c-1lnq.htm Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid