FISIOLOGIA I TEMA NUMERO 6 FUERZAS QUIMICAS QUE INTERVIENEN EN LOS PROCESOS DE PERMEABILIDAD IONICA PROFESOR: Gregorio Tiskow, Ph.Sc. E-mail: gtiskow@ucla.edu.ve.

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1 FISIOLOGIA I TEMA NUMERO 6 FUERZAS QUIMICAS QUE INTERVIENEN EN LOS PROCESOS DE PERMEABILIDAD IONICA PROFESOR: Gregorio Tiskow, Ph.Sc. U.C.L.A. Barquisimeto, Venezuela

2 FUERZAS QUIMICAS QUE INTERVIENEN EN LOS PROCESOS DE PERMEABILIDAD IONICA
OBJETIVO: explicar los fenómenos biofísicos que rigen el movimiento de sustancias iónicas a través de las membranas plasmáticas celulares, en especial las células de tejidos excitables.

3 LA CELULA NERVIOSA

4 UNA CELULA CUALQUIERA

5 La membrana celular ejerce un fino control en cuanto a las sustancias que salen de la (y entran a) la célula. Ello gracias a: 1.- LA CELULA RETIENE SOLAMENTE AQUELLAS SUSTANCIAS DE ALTO PESO MOLECULAR: MACROMOLECULAS.

6 2.- SE MANTIENE UN MOVIMIENTO CONSTANTE DE SOLUTOS A TRAVÉS DE LA MEMBRANA CELULAR.

7 3.- El medio interno celular es distinto al medio celular externo: diferencia en la composición de sustancias.

8 4.- El medio interno se mantiene constante gracias a la homeostasis celular.

9 . 5.- El agua se mantiene en equilibrio osmótico entre el interior y exterior celular

10 6.- Las macromoléculas se encuentran retenidas en el interior celular: ello origina una actividad osmótica importante en el interior celular, y para ello la célula debe mantener una sustancia osmóticamente activa en el medio extracelular para compensar la actividad osmótica de las macromoléculas intracelulares. Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+

11 7.- La alta concentración extracelular de Na+ permite compensar el efecto osmótico de las macromoléculas interiores Las macromoléculas al pH fisiológico están cargadas negativamente. El interior celular es electro-neutro, pero la zona íntimamente relacionada a la capa interna de la membrana celular es electronegativa. + __

12 9.- Para lograr mantener una electro-neutralidad intracelular la célula mantiene concentraciones importantes de K+

13 10.- El ión Cloruro por ser negativo, no entra con facilidad al interior celular, por lo tanto se mantiene en altas concentraciones en el exterior de la célula. Contribuye también al compensar el efecto osmótico debido a la alta concentración de K+ intracelular. + __ K+ Na+ Cl-

14 DISTRIBUCION IONICA ASIMETRICA A NIVEL CELULAR
+ __ K+ Na+ A- Cl-

15 EQUILIBRIO DE DONNAN Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+

16 EFECTO GIBBS-DONNAN INTRACELULAR EXTRACELULAR K+ Na+ A- Cl- Cl-
[K+]i > [K+]e [Na+]e > [Na+]i

17 [K+]i + [Cl-]i + [A-]i > [Na+]e + [Cl-]e
Hay más partículas osmóticamente activas en el lado intracelular. En presencia de un anión no difusible, la relación de iones difusibles se distribuirán de tal forma que sus relaciones de concentración son iguales [K+]i . [Cl-]i = [K+]e . [Cl-]e Relación de Gibbs-Donnan Se cumple para cualquier par de cationes y aniones de la misma valencia

18 ION Na+ K+ Cl- [Intracelular] [Extracelular] 10-15 mmol/L 145 mmol/L

19 Gradientes químico y eléctrico

20 Gradientes químico y eléctrico

21 Gradientes químico y eléctrico

22 Gradiente Eléctrico K+ Na+ Cl-
PARTICIPACION DEL POTENCIAL ELECTRICO EN EL MOVIMIENTO DE SUSTANCIAS A TRAVES DE LA MEMBRANA CELULAR. LAS SUSTANCIAS ---IONES--- QUE INTERVIENEN EN EL ESTABLECIMIENTO DEL POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO CELULAR, POSEEN CARGA ELECTRICA. Na+ Cl- K+

23 Gradiente Eléctrico-Químico
LOS MOVIMIENTOS DE IONES A TRAVES DE LA MEMBRANA CELULAR IMPLICAN FUERZAS QUIMICAS Y ELECTRICAS. GRADIENTE DE CONCENTRACION: IMPLICA UN POTENCIAL QUIMICO DE LA SUSTANCIA. TRABAJO QUIMICO

24 Gradiente Químico

25 GRADIENTE ELECTRICO: TEORIA DE LOS IONES
POSTULADOS: 1.-Cuando un electrolito se disuelve en agua, sus moléculas se dividen en elementos cargados eléctricamente: IONES. 2.-Las cargas eléctricas (positivas y negativas) de todos los iones son múltiplos de una carga elemental única y mínima. 3.-El número de cargas eléctricas elementales de un ion es igual a su valencia. 4.-Durante la electrólisis los iones de signo (+) se dirigirán hacia el cátodo, y los de signo (-) hacia el ánodo. 5.-En una solución el número total de cargas positivas es igual al de las negativas. La solución completa es eléctricamente neutra. 6.-La carga eléctrica elemental equivale a 1,6 x coulomb

26 GRADIENTE ELECTRICO Ley de Coulomb:
Establece la fuerza entre dos cargas eléctricas puntuales. La fuerza es proporcional al producto de las magnitudes de las cargas eléctricas y es, inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las cargas. Para cargas del mismo signo la fuerza es repulsiva Para cargas de signos opuestos la fuerza es atractiva.

27 GRADIENTE ELECTRICO

28 GRADIENTE ELECTRICO q q2 F = k r2 Ley de Coulomb

29 TRABAJO ELECTRICO Cada ion será atraído por otro ion de carga opuesta y será repelido por el ion que tenga la misma carga. Si un catión por ejemplo, difunde más rápidamente a través de una membrana celular, y su anión asociado se queda atrás (rezagado), se va a generar un gradiente eléctrico a través de la misma. Se va a crear una diferencia de potencial que va a acelerar el movimiento del anión, de forma tal que, la distancia entre el anión y el catión, y la magnitud de la diferencia de potencial, se vuelven constantes. Se crea así el POTENCIAL DE DIFUSION, que se desarrolla a nivel de la membrana celular: el catión y el anión no penetran a la misma velocidad.

30 Na+ POTENCIAL ELECTRICO Cl- Extracelular Intracelular + + + + Na+ Cl-

31 TRABAJO ELECTRICO CUANDO SE TRANSPORTAN CARGAS ELECTRICAS A TRAVES DE UN CAMPO ELECTRICO, DEFINIMOS TRABAJO ELECTRICO. SE REALIZA TRABAJO ELECTRICO CUANDO UNA CORRIENTE FLUYE POR UN CONDUCTOR O CUANDO UNA CARGA SE DESPLAZA A TRAVES DE UNA DIFERENCIA DE POTENCIAL. CANTIDAD DE CARGA ELECTRICA DEPENDE DE: Cantidad de carga eléctrica por cada partícula (Z) Cantidad de carga elemental Número de moles Cantidad de partículas/mol

32 TRABAJO ELECTRICO q = Z. e. n. Na Na: 6,02 x 1023 partículas/mol
Carga del electrón (e): 1,68 x coulomb/partícula F: constante de Faraday = Na x e = coulombs/mol q = Z . n . F TRABAJO ELECTRICO We = q. v

33 TRABAJO QUIMICO W q = 2,3 . R.T. Log C2/C1

34 TRABAJO ELECTROQUIMICO ECUACION DE NERNST
En los procesos fisiológicos, las cargas son transportadas por iones: Na+, K+ , Cl- los cuales tienen una masa discretamente apreciable, lo cual tiene un efecto sobre el trabajo eléctrico y químico. En los procesos fisiológicos se utiliza la combinación de los efectos químico y eléctrico, lo que origina el concepto de potencial electroquímico.

35 POTENCIAL ELECTROQUIMICO
W eq = Wq + We W eq = 2,3 R.T. Log C2/C1 + Z.n.F. v 

36 ECUACION DE NERNST AL DESPEJAR LA (v) QUE APARECE CUANDO HAY UNA (C ) DE PARTÍCULAS CON CARGA ELÉCTRICA A AMBOS LADOS DE LA MEMBRANA QUEDA QUE: 2,3.R.T v = Log C2/C1 z.F En equilibrio:  = 0

37 ECUACION DE NERNST v = 61,54 x Log C2/C1
ESTABLECER UNA DIFERENCIA DE CONCENTRACION DE PARTICULAS CON CARGA ELECTRICA, IMPLICA ESTABLECER UN POTENCIAL ELECTRICO 2,3 R. T /Z . F para un ion monovalente = 61,54 v = 61,54 x Log C2/C1

38 Potencial de Equilibrio para un ion
[Intracelular] [Extracelular] Na+ 10-15 mmol/L 145 mmol/L K+ 140 mmol/L 4-5 mmol/L Cl- 10 mmol/L mmol/L Eion a 37ºC +60 mv -90 mv -65 mv

39 Potencial de Equilibrio del Cl-
Extracelular Intracelular [Cl-] = mmol/L [Cl-] = 10 mmol/L C + - E Vm = -70 mv

40 Potencial de Equilibrio del Cl-
SE ALCANZA UN EQUILIBRIO EN EL CUAL LA ENTRADA Y SALIDA DE Cl- SON IGUALES. EL POTENCIAL DE MEMBRANA EN EL CUAL SE PRODUCE ESTE EQUILIBRIO, ES EL POTENCIAL DE EQUILIBRIO PARA EL Cl- SU MAGNITUD SE PUEDE CALCULAR CON LA ECUACION DE NERNST Y SU VALOR ES DE Ecl- = -65 mv

41 Potencial de Equilibrio del Cl-
Conclusión: No se requiere invocar otras fuerzas distintas a las representadas por los gradientes químico y eléctrico para explicar biofísicamente la distribución de iones cloruro a uno y otro lado de la membrana.

42 Potencial de Equilibrio del K+
Extracelular Intracelular [K+] = 4-5 mmol/L [K+] = 140 mmol/L C + - E Vm = -70 mv

43 Potencial de Equilibrio del K+
Aplicando la ecuación de Nernst el Ek+ = -90 mv El potencial de membrana en reposo de la neurona de mamíferos es de – 70 mv. Se puede apreciar que hay más potasio en las neuronas del que se puede explicar por los gradientes químico y eléctrico (fuerzas pasivas).

44 Potencial de Equilibrio del Na+
Extracelular Intracelular [Na+] = 145 mmol/L [Na+] = mmol/L + - C E Vm = - 70 mv

45 Potencial de Equilibrio del Na+
Aplicando la ecuación de Nernst el Ek+ = +60 mv El potencial de membrana en reposo de la neurona de mamíferos es de – 70 mv. Se puede apreciar que hay más sodio fuera de las neuronas del que se puede explicar por los gradientes químico y eléctrico (fuerzas pasivas).

46 Potencial de Equilibrio: conclusion
Ni el (ENa+) ni el (EK+) están en su potencial de membrana, lo que conduce a pensar que la célula debería estar ganando gradualmente Na+ y perdiendo K+; ello si sólo actuaran fuerzas pasivas de tipo química y eléctrica. Sin embargo, la concentración intracelular de Na+ y K+ se mantienen constantes, debido a que existe un transporte activo de sodio en contra de su gradiente eléctrico y químico, acoplado a un transporte de potasio hacia el interior celular. Función cumplida por la ATPasa de Na-K celular.