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Aspectos termodinámicos del Transporte a través de membrana
La membrana plasmática impide el paso de iones y metabolitos de un lado a otro
debido a su naturaleza hidrofóbica.
¿ Cómo pasan los metabolitos e iones a través de las membranas ?
¿ Que fuerza hace posible ese paso ?
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
Tipos de Transporte
Transporte Pasivo
: No se requiere el acoplamiento a un donador de Energía.
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
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Termodinámica del Transporte de moléculas no cargadas
Las sustancias neutras ( no ionizadas o cargadas eléctricamente ) con frecuencia pasan
De un lado a otro únicamente impulsadas por su diferencia de concentración.
Glucosa
membrana
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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 :
C1 = [Glucosa] ext
C2 = [Glucosa] int
Podemos considerarlo un proceso con una constante de equilibrio Ke como si se
tratase de una reacción cualquiera :
[Glucosa] ext
[Glucosa] int
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[Glucosa] ext
[Glucosa] int
Como Ke = 1
C1 = [Glucosa] ext
C2 = [Glucosa] int
C2
____
DG = -RT ln Ke + RT ln
C1
C2
____
DG = + RT ln
C1
Como podemos observar, la variación de energía libre estandar será :
DG0´ = 0 Kcal mol-1 ºK-1
Mientras que la variación de energía libre en condiciones reales dependerá
exclusivamente de las concentraciones C1 y C2 ( en el exterior y en el interior ).
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Termodinámica del Transporte de moléculas cargadas ( iones )
¿ 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
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CONCENTRACIÓN DE IONES EN CITOSOL Y EN SANGRE
[Cl- ] = 116 mM
+
+
[ K+ ] = 4 mM
-
+
+
+
[ K ] = 139 mM
-
-
[Cl-- ] = 4 mM
-+
[ Na+ ] = 145 mM
+
[ Na+ ] = 12 mM
[HCO3- ] = 29 mM
+
-
+
+
+
-
[HCO3- ] = 12 mM-
[Proteinato- ] = 9 mM
+
-
[Proteinato- ] = 138-mM
+
[ Mg++ ] = 0.8 mM
-
[ Mg++ ] = 1.5 mM
+
[ Ca++ ] = 1.8 mM
[ Ca++ ] < 0.2 μM
Esta diferencia en la concentración de iones a ambos lados de la membrana crea
una diferencia de potencial denominada potencial de reposo.
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Esta diferencia en la concentración de iones a ambos lados de la membrana crea
una diferencia de potencial denominada potencial de reposo.
+
+
+
-
+
-
+
-
+
+
-
-
+
+
-
+
DV = - 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.
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¿ En que dirección atravesará la membrana un catión ( ión + ) que tenemos en el
espacio extracelular en mayor concentración que en el citosol ?
I+
+
+
+
-
+
-
-
+
-
-
+
-
+
+
-
+
-
+
-
+
+
-
+
DV = - 70 mV
La respuesta es obvia : pasará desde el espacio extracelular hasta el citosol
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Ahora bien, ¿ En que dirección atravesará la membrana un catión ( ión + ) que
tenemos en el espacio extracelular en menor concentración que en el citosol ?
C1=[I+]ext
+
+
+
-
+
-
-
-
-
C2
[I+]int >[I+]ext
+
-
+
+
[I+]ext
-
=[I+]int
[I+]int
+
-
-
+
+
+
+
-
DV = - 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 :
C2
____
DG = + RT ln
C1
C2
> C1
C2
____
C1
>1
DG > 0
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C2
____
DG = + RT ln
C1
C2
C2
____
> C1
C1
[I+]ext
C1=[I+]ext
> C1
+
+
+
-
+
-
-
-
C2
[I+]int >[I+]ext
+
-
+
+
-
+
-
-
+
+
[I+]int
C2
+
DG > 0
>1
=[I+]int
-
+
-
+
DV = - 70 mV
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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.
C1=[I+]ext
+
+
+
-
+
-
-
-
C2=[I+]int
DV = - 70 mV
[I+]int >[I+]ext
+
-
+
+
-
+
+
+
-
+
-
-
F = 23.062 cal mol-1 V-1
+
-
La variación de energía libre debida al campo eléctrico será :
Z = +1
+
DV = - 70 10-3 V
DG = Z F DV
Donde Z es la carga del ión, DV es la diferencia de potencial entre ambos lados de la
membrana y F es la constante de Faraday.
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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 :
__
C2
____
SDG = DG = + RT ln
+ Z F DV
C1
__
DG es llamado potencial electroquímico de un ión
C1
+
=[I+]ext
+
-
+
-
-
+
+
-
+
-
-
+
-
+
-
-
+
+
+
-
C2
DV = - 70 mV
=[I+]int
+
-
+
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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.
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
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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.
Moléculas grandes
Moléculas pequeñas
membrana artificial
compuesta
únicamente de
fosfolípidos
-OH
+
-
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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 cm2 s-1
Otra forma de cuantificar la capacidad de una molécula para atravesar una membrana
es mediante el coeficiente de Permeabilidad ( P ).
D
____
P=
e
membrana artificial
compuesta
únicamente de
fosfolípidos
Unidades del coeficiente de Permeabilidad : P se expresa en cm s-1
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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.
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.
El Flujo se expresa en : M cm s-1
Otra forma de expresarlo es en :
moles cm-2 s-1
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.
J=
- D x (Gradiente de Concentración )
Donde D es el coeficiente de Difusión de esa sustancia
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¿ Que es el Gradiente de Concentración ?
Si estudiamos el paso de una sustancia desde el exterior al interior de la célula :
Ce
En el caso más sencillo
e
Ce
Ci
> Ci
DC = Ci - Ce
DC
______
Gradiente de Concentración =
e
J = - D x (Gradiente de Concentración ) =
Ci - Ce
- D x ________
e
Ce - Ci
= D x ________
e
J = P x ( Ce – Ci )
J se expresa en :
M cm s-1
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Como acabamos de ver, J se expresa en :
M cm 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 :
J es : M cm s-1
J es : mol cm -3 cm s-1
J es :
mol cm -2 s-1
La velocidad V con la que una sustancia atraviesa una membrana de área A será :
V=JxA
V se expresa en :
moles s-1
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Cinética de la Difusión Simple
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
J
mM cm s-1
Flujo
Pendiente = P
Concentración exterior – Concentración interior
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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 : CO2 , NO , O2 y N2
NO NO
CO2
CO2
O2
O2
N2
N2
membrana artificial
compuesta
únicamente de
fosfolípidos
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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
H2O
H2O
H2O
H2O
membrana artificial
compuesta
únicamente de
fosfolípidos
H2O
H2O
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Coeficiente de Permeabilidad de algunas sustancias naturales
Alta Permeabilidad
H2O
10-2
10-4
UREA
GLICEROL
TRIPTÓFANO
GLUCOSA
+
K
+
Na
Cl
10-6
10-8
P en cm s-1
10-10
10-12
10-14
Baja Permeabilidad
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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
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
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