Download todo junto
Document related concepts
no text concepts found
Transcript
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 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 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 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid 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 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 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 ). 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 ) ¿ 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 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. Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid 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. Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid ¿ 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 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid 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 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid 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 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid 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. Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid 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 + - + 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. 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 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 + - Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid 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 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid 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 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid ¿ 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 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid 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 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid 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 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid 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 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid 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 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid 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 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid 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 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid