FISIOLOGIA IFISIOLOGIA I

TEMA NUMERO 6TEMA NUMERO 6

FUERZAS QUIMICAS QUE INTERVIENEN FUERZAS QUIMICAS QUE INTERVIENEN EN LOS PROCESOS DE EN LOS PROCESOS DE

PERMEABILIDAD IONICAPERMEABILIDAD IONICA

PROFESORPROFESOR: Gregorio Tiskow, Ph.Sc.: Gregorio Tiskow, Ph.Sc.

E-mail:E-mail: gtiskow@ucla.edu.vegtiskow@ucla.edu.ve

U.C.L.A. Barquisimeto, VenezuelaU.C.L.A. Barquisimeto, Venezuela

FUERZAS QUIMICAS QUE INTERVIENEN EN LOS FUERZAS QUIMICAS QUE INTERVIENEN EN LOS PROCESOS DE PERMEABILIDAD IONICAPROCESOS DE PERMEABILIDAD IONICA

OBJETIVO:OBJETIVO: explicar los fenómenos biofísicos que explicar los fenómenos biofísicos que rigen el movimiento de sustancias iónicas a rigen el movimiento de sustancias iónicas a través de las membranas plasmáticas celulares, través de las membranas plasmáticas celulares, en especial las células de tejidos excitables.en especial las células de tejidos excitables.

LA CELULA NERVIOSALA CELULA NERVIOSA

UNA CELULA CUALQUIERAUNA CELULA CUALQUIERA

La membrana celular ejerce un fino control en cuanto a las sustancias La membrana celular ejerce un fino control en cuanto a las sustancias que salen de la (y entran a) la célula. Ello gracias a:que salen de la (y entran a) la célula. Ello gracias a:

• 1.- LA CELULA RETIENE SOLAMENTE 1.- LA CELULA RETIENE SOLAMENTE AQUELLAS SUSTANCIAS DE ALTO AQUELLAS SUSTANCIAS DE ALTO PESO MOLECULAR: PESO MOLECULAR: MACROMOLECULAS.MACROMOLECULAS.

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

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

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

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

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

Na+ Na+ Na+

Na+ Na+ Na+

Na+ Na+ Na+

7.- La alta concentración extracelular de Na+ permite compensar el 7.- La alta concentración extracelular de Na+ permite compensar el efecto osmótico de las macromoléculas interiores.efecto osmótico de las macromoléculas interiores.

8.-Las macromoléculas al pH fisiológico están cargadas 8.-Las macromoléculas al pH fisiológico están cargadas negativamente. El interior celular es electro-neutro, pero la zona negativamente. El interior celular es electro-neutro, pero la zona íntimamente relacionada a la capa interna de la membrana celular es íntimamente relacionada a la capa interna de la membrana celular es electronegativa.electronegativa.

+

+

+

+

__

__

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

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

__

__

+

+

+

+

K+Na+

Cl-

DISTRIBUCION IONICA ASIMETRICA A NIVEL CELULARDISTRIBUCION IONICA ASIMETRICA A NIVEL CELULAR

__

__

+

+

+

+

K+Na+

Cl-

A-

EQUILIBRIO DE DONNANEQUILIBRIO DE DONNAN

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

EFECTO GIBBS-DONNANEFECTO GIBBS-DONNAN

INTRACELULAR EXTRACELULAR

K+

A-

Cl-

Na+

Cl-

[K+]i > [K+]e [Na+]e > [Na+]i

[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

IONION [Intracelular][Intracelular] [Extracelular][Extracelular]

Na+Na+ 10-15 mmol/L10-15 mmol/L 145 mmol/L145 mmol/L

K+K+ 140 mmol/L140 mmol/L 4-5 mmol/L4-5 mmol/L

Cl-Cl- 10 mmol/L10 mmol/L 110-130 110-130 mmol/Lmmol/L

Gradientes químico y Gradientes químico y eléctricoeléctrico

Gradientes químico y Gradientes químico y eléctricoeléctrico

Gradientes químico y Gradientes químico y eléctricoeléctrico

Gradiente EléctricoGradiente EléctricoPARTICIPACION 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+ K+ Cl-

Gradiente Eléctrico-QuímicoGradiente Eléctrico-Químico

• LOS MOVIMIENTOS DE IONES A TRAVES DE LA LOS MOVIMIENTOS DE IONES A TRAVES DE LA MEMBRANA CELULAR IMPLICAN FUERZAS MEMBRANA CELULAR IMPLICAN FUERZAS QUIMICAS Y ELECTRICAS.QUIMICAS Y ELECTRICAS.

• GRADIENTE DE CONCENTRACION: IMPLICA UN GRADIENTE DE CONCENTRACION: IMPLICA UN POTENCIAL QUIMICO DE LA SUSTANCIA.POTENCIAL QUIMICO DE LA SUSTANCIA.

TRABAJO QUIMICOTRABAJO QUIMICO

Gradiente QuímicoGradiente Químico

GRADIENTE ELECTRICO:GRADIENTE ELECTRICO:TEORIA DE LOS IONESTEORIA 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 10-19 coulomb

GRADIENTE ELECTRICOGRADIENTE ELECTRICO

• Ley de Coulomb:Ley de Coulomb:Establece la fuerza entre dos cargasEstablece la fuerza entre dos cargas

eléctricas puntuales.eléctricas puntuales.

La fuerza es proporcional al producto de las magnitudes de La fuerza es proporcional al producto de las magnitudes de las cargas eléctricas y es, inversamente proporcional al las cargas eléctricas y es, inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las cargas.cuadrado de la distancia entre las cargas.

Para cargas del mismo signo la fuerza es repulsivaPara cargas del mismo signo la fuerza es repulsiva

Para cargas de signos opuestos la fuerza es atractiva.Para cargas de signos opuestos la fuerza es atractiva.

GRADIENTE ELECTRICOGRADIENTE ELECTRICO

GRADIENTE ELECTRICOGRADIENTE ELECTRICO

q1 . q2

F = k

r2

Ley de Coulomb

TRABAJO ELECTRICOTRABAJO ELECTRICO

Cada ion será atraído por otro ion de carga opuesta y será repelido por el ion Cada ion será atraído por otro ion de carga opuesta y será repelido por el ion que tenga la misma carga.que tenga la misma carga.

Si un catión por ejemplo, difunde más rápidamente a través de una membrana 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 celular, y su anión asociado se queda atrás (rezagado), se va a generar un gradiente eléctrico a través de la misma.gradiente eléctrico a través de la misma.

Se va a crear una diferencia de potencial que va a acelerar el movimiento del 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 anión, de forma tal que, la distancia entre el anión y el catión, y la magnitud de la diferencia de potencial, se vuelven constantes.de la diferencia de potencial, se vuelven constantes.

Se crea así el POTENCIAL DE DIFUSION, que se desarrolla a nivel de la 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.membrana celular: el catión y el anión no penetran a la misma velocidad.

POTENCIAL ELECTRICOPOTENCIAL ELECTRICO

Extracelular Intracelular

Na+ Na+

Cl- Cl-

+ + + +

+ + + +

- - - - - - - - - -

TRABAJO ELECTRICOTRABAJO ELECTRICO

• CUANDO SE TRANSPORTAN CARGAS ELECTRICAS A TRAVES DE CUANDO SE TRANSPORTAN CARGAS ELECTRICAS A TRAVES DE UN CAMPO ELECTRICO, DEFINIMOS UN CAMPO ELECTRICO, DEFINIMOS TRABAJO ELECTRICOTRABAJO ELECTRICO..

• SE REALIZA TRABAJO ELECTRICO CUANDO UNA CORRIENTE FLUYE SE REALIZA TRABAJO ELECTRICO CUANDO UNA CORRIENTE FLUYE POR UN CONDUCTOR O CUANDO UNA CARGA SE DESPLAZA A POR UN CONDUCTOR O CUANDO UNA CARGA SE DESPLAZA A TRAVES DE UNA DIFERENCIA DE POTENCIAL.TRAVES DE UNA DIFERENCIA DE POTENCIAL.

• CANTIDAD DE CARGA ELECTRICA DEPENDE DECANTIDAD DE CARGA ELECTRICA DEPENDE DE::

Cantidad de carga eléctrica por cada partícula (Z)Cantidad de carga eléctrica por cada partícula (Z) Cantidad de carga elementalCantidad de carga elemental Número de molesNúmero de moles Cantidad de partículas/molCantidad de partículas/mol

TRABAJO ELECTRICOTRABAJO ELECTRICO

• q = Z. e. n. Naq = Z. e. n. Na

Na: 6,02 x 10Na: 6,02 x 102323 partículas/mol partículas/mol

Carga del electrón (e): 1,68 x 10Carga del electrón (e): 1,68 x 10-19-19 coulomb/partícula coulomb/partícula

FF: : constante de Faraday = Na x e = 96.488 coulombs/molconstante de Faraday = Na x e = 96.488 coulombs/mol

q = Z . n . Fq = Z . n . F

TRABAJO ELECTRICOTRABAJO ELECTRICO

We = q. We = q. vv

TRABAJO QUIMICOTRABAJO QUIMICO

• W q = 2,3 . R.T. Log CW q = 2,3 . R.T. Log C22/C/C11

TRABAJO ELECTROQUIMICOTRABAJO ELECTROQUIMICOECUACION DE NERNSTECUACION DE NERNST

• En los procesos fisiológicos, las cargas son En los procesos fisiológicos, las cargas son transportadas por iones: Na+, K+ , Cl-transportadas por iones: Na+, K+ , Cl-

los cuales tienen una masa discretamente los cuales tienen una masa discretamente apreciable, lo cual tiene un efecto sobre el apreciable, lo cual tiene un efecto sobre el trabajo eléctrico y químico.trabajo eléctrico y químico.

• En los procesos fisiológicos se utiliza la En los procesos fisiológicos se utiliza la combinación de los efectos químico y eléctrico, combinación de los efectos químico y eléctrico, lo que origina el concepto delo que origina el concepto de potencial potencial electroquímicoelectroquímico..

POTENCIAL POTENCIAL ELECTROQUIMICOELECTROQUIMICO

W W eqeq = Wq = Wq ++ We We

W W eq = 2,3 R.T. Log Ceq = 2,3 R.T. Log C22/C/C11 ++ Z.n.F. Z.n.F. vv

ECUACION DE NERNSTECUACION DE NERNST

AL DESPEJAR LA (AL DESPEJAR LA (v) QUE APARECE CUANDO v) QUE APARECE CUANDO HAY UNA (HAY UNA (C ) DE PARTÍCULAS CON CARGA C ) DE PARTÍCULAS CON CARGA ELÉCTRICA A AMBOS LADOS DE LA ELÉCTRICA A AMBOS LADOS DE LA MEMBRANA QUEDA QUE:MEMBRANA QUEDA QUE:

2,3.R.T2,3.R.T

v = v = Log C Log C22/C/C11

z.Fz.F

En equilibrio:

= 0

ECUACION DE NERNSTECUACION DE NERNST

• ESTABLECER UNA DIFERENCIA DE ESTABLECER UNA DIFERENCIA DE CONCENTRACION DE PARTICULAS CONCENTRACION DE PARTICULAS CON CARGA ELECTRICA, IMPLICA CON CARGA ELECTRICA, IMPLICA ESTABLECER UN POTENCIAL ESTABLECER UN POTENCIAL ELECTRICOELECTRICO2,3 R. T /Z . F para un ion monovalente = 61,54

v = 61,54 x Log C2/C1

Potencial de Equilibrio para un Potencial de Equilibrio para un ionion

IONION [Intracelular[Intracelular]]

[Extracelular][Extracelular]

NaNa++

10-15 mmol/L10-15 mmol/L 145 mmol/L145 mmol/L

K+K+ 140 mmol/L140 mmol/L 4-5 mmol/L4-5 mmol/L

Cl-Cl- 10 mmol/L10 mmol/L 110-130 mmol/L110-130 mmol/L

Eion a 37ºC

+60 mv

-90 mv

-65 mv

Potencial de Equilibrio del Potencial de Equilibrio del ClCl--

Extracelular Intracelular

[Cl-] = 110-130 mmol/L [Cl-] = 10 mmol/L

+

+

+

+

-

-

-

-

Vm = -70 mv

C

E

Potencial de Equilibrio del Potencial de Equilibrio del ClCl--

• SE ALCANZA UN EQUILIBRIO EN EL CUAL LA SE ALCANZA UN EQUILIBRIO EN EL CUAL LA ENTRADA Y SALIDA DE Cl- SON IGUALES.ENTRADA Y SALIDA DE Cl- SON IGUALES.

• EL POTENCIAL DE MEMBRANA EN EL CUAL SE EL POTENCIAL DE MEMBRANA EN EL CUAL SE PRODUCE ESTE EQUILIBRIO, ES EL POTENCIAL DE PRODUCE ESTE EQUILIBRIO, ES EL POTENCIAL DE EQUILIBRIO PARA EL Cl-EQUILIBRIO PARA EL Cl-

• SU MAGNITUD SE PUEDE CALCULAR CON LA SU MAGNITUD SE PUEDE CALCULAR CON LA ECUACION DE NERNST Y SU VALOR ES DEECUACION DE NERNST Y SU VALOR ES DE

Ecl- = -65 mvEcl- = -65 mv

Potencial de Equilibrio del Potencial de Equilibrio del ClCl--

• Conclusión:Conclusión:

No se requiere invocar otras fuerzas distintas a las No se requiere invocar otras fuerzas distintas a las representadas por los gradientes químico y eléctrico representadas por los gradientes químico y eléctrico para explicar biofísicamente la distribución de iones para explicar biofísicamente la distribución de iones cloruro a uno y otro lado de la membrana.cloruro a uno y otro lado de la membrana.

Potencial de Equilibrio del Potencial de Equilibrio del KK++

Extracelular Intracelular

[K+] = 4-5 mmol/L [K+] = 140 mmol/L

C++++

----

E

Vm = -70 mv

Potencial de Equilibrio del Potencial de Equilibrio del KK++

• Aplicando la ecuación de Nernst el EkAplicando la ecuación de Nernst el Ek++ = -90 mv = -90 mv

• El potencial de membrana en reposo de la neurona de El potencial de membrana en reposo de la neurona de mamíferos es de – 70 mv.mamíferos es de – 70 mv.

• Se puede apreciar que hay más potasio en las neuronas Se puede apreciar que hay más potasio en las neuronas del que se puede explicar por los gradientes químico y del que se puede explicar por los gradientes químico y eléctrico (fuerzas pasivas).eléctrico (fuerzas pasivas).

Potencial de Equilibrio del Potencial de Equilibrio del NaNa++

Extracelular Intracelular

++++

----

Vm = - 70 mv

[Na+] = 145 mmol/L [Na+] = 10 - 15 mmol/L

C

E

Potencial de Equilibrio del Potencial de Equilibrio del NaNa++

• Aplicando la ecuación de Nernst el EkAplicando la ecuación de Nernst el Ek++ = +60 mv = +60 mv

• El potencial de membrana en reposo de la neurona de El potencial de membrana en reposo de la neurona de mamíferos es de – 70 mv.mamíferos es de – 70 mv.

• Se puede apreciar que hay más sodio fuera de las Se puede apreciar que hay más sodio fuera de las neuronas del que se puede explicar por los gradientes neuronas del que se puede explicar por los gradientes químico y eléctrico (fuerzas pasivas).químico y eléctrico (fuerzas pasivas).

Potencial de Equilibrio:Potencial de Equilibrio:conclusionconclusion

• Ni el (ENi el (ENaNa+) ni el (E+) ni el (EKK+) están en su potencial de membrana, lo que +) están en su potencial de membrana, lo que conduce a pensar que la célula debería estar ganando conduce a pensar que la célula debería estar ganando gradualmente Na+ y perdiendo K+; ello si sólo actuaran fuerzas gradualmente Na+ y perdiendo K+; ello si sólo actuaran fuerzas pasivas de tipo química y eléctrica.pasivas de tipo química y eléctrica.

• Sin embargo, la concentración intracelular de Na+ y K+ se Sin embargo, la concentración intracelular de Na+ y K+ se mantienen constantes, debido a que existe un transporte activo de mantienen constantes, debido a que existe un transporte activo de sodio en contra de su gradiente eléctrico y químico, acoplado a un sodio en contra de su gradiente eléctrico y químico, acoplado a un transporte de potasio hacia el interior celular.transporte de potasio hacia el interior celular.

• Función cumplida por la ATPasa de Na-K celular.Función cumplida por la ATPasa de Na-K celular.