FISIOLOGIA I TEMA NUMERO 3 Fuerzas físico-químicas que intervienen en los procesos de la difusión...

FISIOLOGIA IFISIOLOGIA I

TEMA NUMERO 3TEMA NUMERO 3

Fuerzas físico-químicas que Fuerzas físico-químicas que intervienen en los procesos de la intervienen en los procesos de la

difusión simpledifusión simple

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

E-mail: E-mail: [email protected]

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

mailto:[email protected]

La DifusiónLa Difusión

Es un Es un procesoproceso netamente netamente físicofísico.. Es el Es el movimiento continuomovimiento continuo de de

moléculas y iones en medios moléculas y iones en medios gaseosos o líquidos.gaseosos o líquidos.

Tiene un basamento físico en Tiene un basamento físico en una sencilla teoría cinético-una sencilla teoría cinético-molecular.molecular.

Difusión de una moléculaDifusión de una molécula

Movimiento difusivoMovimiento difusivo

La difusión es la consecuencia La difusión es la consecuencia directa del movimiento térmico y directa del movimiento térmico y probabilístico (al azar) de las probabilístico (al azar) de las moléculas y iones en solución.moléculas y iones en solución.

La molécula al moverse por su energía La molécula al moverse por su energía termal, colisiona en su trayectoria con otra termal, colisiona en su trayectoria con otra molécula que también está difundiendo. molécula que también está difundiendo. Resultado de la colisión, la molécula Resultado de la colisión, la molécula cambiará de dirección al azar y se moverá cambiará de dirección al azar y se moverá en otros sentido, y así, sucesivamente.en otros sentido, y así, sucesivamente.

Movimiento difusivo: Movimiento difusivo: Movimiento BrownianoMovimiento Browniano

Es el movimiento que lleva a Es el movimiento que lleva a cabo una partícula muy pequeña cabo una partícula muy pequeña que está inmersa en un fluido. que está inmersa en un fluido.

Se caracteriza por ser continuo y Se caracteriza por ser continuo y muy irregular. muy irregular.

La trayectoria que sigue la La trayectoria que sigue la partícula es en zigzag. partícula es en zigzag.


Luego de un número significativo de Luego de un número significativo de colisiones, la molécula se hallará a una colisiones, la molécula se hallará a una distancia (S) del punto original de partida distancia (S) del punto original de partida (punto 0).(punto 0).


Por análisis estadístico, luego de (N) Por análisis estadístico, luego de (N) colisiones, la distancia de la molécula del colisiones, la distancia de la molécula del punto de partida es en promedio:punto de partida es en promedio:

S = L S = L N N

La velocidad de una molécula depende a su La velocidad de una molécula depende a su vez de vez de la temperatura la temperatura del medio y de del medio y de su su masamasa..

Movimiento difusivo Movimiento difusivo (Tips)(Tips)

Los gases están menos Los gases están menos densamente empaquetados que densamente empaquetados que los líquidos; a consecuencia de los líquidos; a consecuencia de ello, en los gases el promedio del ello, en los gases el promedio del valor de movilidad libre de una valor de movilidad libre de una molécula es mayor y el tiempo molécula es mayor y el tiempo de difusión es más corto.de difusión es más corto.

Así, los gases difunden más Así, los gases difunden más rápidamente que los líquidos.rápidamente que los líquidos.

¿Cómo demostrar la ¿Cómo demostrar la difusión?difusión?

¡El colorante agregado, difundirá de la zona de mayor concentración a la de menor concentración! ..hasta que

se igualen las concentraciones en todas partes…

¿Cómo demostrar la ¿Cómo demostrar la difusión?difusión?

Ejercicio prácticoEjercicio práctico

1. Poner un beaker con agua a 1. Poner un beaker con agua a temperatura ambiente y otro temperatura ambiente y otro con agua fría.con agua fría.

2. Añadir una gota de colorante a 2. Añadir una gota de colorante a c/u. y observar el c/u. y observar el comportamiento de la gota.comportamiento de la gota.

3. ¿Dónde fue más rápida la 3. ¿Dónde fue más rápida la difusión?difusión?

¿De qué depende la ¿De qué depende la difusión?difusión?

La velocidad dependerá de:La velocidad dependerá de:

1. La energía cinética (que a su 1. La energía cinética (que a su vez, depende de la temperatura).vez, depende de la temperatura).2. El gradiente de concentración.2. El gradiente de concentración.3. El tamaño de las moléculas. 3. El tamaño de las moléculas. 4. La solubilidad de las moléculas 4. La solubilidad de las moléculas en la porción hidrofóbica de la en la porción hidrofóbica de la bicapa lipídica de la membrana bicapa lipídica de la membrana plasmática.plasmática.

Transporte de moléculas Transporte de moléculas por difusiónpor difusión


Región 1

Región 2

0

C1

C2

X=0 X=x


Se puede calcular a partir de la Se puede calcular a partir de la suposición anterior, el número de suposición anterior, el número de moléculas transportadas por moléculas transportadas por difusión de una región a otra.difusión de una región a otra.

Velocidad de difusión (Vd) es la velocidad promedio Velocidad de difusión (Vd) es la velocidad promedio de difusión desde (X=0) hasta (x=de difusión desde (X=0) hasta (x=x). La velocidad x). La velocidad se deduce de la distancia (se deduce de la distancia (x) dividida por el tiempo x) dividida por el tiempo promedio de difusión (t); es decir:promedio de difusión (t); es decir:

Vd = Vd = x / tx / t


Considerando que:Considerando que:

t = (t = (x)x)2 2 / Lv/ Lv

v: velocidad termal promedio de una partícula, v: velocidad termal promedio de una partícula, queda que:queda que:

Vd = Vd = x x

((x)x)22 / Lv / Lv

Vd = Lv / Vd = Lv / x x

Y aquí, ya podemos introducir el concepto de Y aquí, ya podemos introducir el concepto de FLUJOFLUJO


El número de moléculas de soluto (J) El número de moléculas de soluto (J) arribando por segundo desde la (R1) con arribando por segundo desde la (R1) con concentración (1) a la (R2) con concentración (1) a la (R2) con concentración (2) es:concentración (2) es:

Vd Vd xx C1 C1 x x AA

J1 = J1 =

22A: áreaA: área

factor 2 del denominador: por el hecho que las moléculas están factor 2 del denominador: por el hecho que las moléculas están difundiendo hacia y desde la región 2.difundiendo hacia y desde la región 2.

J = FLUJOJ = FLUJO


El El Flujo (J)Flujo (J) va a determinar la va a determinar la cantidad de partículas que se cantidad de partículas que se movilizan en una movilizan en una determinada dirección, determinada dirección, expresada en moles de expresada en moles de soluto que atraviesan la soluto que atraviesan la unidad de sección (A) en la unidad de sección (A) en la unidad de tiempo (t).unidad de tiempo (t).


Región 1

Región 2

0

C1

C2

X=0 X=x


Pero al mismo tiempo, las moléculas van a Pero al mismo tiempo, las moléculas van a comenzar a difundir de la región (2) a la comenzar a difundir de la región (2) a la región (1) para equilibrar las región (1) para equilibrar las concentraciones, y así:concentraciones, y así:

JJ22 = Flujo de (2) a (1) = Flujo de (2) a (1)

Vd Vd xx C2 C2 x x AA

JJ22 = =

22

A: áreaA: área

factor 2 del denominador: por el hecho que las moléculas están factor 2 del denominador: por el hecho que las moléculas están difundiendo hacia y desde la región 1.difundiendo hacia y desde la región 1.


Región 1

Región 2

0

Flujo Unidireccional

FlujoBi-Direccional


Se puede deducir ahora el Se puede deducir ahora el FLUJO NETO FLUJO NETO (J(Jnetoneto):):

El (El (JnetoJneto) será la diferencia entre ambos flujos) será la diferencia entre ambos flujos

parciales:parciales:

Vd Vd x x A A XX (C1 – (C1 –C2)C2)

JnJn = J1 – J2 = = J1 – J2 =

22


Esta cantidad de flujo neto expresa la cantidad de partículas Esta cantidad de flujo neto expresa la cantidad de partículas que se desplazan del lado (1) hacia el lado (2) del sistema.que se desplazan del lado (1) hacia el lado (2) del sistema.

En el primer sistema representado (R1), el flujo neto es igual a En el primer sistema representado (R1), el flujo neto es igual a

cero. Pero en el segundo sistema (R2), y debido a esa cero. Pero en el segundo sistema (R2), y debido a esa diferencia de concentración, el flujo neto adquiere un valor diferencia de concentración, el flujo neto adquiere un valor distinto de cero.distinto de cero.

Cuando el sistema adquiera la condición de equilibrio, las Cuando el sistema adquiera la condición de equilibrio, las concentraciones se igualan entre los dos compartimientos, y concentraciones se igualan entre los dos compartimientos, y ahí se detiene el flujo neto de soluto. Como deducción lógica ahí se detiene el flujo neto de soluto. Como deducción lógica podemos señalar que para que exista un flujo neto entre dos podemos señalar que para que exista un flujo neto entre dos puntos de un sistema es necesario mantener una diferencia de puntos de un sistema es necesario mantener una diferencia de concentración.concentración.

Entonces, ese flujo desordenado, al azar, observado en el Entonces, ese flujo desordenado, al azar, observado en el primer esquema se convierte en primer esquema se convierte en flujo direccionalflujo direccional, debido a esa , debido a esa diferencia de concentración, y es el flujo neto.diferencia de concentración, y es el flujo neto.

Deducción Ley de FickDeducción Ley de Fick

En la fórmula de flujo neto (Jn) se sustituye (Vd) por:En la fórmula de flujo neto (Jn) se sustituye (Vd) por:

Vd = Lv / Vd = Lv / x x

Lv A (C1 – C2)Lv A (C1 – C2)

Jn = Jn =

2 2 x x

Se asume que las velocidades (v) de las moléculas son Se asume que las velocidades (v) de las moléculas son uniformes en ambas regiones.uniformes en ambas regiones.

El flujo neto depende obviamente de la diferencia de El flujo neto depende obviamente de la diferencia de concentración de partículas o moléculas difusibles entre las concentración de partículas o moléculas difusibles entre las dos regiones.dos regiones.

El flujo neto se incrementa con el aumento de la temperaturaEl flujo neto se incrementa con el aumento de la temperatura

(aumenta velocidad termal de las partículas), y decrece con (aumenta velocidad termal de las partículas), y decrece con lala

distancia entre las dos regiones.distancia entre las dos regiones.

Deducción Ley de FickDeducción Ley de Fick

Re-escribiedo la ecuación anterior de (Jn) queda: Re-escribiedo la ecuación anterior de (Jn) queda:

Haciendo al término (Lv/2) = Kd = Haciendo al término (Lv/2) = Kd = coeficiente de difusióncoeficiente de difusión

Jn = Kd. A (C1-C2)Jn = Kd. A (C1-C2)

DDx se convierte en D (distancia)x se convierte en D (distancia)

L: promedio de movilidad libre de la molécula, depende a su vez del tamaño L: promedio de movilidad libre de la molécula, depende a su vez del tamaño de la molécula y de la viscosidad del medio.de la molécula y de la viscosidad del medio.

Los coeficientes de difusión (Kd) de la mayoría de las Los coeficientes de difusión (Kd) de la mayoría de las moléculasmoléculas

biológicamente importantes oscilan entre 10biológicamente importantes oscilan entre 10-7-7 y 10 y 10-5-5 cm cm22/s/s

Coeficientes de difusión Coeficientes de difusión (Kd)(Kd)

Coeficientes de difusión (Kd) de algunas sustancias y moléculas orgánicasCoeficientes de difusión (Kd) de algunas sustancias y moléculas orgánicas

SustanciaSustancia Peso molecularPeso molecular Kd (x10Kd (x10-5-5) (cm) (cm22/seg)/seg)

AguaAgua 18 18 2,12,1 UreaUrea 60 60 1,21,2 GlucosaGlucosa 180 180 0,60,6 InsulinaInsulina 12.000 12.000 0,150,15 MioglobinaMioglobina 17.500 17.500 0,110,11 HemoglobinaHemoglobina 68.000 68.000 0,0630,063

A mayor masa molecular de la partícula del soluto, menor A mayor masa molecular de la partícula del soluto, menor será la Kd, yserá la Kd, y

por lo tanto, menor será la cantidad de flujo (J)por lo tanto, menor será la cantidad de flujo (J)

Ley de FickLey de Fick

Jn = Kd. A (C1-C2)Jn = Kd. A (C1-C2)

DD

Difusión: representación Difusión: representación gráficagráfica

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Dib1.gif

Difusión a través de Difusión a través de membranas biológicasmembranas biológicas

Literalmente, las membranas biológicas son barreras Literalmente, las membranas biológicas son barreras que impiden la difusión libre.que impiden la difusión libre.

Las membranas biológicas son de naturaleza semi-Las membranas biológicas son de naturaleza semi-permeable.permeable.

Nutrientes, oxígeno y productos de desecho deben Nutrientes, oxígeno y productos de desecho deben atravesar estas membranas para mantener la atravesar estas membranas para mantener la homeostasis celular.homeostasis celular.

Considerando una membrana celular típica, ésta Considerando una membrana celular típica, ésta presenta poros o canales que rigen la difusión a presenta poros o canales que rigen la difusión a través de ellas.través de ellas.

Para moléculas más pequeñas que los poros de la Para moléculas más pequeñas que los poros de la membrana, la única limitante para reducir la tasa de membrana, la única limitante para reducir la tasa de difusión es, la disminución del área efectiva de difusión es, la disminución del área efectiva de difusión.difusión.

EJEMPLOS FISIOLÓGICOSEJEMPLOS FISIOLÓGICOS


Las moléculas atraviesan la membrana plasmática en función de su lipofilia y de la existencia o no de canales o transportadores


El flujo neto de moléculas (J) fluyendo a través El flujo neto de moléculas (J) fluyendo a través de la membrana está dado en términos del de la membrana está dado en términos del coeficiente de permeabilidad de la membrana coeficiente de permeabilidad de la membrana (P):(P):

J = P. A. (C1 – C2)J = P. A. (C1 – C2)

P: incluye el coeficiente de difusión y el espesor de la membrana.P: incluye el coeficiente de difusión y el espesor de la membrana.

P: depende del tipo de membrana y de la molécula que difunde.P: depende del tipo de membrana y de la molécula que difunde.

La diferencia de permeabilidad de las moléculas La diferencia de permeabilidad de las moléculas difusivas permite a las células mantener una difusivas permite a las células mantener una composición a la del medio extracelularcomposición a la del medio extracelular

Factores que afectan la difusión a Factores que afectan la difusión a través de la membrana celulartravés de la membrana celular

LiposolubilidadLiposolubilidad Tamaño de los poros o Tamaño de los poros o

canalescanales Presencia de transportadoresPresencia de transportadores Tamaño real de los ionesTamaño real de los iones Carga eléctrica de los ionesCarga eléctrica de los iones

Ventajas y desventajas de Ventajas y desventajas de los procesos de difusiónlos procesos de difusión

Los procesos de difusión simple, son Los procesos de difusión simple, son pocopoco eficientes a grandes distancias eficientes a grandes distancias (por razones (por razones de tiempo)de tiempo)

Se han realizado cálculos donde se estima que la Se han realizado cálculos donde se estima que la glucosaglucosa tarda unos 0,08 segundos para difundir a tarda unos 0,08 segundos para difundir a través de la célula intestinal, que posee unas 10 través de la célula intestinal, que posee unas 10 micras de espesor; que la micras de espesor; que la hemoglobinahemoglobina y su sustrato, y su sustrato, el oxígeno, tardan cerca de 1 segundo y algo más de el oxígeno, tardan cerca de 1 segundo y algo más de 25 milisegundos respectivamente, para difundir a 25 milisegundos respectivamente, para difundir a través de la célula roja o eritrocito (de tamaño de través de la célula roja o eritrocito (de tamaño de unas 8 micras)unas 8 micras)

Estos son tiempos de difusión muy breves, y no Estos son tiempos de difusión muy breves, y no parece que las tasas de difusión intracelular sean parece que las tasas de difusión intracelular sean limitantes para la vida de éstas y otras células.limitantes para la vida de éstas y otras células.


Estos cálculos surgieron ya temprano en los Estos cálculos surgieron ya temprano en los años de 1905, cuando Albert Einstein demostró años de 1905, cuando Albert Einstein demostró que hay una relación simple entre el coeficiente que hay una relación simple entre el coeficiente de difusión (Kd) de una sustancia, y el tiempo (t) de difusión (Kd) de una sustancia, y el tiempo (t) que ella toma para difundir una distancia que ella toma para difundir una distancia promedio (d) en un medio fluído. La relación promedio (d) en un medio fluído. La relación para la difusión en una dimensión es dpara la difusión en una dimensión es d22 = 2 Kd.t = 2 Kd.t

Nótese que, la distancia es una entidad elevada Nótese que, la distancia es una entidad elevada al cuadrado; esto explicaría que por ejemplo, al cuadrado; esto explicaría que por ejemplo, para el para el parameciumparamecium, célula protozoaria grande, , célula protozoaria grande, de unas 100 micras de longitud, todos estos de unas 100 micras de longitud, todos estos valores de tiempo de difusión se incrementan valores de tiempo de difusión se incrementan 100 veces.100 veces.


Para células de gran tamaño, la tasa de Para células de gran tamaño, la tasa de difusión intracelular pudiera volverse un difusión intracelular pudiera volverse un factor limitante, reduciendo la efectividad o factor limitante, reduciendo la efectividad o eficacia de la célula. Para una célula eficacia de la célula. Para una célula nerviosa, la cual puede tener metros de nerviosa, la cual puede tener metros de longitud, la relación de Einstein demuestra longitud, la relación de Einstein demuestra que un intervalo de tiempo muy grande que un intervalo de tiempo muy grande (años quizás) debería requerirse si la (años quizás) debería requerirse si la difusión fuera el mecanismo único para el difusión fuera el mecanismo único para el cual las sustancias viajaran a través de cual las sustancias viajaran a través de estas células corporales. estas células corporales. En general, el En general, el transporte difusivo NO es efectivo a grandes transporte difusivo NO es efectivo a grandes distanciasdistancias..


http://potencialdeaccion.files.wordpress.com/2008/11/neurona.png

Transporte masivo o por Transporte masivo o por arrastrearrastre

Compensa la dificultad del proceso difusional Compensa la dificultad del proceso difusional para transportar sustancias a largas para transportar sustancias a largas distancias. En el transporte masivo cuando el distancias. En el transporte masivo cuando el soluto se mueve en un sentido, es porque el soluto se mueve en un sentido, es porque el solvente también lo ha hecho en ese mismo solvente también lo ha hecho en ese mismo sentido. El movimiento del solvente arrastra sentido. El movimiento del solvente arrastra consigo las partículas de soluto. Este proceso consigo las partículas de soluto. Este proceso si es efectivo a grandes distancias.si es efectivo a grandes distancias.

EjemplosEjemplos::

Sistema circulatorio y Sistema Sistema circulatorio y Sistema respiratorio.respiratorio.

Sistema RespiratorioSistema Respiratorio

En reposo, un adulto de 70 Kg. requiere unas 70 Cal. de energía/hora, lo que implica un consumo de oxígeno de cerca de 14,5 litros de oxígeno/hora, o sea, unas 1020 moléculas por segundo. Sólo menos del 1% puede difundir a través de la piel. En la membrana alveolo-capilar pulmonar el oxígeno se intercambia por difusión con la sangre y el aire que penetra. También difunde CO2.

Sistema RespiratorioSistema Respiratorio

Los dos pulmones contienen cerca de 300 millones de alveolos con diámetro entre 0,1 y 0,3 mm c/u. El área alveolar total es cerca de 100 m2, o sea, 50 veces mayor que el área total de la superficie de la piel. El espesor de la membrana es de unos 4 x 10-5 cm.El intercambio de esta forma es, rápido.El oxígeno viaja disuelto en el aire que respiramos, y viaja desde las fosas nasales hasta los alveolos pulmonares gracias al transporte masivo.

Sistema CirculatorioSistema Circulatorio

Con la sangre que circula por todo nuestro organismo, sucede algo similar al sistema respiratorio. Todas las sustancias viajan disueltas en ella y logran llegar hasta el tejido más apartado del cuerpo humano, hasta la célula más recóndita, suministrando los nutrientes necesarios, oxígeno y eliminando sustancias de desecho, productos del metabolismo celular.

Caso especial de difusión:Caso especial de difusión:difusión y lentes de difusión y lentes de

contactocontacto La córnea (la capa superficial que cubre al La córnea (la capa superficial que cubre al

ojo) no contiene vasos sanguíneos (por eso ojo) no contiene vasos sanguíneos (por eso es transparente). Las células corneales es transparente). Las células corneales reciben oxígeno por reciben oxígeno por difusióndifusión desde la capa desde la capa superficial de fluido lagrimal, el cual es rico superficial de fluido lagrimal, el cual es rico en oxígeno. Esto explica el por qué no en oxígeno. Esto explica el por qué no deben usarse lentes de contacto para deben usarse lentes de contacto para dormir. Estos lentes que se fijan sobre la dormir. Estos lentes que se fijan sobre la córnea impiden que el parpadeo humedezca córnea impiden que el parpadeo humedezca las células señaladas, y al dormir no se las células señaladas, y al dormir no se parpadea y la córnea se priva de oxígeno, parpadea y la córnea se priva de oxígeno, que puede resultar en pérdida de la que puede resultar en pérdida de la transparencia de la córnea.transparencia de la córnea.

FINFIN

EL ARTE TERMINA EN EL EL ARTE TERMINA EN EL MOMENTO EN QUE CESAMOS MOMENTO EN QUE CESAMOS

DE PREGUNTARDE PREGUNTAR

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