FISIOLOGIA I
TEMA NUMERO 6
FUERZAS QUIMICAS QUE INTERVIENEN EN
LOS PROCESOS DE PERMEABILIDAD
IONICA
PROFESOR: Gregorio Tiskow, Ph.Sc.
E-mail: [email protected]
U.C.L.A. Barquisimeto, Venezuela
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.
LA CELULA NERVIOSA
UNA CELULA CUALQUIERA
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.
2.- SE MANTIENE UN MOVIMIENTO CONSTANTE DE
SOLUTOS A TRAVÉS DE LA MEMBRANA CELULAR.
3.- El medio interno celular es distinto al medio celular
externo: diferencia en la composición de sustancias.
4.- El medio interno se mantiene constante gracias a la
homeostasis celular.
. 5.- El agua se mantiene en equilibrio osmótico entre el
interior y exterior celular
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+
Na+
Na+
Na+
7.- La alta concentración extracelular de Na+ permite compensar el
efecto osmótico de las macromoléculas interiores.
8.-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.
_
_
+
_
_
+
+
+
9.- Para lograr mantener una electro-neutralidad
intracelular la célula mantiene concentraciones importantes
de K+
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-
_
_
_
_
+
+
+
+
DISTRIBUCION IONICA ASIMETRICA A NIVEL CELULAR
K+
_
_
A-
_
_
Na+
Cl-
+
+
+
+
EQUILIBRIO DE DONNAN
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
EFECTO GIBBS-DONNAN
INTRACELULAR
K+
EXTRACELULAR
Na+
A-
ClCl-
[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
ION
[Intracelular]
[Extracelular]
Na+
10-15 mmol/L
145 mmol/L
K+
140 mmol/L
4-5 mmol/L
Cl-
10 mmol/L
110-130 mmol/L
Gradientes químico y eléctrico
Gradientes químico y eléctrico
Gradientes químico y eléctrico
Gradiente Eléctrico
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+
K+
Cl-
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
Gradiente Químico
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 10-19 coulomb
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.
GRADIENTE ELECTRICO
GRADIENTE ELECTRICO
q1
.
q2
Ley de Coulomb
F=k
r2
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.
POTENCIAL ELECTRICO
Extracelular
Na+
Cl---------
Intracelular
++++
Na+
Cl-
++++
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
TRABAJO ELECTRICO
• q = Z. e. n. Na
Na: 6,02 x 1023 partículas/mol
Carga del electrón (e): 1,68 x 10-19 coulomb/partícula
F: constante de Faraday = Na x e = 96.488 coulombs/mol
q=Z.n.F
TRABAJO ELECTRICO
We = q. v
TRABAJO QUIMICO
• W q = 2,3 . R.T. Log C2/C1
TRABAJO ELECTROQUIMICO
ECUACION DE NERNST
• En los procesos fisiológicos, las cargas son
•
transportadas por iones: Na+, K+ , Cllos 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.
POTENCIAL ELECTROQUIMICO
W eq = Wq + We
W eq

= 2,3 R.T. Log C2/C1 + Z.n.F. v
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
ECUACION DE NERNST
• 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
Potencial de Equilibrio para un ion
ION
[Intracelular]
Na+
10-15 mmol/L
K+
140 mmol/L
Cl-
10 mmol/L
[Extracelular]
Eion
a
37ºC
145 mmol/L
+60 mv
4-5 mmol/L
-90 mv
110-130 mmol/L
-65 mv
Potencial de Equilibrio del ClExtracelular
Intracelular
[Cl-] = 110-130 mmol/L
[Cl-] = 10 mmol/L
C
+
-
+
-
+
-
+
-
E
Vm = -70 mv
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
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.
Potencial de Equilibrio del K+
Extracelular
Intracelular
[K+] = 4-5 mmol/L
[K+] = 140 mmol/L
C
+
+
+
+
-
E
Vm = -70 mv
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).
Potencial de Equilibrio del Na+
Extracelular
Intracelular
[Na+] = 145 mmol/L
[Na+] = 10 - 15 mmol/L
+
+
+
+
-
C
E
Vm = - 70 mv
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).
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.
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