FISIOLOGIA I
TEMA NUMERO 3
Fuerzas físico-químicas que intervienen
en los procesos de la difusión simple
PROFESOR: Gregorio Tiskow, Ph.Sc.
E-mail: [email protected]
U.C.L.A. Barquisimeto, Venezuela
La Difusión
Es un proceso netamente físico.
 Es
el movimiento continuo de
moléculas y iones en medios
gaseosos o líquidos.
 Tiene un basamento físico en una
sencilla teoría cinético-molecular.

Difusión de una molécula
Movimiento difusivo


La difusión es la consecuencia directa
del
movimiento
térmico
y
probabilístico (al azar) de las
moléculas y iones en solución.
La molécula al moverse por su energía termal,
colisiona en su trayectoria con otra molécula que
también está difundiendo. Resultado de la colisión,
la molécula cambiará de dirección al azar y se
moverá en otros sentido, y así, sucesivamente.
Movimiento difusivo:
Movimiento Browniano
Es el movimiento que lleva a cabo
una partícula muy pequeña que está
inmersa en un fluido.
 Se caracteriza por ser continuo y muy
irregular.
 La trayectoria que sigue la partícula
es en zigzag.

Movimiento difusivo

Luego de un número significativo de colisiones, la
molécula se hallará a una distancia (S) del punto
original de partida (punto 0).
Movimiento difusivo

Por análisis estadístico, luego de (N) colisiones, la
distancia de la molécula del punto de partida es en
promedio:
S=LN

La velocidad de una molécula depende a su vez de
la temperatura del medio y de su masa.
Movimiento difusivo (Tips)
Los gases están menos densamente
empaquetados que los líquidos; a
consecuencia de ello, en los gases el
promedio del valor de movilidad libre
de una molécula es mayor y el tiempo
de difusión es más corto.
 Así,
los gases difunden más
rápidamente que los líquidos.

¿Cómo demostrar la 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 difusión?
Ejercicio práctico
1. Poner un beaker con agua a
temperatura ambiente y otro con
agua fría.
2. Añadir una gota de colorante a c/u. y
observar el comportamiento de la
gota.
3. ¿Dónde fue más rápida la difusión?
¿De qué depende la difusión?

La velocidad dependerá de:
1. La energía cinética (que a su vez,
depende de la temperatura).
2. El gradiente de concentración.
3. El tamaño de las moléculas.
4. La solubilidad de las moléculas en
la porción hidrofóbica de la bicapa
lipídica de la membrana plasmática.
Transporte de moléculas por
difusión
Transporte de moléculas por
difusión
Región 1
C1
Región 2
C2
0
X=0
X=x
Transporte de moléculas por
difusión


Se puede calcular a partir de la
suposición anterior, el número de
moléculas transportadas por difusión
de una región a otra.
Velocidad de difusión (Vd) es la velocidad promedio de
difusión desde (X=0) hasta (x=x). La velocidad se deduce
de la distancia (x) dividida por el tiempo promedio de
difusión (t); es decir:
Vd = x / t
Transporte de moléculas por
difusión

Considerando que:
t = (x)2 / Lv
v: velocidad termal promedio de una partícula,
queda que:
Vd = x
(x)2 / Lv
Vd = Lv / x
Y aquí, ya podemos introducir el concepto de FLUJO
Transporte de moléculas por
difusión

El número de moléculas de soluto (J) arribando
por segundo desde la (R1) con concentración (1) a
la (R2) con concentración (2) es:
Vd x C1 x A
J1 =
2
A: área
factor 2 del denominador: por el hecho que las moléculas están difundiendo
hacia y desde la región 2.
J = FLUJO
Transporte de moléculas por
difusión
 El
Flujo (J) va a determinar la
cantidad de partículas que se
movilizan en una determinada
dirección, expresada en moles de
soluto que atraviesan la unidad
de sección (A) en la unidad de
tiempo (t).
Transporte de moléculas por
difusión
Región 1
C1
Región 2
C2
0
X=0
X=x
Transporte de moléculas por
difusión

Pero al mismo tiempo, las moléculas van a
comenzar a difundir de la región (2) a la región
(1) para equilibrar las concentraciones, y así:
J2 = Flujo de (2) a (1)
Vd x C2 x A
J2 =
2
A: área
factor 2 del denominador: por el hecho que las moléculas están difundiendo
hacia y desde la región 1.
Transporte de moléculas por
difusión
Región 1
Región 2
0
Flujo
Unidireccional
Flujo
Bi-Direccional
Transporte de moléculas por
difusión

Se puede deducir ahora el FLUJO NETO (Jneto):
El (Jneto) será la diferencia entre ambos flujos
parciales:
Vd x A X (C1 –C2)
Jn = J1 – J2 =
2
Transporte de moléculas por
difusión

Esta cantidad de flujo neto expresa la cantidad de partículas que se
desplazan del lado (1) hacia el lado (2) del sistema.

En el primer sistema representado (R1), el flujo neto es igual a
cero. Pero en el segundo sistema (R2), y debido a esa diferencia de
concentración, el flujo neto adquiere un valor distinto de cero.

Cuando el sistema adquiera la condición de equilibrio, las
concentraciones se igualan entre los dos compartimientos, y ahí se
detiene el flujo neto de soluto. Como deducción lógica podemos
señalar que para que exista un flujo neto entre dos puntos de un
sistema es necesario mantener una diferencia de concentración.
Entonces, ese flujo desordenado, al azar, observado en el primer
esquema se convierte en flujo direccional, debido a esa diferencia
de concentración, y es el flujo neto.

Deducción Ley de Fick

En la fórmula de flujo neto (Jn) se sustituye (Vd) por:
Vd = Lv / x
Lv A (C1 – C2)
Jn =
2 x



Se asume que las velocidades (v) de las moléculas son uniformes
en ambas regiones.
El flujo neto depende obviamente de la diferencia de concentración
de partículas o moléculas difusibles entre las dos regiones.
El flujo neto se incrementa con el aumento de la temperatura
(aumenta velocidad termal de las partículas), y decrece con la
distancia entre las dos regiones.
Deducción Ley de Fick

Re-escribiedo la ecuación anterior de (Jn) queda:
Haciendo al término (Lv/2) = Kd = coeficiente de difusión
Jn = Kd. A (C1-C2)
D
x se convierte en D (distancia)
L: promedio de movilidad libre de la molécula, depende a su vez del tamaño de
la molécula y de la viscosidad del medio.
Los coeficientes de difusión (Kd) de la mayoría de las moléculas
biológicamente importantes oscilan entre 10-7 y 10-5 cm2/s
Coeficientes de difusión (Kd)

Coeficientes de difusión (Kd) de algunas sustancias y moléculas orgánicas
Sustancia






Agua
Urea
Glucosa
Insulina
Mioglobina
Hemoglobina
Peso molecular
18
60
180
12.000
17.500
68.000
Kd (x10-5) (cm2/seg)
2,1
1,2
0,6
0,15
0,11
0,063
A mayor masa molecular de la partícula del soluto, menor será la Kd, y
por lo tanto, menor será la cantidad de flujo (J)
Ley de Fick
Jn = Kd. A (C1-C2)
D
Difusión: representación gráfica
Difusión a través de
membranas biológicas





Literalmente, las membranas biológicas son barreras que
impiden la difusión libre.
Las membranas biológicas son de naturaleza semipermeable.
Nutrientes, oxígeno y productos de desecho deben atravesar
estas membranas para mantener la homeostasis celular.
Considerando una membrana celular típica, ésta presenta
poros o canales que rigen la difusión a través de ellas.
Para moléculas más pequeñas que los poros de la
membrana, la única limitante para reducir la tasa de difusión
es, la disminución del área efectiva de difusión.
EJEMPLOS FISIOLÓGICOS
Difusión a través de
membranas biológicas
Las moléculas atraviesan la membrana plasmática en función de su
lipofilia y de la existencia o no de canales o transportadores
Difusión a través de
membranas biológicas

El flujo neto de moléculas (J) fluyendo a través de
la membrana está dado en términos del
coeficiente de permeabilidad de la membrana (P):
J = P. A. (C1 – C2)
P: incluye el coeficiente de difusión y el espesor de la membrana.
P: depende del tipo de membrana y de la molécula que difunde.

La diferencia de permeabilidad de las moléculas
difusivas permite a las células mantener una
composición a la del medio extracelular
Factores que afectan la difusión a través de
la membrana celular
 Liposolubilidad
 Tamaño
de los poros o canales
 Presencia de transportadores
 Tamaño real de los iones
 Carga eléctrica de los iones
Ventajas y desventajas de los
procesos de difusión



Los procesos de difusión simple, son poco
eficientes a grandes distancias (por razones de
tiempo)
Se han realizado cálculos donde se estima que la glucosa
tarda unos 0,08 segundos para difundir a través de la célula
intestinal, que posee unas 10 micras de espesor; que la
hemoglobina y su sustrato, el oxígeno, tardan cerca de 1
segundo y algo más de 25 milisegundos respectivamente,
para difundir a través de la célula roja o eritrocito (de
tamaño de unas 8 micras)
Estos son tiempos de difusión muy breves, y no parece que
las tasas de difusión intracelular sean limitantes para la vida
de éstas y otras células.
Ventajas y desventajas de los
procesos de difusión


Estos cálculos surgieron ya temprano en los años
de 1905, cuando Albert Einstein demostró que hay
una relación simple entre el coeficiente de difusión
(Kd) de una sustancia, y el tiempo (t) que ella
toma para difundir una distancia promedio (d) en
un medio fluído. La relación para la difusión en
una dimensión es d2 = 2 Kd.t
Nótese que, la distancia es una entidad elevada al
cuadrado; esto explicaría que por ejemplo, para el
paramecium, célula protozoaria grande, de unas
100 micras de longitud, todos estos valores de
tiempo de difusión se incrementan 100 veces.
Ventajas y desventajas de los
procesos de difusión

Para células de gran tamaño, la tasa de difusión
intracelular pudiera volverse un factor limitante,
reduciendo la efectividad o eficacia de la célula.
Para una célula nerviosa, la cual puede tener
metros de longitud, la relación de Einstein
demuestra que un intervalo de tiempo muy grande
(años quizás) debería requerirse si la difusión
fuera el mecanismo único para el cual las
sustancias viajaran a través de estas células
corporales. En general, el transporte difusivo NO
es efectivo a grandes distancias.
Ventajas y desventajas de los
procesos de difusión
Transporte masivo o por
arrastre

Compensa la dificultad del proceso difusional para
transportar sustancias a largas distancias. En el
transporte masivo cuando el soluto se mueve en
un sentido, es porque el solvente también lo ha
hecho en ese mismo sentido. El movimiento del
solvente arrastra consigo las partículas de soluto.
Este proceso si es efectivo a grandes distancias.

Ejemplos:
Sistema circulatorio y Sistema respiratorio.
Sistema 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 alveolocapilar pulmonar el oxígeno se
intercambia por difusión con la sangre y
el aire que penetra. También difunde
CO2.
Sistema 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 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:
difusión y lentes de contacto

La córnea (la capa superficial que cubre al ojo) no
contiene vasos sanguíneos (por eso es
transparente). Las células corneales reciben
oxígeno por difusión desde la capa superficial de
fluido lagrimal, el cual es rico en oxígeno. Esto
explica el por qué no deben usarse lentes de
contacto para dormir. Estos lentes que se fijan
sobre la córnea impiden que el parpadeo
humedezca las células señaladas, y al dormir no se
parpadea y la córnea se priva de oxígeno, que
puede resultar en pérdida de la transparencia de
la córnea.
FIN
EL ARTE TERMINA EN EL
MOMENTO EN QUE CESAMOS DE
PREGUNTAR
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