Biofísica de las membranas celulares

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Biofísica de las membranas celulares

MEMBRANA CELULAR:

MEMBRANA CELULAR La membrana plasmática o citoplasmática es una estructura laminar que engloba a las células, define sus límites y contribuye a mantener el equilibrio entre el interior y el exterior celular.

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Brom. Maria del Pilar Cornejo

CARACTERISTICAS GENERALES:

CARACTERISTICAS GENERALES Liposolubilidad Estructura trilaminar Compuestas por lípidos, proteínas y glúcidos Son fluidas Presentan asimetría estructural y funcional Son estructuras dinámicas

COMPOSICION:

COMPOSICION Lípidos : complejos y simples Lípidos complejos: fosfolípidos, glicolípidos Lípidos simples: colesterol Proteínas : intrínsecas y extrínsecas Glúcidos : monosacáridos y polisacáridos

ESTRUCTURA:

ESTRUCTURA El modelo estructural mas aceptado es el de “ MOSAICO FLUIDO ” Bicapa lipídica fluida Proteínas integrales de la membrana Proteínas periféricas

PROPIEDADES:

PROPIEDADES Liposolubilidad Fluidez Asimetría Dinamismo

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Liposolubilidad : Se debe a la bicapa lipídica Fluidez : Depende de la longitud de las cadenas de los ácidos grasos, del número de dobles enlaces que hay en ellos y de la temperatura Asimetría : Cada una de las superficies de la membrana presenta distinta composición y tiene diferentes funciones Dinamismo : Tanto lípidos como proteínas tienen movimiento en la membrana. (traslación , rotación y flip-flop)

FUNCIONES:

FUNCIONES PERMEABILIDAD SELECTIVA ACTIVIDAD ENZIMATICA INTERCAMBIO DE INFORMACION RECONOCIMIENTO

TRANSPORTE A TRAVES DE MEMBRANAS:

TRANSPORTE A TRAVES DE MEMBRANAS Los mecanismos de transporte a través de la membrana cumplen una función dinámica para mantener un medio interno tal que permita las reacciones bioquímicas necesarias para el mantenimiento de la vida. Una de las características principales de las membranas en este sentido es su permeabilidad selectiva

TRANSPORTE DE SUSTANCIAS EN LAS CELULAS:

TRANSPORTE DE SUSTANCIAS EN LAS CELULAS TRANSPORTE ACTIVO TRANSPORTE PASIVO

TRANSPORTE PASIVO:

TRANSPORTE PASIVO CARTACTERISTICAS GENERALES: Ocurre: Sin gasto de energía A favor de un gradiente Es equilibrante

TRANSPORTE PASIVO:

TRANSPORTE PASIVO DIFUSION OSMOSIS DIFUSION FACILITADA

DIFUSION :

DIFUSION Es el movimiento libre de moléculas de soluto a través de la membrana, a favor del gradiente de concentración. El flujo se denomina FLUJO DIFUSIONAL.

GRADIENTE:

GRADIENTE Es la variación de intensidad de un fenómeno, por unidad de distancia entre un punto y otro El gradiente es un vector que indica la dirección y sentido en el cual crece la intensidad del fenómeno Brom. Maria del Pilar Cornejo

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GRADIENTE DE CONCENTRACION: Es el cambio de concentración de una sustancia, que existe a lo largo del recipiente que contiene una solución de dicha sustancia. G = C 1 - C 2 d GRADIENTE ELECTROQUIMICO: Es una distribución asimétrica de cargas de distinto signo entre 2 puntos. (En biofísica también se lo llama POTENCIAL)

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FLUJO NETO: Es la cantidad de sustancia que se mueve de un lado a otro del recipiente, por unidad de tiempo. J = J 12 – J 21

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El flujo ( J ) es un vector cuyo módulo mide la cantidad de partículas que atraviesan la unidad de área en la unidad de tiempo (moles/cm 2 . seg ). Su dirección y sentido es desde la región de mayor concentración hacia la de menor concentración.

LEY DE FICK:

LEY DE FICK “El flujo neto de moléculas por unidad de área de membrana es proporcional al gradiente de concentración”.

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La ley de Fick puede expresarse como : Donde J = vector flujo ; y D = coeficiente de Difusión

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La constante de proporcionalidad en la expresión de la ley de Fick es el coeficiente de difusión D (cm 2 / seg ), que depende, en general, de la temperatura (aumenta con la temperatura), del soluto (tamaño de las partículas a difundir) y del medio a través del cual difunde (membrana). Esta ley es válida sólo cuando el pasaje es debido exclusivamente a una diferencia de concentraciones que se mantiene en régimen estacionario (no varía con el tiempo ).

OSMOSIS:

OSMOSIS Es un movimiento de solvente (agua) a favor de un gradiente de concentración La fuerza impulsora es la agitación térmica y la diferencia de concentración. El flujo se denomina FLUJO OSMÓTICO.

TRANSPORTE CON MEDIADORES (“CARRIERS”):

TRANSPORTE CON MEDIADORES (“CARRIERS”) El transporte a través de mediadores puede ser pasivo o activo . El transporte pasivo por transportadores se conoce como difusión facilitada

DIFUSION FACILITADA:

DIFUSION FACILITADA Se produce cuando un ión o molécula cruza la membrana “ a favor” de su gradiente electroquímico o de concentración, hasta que se obtiene el equilibrio. No hay gasto energético La diferencia de energía libre ( D G) para este proceso es negativa por moverse “ a favor” de su gradiente

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Para un mol de una sustancia, la energía libre se calcularía como: D G = -2.3 R T log [C2] / [C1] En el equilibrio, como ambas concentraciones son iguales, D G vale cero. Para sustancias cargadas, se debe tomar en consideración el gradiente de potencial eléctrico existente a través de la membrana, siendo entonces D G igual a: donde: z = valencia del ion ; F = constante de Faraday ; D V = diferencia de potencial a través de la membrana D G = -2.3 R T log [C2] / [C1] + z F D V

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Básicamente el mecanismo de transporte tiene cuatro etapas que son: unión reversible del soluto a transportar a sitios específicos del transportador (receptores) desplazamiento del par receptor-ligando hacia la superficie opuesta de la membrana liberación del soluto vuelta del sistema al estado inicial

La cantidad de sustancia que atraviesa la membrana depende de: :

La cantidad de sustancia que atraviesa la membrana depende de: La diferencia de concentración del soluto a transportar entre ambos lados de la membrana La cantidad de transportador disponible. Cuando se saturan los transportadores se alcanza un flujo máximo (Cinética de saturación) La velocidad con que tiene lugar la unión y la separación entre el soluto y el transportador.

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A medida que aumenta la diferencia de concentraciones, aumenta el flujo. A partir de una D C determinada, los transportadores se saturan y el flujo alcanza un valor constante, llamado flujo máximo. Cualquier aumento de concentración a partir de ese punto no traerá aparejado cambio alguno en el flujo. Este tipo de comportamiento obedece a la ecuación de Michaelis - Menten

TRANSPORTE ACTIVO:

TRANSPORTE ACTIVO CARTACTERISTICAS GENERALES: Ocurre: Con gasto de energía En contra de un gradiente Crea potenciales electroquímicos

FUNCIONES DEL TRANSPORTE ACTIVO:

FUNCIONES DEL TRANSPORTE ACTIVO Intercambio de material celular Mantenimiento del pH y equilibrio iónico intracelular Eliminación de sustancias toxicas

CARACTERISTICAS:

CARACTERISTICAS SATURACION COMPETITIVIDAD ESPECIFICIDAD INHIBICION Depende de una fuente de ENERGIA ES UNIDIRECCIONAL

PRINCIPALES SISTEMAS DE TRANSPORTE ACTIVO CELULAR:

PRINCIPALES SISTEMAS DE TRANSPORTE ACTIVO CELULAR TRANSPORTE ACTIVO PRIMARIO TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO (COTRANSPORTE)

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Transporte activo Por este mecanismo pueden ser transportados hacia el interior o exterior de la célula los iones H+ (bomba de protones) Na+ y K+ (bomba de sodio-potasio), Ca++ , Cl-, aminoácidos y monosacáridos. Hay dos tipos de transporte activo:

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Transporte activo primario : En este caso, la energía derivada de la hidrólisis de ATP es aprovechada para que la sustancia cruce la membrana, modificando la forma de las proteínas de transporte (bomba) de la membrana plasmática. El ejemplo más característico es la bomba de Na+/K+ .

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El ion Na+ ingresa a la célula por flujo pasivo, mientras que el K+ sale al medio extracelular. Para que las concentraciones de Na+ y K+ permanezcan constantes, el flujo activo de cada ion debe ser igual pero de signo opuesto al correspondiente flujo pasivo. La bomba de Na+ y K+ mantiene constantes las concentraciones. TRANSPORTE ACTIVO PRIMARIO – UTILIZA ATP

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Se observan tres fenómenos simultáneos y acoplados: ingreso de dos K+, egreso de tres Na+, e hidrólisis del ATP a ADP + Pi + energía en el medio intracelular. Para la ocurrencia del fenómeno, los tres factores deben estar presentes.

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Transporte activo secundario: Es el transporte de sustancias que normalmente no atraviesan la membrana celular, tales como aminoácidos y glucosa, cuya energía requerida para el transporte deriva del gradiente de concentración o electroquímico de otras sustancias Puede suceder tanto si la molécula transportada y el ion cotransportado se mueven en la misma dirección ( simporte ) o si las mismas lo hacen en sentido opuesto ( antiporte )

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TRANSPORTE DE GLUCOSA :

TRANSPORTE DE GLUCOSA Se realiza por transporte activo secundario La bomba de sodio origina un gradiente electroquímico, ya que la salida de sodio no esta compensada por la entrada de K, sino que se genera un gradiente de potencial impulsor del transporte de otras sustancias, en este caso aprovechada para transportar glucosa al interior celular

TRANSPORTE DE AMINOACIDOS:

TRANSPORTE DE AMINOACIDOS Se realiza por transporte activo secundario. Hay hormonas que favorecen el transporte (insulina)

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¿Qué es el potencial electroquímico? El potencial electroquímico ( m ) de un ion es definido por: m = µ 0 + RT InC + zF F , donde m 0 es el potencial electroquímico en un cierto estado de referencia R es la constante de gas ideal T es la temperatura absoluta C es la concentración del ion z es la valencia del ion F es el número Faraday (96,500 coulomb/mol) F es el potencial eléctrico ( voltios)

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¿Cuál es el significado del potencial electroquímico? m = m 0 +RTInC + zFE m tiene unidades de energía/moles m 0 es el potencial electroquímico en un cierto estado de referencia, es decir una concentración de 1 M a 20º C RT InC es la energía que un mol de iones posee debido a su concentración zFE es la energía que un mol de iones posee debido al potencial eléctrico

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m A = m 0 + RTInC A + zFE A m B = m 0 + RTInC B +zFE B  m = m (A) – m (B) de modo tal que: C (A)  µ = RT In + zF(E A -E B ) C (B) ¿Cuál es la diferencia en el potencial electroquímico de un ion a través de la membrana?

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¿Cuál es el significado de  µ? El primer término: RT In(C A /C B ) es la diferencia de energía entre un mol de iones del lado A y del lado B, debido a la diferencia de concentración. El segundo término: zF(E A -E B ) es la diferencia de energía entre un mol de iones del lado A y del lado B debido a la diferencia del potencial eléctrico. Un valor positivo de  m indica un potencial electroquímico mayor en el lado A que en el B. Un valor negativo indica mayor energía en el lado B que en el A. C(A)  µ = RTIn + zF(EA-EB) C(B)

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¿Cuál es el significado de  µ?  m = RT In C(A) + zF (E A - E B ) C(B) Un ion tenderá a difundir desde donde su m es mayor hacía donde es menor. RT In (C A /C B ) es la tendencia a difundir de A a B por la diferencia de concentración: “la fuerza de concentración” zF(E A -E B ) es la tendencia del ion a difundir de A a B debido a la diferencia del potencial eléctrico: “la fuerza eléctrica” Un valor positivo de ambas fuerzas indica la tendencia del ion a difundir de A a B. Un valor negativo indica la tendencia a difundir de B a A

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¿Qué significa que un ion esté en equilibrio? En equilibrio:  µ = RT In C(A) + zF (E A - E B ) ≡ 0 C(B) Esto puede suceder cuando no hay diferencia de concentración ni diferencia del potencial eléctrico Generalmente, es mas común cuando la fuerza de concentración es igual y opuesta a la fuerza eléctrica Cuando un ion está en equilibrio entre el lado A y B: Su potencial electroquímico del lado A es igual al del lado B No hay fuerza neta en el ion No hay flujo neto espontáneo del ion

ECUACION DE NERNST:

ECUACION DE NERNST Esto nos permite calcular la diferencia de potencial eléctrico, EA - EB, que balancea una relación de concentraciones en particular La ecuación de Nernst sólo se aplica para un ion que está en equilibrio Cualquier ion que esté en equilibrio satisface la Ecuación de Nernst E = potencial de equilibrio R = Constante de los gases T = Temperatura en grados K F = Constante de Faraday [96.500 Cb/mol] z = Carga relativa al electrón C1 y C2 = concentración extra e intracelular

POTENCIAL DE MEMBRANA:

POTENCIAL DE MEMBRANA Una diferencia de potencial eléctrico existe en todas las células vivas entre las caras externa e interna de la membrana celular. Esta diferencia de potencial se llama potencial de membrana en reposo , y, en la mayoría de las células, su valor se encuentra entre -70 y -90 mV (con el lado interno negativo). El potencial en reposo resulta de la inequidad en la distribución de iones a ambos lados de la membrana, existiendo siempre un exceso de cationes sobre la superficie externa de la membrana celular.

Potencial de membrana en reposo :

Potencial de membrana en reposo Tres mecanismos están implicados: Bomba de Na+ y K+, que cotransporta Na+ hacia afuera y K+ hacia adentro de la célula, con hidrólisis de ATP. Difusión pasiva de Na+ y K+, mecanismo opuesto a la bomba. Difusión pasiva de otros iones, mayormente Cl - , como consecuencia de gradientes de potenciales electroquímicos generados por una variedad de mecanismos.

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En términos físicos, el potencial de membrana en reposo , es la diferencia de potencial que puede medirse a ambos lados de la membrana. Se define como el valor del potencial de membrana tal que el ion se encuentre en equilibrio pasivo, o sea, que su flujo neto sea 0. El potencial de equilibrio puede tomar cualquier valor, dependiendo de la relación de concentraciones del ion a cada lado de la membrana.

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Puede calcularse por la Ecuación de Nernst : E = potencial de equilibrio R = Constante de los gases T = Temperatura en grados K F = Constante de Faraday [96.500 Cb /mol] z = Carga relativa al electrón C1 y C2 = concentración extra e intracelular Esta ecuación se obtiene al considerar que, en el equilibrio, actúan sobre el ion dos fuerzas opuestas de igual módulo, fuerzas eléctricas y fuerzas difusivas, que son iguales en magnitud, pero de distinto signo .

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La ecuación de Nernst aplicada al caso específico de la membrana se expresa como: Ce = concentración extracelular Ci = concentración intracelular

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En un tipo especial de células animales, las llamadas células excitables, el potencial de membrana puede modificarse temporariamente de su valor de equilibrio, como respuesta a un estímulo dado. Esta respuesta se llama potencial de acción , que llega a valores aproximados de +30 mV, con el interior de la célula positivo con respecto al exterior. Este potencial puede transmitirse a través de la membrana plasmática de la célula, e inclusive pasar de una célula a otra. La transmisión de este potencial es la base del impulso nervioso.

POTENCIAL DE ACCION:

POTENCIAL DE ACCION Se define potencial de acción como la serie de cambios físicos, químicos y eléctricos que sufre la membrana en respuesta a un estímulo umbral . El potencial de acción se produce cuando, luego de un estímulo apropiado, la permeabilidad iónica de la membrana de una célula excitable se modifica. En términos fisiológicos, el potencial de membrana en reposo que es considerado polarizado , se despolariza cuando ocurre el potencial de acción .

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Los cambios en el potencial de la membrana son los siguientes: Aumento del potencial (despolarización de la membrana) Inversión del potencial (positivización del potencial) Disminución del potencial ( repolarización de la membrana) Período refractario ( hiperpolarización )

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En el grafico siguiente pueden observarse los cambios producidos en una célula excitable tipo, cuando se ha desencadenado un potencial de acción, y las curvas de permeabilidad correspondientes al Na+ y al K+.