1.2 Transporte de solutos a través de las membranas.

gráfica Coeficiente de partición (β)

- En la primera gráfica, hemos supuesto que el coeficiente de partición es 4. Pues bien, esto significa que la concentración en la parte más externa del interior de la membrana es 4 veces la del exterior celular. Lo mismo pasa en el lado contrario. La concentración en la parte más intracelular del interior de la membrana es 4 veces mayor que la concentración en el interior celular. Por último, destacar también que la diferencia de concentraciones entre las dos partes de la membrana es cuatro veces la diferencia de concentración entre el interior y el exterior celular. - Lo mismo ocurre en la siguiente gráfica. La concentración en la parte más cercana al compartimento intracelular del interior de la membrana es β veces mayor que la concentración del interior celular, y la misma relación hay entre la parte más externa del interior de la membrana y la concentración extracelular. También, y de acuerdo al ejemplo anterior, la diferencia de concentraciones en ambas partes de la membrana es β veces la diferencia entre el interior y el exterior de la célula. De acuerdo a esto último, podemos establecer que: Δ concentración en la membrana= β×(concentración extracelular-concentración intracelular)

TIPOS DE TRANSPORTE: activo y pasivo

- Transporte activo: es el paso de sustancias a través de la membrana utilizando ATP como principal fuente de energía. - Transporte pasivo: es el paso de sustancias a través de la membrana sin necesidad de energía. A esto lo denominamos difusión.

Difusión simple

Consiste en el paso de sustancias a favor de gradiente a través de los espacios entre lípidos que forman la membrana sin gasto de energía. Las sustancias que atraviesan la membrana por este proceso son las pequeñas y apolares, un ejemplo es el oxígeno que se encuentra a baja concentración dentro de las células ya que se consume rápidamente y se encuentra a mayor concentración fuera de la célula, se genera una diferencia de concentración y el oxígeno extracelular entra dentro de la célula a través de los espacios entre los lípidos de membrana. Otros ejemplos son el nitrógeno (N2), el dióxido de carbono (CO2) o el agua (H2O). También algunas moléculas polares muy pequeñas pueden atravesar la membrana mediante este proceso, sin embargo, lo hacen a menor grado y mucho mas lentamente que las moléculas apolares. Como por ejemplo el etanol o la urea.

concepto de difusión

Cuando las partículas están en una disolución estas adquieren un movimiento al azar acorde a su energía cinética, sin embargo, cuando existe una zona en la disolución donde haya más cantidad de sustancia, la probabilidad de que las partículas se muevan para esta zona es mayor. A este movimiento que va de una zona más concentrada a otra menos es a lo que llamamos difusión. La diferencia de concentraciones entre una zona y otra se llama gradiente, se dice que una sustancia tiene un movimiento 'a favor de gradiente' cuando su movimiento es de una zona muy concentrada a otra zona menos concentrada. En la membrana de las células pasa igual, se genera un gradiente de un tipo de sustancia determinado y provoca un movimiento a favor de gradiente. Sin embargo, está la membrana en medio por lo que este movimiento no se realiza con tanta facilidad, es por esto por lo que podemos decir que la membrana actúa con una especie de permeabilidad selectiva. Esta permeabilidad dependerá del tamaño de la partícula y su afinidad con los componentes de la membrana. Diferenciamos, por lo tanto, dos tipos de difusión.

Coeficiente de partición (β)

El coeficiente de partición se define como el cociente entre la concentración de sustrato en la membrana y la concentración en agua. Por tanto, se compara la facilidad de disolverse cierto soluto en la membrana, con la facilidad que tiene de hacerlo en el agua. Se define por la siguiente ecuación: A través de la siguiente gráfica, observamos cómo el sodio tiene un coeficiente de partición de 0,001, es decir, que no se disuelve bien en la bicapa lipídica y sí que lo hace muy bien en agua. La nicotina y el etanol (presentes en el tabaco y el alcohol, respectivamente), tienen un coeficiente de partición de 0,3 la nicotina y 0,5 el etanol (aproximadamente). Por eso, al disolverse tan bien en los lípidos de la membrana, llegan al cerebro con mayor facilidad. El Diazepam es el que más rápido llega, según esta tabla. El medicamento, usado para tratar estados de ansiedad, se absorbe de una forma muy rápida.

Ley de Fick

El flujo de una sustancia se define como el número de moles de la misma que atraviesan la membrana por unidad de área y de tiempo y viene dado por la ley de Fick: Jx=Px·(Xo-Xi) El flujo (Jx) se mide en cm2/s y es positivo cuando es de entrada a la célula (Xo>Xi) y negativo cuando es de salida de la célula (Xi>Xo). Como puede observarse en la ecuación, el flujo es directamente proporcional a la diferencia de concentración (Xo-Xi), siendo la permeabilidad (Px) una constante.

Flujo y permeabilidad

En la difusión simple, si el soluto (X) está presente en diferente concentración a ambos lados de una membrana, el movimiento neto de X se produce hacia el interior de la célula cuando la concentración extracelular es mayor ([X]o > [X]i) y hacia el exterior de la célula cuando la concentración intracelular es mayor ([X]i > [X]o). La velocidad de este movimiento está definida por su flujo (Jx): el número de moles de X que atraviesan la membrana por unidad de área (generalmente 1cm2) y de tiempo (generalmente 1 segundo). Por lo tanto, Jx se mide normalmente en: moles/(cm2·s). Cuando ambas concentraciones son iguales, es decir, cuando [X]o-[X]i=0, el sistema está en equilibrio y por lo tanto el flujo es 0.

Flujo no saturable

Es aquel que no tiene un punto de saturación. Por tanto, aumentará infinitamente de manera directamente proporcional a la diferencia de concentración. Por esta razón, presenta una evolución lineal en la gráfica.

Coeficiente de difusión (D ó Dx)

Es una constante que tiene cada par de soluto-disolvente. Cuanto mayor sea el valor de D, mayor será la permeabilidad de una membrana. Por ejemplo, tenemos un coeficiente de difusión del O2 en agua, o del O2 en aceite.

Difusión facilitada

Este proceso es el paso de iones y moléculas polares más grandes a través de la membrana sin gasto de energía. En este caso las sustancias pasan a través de unos 'canales proteicos' o proteínas transportadoras. Existen dos tipos de proteínas transportadoras: los canales y las permeasas. Los canales son proteínas integradas en la membrana que actúan como su propio nombre indica como un canal, es decir, ofrece un pasaje a las sustancias. Las permeasas también son proteínas integradas en la membrana pero, sin embargo, tienen una conformación en la cual encaja un soluto específico, cuando este soluto se ha unido, la permeasa cambia de conformación y es liberado en la otra parte de la membrana. Una vez liberado el soluto la permeasa adquiere su conformación inicial.

coeficiente de permeabilidad de X

Podemos combinar estos tres últimos factores en un único parámetro denominado coeficiente de permeabilidad de X (Px). Por lo tanto, la permeabilidad determina la facilidad con la que una sustancia se difunde. Viene definida cuantitativamente por la siguiente expresión: p=Dβ/a donde P=Permeabilidad (cm/s), D=Coeficiente de difusión (cm2/s), β=Coeficiente de partición (sin unidades), a=Espesor de membrana (expresado en cualquier unidad de longitud; en las membranas celulares frecuentemente utilizamos nanómetros). Son muy permeables solutos hidrófobos sin carga como los gases (p.ej. CO2, N2, O2), unos pocos compuestos endógenos (p.ej. hormonas esteroides) y muchas drogas (p.ej., anestésicos), y pequeñas moléculas polares sin carga como el etanol, el agua y la urea. Sin embargo, las grandes moléculas polares sin carga como la glucosa, los iones como el K+, Mg2+, Ca2+, Cl- y las moléculas polares cargadas como los aminoácidos, el ATP o la glucosa 6-fosfato no son permeables y atraviesan la bicapa lipídica con mucha dificultad.

Flujos unidireccionales y flujo neto

Son aquellos que solo se producen en un sentido, de dentro a fuera de la membrana o viceversa. La diferencia entre los dos flujos unidireccionales se llama flujo neto y viene definido por la ley de Fick. Flujo de dentro a fuera: Jx=Px·Xi Flujo de fuera a dentro: Jx=Px·Xo Flujo neto: Jx=Px·(Xo-Xi)

Los factores que afectan al flujo son los siguientes:

Temperatura: A mayor temperatura, mayor flujo. Este factor no es muy importante en humanos porque la temperatura se mantiene constante a 37ºC. Incluso las variaciones de temperatura que se pueden producir son relativamente pequeñas (una fiebre de 42ºC desde el punto de vista físico representa menos de un 1% de variación). Gradiente de concentración: A mayor diferencia de concentración del soluto ([X]) entre las dos partes de la membrana, mayor flujo. La concentración la expresaremos en unidad de materia por unidad de volumen (moles/cm3). Superficie de la membrana celular: El flujo es directamente proporcional a la superficie de la membrana, de modo que cuanto mayor sea esta (mayor tamaño celular), mayor será el flujo. Coeficiente de partición: Cuanto mayor sea el coeficiente de partición lípido-agua de X, mejor se podrá disolver en la membrana lipídica y más fácil podrá atravesarla. Coeficiente de difusión: El flujo también aumenta si X se mueve fácilmente una vez que está en la membrana (alto coeficiente de difusión). Espesor de membrana: El flujo es mayor cuanto menor es la distancia que el soluto tiene que atravesar (menor espesor de membrana).