Bases Fsicas de la Fisiologa

1
Bases Físicas de la Fisiología
Adolfo Castillo Meza, M.Sc.Profesor
PrincipalDepartamento de Física, Informática y
MatemáticasUPCH
2
FENOMENOS DE TRANSPORTE
3
Transporte de partículas a través de una membrana
l
1
2
n2
S
n1
?
?
l lt lt ?
4
Para cada partícula
De modo que
5
Sea
la velocidad media de las partículas.
Pasarán a través de S en un tiempo
Pero
está relacionado con la longitud de recorrido
libre ? y el tiempo de recorrido libre ? mediante
la relación
y entonces
6
El flujo ? a través de S será
Pero
7
Finalmente, para el flujo
y para la densidad de flujo
8
Sea c m.n la concentración de masa. Entonces
y
Ecuación de Fick
9
C
interior
exterior
membrana
Ci
Cmi
Co
Cmo
x
Como la concentración varía en forma lineal,
podemos escribir
10
Y la ecuación de Fick se rescribirá
En virtud de las dimensiones del sistema
analizado se asume que
11
Entonces
12

• Transporte de iones
• En la membrana existe una diferencia de
  potenciales, es decir, actúa un campo eléctrico.
• Este campo influye en la difusión de iones y
  electrones.

Ya que podemos modelar el problema como
unidimensional.
13
La carga de un ión es Ze. Sobre cada ión actúa
una fuerza
Y sobre una mol de iones
Número de Avogadro
Constante de Faraday (F eNA)
14
Calculemos el flujo de iones a través de una
membrana. Tomemos un olumen elemental como el que
se muestra a continuación
v velocidad media de los iones S superficie
de la membrana
S
Todas la partículas pasan por S en un segundo, el
flujo será
v
v
15
La velocidad de los iones es proporcional a la
fuerza actuante
Donde um es la movilidad de la partícula.
Einstein demostró que coeficiente de difusión D
es proporcional a la temperatura
Por lo que
16
De donde la densidad de flujo

• El transporte de iones está determinado, en el
  caso general, por dos factores
• La heterogeneidad de su distribución (gradiente
  de concentración)
• La acción del campo eléctrico

17
De acuerdo con el pricipio de superposición, la
densidad de flujo puede ser descrita como
Ecuación de Nernst - Plank
o
18
Tipos de Transporte

• Transporte pasivo
• Difusión simple No requiere ingreso de energía
  metabólica
• Transporte Activo
• Primario Requiere de aporte directo de energía
  metabólica
• Secundario Aporte indirecto de energía
  metabólica
• En ambos casos requiere de proteínas integrantes
  de membranas. Se le denomina transporte mediada
  por acarreador y comparten tres características
• Saturación De acuerdo a la disponibilidad de
  sitios de unión. Su cinética enzimática es
  similar a la de Michaelis-Menten (transporte de
  glucosa en el túbulo proximal del riñón.
• Estereoespecificidad Depende de la
  estereoespecificidad de la molécula a
  transportar. Ej. Formas L o D.
• Competencia Moleculas similares que pueden ser
  reconocidas por el mismo receptor.

19
Difusión de moléculas e iones en dirección de su
menor concentración (contra la gradiente)
Transporte pasivo
Difusión de iones en dirección de la fuerza
ejerecida por el campo E.
No está relacionado con gasto alguno de energía
química. Se produce como resultado del
desplazamiento en dirección del menor potencial
electroquímico.
Potencial químico
Potencial electroquímico
20
Tipos de transporte pasivo
Na
Nernst - Plank
O2
K
Poro o canal
valinomicina
membrana
Transporte asistido
21
(No Transcript)
22
Poros
Animación
23
Transporte de moléculas en dirección de su mayor
concentración (a favor de la gradiente)
Transporte de iones en contra de la fuerza
ejercida por el campo E.
Transporte activo
Se da en dirección del mayor potencial
electroquínico.
No es difusión. Requiere gasto de energía.
La energía la proporciona la bomba K - Na
24
Transporte asistido
Animación
25
Animación
26
La membrana no es igualmente permeable a todos
los iones
La concentración de iones a ambos lados de la
membrana es diferente
Potencial de Reposo
Dentro de la célula se mantiene la composición
más conveniente de iones
Entre el citoplasma y el medio circundante
aparece una diferencia de potenciales (potencial
de reposo)
27
Responsables del potencial de reposo Na, K, Cl-
La densidad de flujo total de estos iones
(tomando en cuenta sus signos) es
En estado estacionario la densidad de flujo total
es cero. J 0
A partir de la solución de la ecuación de Nernst
Plank escribiremos para las densidades de flujo
de cada uno de los iones
28
(No Transcript)
29
Ecuación de Goldman - Katz
Las diferentes concentraciones dentro y fuera de
la célula son conecuencia de las bombas K Na.
30
Para un axón de calamar, tomando en cuenta que
PK PNa PCl 1 0.04 0.45
Experimentalmente 60 mV!!!!
31
Potencial de Acción

• Ante excitaciones del axón como calor, frío,
  cambios químicos, presiones mecánicas, etc. el
  flujo total de iones deja de ser cero.
• El sistema sale del estado estacionario.
• La polarización existente ( - respecto al medio)
  se revierte muy rápidamente, y luego retorna a su
  estado original
• Este pico de potencial viaja en ambas
  direcciones del axón, pero por la características
  de la sinapsis, solamente una de las direcciones
  es efectiva.
• Este pico o potnecial de acción es una
  respuesta de tipo binario (0,1 todo o nada). No
  depende de la intensidad del estímulo.

32
?i - ?o ?m
30 mV
t
El umbral de estimulación baja
-90 mV
Estímulo
Período refractario
El umbral de estimulación sube
33

34
(No Transcript)
35
OSMOSIS
Bajo condiciones normales, membrana permeable.
36
Con membrana semipermeable
37
Para una solución
Agua Azúcar
Agua
Membrana semipermeable
38
P P P
P P
39
P P P
P P
40
P P P
P P
41
P P P
P P
Deja de entrar disolvente en la cámara. En este
punto se mide la presión osmótica
?P
42
Medición de la presión osmótica
Membrana semipermeable
Agua azúcar
Agua
43
Medición de la presión osmótica
Agua azúcar
Agua
44
Medición de la presión osmótica
Agua azúcar
Agua
45
Medición de la presión osmótica
Patm
h
Agua azúcar
Estado estacionario (steady state) Entrada H20
salida H2O
Agua
46
En este momento las presiones a ambos lados están
igualadas, por lo tanto
pero
Es decir, la presión del agua a cada lado de la
membrana es la misma.
Puede calcularse la presión osmótica (cuando cesa
el flujo neto) de la solución como
47
Para soluciones donde la concentración de soluto
es baja, aplicaremos las leyes de gases ideales,
por ello la presión osmótica puede ser calculada
a partir de
De donde
Concentración de soluto
Peso molecular del soluto
Fórmula de Vant Hoff
48

• Conclusiones
• La presión osmótica es proporcional a la
  concentración del soluto a temperatura constante.
• La presión osmótica es proporcional a la
  temperatura del medio si la concentración de
  soluto no varía
• Para diferentes solutos, cuyas concentraciones y
  temperatura sean iguales, la presión osmótica es
  inversamente proporcional al peso molecular.

Ejemplos
La presión osmótica en vegetales es del orden de
5 20 atmósferas!!!!!! En la sangre, la presión
osmótica es de 7.6 7.9 atmósferas.
49
Solución de la Ecuación de Nernst - Plank
50
(No Transcript)
51
Retorno
P permeabilidad de la membrana