FISIOLOGIA I

1. FISIOLOGIA I TEMA NUMERO 3 Fuerzas físico-químicas que intervienen en los procesos de la difusión simple PROFESOR: Gregorio Tiskow, Ph.Sc. E-mail: gtiskow@ucla.edu.ve U.C.L.A. Barquisimeto, Venezuela

2. 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.

3. Difusión de una molécula

4. 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.

5. 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.

6. Movimiento difusivo • Luego de un número significativo de colisiones, la molécula se hallará a una distancia (S) del punto original de partida (punto 0).

7. 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.

8. 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.

9. ¿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…

10. ¿Cómo demostrar la difusión?

11. 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?

12. ¿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 bicapalipídica de la membrana plasmática.

13. Transporte de moléculas por difusión

14. Transporte de moléculas por difusión Región 1 C1 Región 2 C2 0 X=0 X=x

15. 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

16. 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

17. 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: Vdx 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

18. 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).

19. Transporte de moléculas por difusión Región 1 C1 Región 2 C2 0 X=0 X=x

20. 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) Vdx 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.

21. Transporte de moléculas por difusión Región 1 Región 2 0 Flujo Bi-Direccional Flujo Unidireccional

22. Transporte de moléculas por difusión • Se puede deducir ahora el FLUJO NETO (Jneto): El (Jneto) será la diferencia entre ambos flujos parciales: Vdx A X (C1 –C2) Jn = J1 – J2 = 2

23. 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.

24. 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.

25. 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

26. Coeficientes de difusión (Kd) • Coeficientes de difusión (Kd) de algunas sustancias y moléculas orgánicas SustanciaPeso molecularKd (x10-5) (cm2/seg) • Agua 18 2,1 • Urea 60 1,2 • Glucosa 180 0,6 • Insulina 12.000 0,15 • Mioglobina 17.500 0,11 • Hemoglobina 68.000 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)

27. Ley de Fick Jn = Kd. A (C1-C2) D

28. Difusión: representación gráfica

29. Difusión a través de membranas biológicas • Literalmente, las membranas biológicas son barreras que impiden la difusión libre. • Las membranas biológicas son de naturaleza semi-permeable. • 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

30. 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

31. 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

32. 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

33. Ventajas y desventajas de los procesos de difusión • Los procesos de difusión simple, son pocoeficientes 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.

34. 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.

35. 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.

36. Ventajas y desventajas de los procesos de difusión

37. 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.

38. 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 alveolo-capilar pulmonar el oxígeno se intercambia por difusión con la sangre y el aire que penetra. También difunde CO2.

39. 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.

40. 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.

41. 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.

42. FIN EL ARTE TERMINA EN EL MOMENTO EN QUE CESAMOS DE PREGUNTAR