6. Trasnporte a traves de membranma

6. TRANSPORTE A TRAVEZ DE MEMBRANA
6.1 Concepto de permeabilidad y potencial de membrana
Una membrana semipermeable, también llamada membrana selectivamente permeable, o membrana permeable diferenciable, es una membrana que permitirá que ciertas moléculas o iones pasen a través de ella por difusión, y ocasionalmente especializada en "difusión facilitada". El índice del paso depende de la presión, la concentración y la temperatura de las moléculas o de los solutos en cualquier lado, así como la permeabilidad de la membrana para cada soluto. Dependiendo de la membrana y del soluto, la permeabilidad puede depender del tamaño del soluto, de características de la solubilidad, o de la química. Un ejemplo de una membrana semipermeable es una bicapa lipídica, que rodea todas las células biológicas. Muchos materiales naturales y sintéticos más gruesos que una membrana también son semipermeables. Un ejemplo de esto es la fina película en el interior de un huevo. Otro ejemplo de una membrana semipermeable es el tubo de diálisis. Una membrana semipermeable permite el paso preferencial de ciertas sustancias presentes en una disolución frente a otras. Para que el paso de sustancias a través de la membrana se produzca, es necesario la existencia de una fuerza impulsora entre ambos lados de la membrana, la cual puede ser: diferencia de presión, diferencia de concentración, potencial eléctrico, etc. Una vez establecido el flujo, el diferente grado de paso de unas sustancias respecto de otras se produce por criterios físicos (tales como el tamaño del poro) o químicos (como la solubilidad y difusión en la membrana, etc.).
Veamos ahora el fenómeno de ósmosis directa. Para ello, supongamos dos compartimentos separados por una membrana semipermeable (p.e. de acetato de celulosa), de manera que uno contiene agua (compartimento A) y otro una disolución salina concentrada (compartimento B). En esta situación existe un mayor potencial químico del agua presente en A, lo que se manifiesta como una tendencia de difusión hacia B, diluyendo en consecuencia esta disolución. Los iones presentes en la disolución salina no atraviesan la membrana significativamente, por que no tienen afinidad química hacia el material polimérico que la constituye. Por el contrario, las moléculas de agua pueden formar puentes de hidrógeno con el polímero de la membrana y atravesarla. En consecuencia se origina un flujo de agua desde A hacia B, descendiendo el nivel de A y aumentando el de B. El equilibrio se alcanzará cuando la presión estática que origina la diferencia de nivel contrarresta la diferencia de potencial químico correspondiente a las concentraciones existentes. En este momento, la diferencia de alturas será representativa de la diferencia de presión osmótica de ambas disoluciones. Si se aplica ahora una presión al compartimento B mayor que la presión osmótica, se obtendrá un flujo de agua de B hacia A prácticamente desprovisto de iones ya que éstos no atraviesan la membrana fácilmente. Este fenómeno, conocido como ósmosis inversa, es la base para la obtención de agua en muchas plantas desaladoras.
Los potenciales de membrana son cambios rápidos de polaridad a ambos lados de la membrana que separa dos disoluciones de diferente concentración, como la membrana celular que separa el interior y el exterior de una célula. Duran menos de 1 milisegundo. Cuando se habla de potenciales de membrana, se debería de hablar del "potencial de difusión" o "potencial de unión líquida". Dicha diferencia de potencial esta generada por una diferencia de concentración iónica a ambos lados de la membrana celular. Los potenciales de membrana son la base de la propagación del impulso nervioso.
Al estudiar los potenciales de membrana desde un punto de vista teórico, debemos conocer: El potencial de Nernst que está definido como el nivel de potencial de difusión a través de una membrana que se opone directamente a la difusión neta de un ion en particular a través de la misma. Dicho potencial está en el interior de la membrana y se asume que el líquido extracelular se mantiene a un potencial eléctrico de cero voltios si la temperatura corporal es la adecuada (aproximadamente 37 °C).

Ecuación de Nernst:
FEM (minivolts) = +61 log(Ci/Cf)

La ecuación de Nernst calcula el potencial de Nernst en el hipotético caso que la membrana solo sea permeable a un ion univalente.
Dicho potencial viene determinado por el cociente de las concentraciones de un ion específico a ambos lados de la membrana. Como se sabe, los niveles de concentración iónica (Na, K, Cl) son diferentes dentro y fuera de la membrana y por tanto, puede haber mayor concentración de un ion en un lado de dicha membrana.
Ejemplo: Veamos el caso del ión sodio, Na+, que es más abundante en el líquido extracelular. Si se incrementa la concentración de dicho ion, mayor será la tendencia a difundir dentro de la célula, entonces, mayor será el potencial de Nernst necesario para impedir la difusión neta adicional. Siendo así directamente proporcional a la concentración de dicho ion.
Ecuación de Goldman (aplicable a membranas permeables a múltiples iones)
Como se vio anteriormente, la ecuación de Nerst solo calcula el potencial de difusión para un ion en particular, es decir: sólo existe un tipo de iones (por ejemplo: Na+). Se sabe que tanto en los medios intra y extra celular existen múltiples iones tales como: Na+, K+, Cl-, Mg2+, entre otros, por lo tanto es necesario disponer de una fórmula que calcule dicho potencial para todos los iones presentes en el líquido extracelular. Se sabe que la membrana celular es permeable a múltiples iones diferentes, por lo tanto al momento en que dichos iones difunden se genera un potencial de membrana que depende de tres factores:

• La polaridad de la carga de cada uno de los iones a difundir.
• La permeabilidad de la membrana a cada uno de los iones.
• Las concentraciones de los mismos tanto en el exterior como en el interior de la membrana.

La Ecuación de Goldman (también llamada de Goldman - Hodgkin - Katz) calcula el Potencial de la membrana en el interior de la célula cuando participan dos iones positivos univalentes (K+ y Na+) y un ion negativo también univalente (Cl-).

FEM (minivolts) = +61 log(CNae +PNa+CKe+PK+CCli+PCl/ CNai +PNa+CK+PK+CCle+PCl )

Donde : C = Concentración del ion y P = Permeabilidad de la membrana al ion

Aclaraciones: Los iones sodio, potasio y cloruro son los iones más importantes que participan en la generación del potencial de membrana en las fibras nerviosas y musculares. El gradiente de concentración de cada uno de los iones a través de la membrana ayuda a determinar el voltaje del potencial de membrana. La permeabilidad de la membrana a cada uno de los iones determina el grado de cada uno de ellos, es decir, si la membrana por algún motivo solo es permeable por ejemplo al sodio el potencial de membrana será igual al Potencial de Nerst para el sodio.
Un gradiente de concentración positivo en el interior de la membrana causa electronegatividad en el interior de la misma; esto explica que si hay por ejemplo una mayor concentración de iones sodio en el interior de la membrana, habrá por lo tanto mayor difusión del mismo, desde el interior hasta el exterior de la membrana, generando un déficit de cargas positivas en el interior de la membrana, lo cual dotará a dicho medio, de carga negativa.
Los cambios rápidos de concentración de los iones sodio y potasio son los principales responsables de la transmisión nerviosa. El potencial de membrana no es el mismo en todas las células, dependiendo del origen de las mismas. Existen células que tienen -50 mV y otras, como por ejemplo las musculares, que oscilan entre -50 y 60 mV. En el organismo existen dos espacios: el extracelular y el intracelular. En el extracelular o líquido intersticial, el anión más abundante es el ión cloruro. En el medio intracelular o citoplasma, los aniones más abundantes son las proteínas, que en las condiciones del pH celular interno, están ionizadas negativamente por liberación de iones hidrógeno, H+. El catión más abundante en el líquido intersticial es el ión sodio, y en el citoplasma es el ión potasio. El desequilibrio iónico que produce la polarización de la membrana es debido a la distinta permeabilidad que presenta a cada uno de estos iones. El ion de potasio atraviesa la membrana libremente; la permeabilidad para el sodio es menor, y además es expulsado por medio de un transporte activo llamado bomba de sodio-potasio. Las proteínas, debido a su tamaño, no pueden atravesar libremente la membrana. Toda esta dinámica establece una diferencia de potencial en condiciones de reposo, de unos -90 mV.

6.2 Sistema de transporte

Difusión simple: Dos distintas de un solutodediferente concentracion separados por una membrana : con el paso del tiempo, el soluto difundirá hasta alcanzar el equilibrio a ambos lados.Como se mencionó anteriormente, la difusión pasiva es un fenómeno espontáneo puesto que suceden incrementando la entropía del sistema, y disminuyendo la energía libre. No requiere de la intervención de proteínas de membrana, pero sí de las características de la sustancia a transportar y de la naturaleza de la bicapa. Para el caso de una membrana fosfolipídica pura, la velocidad de difusión de una sustancia depende de su, gradiente de concentración, hidrofobicidad, tamaño y carga, de la molécula. Estos factores afectan de diversa manera a la velocidad de difusión pasiva:

 A mayor gradiente de concentración, mayor velocidad de difusión,
 A mayor hidrofobicidad, esto es, mayor coeficiente de partición, mayor solubilidad en lípido y por tanto mayor velocidad de difusión,
 A mayor tamaño, menor velocidad de difusión,

La difusión simple a través de la membrana lipídica muestra una cinética de no saturación, esto es, que, puesto que la tasa neta de entrada está determinada sólo por la diferencia en el número de moléculas a cada lado de la membrana, la entrada aumenta en proporción a la concentración de soluto en el fluido extracelular. Esta característica distingue la difusión simple de los mecanismos de penetración por canales de transporte mediado.

Difusión facilitada: La difusión facilitada involucra el uso de un proteína para facilitar el movimiento de moléculas a través de la membrana. En algunos casos, las moléculas pasan a través de canales. En otros casos, la proteína cambia su forma, permitiendo que las moléculas pasen a través de ella. El caso de la difusión simple, es decir, que el soluto a transportar lo hace a favor de gradiente, la difusión facilitada opera de modo similar, pero está facilitada por la existencia de proteínas canal, que son las que facilitan el transporte de, agua o algunos iones y moléculas hidrófilas. Estas proteínas integrales de membrana conforman estructuras en forma de poro inmersas en la bicapa, que dejan un canal interno hidrofílico que permite el paso de moléculas altamente lipófobicas. La apertura de este canal interno puede ser constitutiva, es decir, continua y desregulada, en los canales no regulados, o bien puede requerir una señal que medie su apertura o cierre: es el caso de los canales regulados.

Transporte activo y cotransporte: En él se efectúa un transporte en contra del gradiente de concentración o electroquímico y, para ello, las proteínas transportadoras implicadas consumen energía (comúnmenteATP): por ejemplo, los cotransportadores emplean gradientes de determinados solutos para impulsar el transporte de un determinado compuesto en contra de su gradiente. Donde interviene un gasto energético en el establecimiento del gradiente de la sustancia transportada colateralmente al compuesto objetivo ha requerido de la hidrólisis de ATP en su generación mediante unos determinados tipos de proteínas denominados bombas. Por ello se llama transporte activo, como aquél proteina que hidroliza ATP de forma directa para transportar el ion, y transporte activo secundario como aquél proteínas integrales (generalmente glicoproteínas) que actúan como poros por los que determinadas sustancias pueden entrar o salir de la célula que utiliza la energía almacenada en un gradiente electroquímico.

A) Canales:sonproteinas tranmembranales (glicoproteinas) que permiten laentrada o salida de determinadas sustancias a traves de lamembrana celular, existen dos tipos de canales:

Cananles voltaje-dependientes: son proteinas que permiten el paso de un ion cargado ejemplo el canal Na

Cananles ligado-dependientes (Inotropicos): son proteina que se ligan a unasustancia para anular o permitir el paso de uin ion

b) Acarreadores: son proteìnas que cambian de comformacion para dàr paso a determinadas sustancias a travez de la membrana.

6.3 cuantificacion de transporte

El descubrimiento de la existencia de este tipo de transportadores se produjo al estudiar cinéticamente la transferencia de moléculas a través de las membranas: para algunos solutos, se observó que la velocidad de entrada alcanza una meseta a partir de cierta concentración externa a partir de la cual no se produce un incremento significativo de velocidad de captación, esto es, surge una respuesta tipo curva logística. Se interpretó que el transporte aquí se produce por la formación de un complejo sustrato-transportador, conceptualmente idéntico al complejo enzima-sustrato de la cinética enzimática. Por ello, cada proteína transportadora posee una constante de afinidad por el soluto que es igual a la concentración del soluto cuando la velocidad de transporte es la mitad de su valor máximo (equivaldría, para el caso de un enzima, a la constante de (Michaelis-Menten)