Fundamentos de Biofísica: Membrana Celular y Transporte de Sustancias

Conceptos Fundamentales de Biofísica

Definiciones Clave

• Objetivo de estudio de la Biofísica

  Estudio de los sistemas biológicos a partir de los procesos físicos. Se relaciona estrechamente con las matemáticas, la química, la anatomía, entre otras disciplinas.

• ¿Qué estudia la Biofísica en los sistemas biológicos?

  Aspectos como la homeostasis, las reacciones enzimáticas y la termorregulación.

• Tipos de sistemas

  Se clasifican en: aislados, cerrados y abiertos.

• Áreas de estudio de la Biofísica

  Incluyen la biomecánica, la biogenética y la bioelectricidad.

• ¿Por qué se forma la bicapa lipídica?

  Se forma debido a las características químicas de la molécula de fosfolípido, la cual es anfipática (posee una región hidrofóbica y otra hidrofílica).

Transporte a Través de Membranas

• ¿Qué es difusión?

  Es el paso de moléculas o sustancias a favor de un gradiente de concentración, moviéndose de una zona de mayor a una de menor concentración.

• ¿Qué es ósmosis?

  Es el proceso de difusión del agua a través de una membrana semipermeable, donde el movimiento del agua ocurre de una zona de menor concentración de soluto a una de mayor concentración de soluto.

• Tonicidad de las soluciones

  • Isotónico: Solución en equilibrio con otra, sin flujo neto de agua.
  • Hipotónico: Solución con menor concentración de soluto en comparación con otra solución (ej. el interior de una célula).
  • Hipertónico: Solución con mayor concentración de soluto en comparación con otra solución (ej. el interior de una célula).

• Permeabilidad de una membrana

  Para un ion determinado, es una propiedad intrínseca de la membrana y constituye una medida de la facilidad con la cual el ion pasa a través de ella.

• Difusión simple

  Es el movimiento de sustancias a favor de un gradiente de concentración, desde una zona de mayor a una de menor concentración, y no requiere de energía.

• Difusión facilitada

  Es el paso de moléculas que requiere la ayuda de una proteína transportadora (carrier) o una proteína integral de membrana.

• ¿Cuáles moléculas pasan por la membrana plasmática?

  Principalmente: moléculas pequeñas (no polares) y moléculas liposolubles (como el alcohol). Algunas moléculas polares pequeñas (como el agua) pueden pasar en menor medida por difusión simple o a través de canales específicos (acuaporinas).

Difusión y Ley de Fick

La Ley de Fick describe el flujo de difusión (J) de una sustancia a través de una membrana.

• J: Flujo de difusión (cantidad de sustancia por unidad de área y tiempo).
• ΔC: Diferencia de concentración (mol/cm³).
• ΔX: Espesor de la membrana (cm).
• D: Coeficiente de difusión (cm²/s).

Fórmula de Permeabilidad para Sistemas Biológicos

Para sistemas biológicos, la permeabilidad (P) se relaciona con el coeficiente de difusión y el espesor de la membrana:

P = D / ΔX

Factores que Afectan el Coeficiente de Difusión (D)

El coeficiente de difusión (D) depende de tres factores principales:

1. La temperatura.
2. El tipo de sustancia que se difunde.
3. La solución de difusión (ej. viscosidad del medio).

Relaciones del Flujo de Difusión

• El flujo de difusión es directamente proporcional al coeficiente de difusión (D).
• El flujo de difusión es directamente proporcional a la diferencia de concentración (ΔC).
• El flujo de difusión es inversamente proporcional al espesor de la membrana (ΔX): al aumentar el espesor, el flujo disminuye.

Impacto de la Temperatura en el Flujo de Difusión

• Al aumentar la temperatura, aumenta el coeficiente de difusión (D) y, por ende, el flujo de difusión.
• El flujo de difusión es directamente proporcional a la permeabilidad (P).

Ósmosis y Presión Osmótica

Definiciones

• Ósmosis

  Es el movimiento del agua (o cualquier disolvente) a través de una membrana semipermeable, desde una zona de menor concentración de soluto a una de mayor concentración de soluto.

• Presión Osmótica (π)

  Es la presión que debe aplicarse a una solución para detener el flujo neto de agua a través de una membrana semipermeable, impidiendo la ósmosis.

Fórmulas Clave

La presión osmótica (π) se puede calcular con la siguiente fórmula:

π = mRT

• π (Pi): Presión osmótica.
• m: Molaridad (o más precisamente, osmolaridad en este contexto).
• R: Constante de los gases ideales (0.082 L·atm / mol·K).
• T: Temperatura (en Kelvin).