Software Physioex TM 6.0. Fisiología humana Autor: Pearson Educación

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1 Software Physioex TM 6.0. Fisiología humana Autor: Pearson Educación 1

2 Presentación del curso Physioex TM versión 6.0, es un simulador para fisiología humana, el programa contiene simulaciones de laboratorio de fisiología que pueden ser utilizadas para complementar o reemplazar las prácticas en el laboratorio. Physioex TM versión 6.0 para fisiología humana es una aplicación fácil de usar que permite repetir los ejercicios tantas veces como se desee, realizar experimentos sin dañar animales vivos y llevar a cabo experimentos que pueden ser difíciles de realizar en un laboratorio real. En este curso aprenderemos sobre los mecanismos de transporte y permeabilidad celular, entenderás la función de permeabilidad selectiva de la membrana plasmática. Aprenderás a entender las diferencias entre los mecanismos de transporte de la membrana con y sin gasto de energía metabólica y a definir transporte pasivo, transporte activo, difusión simple, difusión facilitada, diálisis, ósmosis, bomba de solutos, hipotónico, isotónico e hipertónico. Aprende con este curso de Pearson, fragmento del libro: "Physioex Tm 6.0 para fisiología humana", de los autores Timothy Stabler, Greta Peterson y Lori Smith. Puedes descubrir y adquirir libros de Pearson en: TM versión 6.0, es un simulador para fisiología humana, el programa contiene simulaciones de laboratorio de fisiología que pueden ser utilizadas para complementar o reemplazar las prácticas en el laboratorio. Physioex TM versión 6.0 para fisiología humana es una aplicación fácil de usar que permite repetir los ejercicios tantas veces como se desee, realizar experimentos sin dañar animales vivos y llevar a cabo experimentos que pueden ser difíciles de realizar en un laboratorio real. En este curso aprenderemos sobre los mecanismos de transporte y permeabilidad celular, entenderás la función de permeabilidad selectiva de la membrana plasmática. Aprenderás a entender las diferencias entre los mecanismos de transporte de la membrana con y sin gasto de energía metabólica y a definir transporte pasivo, transporte activo, difusión simple, difusión facilitada, diálisis, ósmosis, bomba de solutos, hipotónico, isotónico e hipertónico. Aprende con este curso de Pearson, fragmento del libro: "Physioex Tm 6.0 para fisiología humana", de los autores Timothy Stabler, Greta Peterson y Lori Smith. Puedes descubrir y adquirir libros de Pearson en: 2

3 1. Software Physioex TM 6.0. Fisiología humana Cada célula de tu organismo está rodeada por una membrana plasmática que la separa del líquido intersticial. La función principal de la membrana plasmática es permitir el intercambio selectivo de moléculas entre la célula y el líquido intersticial, de modo que la célula pueda tomar las sustancias que necesita mientras que elimina las que no necesita. Entre estas sustancias se incluyen gases, tales como oxígeno y dióxido de carbono, iones y moléculas más grandes tales como glucosa, aminoácidos, ácidos grasos y vitaminas. Las moléculas se mueven a través de la membrana plasmática pasiva o activamente. En el transporte activo, las moléculas se mueven a través de la membrana plasmática consumiendo energía celular (ATP). En el transporte pasivo, las moléculas pasan a través de la membrana plasmática sin gasto de energía. Los ejemplos del transporte pasivo son la difusión simple, la ósmosis y la difusión facilitada. La difusión simple es el movimiento espontáneo de moléculas a través de la bicapa lipídica de una membrana biológica desde un área con una concentración más alta hasta otra con una concentración más baja. La ósmosis es la difusión de agua a través de una membrana semipermeable. La difusión facilitada es el movimiento de moléculas a través de una membrana selectivamente permeable con la ayuda de proteínas especializadas de transporte incrustadas dentro de la membrana. En este ejercicio, simularemos cada uno de estos mecanismos de transporte celular. Comenzaremos examinando la difusión simple. Difusión simple Todas las moléculas, sean de sólidos, líquidos o gases, están en continuo movimiento o vibración. Si hay un aumento en la temperatura, las moléculas se moverán más rápidamente. Las moléculas que se mueven chocan entre sí, cambiando su dirección. Así, el movimiento de moléculas se dice que es «al azar». Si uno vertiera una gota de colorante líquido alimenticio en un recipiente grande de agua, las moléculas del colorante se moverían aleatoriamente hasta que su concentración fuera igual en todo el recipiente. Las moléculas alcanzarían el equilibrio a través del proceso de difusi difusión. Definimos la difusión como el movimiento de moléculas de un lugar a otro como resultado de su movimiento térmico al azar. La difusión simple es la difusión a través de la bicapa lipídica de una membrana biológica. La velocidad a la cual una molécula se mueve a través de una membrana depende en parte de la masa, o peso molecular, de la molécula. Cuanto más grande es la masa, más lentamente difundirá la molécula. Normalmente, la velocidad a la que una sustancia difunde a través de la membrana puede ser determinada midiendo la velocidad a la cual su concentración en un lado de la membrana se acerca a la concentración de la sustancia en el otro lado de la membrana. La magnitud del movimiento neto a través de la membrana, o flujo (F), es proporcional a la diferencia de concentración entre los dos lados de la membrana (Co - Ci), a su área superficial (A) y a su constante de permeabilidad (kp): 3

4 F = kpa(co - Ci) Nota:Este curso es un fragmento del libro: " Physioex Tm 6.0 para fisiología humana", de los autores Timothy Stabler, Greta Peterson y Lori Smith (ISBN: ). Puedes descubrir y adquirir libros de Pearson en: 4

5 2. Transporte y permeabilidad celular. Difusión simple Las sustancias no polares difundirán con bastante rapidez a través de una membrana. La razón es que estas sustancias se disolverán en las regiones no polares de la membrana-regiones que están ocupadas por cadenas de ácidos grasos de fosfolípidos de membrana. Los gases, tales como el oxígeno y el dióxido de carbono, los esteroides y los ácidos grasos son las principales moléculas no polares que difundirán rápidamente a través de una membrana. Por el contrario, las sustancias polares tienen una solubilidad mucho más baja en los fosfolípidos de membrana. Ciertos compuestos intermediarios del metabolismo, generalmente, no son capaces de atravesar la membrana, ya que a menudo están ionizados y contienen grupos tales como fosfato. Así, una vez producidos en la célula no pueden abandonarla incluso si sus concentraciones son más altas dentro que fuera de ella. De esto podemos concluir que la porción de la bicapa lipídica de la membrana plasmática es la responsable de su selectividad en cuanto al paso de sustancias a través de sí. Los iones, tales como Na+ y Cl-, tienden a difundir con bastante rapidez a través de una membrana. Esto sugiere la implicación de un componente proteico de la membrana -y, de hecho, las proteínas forman los canales que permiten que estos iones pasen de un lado de la membrana al otro. Recuerda que los canales son selectivos. Los que permiten pasar al sodio generalmente no permitirán el paso a otros iones, tales como el calcio. La difusión conducirá a un estado en el cual la concentración de los solutos que difunden es constante en el espacio y el tiempo. La difusión a través de una membrana tiende a un equilibrio donde hay concentraciones iguales de soluto en ambos lados de la membrana. La velocidad de difusión es proporcional al área de la membrana y a la diferencia en la concentración del soluto a ambos lados de la misma. La primera ley de Fick de la difusión indica J 0-DA donde J = velocidad neta de difusión (g o moles/unidad de tiempo) D = coeficiente de difusión para el soluto que difunde A = área de la membrana = diferencia de concentración a través de la membrana = grosor de la membrana Actividad 1 Simulando la difusión simple Sigue las instrucciones de la sección «Primeros pasos» al comienzo de este manual para iniciar PhysioEx 6.0. Del menú principal selecciona el primer ejercicio: Mecanismo 5

6 Mecanismos de Transporte y Permeabilidad Celular (Cell Transport Mechanisms and Permeability). Verás la pantalla de inicio de la actividad de «Difusión Simple» (Simple Diffusion), mostrada en la Figura 1.1. Figura 1.1 Pantalla de inicio del experimento de Difusión simple. 6

7 3. Simulación de difusión simple (1/2) En esta actividad simularemos el proceso de la difusión a través de la membrana plasmática. Observa los dos recipientes de cristal en la parte superior de la pantalla. Llenarás cada recipiente con líquido. Imagina que el recipiente de la derecha representa el interior de una célula, mientras que el de la izquierda representa el fluído extracelular (intersticial). Entre los dos recipientes hay un contenedor de membranas en el cual colocarás una de las cuatro membranas de diálisis que se tiene un «MWCO» diferente que significa «límite de peso molecular». Las moléculas con un peso molecular inferior a este valor pueden atravesar la membrana, mientras que las moléculas con un peso molecular superior no pueden. Para mover una membrana al contenedor, pulsa sobre ella, arrástrala al contenedor de membranas y suelta el botón del ratón -la membrana se colocará en su lugar entre los dos recipientes. Debajo de cada uno de los recipientes hay un dosificador de soluciones. Puedes seleccionar cuántos milimoles (mm) de los diferentes solutos (Na+/Cl-, urea, albúmina o glucosa) deseas dosificar en cada recipiente pulsando los botones (+) o (-) debajo del nombre de cada soluto. También puedes dosificar agua desionizada en cualquier recipiente pulsando el botón Agua Desionizada (Deionized Water) debajo del recipiente que desees llenar. Pulsando los botones de Dosificar (Dispense) debajo de cada recipiente se llenarán los recipientes con líquido. Pulsando los botones Limpiar (Flush) debajo de cada recipiente éstos se vaciarán. En la parte inferior de la pantalla hay un módulo de registro de datos. Después de cada experimento debes guardar tus datos pulsando el botón Guardar Datos (Record Data). Si deseas borrar los datos de cualquier experimento, simplemente resalta la línea de datos que deseas suprimir y pulsa Borrar Experimento (Delete Run). También puedes imprimir tus datos pulsando Herramientas (Tools) (en la parte superior de la pantalla) y después seleccionando Imprimir Datos (Print Data). 1. Con el ratón pulsa sobre la membrana de diálisis con el MWCO de 20 y arrástrala al contenedor de membranas. 2. Ajusta la concentración de Na+/Cl- del recipiente de la izquierda a 9 mm pulsando el botón (+). Pulsa entonces el botón de Dosificar (Dispense) debajo del recipiente de la izquierda para que se llene. 3. Pulsa el botón Agua Desionizada (Deionized Water) debajo del recipiente de la derecha y pulsa Dosificar (Dispense) debajo del mismo recipiente para que se llene. 4. Fija el Temporizador (Timer) a 60 minutos pulsando el botón (+) junto al indicador de tiempo (que estará comprimido en 60 segundos.) 5. Pulsa el botón Iniciar (Start) para comenzar el experimento. Observa que el contenedor de membranas desciende al interior del equipo. Observa también que el botón Iniciar (Start) cambia ahora a un botón de Pausa (Pause), que puedes pulsar para interrumpir el experimento. 6. Cuando el indicador de Tiempo Transcurrido (Elapsed Time) llega a 60, fíjate en las lecturas de concentración de cada uno de los recipientes en los indicadores 7

8 situados junto a cada uno de ellos. 7. Una vez que el indicador de Tiempo Transcurrido (Elapsed Time) ha llegado a 60, verás aparecer una caja de diálogo indicando si se ha alcanzado o no el equilibrio. 8. Pulsa Guardar Datos (Record Data) para guardar los datos de este experiemento. 9. Pulsa los botones Limpiar (Flush) de ambos lados, izquierdo y derecho, para vaciar los recipientes. 10. Devuelve la membrana de diálisis a su lugar inicial pulsando sobre ella y arrastrándola al contenedor de membranas. 11. Ahora, repite los pasos 1-10 con cada una de las restantes membranas de diálisis. Asegúrate de guardar los datos de cada uno de los experimentos. Después de cada experimento, limpia cada uno de los recipientes y devuelve la membrana de diálisis a su lugar. Cuál es el peso molecular del Na+? Cuál es el peso molecular del Cl-? Qué límite (MWCO) de membrana de diálisis permitió el paso de ambos iones? 12. Repite este experimento usando cada uno de los solutos restantes (urea, albúmina y glucosa) en el recipiente de la izquierda y agua desionizada en el recipiente de la derecha. Asegúrate de pulsar Guardar Datos (Record Data), limpiar ambos recipientes y sustituir la membrana de diálisis después de cada experimento. Pulsa Herramientas (Tools) >Imprimir Datos (Print Data) para imprimir tus datos. Capitulo 4 Simulación de difusión simple (2/2) 13. Completa la siguiente tabla con tus resultados. Tabla 1 Se produjo difusión? Membrana (MWCO) Soluto NaCl Urea Albúmina Glucosa Qué materiales difundieron del recipiente de la izquierda al recipiente de la derecha? Cuáles no difundieron? 8

9 Por qué? Ejercicio 1 9

10 4. Diálisis (1/2) Actividad 2 Simulando la diálisis Ahora, vamos simular un experimento en la máquina de diálisis. Estas máquinas se utilizan en los pacientes que han perdido la función renal. La urea, un producto de degradación de los aminoácidos, debe eliminarse de la sangre del paciente o llegará a ser tóxica para el organismo causando su muerte. Las máquinas de diálisis toman la sangre del paciente y la pasan a través de una membrana selectivamente permeable para eliminar la urea de la sangre. En un lado de la membrana está la sangre del paciente; en el otro están las soluciones seleccionados cuidadosamente para mimetizar las concentraciones de sustancias tales como Na+, K+, Ca++ y HCO3 - que se encuentran en el organismo. Para simular este proceso: 1. Coloca la membrana de diálisis de 200 MWCO en el contenedor de membranas. 2. Ajusta el recipiente de la izquierda a 10 mm para cada uno de los cuatro solutos y dosifica. Este recipiente representará la sangre del paciente sometido a diálisis. 3. Ajusta el recipiente de la derecha de la misma manera, con excepción de la urea que se ajusta a 0 mm -es decir, el recipiente de la derecha no contendrá urea. 4. Ajusta el Temporizador (Timer) a 60 minutos, después pulsa Iniciar (Start) y espera a que se complete el experimento. Qué sucede con la concentración de urea en el recipiente de la izquierda (el paciente)? Por qué ocurre esto? Normalmente, las máquinas de diálisis se ajustan de forma que la sangre se somete dos veces a difusión y la urea se reduce un 75% en vez del 50%. Además se extrae el exceso de agua delpaciente, que no tiene ninguna otra manera de eliminar el exceso de líquido. Los pacientes sometidos a diálisis necesitan hacerse pruebas analíticas para asegurarse de que las concentraciones de iones se mantienen en los niveles normales. Difusión facilitada La difusión simple solo considera para el transporte a través de la membrana algunos iones, pero no todos. Algunas moléculas, que son demasiado polares para difundir, pueden conseguir atravesar la bicapa lipídica de la membrana plasmática. Igualmente, algunas moléculas que son demasiado grandes para pasar a través de los canales proteicos consiguen cruzar la membrana. Cómo? El paso de tales moléculas y el movimiento sin difusión de iones a través de una membrana está 10

11 mediado por proteínas integrales conocidas como transportadores. Los transportadores están incrustados dentro de la membrana plasmática y experimentan un cambio conformacional que permite que se produzca el transporte. Primero, se une una molécula al sitio receptor de un transportador. Cuando está unida, el transportador cambia de conformación de modo que el sitio de unión se mueve de un lado de la membrana al otro. Entonces, la molécula se disocia del transportador y se libera en el otro lado de la membrana. Este tipo de transporte se denomina difusión facilitada. Se considera una forma de transporte pasivo porque no se consume energía celular en el proceso. El término difusión facilitada es un poco engañoso puesto que el proceso realmente no implica difusión (que, como recordarás, es el movimiento de moléculas de un lugar a otro siguiendo un gradiente de concentración, como resultado del movimiento térmico al azar). En la difusión facilitada las moléculas también se mueven de un lugar a otro siguiendo un gradiente de concentración, pero son las proteínas transportadoras las que dan lugar a este movimiento -no el movimiento térmico al azar. Los resultados finales de la difusión y de la difusión facilitada son los mismos. El flujo neto se produce de un área de alta concentración a otra de baja concentración hasta que estas se igualan a ambos lados de la membrana. Entre los sistemas de difusión facilitada más importantes del organismo están los que mueven la glucosa a través de la membrana. Sin los transportadores, esta molécula polar relativamente grande nunca podría pasar a la célula. Sin embargo, el número de proteínas de transporte en una membrana celular dada es finito, de forma que solo cierta cantidad de glucosa puede transportarse por unidad de tiempo. El transporte de glucosa dentro de la célula es especialmente interesante, ya que es convertida a glucosa-6-fosfato tan pronto como se incorpora a la célula, de modo que siempre hay una baja concentración de glucosa en su interior, lo que favorece el transporte hacia el interior celular. 11

12 5. Diálisis (2/2) Actividad 3 Difusión facilitada Usando el ratón, pulsa Experimento (Experiment) en la parte superior de la pantalla. Aparecerá un menú desplegable. Selecciona Difusión Facilitada (Facilited Diffusion). Aparecerá una nueva pantalla (Figura 1.2). Notarás dos cambios fundamentales respecto a la primera pantalla. Primero, en lugar de las membranas de diálisis a la derecha de la pantalla, ahora hay un «Constructor de Membranas» ( Membrane Builder). Será utilizado para «fabricar» membranas que transportarán las moléculas de un recipiente a otro. El segundo cambio es que, en este experimento, trabajaremos sólamente con glucosa, Na+ y Cl-. 1. Observa que el indicador de Transportadores de Glucosa (Glucose Carriers) en este momento está fijado a 500. Pulsa Construir Membrana (Build Membrane) para crear una membrana con 500 transportadores. 2. Pulsa y arrastra esta membrana al contenedor de membranas situado entre los dos recipientes. Figura 1.2 Pantalla de inicio del experimento de Difusión facilitada. 12

13 3. En el recipiente de la izquierda fija el Na+/Cl- a 9 mm y la glucosa a 9 mm pulsando los botones (+) correspondientes. Entonces pulsa Dosificar (Dispense) para llenar el recipiente de la izquierda. 4. En el recipiente de la derecha pulsa el botón Agua Desionizada (Deionized Water) debajo del mismo y después Dosificar (Dispense). 5. Fija el Temporizador (Timer) a 60 minutos y pulsa Iniciar (Start). 6. Deja que termine experimento. Cuando el indicador de Tiempo Transcurrido (Elapsed Time) llega a 60, pulsa Guardar Datos (Record Data) para guardar tus datos. Anota también tus datos en la Tabla Pulsa el botón Limpiar (Flush) debajo de cada recipiente para vaciarlos y devuelve la membrana al constructor de membranas. 8. Construye una nueva membrana con 300 transportadores de glucosa y repite este experimento. Asegúrate de guardar tus resultados, limpiar los recipientes y reemplazar la membrana después de cada experimento. 9. Construye una membrana con 700 transportadores de glucosa y repite este experimento. 10. Construye una membrana con 900 transportadores de glucosa y repite este experimento. 11. Para comparar, disminuye la concentración de glucosa a 3 mm y repite los pasos 1-10 del experimento. Guarda tus resultados después de cada experimento pulsando Guardar Datos (Record Data) y completa la Tabla 2. Tabla 2 Resultados de Difusión facilitada Concentración de glucosa (mm) Nº de proteínas transportadas de glucosa Pulsa Herramientas (Tools) >Imprimir Datos (Print Data) para imprimir tus datos. A una concentración dada de glucosa, cómo varía el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio en función del número de transportadores empleados «para construir» la membrana? Varía la velocidad de difusión del Na+/Cl- con el número de receptores? Cuál es el mecanismo de transporte del Na+/Cl-? 13

14 Si pones la misma cantidad de glucosa en el recipiente de la derecha y en el de la izquierda, se observaría difusión? El hecho de no observar difusión, significa necesariamente que no está ocurriendo la difusión? 14

15 6. Ósmosis (1/2) Una membrana semipermeable es una membrana que es permeable al agua pero no a los solutos. La ósmosis se define como el flujo de agua a través de una membrana semipermeable desde un área con una mayor concentración de agua (una concentración más baja de solutos) hasta otra con una menor concentración de agua (una concentración más alta de solutos). Cuanto mayor es la concentración de solutos, menor es la concentración de agua. La ósmosis se define también como una «propiedad coligativa» porque depende de la concentración del soluto más que de sus propiedades químicas. El agua es una pequeña molécula polar que difunde muy rápidamente a través de las membranas celulares. Debido a su naturaleza polar, es de esperar que el agua no penetre en las regiones lipídicas no polares de la membrana celular. Proteínas de membrana, denominadas acuaporinas, forman canales a través de los cuales puede difundir el agua. La concentración de estas acuaporinas varía con el tipo de tejido. Es esencial entender que el grado hasta el cual disminuye la concentración de agua por la adición de solutos depende del número de las partículas de soluto agregadas. Por ejemplo, 1 mol de glucosa disminuye la concentración de agua aproximadamente lo mismo que una solución de 1 mol de aminoácido 1 mol de urea. Una molécula que se ioniza disminuye la concentración de agua en proporción al número de iones que se forman. Por lo tanto, una solución de 1 mol de Na+/Clproduce una solución de Na+ de 1 mol más una solución de Cl- de 1 mol. Por tanto, básicamente es una solución de 2 moles. Dos recipientes separados por una membrana de diálisis (tales como con los que hemos estado trabajando) no son infinitamente distensibles. La transferencia de agua desde un compartimento a otro aumentará la cantidad de agua en el segundo. Si los límites del recipiente no pueden ampliarse, la presión dentro del segundo recipiente aumentará, impidiendo la entrada adicional de agua. La presión que necesita ser aplicada al segundo recipiente para impedir la entrada adicional de agua desde el primero se denomina presión osmótica. La presión osmótica es otra característica que depende de la concentración de agua de la solución. Si las soluciones en los recipientes tienen la misma concentración de solutos que no atraviesan de un lado a otro de la membrana, las dos soluciones se dice que son isotónicas (iso = iguales). Los solutos que «atraviesan» la membrana no contribuyen a la tonicidad de una solución ya que pasan de un lado a otro de la membrana sin problemas. Cuando se comparan dos soluciones y una tiene una concentración más baja de solutos, esa solución se dice que es hipotónica (hipo =menos). La otra solución, la que tiene la concentración más alta, se dice que es hiper hipertónica (hiper = más). Esto es importante al hablar de células. Si una célula es hipertónica con respecto a su medio circundante, el agua fluirá a su interior para diluir la solución hipertónica. A menudo entra tanta agua que la célula estalla. 15

16 7. Ósmosis (2/2) Actividad 4 Ósmosis Pulsa Experimento (Experiment) en la parte superior de la pantalla y selecciona Ósmosis. Aparecerá una nueva pantalla (Figura 1.3). Esta es similar a la que vimos para el experimento de Difusión Simple (Simple Diffusion). El principal cambio es que en la parte superior de cada recipiente hay un indicador de presión, que veremos durante el transcurso de los experimentos. 1. Arrastra una membrana de 20 MWCO y colócala entre los dos recipientes. 2. Fija la concentración de Na+/Cl- del recipiente de la izquierda a 9 mm y pulsa Dosificar (Dispense). 3. Llena el recipiente de la derecha con Agua Desionizada (Deionized Water) y pulsa Dosificar (Dispense). 4. Fija el Temporizador (Timer) a 60 minutos. 5. Pulsa Iniciar (Start) y deja que transcurra el experimento. Presta atención a los indicadores de «presión» (Pressure) en la parte superior de cada recipiente. 6. Una vez detenido el Tiempo Transcurrido (Elapsed Time) pulsa Guardar Datos (Record Data). Anota también los datos en la Tabla 3 7. Pulsa Limpiar (Flush) debajo de ambos recipientes para vaciarlos. 8. Devuelve la membrana a su lugar original. 9. Repite el experimento usando las tres membranas restantes. 16

17 Asegúrate de guardar todos tus datos y limpiar los recipientes entre cada experimento. Observaste cambios de presión durante este experimento? Si es así en qué recipiente(s) y con qué membranas? Por qué? Difundieron el Na+/Cl- desde el recipiente de la izquierda al de la derecha? Si es así, con qué membrana(s)? Por qué? 10. Repite el experimento usando primero albúmina 9 mm en el recipiente de la izquierda y después glucosa 9 mm. Pulsa Guardar Datos (Record Data) después de cada experimento; anota también tus datos en la Tabla Pulsa Herramientas (Tools) >Imprimir Datos (Print Data) para imprimir tus datos. Explica la relación entre la concentración de solutos y la presión osmótica. 17

18 La difusión permite que se genere presión osmótica? Se generaría presión si las concentraciones de solutos fueran iguales a ambos lados de la membrana? Por qué o por qué no? Se generaría presión si tuvieras glucosa 9 mm en un lado de la membrana de 200 MWCO y NaCl 9 mm en el otro lado? Si es así, qué solución generaría la presión? Se generaría presión si tuvieras albúmina 9 mm en un lado de la membrana de 200 MWCO y NaCl 9 mm en el otro lado? Si es así, qué solución generaría la presión? 18

19 8. Filtración A la vez que la difusión permite que las células tomen oxígeno y alimentos mientras eliminan el dióxido de carbono y los desechos metabólicos, también está ocurriendo otro proceso. Este proceso se produce principalmente en los capilares del organismo (tales como los renales) donde la presión del fluido sanguíneo denominada presión hidrostática fuerza a los materiales a atravesar la pared capilar. Tanto la sangre como el fluido intersticial contienen solutos disueltos. Generalmente, la presión osmótica del fluido intersticial no es tan grande como la presión hidrostática de la sangre, por lo que hay un movimiento neto de fluidos y/o solutos hacia fuera de los capilares un proceso denominado filtración. Lo que se filtra hacia fuera depende solamente del tamaño molecular del soluto y del tamaño de los «poros» de la membrana. La filtración se considera un proceso pasivo, puesto que ocurre sin gasto de energía metabólica. Actividad 5 Filtración Pulsa Experimento (Experiment) en la parte superior de la pantalla y selecciona Filtración (Filtration). Verás una pantalla de inicio bastante diferente a las de las actividades anteriores (Figura 1.4). Observa los dos recipientes situados en el lado izquierdo de la pantalla, uno encima del otro. Observa también que el recipiente superior contiene un indicador de presión. A diferencia del experimento de ósmosis, en el cual el indicador de presión medía la presión desarrollada debido al movimiento del agua, este indicador de presión mide la presión hidrostática que filtrará el líquido del recipiente superior al recipiente inferior. Finalmente, observa el módulo de «Análisis de Residuos de Membrana» ( Membrana Residue Análisis). Éste se utilizará para detectar si queda algún soluto en la membrana después de cada experimento. 1. Pulsa y arrastra la membrana de 20 MWCO al contenedor de membranas situado entre los dos recipientes. 2. Fija el Na+/Cl- a 9 mm, la urea (Urea) y la glucosa (Glucose) a 5 mm y el carbón vegetal en polvo (Powdered Charcoal) a 5 mg/ml pulsando el botón (+) junto a cada soluto. Entonces pulsa Dosificar (Dispense) para verterlo en el recipiente superior. 3. Deja la presión en 50 mm Hg y el Temporizador (Timer) en 60 minutos, los ajustes por defecto. Pulsa Iniciar (Start). Verás como el líquido es filtrado al recipiente inferior. 4. Mira el módulo Unidad de Análisis del Filtrado al lado del recipiente inferior para cualquier actividad. Ello te indicará qué solutos están pasando a través de la membrana. 5. Cuando hayan pasado los 60 minutos, arrastra la membrana al módulo de Análisis de Residuos de Membrana (Membrana Residue Analysis) y suelta el ratón. La membrana se colocará en su lugar. Pulsa Iniciar Análisis (Start Analysis). 19

20 En el módulo de datos inferior, verás qué soluto(s) fueron detectados en la membrana usada para la filtración. 6. Guarda tus datos pulsando Guardar Datos (Record Data). Cuáles fueron los resultados del análisis inicial de la membrana? 7. Pulsa Limpiar (Flush) y devuelve la membrana a su lugar original. 8. Arrastra la membrana de 50 MWCO al contenedor de membranas situado entre los dos recipientes. 9. Mantén la presión en 50 y repite el experimento. Cuando el Temporizador (Timer) haya alcanzado los 60 minutos, realiza un análisis de la membrana y pulsa Guardar Datos (Record Data). 10. Pulsa Limpiar (Flush) y devuelve la membrana a su lugar. 11. Repite los pasos 8-10 con las dos membranas restantes. Asegúrate de guardar tus datos para cada experimento. 12. Aumenta la presión a 100 mm Hg y repite el experimento completo. Una vez más, guarda todos los datos experimentales. 20

21 13. Pulsa Herramientas (Tools) >Imprimir Datos (Print Data) para imprimir tus datos. filtración (Filtration Rate)? Afecta la presión aplicada a la velocidad de filtración (Filtration Rate)? Pasaron todos los solutos a través de todas las membranas? Si no, cuál o cuáles no lo hicieron? Por qué? Cómo puede el organismo aumentar selectivamente la velocidad de filtración (Filtration Rate) de un órgano o sistema dado? 21

22 9. Mecanismos de transporte y permeabilidad celular. Transporte Activo (1/2) El transporte activo difiere del transporte pasivo en que se utiliza energía metabólica para mover solutos a través de la membrana. También se diferencia en que los solutos se mueven desde un área de menor concentración a otra de mayor concentración -al contrario de lo que ocurre en la difusión facilitada. Como en la difusión facilitada, se requiere la unión de una sustancia a un transportador. Puesto que la sustancia unida se está moviendo «cuesta arriba» hasta un área de mayor concentración, los transportadores se denominan, a menudo, bombas. El movimiento neto desde una concentración menor a otra mayor y el mantenimiento de una concentración elevada estable en un lado de la membrana solo puede alcanzarse mediante la aportación continua de energía al mecanismo de transporte activo. El aporte de energía puede alterar la afinidad del lugar de unión del transportador de modo que haya una afinidad más alta a un lado que al otro, o la energía puede alterar la velocidad a la que el transportador mueve el sitio de unión de un lado de la membrana al otro. Como en la difusión facilitada, el número de las moléculas transportadoras por la célula es finito. La energía para el transporte activo deriva del metabolismo celular. La inhibición del ATP bloquea el mecanismo de transporte activo. Para que los solutos se muevan desde un área de menor concentración a otra de mayor concentración, el transporte debe estar acoplado con el flujo de energía desde un nivel energético mayor hasta otro menor. Si el ATP se utiliza directamente en el transporte, el mecanismo de transporte se conoce como transporte activo primario. La energía se produce mediante la hidrólisis de ATP por un transportador que es un ATPasa que cataliza la rotura del ATP y su autofosforilación. Esta fosforilación del transportador alterará la afinidad del sitio de unión o bien la velocidad del cambio conformacional. Se han identificado cuatro proteínas de transporte activo primario. En todas las membranas plasmáticas hay una sodio-potasio ATPasa, responsable del flujo hacia el exterior de sodio y del flujo hacia el interior de potasio. El sodio es el principal ión encontrado en el fluido extracelular, mientras que el potasio es más abundante en el interior de las células. Otras proteínas de transporte están implicadas en el transporte de calcio, transporte de hidrógeno y en el transporte de hidrógeno-potasio. Actividad 6 Transporte activo Pulsa Experimento (Experiment) en la parte superior de la pantalla y selecciona Transporte Activo (Active Transport). Aparecerá una nueva pantalla que se asemeja a la pantalla de la difusión facilitada (Figura 1.5). El principal cambio es la adición de un dosificador de ATP encima de los recipientes. Recuerda que, puesto que el ATP es necesario para que el sistema funcione, debe ser agregado en cada experimento. 22

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24 10. Mecanismos de transporte y permeabilidad celular. Transporte Activo (2/2) 1. Asegúrate que en el Constructor de Membranas (Membrane Builder) el número de transportadores de glucosa está fijado en 500 y el número de bombas Na+/K+ también está fijado en Pulsa Construir Membrana (Build Membrane). 3. Arrastra la membrana «construida» al contenedor de membranas situado entre los dos recipientes. 4. En el recipiente de la izquierda, fija a 9 mm el Na+/Cl-pulsando el botón (+) y pulsa Dosificar (Dispense). 5. En el recipiente de la derecha, pulsa Agua Desionizada (Deionized Water) y después Dosificar (Dispense). 6. Fija el ATP a 1 mm y después pulsa Dosificar ATP (Dispense ATP). 7. Asegúrate de que el Temporizador (Timer) está fijado a 60 minutos y pulsa Iniciar (Start). Al final de este experimento, se movieron el Na+/Cl- desde el recipiente de la izquierda al recipiente de la derecha? Por qué? 8. Pulsa Limpiar (Flush) debajo de ambos recipientes. 9. Añade 9 mm de Na+/Cl- al recipiente de la izquierda y 9 mm de KCl al recipiente de la derecha. Pulsa Dosificar (Dispense). 10. Fija el ATP a 1 mm, pulsa Dosificar ATP (Dispense ATP) y después Iniciar (Start). 11. Al final del experimento pulsa Guardar Datos (Record Data). A medida que el experimento progresa, las concentraciones de los solutos cambiarán en las ventanas situadas al lado de los recipientes. La velocidad disminuirá notablemente, para pararse antes de completarse el experimento. Por qué? Ahora que has realizado el experimento básico, vamos a llevar a cabo dos variaciones. 12. Repite el experimento sin incrementar la cantidad de ATP añadida al sistema. Varía la cantidad de NaCl/KCl transportados? 13. Repite el experimento sin cambiar el número de transportadores y bombas cuando construyas la membrana. 24

25 La cantidad de solutos transportada a través de la membrana varía con el aumento de transportadores o de bombas? Algún soluto se ve más afectado que otro? La membrana que has «construido», permite la difusión simple? Si colocaras NaCl 9 mm en un lado de la membrana y 15 mm en el otro, habría movimiento del NaCl? Por qué? Produce alguna diferencia la cantidad de ATP agregada? 14. Pulsa Herramientas (Tools) >Imprimir Datos (Print Data) para imprimir tus datos guardados. Nota:Este curso es un fragmento del libro: " Physioex Tm 6.0 para fisiología humana", de los autores Timothy Stabler, Greta Peterson y Lori Smith (ISBN: ). Puedes descubrir y adquirir libros de Pearson en: 25