ELECTROLITOS :DISOCIACIÓN Y TRANSPORTE

ELECTROLITOS :DISOCIACIÓN Y TRANSPORTE

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El agua constituye mas del 50% del peso corporal humano y es el elemento fundamental en el transporte de nutrientes, en la eliminación de sustancias de desecho, en la regulación del volumen celular y en el control de la temperatura corporal. Los electrolitos, que se describen en esta clase, son sustancias que al disolverse en agua se separan en diferentes partes con carga eléctrica: los iones. Son elementos fundamentales en la actividad enzimática, en la contracción muscular, en la actividad neuronal, en el control tubular renal. Estos iones se describen en fisiología como elementos simples, pero en el organismo se encuentran unidos a diferente número de moléculas de agua.

Los electrolitos encuentran un impedimento a su movimiento por los diferentes espacios líquidos : la membrana celular. La atraviesan por fenómenos pasivos, sin aporte de energía, como la difusión y por diferentes tipos de transportes activos, que sí demandan un gasto energético.Los espacios líquidos corporales tienen diferente composición electrolítica.

clicLa disociación de las moléculas al disolverse en agua se rige por leyes fisicoquímicas que deben recordarse y permite hacer cálculos necesarios para preparar soluciones con cantidades conocidas de electrolitos como sodio (Na+ ), potasio ( K+ ), cloruro ( Cl - ). El hidrogenión ( H+ ) es un electrolito que se estudia por separado dada su importancia en la regulación del equilibrio ácido-base.

clic

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OBJETIVOS

ELECTROLITOSELECTROLITOSELECTROLITOSELECTROLITOS

CONSTANTE DE DISOCIACIONCONSTANTE DE DISOCIACIONCONSTANTE DE DISOCIACIONCONSTANTE DE DISOCIACION

DISOCIACION DEL AGUADISOCIACION DEL AGUADISOCIACION DEL AGUADISOCIACION DEL AGUA

pH pH

TRANSPORTE ACTIVOTRANSPORTE ACTIVO

DIFUSIÓNDIFUSIÓN

pH pH

TRANSPORTE ACTIVOTRANSPORTE ACTIVO

DIFUSIÓNDIFUSIÓN

MenúgeneralMenú

general

Na+

Cl-

El movimiento de los iones en las propias soluciones y a través de la membrana celular, no siempre depende de su peso atómico o de su propio diámetro como partícula.

Algunos iones a pesar de tener un peso atómico relativamente grande atraviesan una membrana mas fácilmente que otro de menor peso molecular.

El diferente grado de hidratación se ha usado como explicación de un fenómeno que pareciera paradójico,y debe necesariamente considerarse a los iones junto a las moléculas de agua asociadas.

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EELLEECCTTRROOLLIITTOOSS

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Los electrolitos son producidos por moléculas que al disolverse en agua se separan en partes con carga eléctrica, llamados iones

La molécula de agua tiene una distribución desigual de sus.. cargas, lo que se describe como condición polar y es un elemento de atracción de iones pequeños.

Na+

Cl-

Aunque deben describirse como

NaH20+ H30+ ClH2O-

en fisiología su uso habitual es sin la molécula de H20.

La difusión es un fenómeno producido por la energía propia o interna de las soluciones.

La efectividad de su movimiento se reduce al recorrido en distancias muy pequeñas, en función del gradiente de concentración.

Es una estructura compleja con los iones y esta interacción determina además la actividad de los iones en la solución, haciendo que su valor sea diferente a la concentración que puede calcularse teóricamente.

También se ha encontrado que el agua puede tener diferentes estructuras dentro de la célula, así como tiene asociaciones especiales en estado sólido

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Na+ H+ Cl-

.

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.

Cl- Cl-

+H +H

Na+ Na

+

K+ K+

El tamaño que tienen los diferentes iones hidratados es uno de los factores que determina su paso a través de membranas biológicas : este paso depende de su diferente permeabilidad o de su capacidad para atravesar los poros existentes.

El movimiento pasivo de partículas denominado difusión, está determinado en gran medida por su tamaño, que no coincide con su peso atómico (PA), como se ve mas adelante

La membrana celular o epitelial tiene poros de muy diferente diámetro pero para este análisis comparativo se supone un tamaño de 800 picometros.(pm)

El diámetro de los iones hidratados es:

386 pm para el cloruro (PA 35.5)

150 pm para el hidrogeno (PA 1)

512 pm para el sodio (PA 23)

396 pm para el potasio (PA 39.1)

Las flechas indican la permeabilidad de los iones, sin tener en cuenta procesos activos existentes...................... en

las membranas 3 de 3

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Para proceder a un manejo cuantitativo de las..................... soluciones es necesario abordar conceptos fisicoquímicos generales.

LEY DE ACCION DE MASASGuldberg y Waage describieron una característica fundamental de las soluciones, que establece que el cociente entre el producto de la concentración de las sustancias reactantes y el producto de la concentración de las nuevas sustancias producidas durante la reacción química define un valor llamada constante de equilibrio.

CCOONNSSTTAANNTTEE

HA A- + H+ K * [HA] = [A - ] * [H + ]

ddee

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Para el caso específico de las sustancias en solución que se dividen en partes con carga eléctrica hay un factor de proporcionalidad llamado constante de disociación:

A + B C + D K = ( A * B) / (C * D )

K = [A-] * [H+ ] / [HA]

Cada sustancia tiene un valor que se mide experimentalmente que depende del soluto y la temperatura.

La solución debe ser extremadamente diluida para ....................... que todas las moléculas estén separadas y es lo que..... .. . generalmente se supone en fisiología.

LEY DE ELECTRONEUTRALIDAD

La disolución de una molécula sin carga ( HA ) conduce a la formación de igual número de aniones ( A- ) y de cationes ( H+ ), en estricto cumplimiento del principio de electroneutralidad.

Puede presentarse el caso concreto del agua

La disociación de una molécula de agua conduce a igual concentración de oxhidrilos ( OH - ) y de hidrogeniones ( H+ ). Ello determina la neutralidad de cargas .

ddee

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CCOONNSSTTAANNTTEE

H2O OH- + H+

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HA A- + H+

ddee

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CCOONNSSTTAANNTTEE

K * [HA] = [A - ]* [H + ]

Utilizando la ecuación presentada antes se pueden realizar cálculos que permiten conocer las cantidades existentes de las sustancias consideradas.

Si la constante vale 1 y la concentración de AH es de 3 unidades arbitrarias el producto de los iones formados es de 3 y la concentración de cada ión de aproximadamente 1.75.

1 * 3 = 3 = 1.75 * 1.75

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0.5 * 3 = 1.5 = 1.22* 1.22

Es evidente que la descripción cualitativa de la disociación que se había desarrollado antes debe ser completada.

Debe hacerse notar que la constante de disociación es un valor empírico medido experimentalmente y que depende de las características del solvente y la temperatura a que está sometido el sistema.

Si la constante de disociación tiene un valor bajo de 0.5, el producto de los iones formado es la mitad ( 1.5 ); la concentración de cada ión es menor ( 1.22 ) pero no la mitad.

ddee

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CCOONNSSTTAANNTTEE

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De acuerdo a lo desarrollado anteriormente , para el caso del agua se puede escribir:

K * [ H2O ]= [ H+ ] * [ OH-]

Hay una constante de disociación aparente del agua ( Kw ) que es igual a K * [H2O]; la concentración de agua, por su baja disociación es un valor considerado constante de 55 M / l. A 25 grados centígrados esta constante de disociación aparente del agua vale 10-14 M / l o 0.00000000000001 M / l.

Kw = 10-14 M / l = [ H+ ]* [ OH- ]

Como cada molécula de agua al disociarse produce un hidrogenión y un oxidrilo, se puede escribir la siguiente ecuación:

10 -14 M / l = [ H+ ] * [ H+ ] = [ H+] 2

Al hallar la raíz cuadrada se conoce la concentración de hidrogeniones. 10 -7 M / l = [ H+]

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AAGGUUAA

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Es un concepto muy importante, porque una concentración igual de los hidrogeniones y de los oxhidrilos se define como la neutralidad química. Esta condición está definida por una constante de disociación aparente del agua ( Kw = KH20 *[H20] ) que vale de 10 -14 a 25 grados centígrados.

De los 55 M/l de H20 solo 10-7 M / l, es decir 0.0000001 M / l están disociados.

Se explicó anteriormente que en la disociación del agua al cumplirse con la ley de electroneutralidad, se producían igual cantidad de oxhidrilos y de hidrogeniones, lo que conducía a la neutralidad eléctrica.

Hay otro concepto que es el de la neutralidad química.

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Al estudiar la acidez y la alcalinidad de las soluciones surge la necesidad de crear unidades nuevas. Al medir la concentración de hidrogeniones con electrodos de vidrio Sorensen define el pH como el logaritmo de la inversa de la concentración de hidogeniones

log 1/ [ H+ ] = pH

Los valores de pH van desde 0 a 14 ( Kw=10 –1 4), con un punto central de 7 donde es igual la concentración de hidrogeniones y de oxhidrilos.Es el punto de neutralidad química.

log 1 / 10 -7 = log 10 +7 = 7

Los valores de pH por encima de 7 hasta 14 indican concentraciones menores de hidrogeniones que de oxhidrilos y se trata de soluciones alcalinas.

Los valores de pH por debajo de 7 hasta 0 indican concentraciones mayores de hidrogeniones que de oxhidrilos y se trata de soluciones ácidas.

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El uso de valores calculados por logaritmo ha creado algunas dificultades en su uso práctico, a pesar de la gran ventaja que tiene poder utilizar números enteros de pH para cuantificar la acidez o alcalinidad de las soluciones.

Muchos fisiólogos prefieren utilizar la concentración de hidrogeniones que dentro del rango fisiológico va desde 10 a 100 nanoMoles. Son unidades de concentración comparables a los otros electrolitos.

pH unidadpH unidad7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.67.0 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

(H(H + +)) nMolnMol100 80 63 50 40 32 25 100 80 63 50 40 32 25

Si bien la neutralidad química se produce a pH 7, la neutralidad ácidobase fisiológica en plasma se produce a pH 7.4, lo que a veces se llama neutralidad de los líquidos corporales.

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Esto no impide reconocer la presencia de espacios corporales con distinto pH en condiciones normales, a raíz de los procesos activos en la membrana celular,

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Como el valor obtenido por medición en el laboratorio es el potencial de hidrogeniones ( pH ) su uso es muy difundido,

La conversión de unidades era anteriormente muy complicada por el uso de logaritmos, pero actualmente con las computadores y su acceso a diferentes cálculos no hay dificultades mayores.

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K+K+

Na+Na+ En la membrana celular de los

organismos vivos hay un movimiento pasivo de iones, en función de su concentración y su permeabilidad, que se ha descrito anteriormente.La aplicación de las leyes físicas y químicas conduce a una homogeneización de los sistemas cuando alcanzan la condición de equilibrio.

La heterogeneidad existente en los seres vivos se debe fundamentalmente a transportes activos; la ATPasa Na +- K +, llamada "bomba sodio-potasio” es el ejemplo................................. mas conocido y difundido, que se utiliza ........................................... en docencia para entender .......................................... ............. después sistemas mas complejos.

TRANSPORTE

ACTIVO

TRANSPORTE

ACTIVO

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Es un transporte que se produce con un gasto energético por lo que no se corresponde a las leyes fisicoquímicas antes descritas y no favorece los principios de homogeneización de los sistemas o de las soluciones.

y a una entrada de potasio extracelular, que no es una difusión pasiva.

La “bomba sodio-potasio” conduce a una salida de sodio intracelular

K+

TRANSPORTE

ACTIVO

TRANSPORTE

ACTIVO

Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+

K+K+K+K+K+K+K+

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Existen numerosas formas de transporte de estos iones y también asociación con otros iones ( calcio, cloruro, bicarbonato) y sustancias (glucosa)

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Ver la clase CELULA

Las variaciones de concentración o los conceptos de electroneutralidad se refieren habitualmente a Equivalentes químicos (del orden de 6.06 * 1023 moléculas o iones). Los movimientos que se producen en la membrana celular, se refieren a números mínimos de iones o moléculas.

La salida activa del ión sodio, produce bajas concentraciones intracelulares de este ión, del orden de 10 mEq / l.

El ingreso activo del ión potasio, produce altas concentraciones intracelulares del orden de 150 mEq/ l.

K+K+

Na+Na+

150150

TRANSPORTE

ACTIVO

TRANSPORTE

ACTIVO

1201201001008080404020201010

1401401201201001008080606040401010150150

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K+K+

1010

150150 El movimiento a nivel de membrana a veces corresponde a unos pocas iones; puede crear confusión con el concepto de electroneutralidad.Esa modificación también corresponde a una pequeñísima porción del volumen celular.

Esta diferencia de composición entre los líquidos intra y extracelulares produce el movimiento de unos pocos iones, que constituyen cantidades suficientes para mantener los eventos eléctricos de las células nerviosas, del músculo liso, esquelético y cardíaco.

Na+Na+

TRANSPORTE

ACTIVO

TRANSPORTE

ACTIVO

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MenúMenúVea La clase ELECTROLITOS: DISTRIBUCION

Hay numerosos fenómenos asociados, entre los que se halla la difusión de iones a través de la membrana.

Depende de

la permeabilidad de cada ión

el gradiente de concentración que generan los transportes

activos de las membranas

celulares . La concentración extra e intracelular es en el ser humano

para el sodio de 140 y 10 mEq / l

K+K+

Na+Na+

1010 140140

150150 55

para el potasio de 5 y 150 mEq / l.

DIFUSION

IONICA

DIFUSION

IONICA

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Esta diferencia de potencial sigue creciendo hasta que las cargas negativas atraen a los iones potasio intracelulares e impiden que continúe su difusión hacia el espacio extracelular.

Se produce entonces una pérdida neta de cargas positivas ya que la salida de potasio es mayor que la entrada de sodio.

La permeabilidad del potasio es mucho mayor que la del sodio y el gradiente de concentración también.

K+

Pr--------

Na+

La salida de algunos iones potasio es suficiente para producir un desbalance en las cargas eléctricas de la membrana ( potencial eléctrico ) haciendo que haya mas cargas negativas en el lado interno de la membrana.

DIFUSION

IONICA

DIFUSION

IONICA

1010 140140

150150 55

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Es un fenómeno en constante actividad que puede dar la impresión de ausencia de cambios en el tiempo:Es un estado estacionario.

- + - + - + - + - + - + - + - +

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Vea la clase POTENCIAL DE MEMBRANA

K+K+

Na+Na+

1010 140140

150150 55

Iones con carga negativa como las proteínas ( Pr- ) se encuentran intracelularmente porque atraviesan la membrana con una gran dificultad por su tamaño

molecular grande.

Son responsables de otros fenómenos que también contribuyen a la desigual distribución de los iones, como se verá mas adelante. Se describen fundamentalmente como

Pr--------Pr--------

DIFUSION

IONICA

DIFUSION

IONICA

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RESUMEN FINALMenúMenú

Vea la clase PROTEINAS Y REGULACIO0N DE VOLUMEN

Los fenómenos de transporte de iones a través de la membrana celular generan espacios en el organismo que se diferencian entre si en el contenido electrolítico y de agua.

El aspecto normal de los tejidos, que se aprecia en una observación física, depende de esta condición y de una regulación adecuada; se modifica y se puede observar el cambio en condiciones de patología como es el edema.

El origen puede estar en que las proteínas son moléculas de muy baja difusión en las paredes en los vasos circulatorios y en las membranas celulares, por lo que atraen agua hacia su interior. Junto con el Cloruro de sodio se estudian en presencia de cambios en el volumen corporal, en sus diferentes espacios.

Así como el organismo difícilmente retendrá el agua si no contiene cloruro y sodio, tampoco lo hará si las concentraciones de proteínas son bajas.Si bien el hidrogenión es un electrolito producido por la disociación del agua, en fisiología se estudia de manera separada a los demás, por su importancia en el equilibrio ácido-base . Actúa en la actividad enzimática celular, en la estructura de algunas proteínas, participantes en mecanismos como la transmisión de la señal nerviosa, la contracción muscular, los potenciales eléctricos en corazónPuede ver otras clases como Distribución iónica, ......................... Ecuación de Nernst, Soluciones, Gibbs-Donnan y osmolaridad FIN

CONCLUSIONES