Instituto de Profesores Artigas 2010 Profesora Carolina Pereira

Transporte a través de las membranas biológicas

Ejercicios, preguntas y problemas seleccionados de examenes previos.

1) La gráfica muestra como varía la concentración de cierto soluto electricamente neutro (C) en función de la coordenada x.a) Calcule para cada tramo (0<x<5cm, 5<x<10cm, 10<x<15cm) el gradiente de concentración del soluto.b) Construya la gráfica grad C=f(x)c) Determine para cada tramo si ocurrirá o no flujo neto de soluto. En caso de producirse, indique su sentido.

2) Un soluto sin carga eléctrica neta difunde a través de dos membranas A y B. En el gráfico se muestra la densidad del flujo Dflujo de este soluto en función de la diferencia de concentración ∆C entre las caras de las membranas.

a) ¿En qué se diferencian ambas membranas? Explique.b) ¿Qué representa la pendiente de ambos gráficos? Calcúlelas.c) ¿Cómo cambian los gráficos si aumenta el espesor de las

membranas A y B?.

3) La gráfica muestra el gradiente de concentración dC/dx de un soluto neutro en solución en función de la coordenada x. a) Sabiendo que la concentración del soluto en la coordenada x= 0 cm vale 0,5 moles/cm3, construya la gráfica C=f(x)b) Indique para cada tramo cuál será el sentido del flujo de soluto.

4) Una solución de NaCl en agua de concentración 160moles.m-3 es isotónica con las células sanguíneas. ¿Cuál es la presión osmótica de estas células a 25ºC? (Suponer que el NaCl se disocia completamente en solución, y que la presión hidrostática a ambos lados de la membrana celular es la misma).

5) ¿Cómo se modifica el resultado del problema anterior si el coeficiente osmótico para una disolución de NaCl a esa concentración y a 25ºC vale 0,90?

6) La presión osmótica de un glóbulo rojo es de 8atm. Glóbulos rojos se colocan en una solución que contiene 100 moles m-3 de soluto al cual la membrana es impermeable. ¿Qué le ocurrirá a los glóbulos rojos? Explique. T=300K.

7) Las paredes de los capilares sanguíneos son permeables a la mayoría de las moléculas pequeñas pero impermeables a las proteínas. Los tres grupos principales de proteínas en el plasma sanguíneo son:

Concentración (g/l) Masa molecular mediaAlbúmina 45 69000 uGlobulina 25 140000 uFibrinógeno 3 400000u

a- Calcule la concentración de las proteínas de cada grupo en moles/m3.b- ¿Cuál es la presión osmótica del plasma sanguíneo a 37ºC debido a las proteínas disueltas en él?

8) La presión osmótica normal del plasma sanguíneo es de 28 mmHg. Compare este valor con el resultado obtenido en el problema anterior, y explique a que se debe la diferencia entre ambos valores.

dC/d

x (m

oles

/cm

4 )

2,0 4,0 6,0 x (cm)

1,5

-1,5

3

2 1

5 10 15 x (cm)

C (m

oles

/l)

A

BV

6

2

3 ∆C (moles/cm3)

Dflu

jo (m

oles

/cm

2 .s)

9) El medio extracelular de una célula consiste en una solución a 20ºC conformada por 10mM de glucosa (soluto no disociable) y 12 mM de NaCl (totalmente disociado).a- Determine la presión osmótica generada por esta solución,b- Si los medios intracelular y extracelular se encuentran a igual presión hidrostática, ¿cuál debe ser la presión osmótica intracelular para que no exista flujo neto de agua? Justifique su respuesta.c- Si la presión osmótica intracelular vale la mitad que la extracelular, ¿cuál es el sentido del flujo de agua? Justifique su respuesta.

10) Dos compartimentos A y B se encuentran separados por una membrana semipermeable tal cual muestra la figura. Ambos compartimientos contienen una solución de sacarosa en agua de 10 mM en A y 20 mM en B a 25 ºC. Inicialmente la presión hidrostática a ambos lados de la membrana es la misma.

a. Indique si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsa, justificando en cada caso:a) El flujo de agua neto desde A hacia B ocurre hasta que se igualan las

concentraciones de la solución a ambos lados de la membrana.b) A medida que ocurre el flujo de agua desde el compartimiento de mayor presión

osmótica al de menor presión osmótica, se modifican las concentraciones de la solución a ambos lados de la membrana.

c) El flujo de agua desde uno de los compartimientos al otro trae como consecuencia que se establezca una diferencia de presión hidrostática entre ambos compartimientos.

d) Desde el instante inicial (cuando comienza el flujo de agua de uno de los compartimientos al otro) la fuerza impulsora que mueve al agua a través de la membrana semipermeable, disminuye con el tiempo.

b. Determine la diferencia de presión hidrostática que debe establecerse a ambos lados de la membrana semipermeable para que el flujo neto de agua a través de la misma sea nulo. Indique claramente cual de los dos compartimientos debe estar a mayor presión hidrostática.

c. ¿Cómo cambia su respuesta anterior si se sustituye la solución de sacarosa en el compartimiento B por NaCl (suponga que se disocia al 100%) a igual concentración inicial?

11) Dos compartimientos (1 y 2) separados por una membrana semipermeable contienen soluciones de un soluto S a 20ºC. Sabiendo que las presiones hidrostáticas de ambos compartimientos valen P1= 10 atm y P2= 5atm, mientras que las presiones osmóticas valen π1= 6 atm y π2 = 6 atm :

a- Detemine si se producirá o no flujo neto de agua entre ambos compartimientos. En caso de haber flujo de agua determine su sentido.b- Para el compartimiento 1 :

i) ¿cuál es la concentración del soluto?ii) ¿Cuál es su osmolaridad suponiendo que se trata de un soluto no disociable?iii) Cuál es su osmolaridad si ese soluto se encuentra 100% disociado en la forma S P +Q +R

c- ¿Cómo cambia la respuesta (a) si la presión osmótica en el compartimiento 2 vale 1atm?

12) La tabla muestra la composición de solutos en los medios intracelular y extracelular de determinada célula. La presión hidrostática a ambos lados de la membrana es la misma.a- Determine la diferencia de presión osmótica a ambos lados de la membrana celular suponiendo que la misma es impermeable a estos solutos. b- Explique que ocurrirá con el volumen de la célula debido al movimiento de agua a través de su membrana.c- ¿Cómo cambiarían las respuestas a las preguntas anteriores si el coeficiente de reflexión para el soluto P vale 0?

13) Dos compartimientos I y II separados por una membrana semipermeable contienen una solución de soluto S a diferentes concentraciones. La permeabilidad hidráulica de esa membrana vale 1 mol/cm2.s.atm y las presiones osmóticas a ambos lados de la membrana valen π1 = 2,0x10-2 atm y π2 = 4,0 x10-2 atm .

a- ¿Qué diferencia de presión hidrostática debe existir entre ambos compartimientos para que el flujo de agua sea nulo? Justifique su respuesta.b- Si se sabe que el flujo de agua a través de la membrana vale 5,0x10-2 moles/cm3 de II hacia I, ¿cuál es la diferencia de presión hidrostática entre ambos compartimientos?c- ¿Cómo cambia su respuesta anterior si el flujo de agua es en sentido contrario?

C intracelular (mM) C extracelular (mM)Soluto P 120 0Soluto A+ 20 100Soluto B- 10 40Soluto C+ 5 15

14) La tabla de valores muestra como varía el flujo J de un determinado soluto en función de su concentración.

a- Construya la gráfica J=f(concentración de S)b- ¿A qué tipo de transporte corresponde la grafica obtenida?c- Determine los parámetros que caracterizan a la cinética del transporte que determina el flujo del soluto S.

Preguntas VERDADERO O FALSO

Las siguientes afirmaciones se refieren a diferentes aspectos estudiados en el desarrollo de la unidad Transporte a través de las membranas biológicas. Para cada afirmación, indique si la misma es verdadera o falsa. En caso de que sea falsa justifique su respuesta.

1- Con respecto a la difusión simple:a) Se clasifica como un transporte pasivo porque no implica gasto energético.b) Es el transporte que sufre un soluto sin carga eléctrica neta a favor de su gradiente de concentración.c)Tiende a disipar los gradientes de concentración que pueden establecerse a través de una membrana celular por transporte activo de los solutos implicados.d) La magnitud del flujo de un soluto por difusión simple es mayor cuanto mayor sea el coeficiente

de partición aceite/agua para ese soluto.e) Para ciertos solutos la difusión simple a través de las membranas celulares, es favorecida por el transporte activo de los mismos en sentido contrario.

2- Respecto a la bomba de sodio y potasio: a) Transporta a ambos iones contra su gradiente de concentración.b) Mantiene a la célula en equilibrio.c) Cumple un rol principal en el mantenimiento del equilibrio osmótico.d) Al ser electrogénica, es fundamental su contribución al potencial de membrana en reposo de las células.e) Es una proteína transmembrana que hidroliza al ATP

3- Acerca del transporte de agua a través de membranas semipermeablesa) Es resultado del desequilibrio osmótico entre ambos lados de la membrana.b) Puede producirse de forma activa.c) Se produce siempre desde zonas de menor a zonas de mayor presión osmótica.d) Está determinado por la diferencia de molaridad entre las soluciones a ambos lados de la

membrana

4- Con respecto a los diferentes tipos de transporte a través de membranas biológicasa) Transporte pasivo es sinónimo de difusión simple.b) La difusión se produce fundamentalmente a través de la fase lipídica de la membrana.c) Puede estar mediado por proteínas integrales de la membrana.d) Un transporte que presenta cinética de saturación es mediado.e) La difusión simple sigue la Ley de Fick, que establece que la densidad de flujo de soluto a través de

la membrana es directamente proporcional al gradiente de concentración a través de la misma.

[S](µmoles/cm3) J(mM/cm2.s) 0 0 3 25.0 6 47.7 9 63.6 12 79.8 14 82.1 16 85.4 18 87.2 20 88.9

Problemas seleccionados de examenes previos.

1) La gráfica A corresponde al flujo de entrada a 37 ºC de un catión monovalente C+ en células en suspensión en un medio de incubación libre de glucosa (fuente de energía celular) a concentraciones crecientes del catión en el medio de incubación (medio extracelular).

a. ¿Qué tipo de transporte a través de la membrana celular experimenta el catión? Explique brevemente las caraterísticas del mismo y cual es la fuerza impulsora que determina el flujo del catión.

b. ¿Cómo cambiaría la gráfica A si el interior de la célula se vuelve más negativo? Explique.

c. Al agregar glucosa al medio se observa un gran aumento en el flujo de entrada del catión, ¿a qué podría deberse la diferencia observada?

d. La gráfica B muestra como es el flujo adicional del catión en función de la concentracion extracelular del mismo al agregar glucosa al medio, ¿qué tipo de transporte explicaría este flujo adicional?. Explique brevemente las características del mismo y la información que puede obtenerse a partir del gráfico.

e. ¿Cómo cambiría la gráfica B si se agraga en el medio un análogo estructural del catión original? Explique.

Noviembre 2007

2) La figura adjunta muestra la concentración relativa de un soluto permeable en los medios extracelular e intracelular separados por la membrana biológica de 10nm de espesor

a) Construye la gráfica que muestre el gradiente de concentración dC/dx en cada uno de los 3 compartimentos (extracelular, membrana e intracelular).

b) Explica cuál será el sentido de difusión de este soluto.

c) Determina el coeficiente de partición para este soluto y explica si el soluto es liposoluble o no.

d) ¿Cómo se modifica el flujo neto de este soluto si aumenta la temperatura? Explica.e) ¿Cómo se modifica el flujo neto de este soluto a medida que transcurre el tiempo (explica

claramente como cambian las concentraciones extracelular e intracelular del soluto y que consecuencias trae sobre el flujo neto)?

f) Si el soluto se sustituye por otro impermeable a la membrana con las mismas concentraciones iniciales en los medios extra e intracelular, explica cuál será el sentido del flujo de agua y qué maniobra experimental podría realizarse para que este flujo fuera nulo.

Febrero 2008

A

[C+ ]e (mM)

Fluj

o de

ent

rada

de

C+

(mm

ol /

l de

célu

las

x ho

ra)

0 20 40 60 80 100

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Fluj

o de

ent

rada

de

C+

(mm

ol /

l de

célu

las

x ho

ra)

[C+ ]e (mM)

B

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Med

io e

xtra

celu

lar

Membrana biológica

Medio intracelular

Con

cent

raci

ón r

elat

iva

3) Una membrana separa dos compartimientos y en uno de ellos se encuentra un soluto A. El siguiente cuadro de valores corresponde a la magnitud del flujo unidireccional del soluto (como proporción del flujo máximo)) en función de la concentración del mismo.

a) Construye el gráfico correspondiente J=f([A]) y explica que tipo de transporte experimente el soluto A.b) ¿Qué parámetros caracterizan a este tipo de transporte?c) ¿Cómo se modifica el gráfico si se agrega en el mismo compartimiento que inicialmente se encuentra el soluto A un segundo sustrato de composición química similar a A? Explique claramente cuales serán las diferencias y cuales las semejanzas observadas entre ambos gráficos y a que se deben.d) Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas. Justifica en cada caso:

i) Si la proteína transportadora de A está saturada, para aumentar el flujo de A hacia el otro compartimiento se debe aumentar la concentración de soluto A.

ii) Al aumentar al doble la concentración de A el flujo hacia el otro compartimiento siempre aumentará al doble.

Febrero 20084) Un humano normal tiene un agua corporal total (ACT) correspondiente con el 60% de la masa corporal total, y que se distribuye: 1/3 en el líquido extracelular (LEC) y 2/3 en el líquido intracelular (LIC).En un hombre adulto normal de 60 Kg de masa, el agua corporal total asciende a los 36 litros, de los cuales 12 litros se encuentran en el LEC, y los restantes 24 litros en el LIC.La figura representa la distribución de dichos volúmenes (ACT, LEC y LIC) en abscisas, y las osmolaridades de los mismos en ordenadas. (Las presiones hidrostáticas de los LEC y LIC, son iguales).En estas condiciones, la osmolaridad de los líquidos ACT, LEC y LIC es de 290 mosmoles/l, con un total de 10440 mosmoles de soluto que se distrubuyen: 3480 en el LEC, y 6960 en el LIC.

a) En cierta situación, la persona pierde 3 litros de agua del LEC, ascendiendo transitoriamente su osmolaridad a 382 mosmolar. (No hubo paralelamente ganancia ni pérdida de soluto en ninguno de los compartimentos LEC ni LIC).i) ¿Qué ocurre con el volumen del LIC como consecuencia de esta situación? Explique.ii) Represente la situación final en el esquema de la figura, con líneas llenas que sustituyan a las punteadas e indicando los valores correspondientes a osmolaridades y volúmenes de cada compartimiento.b) En una nueva situación se agregan 300 mosmoles de NaCl. Asumiendo de dicho soluto permanece en el LEC:i) Calcule la osmolaridad del LEC en esta nueva situación;ii) ¿Cómo afecta dicho cambio el LIC? Explique.

Noviembre 2008

5) El transporte de glucosa a través de la membrana celular puede ocurrir a través de dos tipos de transportadores conocidos como GLUT (transportador de glucosa) y SGLT (transportador de sodio y glucosa). Mientras que los transportadores GLUT permiten el ingreso de glucosa a la célula a favor de su gradiente de concentración, los transportadores SGLT efectúan un transporte de glucosa en contra de su gradiente de concentración en forma acoplada al ingreso de sodio.

a) Clasifique ambos transportes de glucosa en: pasivo, activo primario ó activo secundario. Justifique su respuesta.b) Para cada tipo de transportador, el ingreso de glucosa a la célula ¿es un proceso espontáneo?c) En base a su respuesta anterior diga qué ocurre con el cambio de energía libre de glucosa en ambos procesos de transporte.d) El ingreso de glucosa a la célula, ¿modifica la tendencia al escape del agua?, ¿cómo? Explique.

Noviembre 2008

[A] (mM) J 0 010 0.50020 0.66730 0.75040 0.80050 0.83360 0.85770 0.87580 0.88990 0.900100 0.909110 0.917120 0.923

6) La concentración extraceluar de calcio en una célula del miocardio durante la fase de reposo, es de 10-3 M, mientras que la concentración intracelular del mismo ión libre en el citosol vale 10-7 M. El potencial de reposo de la membrana de esta célula es aproximadamente -90 mV. En la membrana celular de esta célula existen canales de calcio voltaje-dependientes que se abren cuando la membrana se depolariza. Se sabe además, que en la fase inicial del potencial de acción de dicha célula, se produce por una corriente rápida entrante de sodio.

a) Explique detalladamente qué consecuencias tendría la corriente de sodio primariamente sobre el potencial de membrana, y secundariamente en el flujo neto de calcio a través de sus canales (considerar la tendencia de escape de este ión).

b) En dichas células, uno de los mecanismos que remueve el calcio del interior celular, es un intercambiador Na+/Ca2+. En uno de los modos en que opera este transportador, por cada tres iones Na+

que ingresan a la célula a favor de su gradiente electroquímico, expulsa un ión de Ca2+. ¿Qué consecuencias indirectas traería sobre este transporte de Ca2+ por el intercambiador, el bloqueo de la bomba de sodio y potasio en las células del miocardio?

c) ¿Qué consecuencias traería sobre el transporte de Ca2+ por el intercambiador, un aumento en la concentración extracelular de Na+?

Diciembre 2009

7) Se tiene un dispositivo experimental que consiste en dos compartimentos A y B que contienen soluciones de solutos, separados por una membrana X. Ambos compartimentos están abiertos a la atmósfera y a igual presión hidrostática. (Se sugiere representarlos a modo de ayuda para responder).

a- En el compartimento A se coloca NaCl a una concentración de 0,1 M, y en el B se coloca albúmina a igual concentración. Suponiendo que la membrana X es semipermeable, ¿qué sucederá? Explica.

b- Si en el compartimento A ahora se coloca sacarosa a concentración 0,1 M, manteniendo en B albúmina a igual concentración, ¿qué sucederá? Explica.

c- Sin variar las concentraciones de los solutos, (sacarosa- albúmina), se logra aumentar la temperatura en el compartimento A (con sacarosa), ¿qué se espera que ocurra?, ¿por qué?

d- Si la membrana M fuera biológica, ¿qué dato/s sería/n necesario/s para responder las preguntas anteriores? Argumentar la respuesta.

Diciembre 2009

8) Dadas las siguientes afirmaciones sobre mecanismos de transporte a través de membranas biológicas, determina si son verdaderas o falsas, justificando cada una.

a- En la difusión simple los flujos unidireccionales son linealmente dependientes de las concentraciones de soluto en la disolución a ambos lados de la membrana, siendo el coeficiente de permeabilidad la constante de proporcionalidad.

b- En la electrodifusión libre, la relación entre los flujos unidireccionales y la concentración de iones es lineal.

c- La concentración es el único determinante de la fuerza impulsora en el transporte pasivo de iones.

d- Los solutos que atraviesan las membranas a través de transportes mediados por proteínas, necesariamente presentan cargas eléctricas netas distintas de cero.

Febrero 2010

Canal de Ca2+

V-dependiente

Ca 2+

3 Na+