INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGIA BIOTECNOLOGIA
Laboratorio Fisiología y Biofísica I
Práctica 2 Efecto Donnan
Equipo 5
Carlos Ulises Martínez Vega María Guadalupe Morales Hernández Stephany Peñafort Flores
Profesores Miguel Ángel Ontiveros Torres Paola Flores Rodríguez
3MV1
México D.F, Septiembre 8 de 2011 Efecto Donnan
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EFECTO DONNAN
Tema
Equilibrio Gibbs-Donnan
Objetivo general
Explicar el efecto Donnan en un sistema in vitro
Objetivos especificos
Observar el comportamiento de una solución electrolítica Observar la generación de un potencial de membrana en un sistema artificial Calcular las concentraciones de los iones al equilibrio
Introducción
De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, todas las substancias en solución tienden a difundir hasta alcanzar un estado homogéneo en el que en cualquier punto de la solución, la concentración es la misma. Sin embargo, este hecho no es tan simple si existe una barrera que restrinja al paso de las substancias. En ocasiones existe lo que se conoce como membrana semipermeable, que no es otra cosa que una barrera física para cierto tipo de substancias. Por ejemplo, puede tratarse de una membrana que tenga poros de un diámetro pequeño, los cuales sólo permiten el paso de substancias de un diámetro menor al de los poros; las moléculas de las substancias que tengan un tamaño mayor no podrán difundir libremente. Esta situación se vuelve más compleja si las substancias en solución poseen carga neta, porque entonces la difusión tenderá a reducir también la diferencia de cargas a ambos lados de la barrera. Cuando la diferencia de potencial eléctrico se establece se alcanza un equilibrio en el cual existe una diferencia de potencial constante, llamado Potencial Donnan. El equilibrio de Gibbs - Donnan es el equilibrio que se produce entre los iones que pueden atravesar la membrana y los que no son capaces de hacerlo. Las composiciones en el equilibrio se ven determinadas tanto por las concentraciones de los iones como por sus cargas.
Material y Equipo
Balanza Analítica Potenciómetro Efecto Donnan
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Espátula Termómetro Matraz volumétrico 25, 100,250 ml Pipetas graduadas 1,5 y 10 ml Vasos de precipitados 100, 250,500 ml Membrana semipermeable
Reactivos y Sustancias
Solución Buffer pH 4 y 7 Albúmina Cloruro de sodio Hidróxido de sodio Fenolftaleína Etanol
Soluciones
Preparar por grupo: Solución de albúmina sérica bovina (ABS)(1mg/ml), NaOH 0.075 N y NaCl 0.090 N,100 ml. 1500 ml de Cloruro de sodio (NaCl), 0.090 M solución externa Fenolftaleína, 50 ml, 2% en etanol
Metodología
Remojar la membrana 10 min en agua destilada.
Efecto Donnan
Llenar con la solución de albúmina NaOH-NaCl (solución interna), añadiendo una gota de la solución de fenolftaleína.
Medir la temperatura de las soluciones.
Colocar el electrodo en 200 ml de solución externa (NaCl 0.090N) con una gota de fenolftaleína.
Determinar el pH inicial al tiempo cero.
Introduce la membrana con la solución interna (albúminaNaOH-NaCl)
Tomar las lecturas de pH con intervalos de 1 min los primeros 5 minutos y después cada 5 min hasta completar la hora.
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Resultados
Temperatura de la sustancia interna en el Tiempo O min: 18.6 °C pH de la sustancia interna: 6.83 Tiempo (min)
pH
Temperatura °C
0
6.83 8.45 10.07 10.17 10.17 10.16 10.85 10.88 11.4 11.38 11.39 11.44 11.56 11.56 11.58 11.59 22.9
18.5 19.8 19.9 20 20 20 20.8 21.2 21.5 21.8 22.1 22.2 22.4 22.8 22.8 22.8 22.8
1 2 3 4 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Tabla 1. pH y Temperatura de la solución externa.
Grafica 1. Tiempo vs pH de la solución externa.
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Obtención de las [OH-] Y [H+]
[OH-]=14-Ph → pOH = - log[OH -]→ [OH-]= 10-pOH-
pH
14-pH
[OH-]
[H+]
6.83
7.17 5.55 3.93 3.83 3.83 3.84 3.15 3.12 2.6 2.62 2.61 2.56 2.44 2.44 2.42 2.41
6.7608E-08 2.8184E-06 0.00011749 0.00014791 0.00014791 0.00014454 0.00070795 0.00075858 0.00251189 0.00239883 0.00245471 0.00275423 0.00363078 0.00363078 0.00380189 0.00389045
1.47911E-07 3.54813E-09 8.51138E-11 6.76083E-11 6.76083E-11 6.91831E-11 1.41254E-11 1.31826E-11 3.98107E-12 4.16869E-12 4.0738E-12 3.63078E-12 2.75423E-12 2.75423E-12 2.63027E-12 2.5704E-12
8.45 10.07 10.17 10.17 10.16 10.85 10.88 11.4 11.38 11.39 11.44 11.56 11.56 11.58 11.59
Tabla 2. Concentraciones de los iones H + y OH -
Análisis de Resultados
En la célula artificial (membrana de celulosa) se observó que la distribución de componentes neutros y cargados a través de una membrana, se dan por ósmosis, equilibrio electroquímico y por el equilibrio de Donan. Observamos que el electrolito del Cloruro de Sodio se disocia en solución en iones (+Na y -Cl), y por medio de la ley de acción de masas podemos describir el equilibrio entre los iones libres y las moléculas sin disociar, planteando que a bajas concentraciones la conductividad equivalente varia linealmente con la concentración. El potencial de equilibrio de un ión, en una célula, es el potencial al que se equilibrarían las fuerzas del gradiente electroquímico actuando sobre ese ión, de manera que en el potencial de equilibrio el ión no tendría tendencia a entrar ni a salir de la célula. El potencial de reposo depende de la concentración de Na+, por el contrario la concentración de Clsigue al potencial de reposo.
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El flujo neto del Na+ hacia fuera de la célula artificial se dio en contra del potencial electroquímico, y lo mismo ocurrió con el Cl- al interior de la célula. La eliminación de Na+ debe producirse contra 2 gradientes: uno es el que da origen al campo de difusión químico (gradiente de concentración) y el otro es que origina el campo de difusión de origen eléctrico (gradiente de potencial eléctrico). Algunos tipos de iones, como los iones Cl-, se distribuyen pasivamente y de forma rápida, de modo que se pueden considerar en equilibrio. Por último el estado Donan representa un equilibrio entre dos fases que contienen no solo aniones Cl- y cationes Na+ ambos de los cuales pueden pasar a través de la membrana, sino también moléculas para las que la membrana es impermeable. El equilibrio Donan requiere que los iones se distribuyan de forma pasiva, de acuerdo al equilibrio termodinámico. La relación entre la razón de Donan y el potencial de Donan, nos lleva a pensar que el volumen de la célula puede sufrir alteraciones, lo que llevaría a cambios de concentraciones; además, se llegaría a un equilibrio del pH en ambas fases, y esta alteración del pH podría a su vez alterar el potencial de Donan, ya que la carga de las moléculas orgánicas (para las que la membrana es impermeable) dependen del valor del pH. Por otro lado le Cl- cambia muy poco el potencial de la membrana. Esto es debido a que el potencial de equilibrio del cloro está muy cerca del potencial de reposo. El cloro es un ión negativo, y el potencial negativo de la membrana tiende a impedir la entrada en la célula de este ión. En nuestro modelo que simula una membrana celular, el sodio está más concentrado dentro de la célula artificial, por tanto por gradiente de concentración el sodio tiende a salir, y para equilibrar esa tendencia será necesario un potencial negativo dentro de la célula artificial, que atraiga al sodio y que le impida salir. Por eso el potencial de equilibrio del sodio es negativo. Así al aumentar la concentración extracelular o al disminuir la concentración intracelular de sodio, disminuye el gradiente de concentración, y en consecuencia el potencial de equilibrio del sodio se hace menos negativo. Por el contrario, el cloro como carga negativa está más concentrado fuera que dentro de la célula artificial, por lo que el sodio tiende a entrar en ésta, y para contrarrestarlo sería necesario que existieran cargas eléctricas positivas dentro de la célula, que repelieran a los iones de cloro. Por lo tanto, el potencial de equilibrio para el cloro es positivo. El potencial de membrana se sitúa cerca del potencial de equilibrio del ión que sea más permeable. La membrana artificial en reposo es mucho más permeable al sodio que al cloro, por eso el potencial de membrana artificial está más cerca del potencial de equilibrio del sodio que del cloro. El sodio tiende a salir de la célula porque está más concentrado dentro que fuera. Al salir sodio deja el interior más negativo, hasta alcanzar un potencial de reposo negativo. Si se aumenta la concentración extracelular o se disminuye la concentración intracelular de sodio, el potencial de membrana se hace menos negativo. Las concentraciones de cloro tienen una menor influencia en el potencial de Efecto Donnan
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membrana, debido a que la permeabilidad de la membrana artificial en reposo al cloro es mucho menor, (hablamos de un modelo artificial). Cuando el pH es bajo, los grupos ionizables están protonados, y la carga neta de la proteína es de signo positivo. Cuando el pH es alto, los grupos ionizables están desprotonados, y la carga neta es de signo negativo. Entre ambas zonas, habrá un pH en el cual la carga neta de la proteína es nula. Es el pH isoeléctrico o punto isoeléctrico, y es característico de cada proteína. La membrana utilizada para separar ambas soluciones es semi-permeable (celofán) permitiendo el paso de cationes y aniones. Dado que ambos tienden a difundir a través de la membrana, de la disolución más concentrada a la más diluida. Si cationes y aniones difunden a una velocidad diferente, es debido a su concentración y con ello movilidad iónica, entre los dos lados de la membrana, por lo que tiende a establecerse una separación de carga y, por tanto, una diferencia de potencial, formando el potencial Donnan o de difusión. Este potencial tiende a frenar al ión que difunde más rápido y a acelerar al ión de difusión más lenta. A valores de pH por debajo del pH isoeléctrico la carga neta de la proteína es positiva, y a valores de pH por encima del pH isoeléctrico, la carga neta de la proteína es negativa. La mayoría de las proteínas intracelulares tienen carga negativa, ya que su pH isoeléctrico es menor que el pH fisiológico (que está proximo a 7). Se llaman proteínas ácidas a aquellas que tienen un punto isoeléctrico bajo (como la pepsina), y proteínas básicas a las que tienen un punto isoeléctrico alto (como las histonas). La albúmina es una proteína que tiene alta afinidad por moléculas pequeñas e hidrófobas que poseen cargas electrostáticas negativas.
Conclusiones
Carlos Ulises Martínez Vega
Las proteínas plasmáticas tienen una carga negativa neta y por ello tienden a ligar cationes como iones sodio o potasio, manteniendo cantidades extra de estos cationes en el plasma junto a las proteínas plasmáticas. Por el contrario, los iones con carga negativa tienen a tener una concentración ligeramente superior en el líquido intersticial que en el plasma, porque las cargas negativas de las proteínas plasmáticas repelen a los aniones con carga negativa. María Guadalupe Morales Hernández
La célula para su mantenerse en equilibrio necesita mantener en equilibrio las concentraciones tanto dentro como por fuera de ella; Donnan muestra como la distribución de iones sirve para explicar que el equilibrio en ambas fases a su vez forma un equilibrio de pH y de potencial. Es debido al gradiente de concentraciones lo que lleva a un aumento de la diferencia de potencial a través de la membrana. Stephany Peñafort Flores
En el pH de la solución externa experimentó fluctuaciones en las cuales se observo que el cambio no es significativo, el mayor cambio se debe observar en la solución interna y esto se debe a que un lado de la membrana conduce a un equilibrio, en el cual cada soluto cargado y permeable está desigualmente distribuido para llegar al equilibrio de Donnan.
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Este intercambio de cationes y aniones lo pudimos demostrar gracias al cambio de pH debido a que el potencial de Donnan también depende del pH y que para llegar al equilibrio de Donnan se debe tener el mismo pH tanto en la solución interna como externa.
Referencias o
GANONG, W.F. y col.2000,Fisiología médica. Manual Moderno. México D.F.
o
GUYTON, C.G. and HALL, J.E. Tratado de Fisiología Médica. 11ª Edición. Elsevier, 2006.
o
DESPOPOULOS, A. and SILBERNAGL, S. Atlas de Fisiología. 5ª Edición. Harcourt, Madrid, 2001.
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