Post on 15-Jan-2016
Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara
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Physiology and Biophysics of water and solutes transport
*Departamento de Fisiología y Biofísica (Facultad de Medicina, Universidad de Buenos Aires), Buenos Aires, Argentina.(www.fmed.uba.ar)*Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos(Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Universidad Nacional de la Plata, Comisión de Investigaciones Científcias de la Provincia de Buenos Aires), La Plata, Argentina.(www.iflysib.unlp.edu.ar)*CienciaNet(www.ciencianet.com.ar)
Osvaldo Chara
ochara@fmed.uba.arochara@iflysib.unlp.edu.ar
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Transport of water and solutes…
Transport of non electrolytes: Fick's laws
The cup of coffee of Quilmes
coffee
sugar
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Transport of non electrolytes: Fick's laws
sugar
coffee
Transport of water and solutes…
The cup of coffee of Quilmes
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Transport of non electrolytes: Fick's laws
sugar
coffee
Transport of water and solutes…
The cup of coffee of Quilmes
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Transport of non electrolytes: Fick's laws
sugar
coffee
Transport of water and solutes…
The cup of coffee of Quilmes
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Transport of non electrolytes: Fick's laws
What did it happen?
Transport of water and solutes…
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Transport of non electrolytes: Fick's laws
The phenomenological explanation
Imaginary membrane of area A and length x
Js
Transport of water and solutes…
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Transport of non electrolytes: Fick's laws
Cx
ADJ s
s
A very beautiful equation!
Transport of water and solutes…
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Transport of non electrolytes: Fick's laws
Now let see another phenomenon:
How is the solute movement across a biological membrane?
Transport of water and solutes…
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Transport of non electrolytes: Fick's laws
x
A
C1 C2
Water + solute Water + solute
Transport of water and solutes…
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Transport of non electrolytes: Fick's laws
Suppose that both, water and solute can move across the membrane
we will focus on the solute transport (Be patient: we will go to study water transport in 17 min)
Transport of water and solutes…
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Transport of non electrolytes: Fick's laws
Suppose that C1 > C2
Transport of water and solutes…
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Transport of non electrolytes: Fick's laws
x
C2C1
A
Transport of water and solutes…
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Transport of non electrolytes: Fick's laws
Now, we will measure the transport of solute from one side to another
Transport of water and solutes…
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Transport of non electrolytes: Fick's laws
x
C2C1
A
Js12
Js12
Transport of water and solutes…
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Transport of non electrolytes: Fick's laws
(Remember, C1 > C2)
Which is the highest? (Js12 or Js
12)
Transport of water and solutes…
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Transport of non electrolytes: Fick's laws
x
C2C1
A
Js12
Js12
Yeah!
Transport of water and solutes…
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Transport of non electrolytes: Fick's laws
2121 sss JJJ
But what is the relation among Js’s?
Transport of water and solutes…
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Transport of non electrolytes: Fick's laws
The beautiful expression:
21 CCx
ADC
x
ADJ ss
s
Transport of water and solutes…
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The concept of permeability
Cx
ADJ s
s
But we must to know the length x of the membrane.
Transport of water and solutes…
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Third week: Bioenergetics
The concept of permeability
CA
J s
The researchers of physiology and biophysics measure Js/A and C
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The concept of permeability
CPA
Js
s
Then, to achieve an equality…
Transport of water and solutes…
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The concept of permeability
x
DP s
s
Therefore…
Transport of water and solutes…
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Do you remember an electrical circuit?
Transport of water and solutes…
R
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x
A
C1 C2
Water + solute Water + solute
Transport of water and solutes…
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Suppose that water can move across the membrane
we will focus on the water transport (great!)
Suppose that solute can not move across the membrane
Transport of water and solutes…
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Suppose that C1 > C2
Transport of water and solutes…
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x
C2C1
A
Transport of water and solutes…
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A phenomenological law of osmosis
v f w i oJ p AV k c c
Transport of water and solutes…
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Apical membrane
Basolateral membrane
Paracelular path Transcelular path
Acuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinaAcuaporinaAcuaporinabicapa lipídica Cotransportador
Transport of water and solutes…
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Acuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinaAcuaporinaAcuaporinabicapa lipídica Cotransportador
Difussion - Partition
Finkelstein, 1987
Range of Posm < 10-3 cm.s-1
Verkman, 2000
Lipidic bilayer
Transport of water and solutes…
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Acuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinaAcuaporinaAcuaporinabicapa lipídica Cotransportador
Water channels: Aquaporins
BA
H2N
HOOC
C
C2
61 5 43
lumen
citoplasma
C
C2
61 5 432
61 5 43
lumen
citoplasma
lumen
citoplasma
A
C
C2
61 5 43
lumen
citoplasma
A
K
A
NP
P
A
N
C
C2
61 5 432
61 5 43
lumen
citoplasma
lumen
citoplasma
B
K
A
NP
P
A
N
H2N
HOOC
H2N
HOOC
K
A
NP
P
A
N
Transport of water and solutes…
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Acuaporina Localización celular y/o tisular Acuaporina Localización celular y/o tisular
AQP 0 Ojo AQP 7 Riñón
Testículo
Espermatozoides
AQP 1 Glóbulos rojos:
Riñón
Ojo
Cerebro
Pulmón
Endotelio capilar
Oído
Músculos: Esquelético, cardíaco, y liso
AQP 8 Testículo
Espermatozoides
Páncreas
Hígado
Placenta
AQP 2 Riñón AQP 9 Leucocitos
Hígado
Bazo
Óvulos / espermatozoides
Cerebro
AQP 3 Riñón
Tráquea
AQP 10 Duodeno, yeyuno
AQP 4 Riñón
Cerebro
Pulmón
AQP 11 Riñón, hígado
AQP 5 Glándula salival y lacrimal AQP 12 Acino Pancreático
AQP 6 Riñón
Acuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinaAcuaporinaAcuaporinabicapa lipídica Cotransportador
Water channels: Aquaporins
Transport of water and solutes…
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Acuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinaAcuaporinaAcuaporinabicapa lipídica Cotransportador
Range of Posm:
(10-3 - 10-1) cm.s-1
Verkman, 2000
n
APp osm
f
Permeability by unit channelFinkelstein, 1987Water channels:
Aquaporins
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Acuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinaAcuaporinaAcuaporinabicapa lipídica Cotransportador
Water channels: Aquaporins AQPs!
Transport of water and solutes…
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Transport of water and solutes…
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Acuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinaAcuaporinaAcuaporinabicapa lipídica Cotransportador
Na+-Glutamate (EAAT1)
Na+/glucose (SGLT)
Na+-K+-2Cl- (NKCC)
Cotransports
Transport of water and solutes…
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Acuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinaAcuaporinaAcuaporinabicapa lipídica Cotransportador
versus
¿Cotransporter water-solute? Molecular water pump?
Zeuthen 2002; Hamann y col, 2005
¿Local osmosis?
Duquette y col, 2001
Range of Posm 10-3 cm.s-1
Hamann y col, 2005
Cotransporters
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Transport of electrolytes: Nernst equation
electrolytes
Transport of water and solutes…
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Third week: Bioenergetics
electrolytes
zoom
Transport of electrolytes: Nernst equation
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one molecule of electrolyte
zoom
Transport of electrolytes: Nernst equation
Transport of water and solutes…
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Let see…
frictional force
electrical force
Transport of electrolytes: Nernst equation
Transport of water and solutes…
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The Flux cvJ d
Then ck
qEJ
Homogeneous concentration!
Transport of electrolytes: Nernst equation
Transport of water and solutes…
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The Flux
Thanks to Einstein we know that
dz
dcDc
k
qEJ
Then
D
Tkk B
Ddz
dc
Tk
qEcJ
B
Transport of electrolytes: Nernst equation
This is the Nernst-Planck equation
Transport of water and solutes…
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In equilibrium
Then
0J
Then
cdz
dc
Tk
qE
B
1
Transport of electrolytes: Nernst equation
dz
dz
cddz
Tk
qE zz
B 00
ln
Transport of water and solutes…
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Then
Transport of electrolytes: Nernst equation
0
ln0 c
zcdzE
Tk
q z
B
dz
dVE
z
EdzV0
zc
cV
Tk
q
B
0ln
But…
zc
c
q
TkV B 0
ln
The Nernst equation!
Transport of water and solutes…
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Third week: Bioenergetics
2
1ln12 C
C
ZF
RTV
Transport of electrolytes: Nernst equation
Ups! The Nernst equation in a physiology book looks different!
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Transport of electrolytes: Goldman equation
dz
dVzFUc
dz
dcURTJ
a
V
dz
dV
Assuming …
This is again the Nernst-Planck equation
And …
bs cc
Transport of water and solutes…
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50
a
VzFUc
dz
dcURTJ
ac
c
a
JaV
zFcU
dcRTUdz
00
Transport of electrolytes: Goldman equation
Then …
Integrating …
Transport of water and solutes…
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RT
zFV
RT
zFV
ie
e
ecc
a
zFVUJ
1
be
se cc b
isi cc
Transport of electrolytes: Goldman equation
But remember …
Therefore …
Transport of water and solutes…
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Osvaldo Charaochara@fmed.uba.ar
ochara@iflysib.unlp.edu.ar*Departamento de Fisiología y Biofísica (Facultad de Medicina, Universidad de Buenos Aires), Buenos Aires, Argentina.(www.fmed.uba.ar)*Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos(Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Universidad Nacional de la Plata, Comisión de Investigaciones Científcias de la Provincia de Buenos Aires), La Plata, Argentina.(www.iflysib.unlp.edu.ar)*CienciaNet(www.ciencianet.com.ar)
Thank you!
Transport of water and solutes…