fisiología y biofísica del transporte de agua y solutos - osvaldo chara 1 physiology and...

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Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara 1 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 [email protected] [email protected]

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Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

1

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

[email protected]@iflysib.unlp.edu.ar

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

2

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

3

Transport of water and solutes…

Transport of non electrolytes: Fick's laws

The cup of coffee of Quilmes

coffee

sugar

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

4

Transport of non electrolytes: Fick's laws

sugar

coffee

Transport of water and solutes…

The cup of coffee of Quilmes

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

5

Transport of non electrolytes: Fick's laws

sugar

coffee

Transport of water and solutes…

The cup of coffee of Quilmes

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

6

Transport of non electrolytes: Fick's laws

sugar

coffee

Transport of water and solutes…

The cup of coffee of Quilmes

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

7

Transport of non electrolytes: Fick's laws

What did it happen?

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

8

Transport of non electrolytes: Fick's laws

The phenomenological explanation

Imaginary membrane of area A and length x

Js

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

9

Transport of non electrolytes: Fick's laws

Cx

ADJ s

s

A very beautiful equation!

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

10

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…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

11

Transport of non electrolytes: Fick's laws

x

A

C1 C2

Water + solute Water + solute

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

12

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…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

13

Transport of non electrolytes: Fick's laws

Suppose that C1 > C2

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

14

Transport of non electrolytes: Fick's laws

x

C2C1

A

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

15

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…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

16

Transport of non electrolytes: Fick's laws

x

C2C1

A

Js12

Js12

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

17

Transport of non electrolytes: Fick's laws

(Remember, C1 > C2)

Which is the highest? (Js12 or Js

12)

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

18

Transport of non electrolytes: Fick's laws

x

C2C1

A

Js12

Js12

Yeah!

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

19

Transport of non electrolytes: Fick's laws

2121 sss JJJ

But what is the relation among Js’s?

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

20

Transport of non electrolytes: Fick's laws

The beautiful expression:

21 CCx

ADC

x

ADJ ss

s

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

21

The concept of permeability

Cx

ADJ s

s

But we must to know the length x of the membrane.

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

22

Third week: Bioenergetics

The concept of permeability

CA

J s

The researchers of physiology and biophysics measure Js/A and C

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

23

The concept of permeability

CPA

Js

s

Then, to achieve an equality…

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

24

The concept of permeability

x

DP s

s

Therefore…

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

25

Do you remember an electrical circuit?

Transport of water and solutes…

R

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

26

x

A

C1 C2

Water + solute Water + solute

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

27

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…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

28

Suppose that C1 > C2

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

29

x

C2C1

A

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

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A phenomenological law of osmosis

v f w i oJ p AV k c c

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

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Apical membrane

Basolateral membrane

Paracelular path Transcelular path

Acuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinaAcuaporinaAcuaporinabicapa lipídica Cotransportador

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

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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…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

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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…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

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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…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

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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

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

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Acuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinabicapa lipídica CotransportadorAcuaporinaAcuaporinaAcuaporinabicapa lipídica Cotransportador

Water channels: Aquaporins AQPs!

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

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Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

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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…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

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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

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

40

Transport of electrolytes: Nernst equation

electrolytes

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

41

Third week: Bioenergetics

electrolytes

zoom

Transport of electrolytes: Nernst equation

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

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one molecule of electrolyte

zoom

Transport of electrolytes: Nernst equation

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

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Let see…

frictional force

electrical force

Transport of electrolytes: Nernst equation

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

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The Flux cvJ d

Then ck

qEJ

Homogeneous concentration!

Transport of electrolytes: Nernst equation

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

45

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…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

46

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…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

47

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…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

48

Third week: Bioenergetics

2

1ln12 C

C

ZF

RTV

Transport of electrolytes: Nernst equation

Ups! The Nernst equation in a physiology book looks different!

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

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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…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

50

a

VzFUc

dz

dcURTJ

ac

c

a

JaV

zFcU

dcRTUdz

00

Transport of electrolytes: Goldman equation

Then …

Integrating …

Transport of water and solutes…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

51

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…

Fisiología y Biofísica del Transporte de agua y solutos - Osvaldo Chara

52

Osvaldo [email protected]

[email protected]*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…