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Instituto Tecnológico Superior de Ciudad Hidalgo.

Operaciones Unitarias II Dr. Alfonso Vargas Santillán

Resumen 6.4. Difusión molecular en soluciones y geles biológicos. Pág. 449 - 453

García Marín María Martha B16030427

Ingeniería Bioquímica 067JA

Ciudad Hidalgo, Mich., a lunes 19 de agosto del 2019.

6.4 Difusión molecular en soluciones y geles biológicos. Difusión de solutos biológicos en líquidos La difusión de las moléculas de solutos en solución acuosa, se determina como un mecanismo de importancia en el procesamiento y almacenamiento de los sistemas biológicos y en los procesos vitales de microrganismos, animales y plantas. Dicha difusión, se implementa en los procesamientos de los alimentos, como en la fermentación en donde los nutrimentos se difunden en los microorganismos y en seguida se expulsan los productos de desperdicio y algunas enzimas. Las macromoléculas en solución con pesos moleculares de decenas de miles o más se solían describir como coloides. El comportamiento de la difusión de las macromoléculas en solución depende de su gran tamaño y formas. Las formas pueden ser variables desde serpenteantes, cilíndricas o globulares (esferas o elipsoides). La interacción de las moléculas grandes con las pequeñas del disolvente o de otros solutos, afectan tanto su difusión y el soluto de las moléculas pequeñas. La difusión de Fickian estudia los sistemas biológicos, ya que existe un transporte mediado por las reacciones químicas. Estas reacciones químicas llevan a la interacción y “enlace en la difusión tiene una gran influencia desde las macromoléculas de las proteínas que gracias a su tamaño grande tiene cierto número de centros de interacción o de enlace del soluto o de las moléculas de ligandos. Por lo tanto, la difusión tipo Fickian de macromoléculas y moléculas de soluto pequeñas puede afectarse en alto grado por la presencia simultánea de ambos tipos de moléculas, incluso cuando están diluidas. Un método para determinar la difusividad de solutos biológicos con algunas modificaciones, es la celda de difusión, cuando la cámara se construye con lucite o teflón en lugar de vidrio, ya que las moléculas de proteínas se enlazan con el vidrio. Además, la membrana porosa a través de la cual se verifica la difusión molecular, esta verificación es de acetato de celulosa o puede ser de otros polímeros. Los datos experimentales para solutos biológicos en su mayoría se extrapolan a una concentración de cero para difusividades de proteína, debido a que la difusividad está en función de la concentración. Los coeficientes de difusión para moléculas proteicas grandes son del orden 5x10^-11 m^2/s. Si se comparar este coeficiente con el valor que tienen los solutos pequeños que es de 1x10^-9 m^2/s. Esta comparación nos indica que las macromoléculas tardan más en difundirse que las moléculas de solutos pequeños, la velocidad de difusión es más rápida en las macromoléculas que en solutos pequeños. Cuando se incrementa la concentración de macromoléculas, como las proteínas, se espera que el coeficiente de difusión disminuya, pues la difusividad de las moléculas de solutos pequeños disminuye al aumentar la concentración.

En algunos valores experimentales de la difusividad de las proteínas se aprecia su diminución y en otros casos aumenta la difusividad al aumentar la concentración. Las cargas que tienen estas moléculas en su superficie contribuye a las reacciones de estos fenómenos. La poder realizar la predicción de la difusividad de solutos biológicos, se utiliza dos ecuaciones dependiendo del tamaño del soluto. Si es un soluto pequeño se utiliza la ecuación siguiente:

Donde: MB = Es el peso molecular del disolvente B. Cuando la forma de la molécula es muy diferente a una esfera, la ecuación se implementa con ciertas medidas. Por otro lado, están los solutos grandes, para los cuales se implementa la expresión de Stokes – Einstein:

Es recomendable usar la ecuación semiempírica de Polson para pesos moleculares superiores a 1,000, ya que es la más aproximada. La siguiente modificación de esta igualdad toma en consideración las diferencias de temperatura en soluciones acuosas diluidas:

Donde: MA = Es el peso molecular de una molécula grande A. La predicción de la difusividad de solutos pequeños en una solución proteica se difunde a través de una solución que contiene macromoléculas proteicas (P), en este caso no se puede utilizar la ecuación para predecir la difusividad del soluto pequeño debido al bloqueo a la difusión que producen las moléculas grandes. Los datos necesarios para pronosticar estos efectos son la difusividad DAB del soluto A en el agua sola, el agua de hidratación de la proteína y el factor de obstrucción. Se encuentran en la ecuación semiteórica que puede utilizarse para obtener el valor aproximado de la difusividad DAP de A en soluciones proteicas P de tipo globular es la siguiente donde solo se consideran los efectos del bloqueo:

Esta ecuación se utiliza para calcular el flujo especifico

La predicción de la difusividad con enlace que se realiza es cuando A está en una solución proteica P y se enlaza a P, el flujo de difusión de A es igual del soluto A no ligado en la solución más el flujo cuando los datos de enlace se han obtenido experimentalmente. La ecuación que se utiliza es:

Difusión en geles biológicos Los geles se consideran como materiales semisólidos “porosos” los cuales están constituidos por macromoléculas en solución acuosa diluida y el gel solo constituye un porcentaje en peso muy bajo de la solución. Los "poros" o espacios abiertos de la estructura del gel están llenos de agua. Las velocidades de difusión de solutos pequeños en geles son algo inferiores a las de soluciones acuosas. El efecto principal de la estructura del gel consiste en aumentar la longitud de la trayectoria de difusión, suponiendo que no haya efectos de tipo eléctrico (S7). Estudios recientes con microscopio electrónico (L4) han demostrado que las macromoléculas del gel de agarosa (uno de los principales constituyentes del agar) tienen forma de hilos largos relativamente rectos. Esto sugiere una estructura de macromoléculas de polisacárido en forma de red muy abierta y con un alto grado de formación de puentes de hidrógeno. Algunos geles típicos son la agarosa, el agar y la gelatina. Diversos polímeros orgánicos existen en forma de gel en diferentes tipos de soluciones.

Para medir la difusividad de solutos en geles, se usan métodos de estado no estacionario. En uno de ellos, el gel se funde y se vierte en un tubo estrecho abierto en un extremo. Después de la solidificación, el tubo se sumerge en un baño agitado que contiene el soluto para la difusión. El soluto sale de la solución en el límite del gel y se difunde a través de éste. Después de cierto tiempo, se determina la cantidad difundida para obtener el coeficiente de difusión del soluto en el gel. En algunos casos, se incluye la difusividad del soluto en agua pura para apreciar la disminución de la difusividad debida al gel. Tanto en agar como en gelatina, la difusividad de un soluto disminuye aproximadamente de forma lineal al aumentar el porcentaje en peso del gel. No obstante, la extrapolación al 0% proporciona un valor inferior al del agua pura. Cabe hacer notar que, en diferentes preparaciones o lotes de un mismo tipo de gel, las difusividades pueden variar de 10 a 20%.