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Es una ley cuantitativa en forma de ecuación diferencial, la cual describe diversos casos de difusión de materia o energía en un medio en el que inicialmente no existe equilibrio químico o térmico. Recibe su nombre de Adolf Fick, que las derivó en 1855.
La ley de Fick nos dice que el flujo difusivo que atraviesa una superfice (J en mol cm -2 s -1) es directamente proporcional al gradiente de concentración. El coeficiente de proporcionalidad se llama coeficiente de difusión (D, en cm 2 s -1 ).
La primera Ley de Fick determina el flujo neto de átomos:



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El signo negativo indica el movimiento de los átomos de la concentración más alta a la más baja

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En situaciones en las que existen gradientes de concentración de una sustancia, o de temperatura; se produce un flujo de partículas o de calor, tiende a homogeneizar la disolución y uniformizar la concentración o la temperatura. El flujo homogenizador es una consecuencia estadística del movimiento azaroso de las partículas que da lugar al segundo principio de la termodinámica, conocido también como movimiento térmico casual de las partículas. Es así como los procesos físicos de difusión pueden ser vistos como procesos físicos o termodinámicos irreversibles.

Durante la difusión hay varios factores que afectan el flujo de los átomos:

Gradiente de concentración.

El gradiente de concentración muestra la forma en que la composición del material varía con la distancia; ∆c es la diferencia de concentración a lo largo de una distancia ∆x. El gradiente de concentración puede crearse al poner en contacto dos materiales de composición distinta cuando un gas o un líquido entra en contacto con un material sólido.

DEDUCCIÓN DE LA LEY DE FICK
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Fig: Varias expresiones de la Ley de Fick




Información adicional sobre la ley de Fick podemos encontrar en el siguiente documento:








APLICACIONES
En las membranas celulares
La membrana celular, en general, se encuentra constituida por fosfolípidos,los cuales están formados por una cabeza polar hidrofílica (fosfato cargado eléctricamente) y dos colas apolares e hidrofóbicas (ácidos grasos). De acuerdo con las propiedades de los fosfolípidos, estos se organizan formando una bicapa lípidica, la cual se constituye en una barrera de protección y proceso de intercambio de sustancias con el medio externo.

La membrana celular limita el intercambio de moléculas o sustancias, puesto que presenta una permeabilidad selectiva que interviene en los procesos de transporte, los cuales pueden ser de carácter activo o pasivo. Dentro del transporte pasivo se encuentra el paso de moléculas por difusión simple y facilitada (canales o poros), que se da debido a la diferencia de concentraciones en el interior y exterior de la membrana, generando un gradiente de concentración proporcional al flujo neto, razón por la cual no requiere energía adicional.

El transporte activo, a diferencia del pasivo, se presenta a través de transportadores, los cuales requieren de energía para transportar moléculas a través de la membrana aún en contra del gradiente de concentración, un ejemplo de ello, son las proteínas que hacen parte de las membranas celulares, estas utilizan la energía proporcionada por el ATP o por los carbohidratos de la membrana para transportar moléculas.

Farmacocinética es la rama de la farmacología que estudia los procesos a los que un fármaco es sometido a través de su paso por el organismo. Trata de dilucidar qué sucede con un fármaco desde el momento en el que es administrado hasta su total eliminación del cuerpo.


A continuacion un documento sobre la biofisica de las membranas:

Biofisica de membranas
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Características de la absorción

Hay que tener presente la existencia de una serie de factores que modifican la absorción:

  1. Solubilidad: la absorción del fármaco es más rápida cuando está en solución acuosa con respecto a si está en solución oleosa, y, a su vez, ambas son más rápidas que la que presentaría en forma sólida.
  2. Cinética de disolución de la forma farmacéutica del medicamento. De la misma depende la velocidad y la magnitud de la absorción del principio activo.
  3. Concentración del fármaco: a mayor concentración, mayor absorción.
  4. Circulación en el sitio de absorción: a mayor circulación, mayor absorción.
  5. Superficie de absorción: a mayor superficie, mayor absorción.

Teniendo en cuenta estos factores, los mecanismos por los cuales, independientemente de la vía usada, se produce la absorción son los siguientes:

Absorción pasiva o difusión pasiva
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Mecanismos de absorción.

El paso de la sustancia implicada se produce sin gasto de energía, a favor de gradientes de concentración. Puede producirse a través de la membrana propiamente dicha o a través de ciertas proteínas que forman poros.
  • Difusión simple: depende del tamaño de las moléculas, y puede realizarse a través de la bicapa lipídica de la membrana o a través de los poros acuosos constituidos por las proteínas insertas en la misma. Las sustancias no ionizadas tienen mayor facilidad para la misma, siguiendo la ley de Fick, por la cual

Flujo = frac {(C_M - C_m) . S . P}{E}
Flujo = frac {(C_M - C_m) . S . P}{E}


En donde C representa las concentraciones a ambos lados de la membrana, S es el área de interacción, P el coeficiente de permeabilidad y E el espesor de la membrana. Ecuación de donde se deduce que las sustancias tienden a ionizarse cuando el medio muestra un pH contrario a su naturaleza.

  • Difusión facilitada: se debe a la presencia de un gradiente a ambos lados de la membrana para otras moléculas que tienen la propiedad de unirse al fármaco y arrastrarlo en su migración. Son las moléculas facilitadoras, y se incluyen dentro de la difusión pasiva debido a que no consumen energía en su trasiego. Sin embargo, a diferencia de la difusión simple, este mecanismo es saturable, al depender del número de moléculas facilitadoras.

Absorción activa o transporte activo
El paso de la sustancia implica un gasto energético en forma de moléculas de ATP. Permite la absorción contra gradiente y depende también de las moléculas facilitadoras, que en esta ocasión no migran en función de un gradiente, sino gracias al gasto energético. Por tanto es un mecanismo también saturable. Se realiza mediante las proteínas bomba de la membrana (ATP Binding Cassete), teniendo especial transcendencia la MDR1 (del inglés MultiDrug Resistence tipo 1) que exporta un gran número de fármacos y es factor clave de la resistencia de las células cancerosas a los quimioterápicos.

La endocitosis es un mecanismo propio de algunas células por el que mediante la formación de vesículas originadas a partir de la membrana citoplásmica, introducen en su interior sustancias externas a ellas. Es un mecanismo que consume gran cantidad de energía, pero tiene la ventaja de introducir grandes cantidades de material al interior celular.

La difusión y el metabolismo bacteriano:

Suponiendo una bacteria esférica de radio R que esta sumergida en un lago y, además su naturaleza es aeróbica la cual la hace consumir el oxigeno en una concentración c0perteneciente al agua que la rodea, en una forma que se va gastando el más próximo a ella y considerando también que el tamaño del lago en comparación con el de la bacteria es mucho mayor, de tal forma que el oxígeno consumido por esta no afecta de manera significativa la concentración de oxigeno presente en el lago la bacteria llegara a un estado en el cual la concentración c del oxigeno no dependerá del tiempo y dependerá de la distancia r al centro de la bacteria, es decir, ahora la concentración de dicho estado es c(r).

De aquí que cada una de las moléculas de oxigeno que llegan a la superficie de la bacteria es tragada por esta de manera que en la superficie de la bacteria c(R) = 0 que la ser estudiado a partir de la ley de Fick nos lleva a que debe haber un flujo j entrante de moléculas de oxigeno en la bacteria. Por ejemplo, necesitamos conocer la concentración c(r) y el numero máximo de moléculas de oxigeno que pudiera consumir nuestra bacteria por unidad de tiempo. Entonces imaginamos una serie de capas concéntricas de diferentes radios alrededor de nuestra esfera de donde asumimos que todas las moléculas de oxigeno que se dirigen hacia ella y atraviesan estas capas en tiempos iguales sin presentar acumulaciones en ninguna de ellas, lo que significa que el flujo j(r) es constante, es decir, que las moléculas atraviesan las capas por unidad de tiempo multiplicado por el área de la superficie de la capa que esta atravesando es el mismo para todas las capas e independiente de r. Llamamos I a esta constante.

La ley de Fick establece que j = D(dc / dr) pero j = I / (4πr2) con lo cual obtenemos que c(r) = A − (1 / r)(I / 4πD) donde A es una constante de integración. Sabemos que la concentración cuando se encuentra a una distancia, por decirlo asi, infinita de la bacteria es igual a la concentración inicial c0 y sobre la superficie de la bacteria es c(r) = 0, entonces, según esto encontramos que A = c0 e I= 4πDRc0.


A continuación se puede observar en el siguiente video una pequeña explicación sobre todo lo anteriormente mencionado sobre la Ley de Fick:












Por último se puede evidenciar una presentación sobre la ley de Fick y sus distintas aplicaciones:
[5]Ley de Fick y Aplicaciones