Química-física del transporte Difusión: ley de Fick Bioenergética Potencial de membrana: ecuación de Nernst

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1 Transporte a nucleósidos través dey nucleótidos membranas Estructura de Química-física del transporte Difusión: ley de Fick Bioenergética Potencial de membrana: ecuación de Nernst Clasificación y tipos de transporte Distinciones bioenergéticas y cinéticas (mecanismos) Difusión facilitada Permeasas: Glut e intercambiador Cl-/HCO3 Canales iónicos: estructura, función y regulación ATPasas de membrana: Bombas iónicas Estructura y clasificación P-ATPasas: mecanismo, ejemplos y funciones V-ATPasas Transportadores ABC/Mdr1/CFTR Mecanismos de transporte acoplado Intercambiadores: mecanismo y bioenergética Transporte transepitelial: trabajo conjunto Transporte mediado por endocitosis Clasificación y tipos Potocitosis: transporte de folato Endocitosis mediada por receptor Transcitosis Ósmosis y fenómenos osmóticos Ley de van't Hoff Tonicidad de disoluciones: coeficiente de reflexión Equilibrio Gibbs-Donnan Regulación del volumen celular

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3 Permeabilidad de las membranas Agua H2O Gases O2, CO2, NO, CO, N2 polares pequeñas sin carga urea etanol, glicerol Ác. Acético Hidrófobas Ác. grasos pequeñas Esteroides polares grandes sin carga glucosa sacarosa iones K+, Na+, Ca2+, Mg2+ Cl-, HCO3-, H2PO4- polares cargadas aminoácidos glucosa--6-p ATP, nucleótidos

4 Permeabilidad e Hidrofobicidad K+ Na+ -12 glucosa trp Cl+ urea indol H2O -4-2 Coeficiente de permeabilidad, cm/h Permeabilidad Coeficiente de permeabilidad, cm/s Permeabilidad hidrofobicidad Coeficiente de reparto aceite/agua Hidrofobicidad Log P

5 Difusión libre: leyes de Fick Difusión: camino al azar (relaciones de Einstein) D= coeficiente de difusión x =0 (depende del tamaño) x =2 D t L 2 cm2 [D]= = T s d = 2 D t En tres dimensiones 2 r= 6 D t Movimiento browniano 2 n Flujo a través de una frontera: 1º ley de Fick 1 2 c2 c1 dn 1 dc = J = D, dt A dx [J ]= M mol = 2 2 L T cm s Flujo proporcional al gradiente de concentración Variación temporal: 2ª ley de Fick 2 dc dj d c = =D 2 dt dx dx n c x, t = D t e 2 t=1 C x2 4Dt Distribución gausiana t=4 t=16 t= X 1 2 3

6 Difusión a través de membrana δ cm dc m J = D = D dx = c im s ci c1m β=2 ; c im= cis ; c m= c s c1s β=1 D J = c s β=0.5 β=0.2 J = P c s 0 P= D 1 [P]= L TL 1 = cms 2 Coeficiente de permeabilidad Coeficiente de reparto Coeficiente de difusión ( Mr) Espesor de la membrana c2m x δ c2s

7 Energía libre y transporte equilibrio componente químico [ Na + ]destino G = RT ln [ Na ] + origen componente eléctrico zf E m E m=e destino E origen R = J mol-1 K-1 (1.987 cal mol-1 K-1) F = Cb mol-1 ( J mol-1 V-1 ) (23059 cal mol-1 V-1) 1 cal = J

8 Difusión de iones: potencial de membrana Membrana impermeable Em= 0 mv NaCl 15 mm NaCl 150 mm Membrana permeable a Na+ Em= -59 mv NaCl 15 mm NaCl 150 mm Na+ ΔV= 0 ΔV 0 constante Membrana permeable a Cl0 Em= +59 mv Membrana permeable a Na+ y Cl0 PNa>PCl NaCl 15 mm NaCl 150 mm NaCl 15 mm NaCl 150 mm Cl+ ΔV 0 constante Na+ Cl+ ΔV 0 transitorio

9 Potencial de equilibrio Inicio Em=0 Equilibrio Em=Eeq [ Na + ]destino G = RT ln [ Na ] + origen En el equilibrio zf E m G = 0 y E m = E eq E eq = - R T z F [ Na + ]destino ln [ Na ] + origen Ecuación de Nernst Walther Nernst Premio Nobel 1920 R = J mol-1 K-1 (1.987 cal mol-1 K-1) F = Cb mol-1 ( J mol-1 V-1 )

10 Transporte a nucleósidos través dey nucleótidos membranas Estructura de Química-física del transporte Difusión: ley de Fick Bioenergética Potencial de membrana: ecuación de Nernst Clasificación y tipos de transporte Distinciones bioenergéticas y cinéticas (mecanismos) Difusión facilitada Permeasas: Glut e intercambiador Cl-/HCO3 Canales iónicos: estructura, función y regulación ATPasas de membrana: Bombas iónicas Estructura y clasificación P-ATPasas: mecanismo, ejemplos y funciones V-ATPasas Transportadores ABC/Mdr1/CFTR Mecanismos de transporte acoplado Intercambiadores: mecanismo y bioenergética Transporte transepitelial: trabajo conjunto Transporte mediado por endocitosis Clasificación y tipos Potocitosis: transporte de folato Endocitosis mediada por receptor Transcitosis Ósmosis y fenómenos osmóticos Ley de van't Hoff Tonicidad de disoluciones: coeficiente de reflexión Equilibrio Gibbs-Donnan Regulación del volumen celular

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14 Ionóforos transportadores canales Complejo valinomicina-k+ Canal de gramicidina Valinomicina (K+) nonactina monensina (Na+) gramicidina En bicapa lipídica Hélice 6.3 hueca dímero cabeza-cabeza En solvente hidrófobo

15 Transporte a nucleósidos través dey nucleótidos membranas Estructura de Química-física del transporte Difusión: ley de Fick Bioenergética Potencial de membrana: ecuación de Nernst Clasificación y tipos de transporte Distinciones bioenergéticas y cinéticas (mecanismos) Difusión facilitada Permeasas: Glut e intercambiador Cl-/HCO3 Canales iónicos: estructura, función y regulación ATPasas de membrana: Bombas iónicas Estructura y clasificación P-ATPasas: mecanismo, ejemplos y funciones V-ATPasas Transportadores ABC/Mdr1/CFTR Mecanismos de transporte acoplado Intercambiadores: mecanismo y bioenergética Transporte transepitelial: trabajo conjunto Transporte mediado por endocitosis Clasificación y tipos Potocitosis: transporte de folato Endocitosis mediada por receptor Transcitosis Ósmosis y fenómenos osmóticos Ley de van't Hoff Tonicidad de disoluciones: coeficiente de reflexión Equilibrio Gibbs-Donnan Regulación del volumen celular

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17 D. facilitada: Glucosa permeasas Saturable Específico

18 Estructura de transportadores Glut Elementos funcionales 12 segmentos transmembrana 9 hélice anfipáticas (polares no cargados) haz de hélices (sitio de unión) Puentes de Hidrógeno Hélice anfipática Haz de hélices (bolsillo de unión)

19 Intercambiador Cl-/HCO3- : banda 3/pAE1 del eritrocito Capilares sistémicos alta pco2, baja po2 (metabolismo tisular) hemoglobina Anhidrasa carbónica eritrocito Proteína AE1 Capilares pulmonares baja pco2, alta po2 (ventilación) Anhidrasa carbónica eritrocito Efecto Bohr

20 Canales iónicos Componentes funcionales Filtro Bocas: externa e interna Fick Poro Boca externa Filtro selectivo Sensor Compuerta Saturable baja ΔG alto nº recambio (>107 ion/s) poro Sensor compuerta Boca interna Topología transmembrana Activados por cnmp Básico: 2TM/P Componentes adicionales Bucle P sensibles a Em INa, IK, ICa Unión de nucleótido TM No sensibles a Em Activados por ligando (R. Ionotrópicos) IK ir IK (Ca) big IK (rep) Unión de ligando

21 Canales iónicos: selectividad Canal de K+: estructura del poro mal ajuste Buen ajuste Selectividad= compensar desolvatación Bucle P extracelular citosol Filtro selectivo compuerta Poro iónico Vista superior

22 Mecanismos de compuerta Receptores ionotrópicos fam. nachr fam. iglur fam. P2X Canales dependientes de voltaje Na+, Ca2+ K+ etc. Canales dependientes de voltaje Ca2+ K+ etc. IK(M) Canales dependientes de voltaje y Ca2+ IK(Ca) Canales dep. camp (olor, gusto) Canales dep. cgmp (vista) Canales dep. ATP (célula β)

23 Transporte a nucleósidos través dey nucleótidos membranas Estructura de Química-física del transporte Difusión: ley de Fick Bioenergética Potencial de membrana: ecuación de Nernst Clasificación y tipos de transporte Distinciones bioenergéticas y cinéticas (mecanismos) Difusión facilitada Permeasas: Glut e intercambiador Cl-/HCO3 Canales iónicos: estructura, función y regulación ATPasas de membrana: Bombas iónicas Estructura y clasificación P-ATPasas: mecanismo, ejemplos y funciones V-ATPasas Transportadores ABC/Mdr1/CFTR Mecanismos de transporte acoplado Intercambiadores: mecanismo y bioenergética Transporte transepitelial: trabajo conjunto Transporte mediado por endocitosis Clasificación y tipos Potocitosis: transporte de folato Endocitosis mediada por receptor Transcitosis Ósmosis y fenómenos osmóticos Ley de van't Hoff Tonicidad de disoluciones: coeficiente de reflexión Equilibrio Gibbs-Donnan Regulación del volumen celular

24 Transporte activo primario: ATPasas de Membrana ATPasas tipo P Tetrámeros 2α/2β Asp-P (vanadato) m. plasmática y r. endoplásmico Na+, K+, H+, Ca2+ (y otros) asp-p P-asp ATPasas tipo V y F Muy complejas 3 integrales 8 periféricas Exclusivamente H+ D. integral: canal de H+ D. periférico: unión de ATP Intracelular ATP-sintasa mitocondrial Lisosomas vesículas sinápticas F: mitocondria ATP F1, V1 citosol matriz Canal de H+ F0, V0 citosol V: vesículas ATPasas tipo "transportadores ABC" 4 dominios 2T+2A Estructura diversa (mono-, di-, tetraméricas) Membrana plasmática Iones y compuestos orgánicos citosol ATP ATP extracelular

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26 Na+/K+-ATPasa de membrana Estructura Tetrámero 2α/2β Sitio de unión de ATP intracelular Asp-P Subunidad β: esencial para plegamiento 3 N-glicosilada 1 TM 40 kd Subunidad α: Centro activo citosol No glicosilada 10 TM 120 kd extracelula r Función Transporte vectorial 3 Na+ / 2K+ / 1ATP Inhibida por vanadato Inhibida por cardiotónicos (ouabaina digoxina) citosol aspp Pasp extracelular Actividad biológica control del volumen celular control del phi control de [Ca2+]i importación de metabolitos (cotransporte) excitabilidad eléctrica citosol Gradiente Na+/K % consumo ATP >60% en cerebro

27 Mecanismo de la Na+/K+-ATPasa

28 Cardiotónicos

29 ATPasas "transportador ABC" Estructura 4 dominios 2T+2A Estructura diversa (mono-, di-, tetraméricas) MDR CFTR 2T+2A fusionados 12 TM Función Membrana plasmática Exportación de mol. hidrófobas (MDR1) Canal de aniones (CFTR) Destoxificación interferencia antitutorales

30 Fármacos quimioterápicos y MDR

31 Estructura del CFTR

32 Transporte a nucleósidos través dey nucleótidos membranas Estructura de Química-física del transporte Difusión: ley de Fick Bioenergética Potencial de membrana: ecuación de Nernst Clasificación y tipos de transporte Distinciones bioenergéticas y cinéticas (mecanismos) Difusión facilitada Permeasas: Glut e intercambiador Cl-/HCO3 Canales iónicos: estructura, función y regulación ATPasas de membrana: Bombas iónicas Estructura y clasificación P-ATPasas: mecanismo, ejemplos y funciones V-ATPasas Transportadores ABC/Mdr1/CFTR Mecanismos de transporte acoplado Intercambiadores: mecanismo y bioenergética Transporte transepitelial: trabajo conjunto Transporte mediado por endocitosis Clasificación y tipos Potocitosis: transporte de folato Endocitosis mediada por receptor Transcitosis Ósmosis y fenómenos osmóticos Ley de van't Hoff Tonicidad de disoluciones: coeficiente de reflexión Equilibrio Gibbs-Donnan Regulación del volumen celular

33 Familias de transportadores F. co-transportador Na+-glucosa 14 TM 1-2 Na+:1 sustrato Intestinal (SGLT1), renal (SGLT2) Sitio de permeasa F. co-transportador Na+/Cl- de neurotransmisores 12 TM cotransporte Cl- obligado (antiporte K+) 2 Na+:1 Cl-:1 sustrato+ GABA, monoaminas, Gly/Pro, NTT4 exterior Cocaina, anfetas, tricíclicos citosol F. co-transportador de glutamato 8 TM antiporte K+ obligado 1Na+:1Glu-/1K+:HOExclusivamente Glu sináptico exterior citosol exterior F. antiportador Na+/Ca2+ 12 TM 3 Na+:1 Ca2+ citosol F. transportador dependiente de H+ 12 TM Antiporte 2 H+:1 sustrato+ Vesículas sinápticas y lisosomas (neurotransmisores) Reserpina, extasis(δh ) + citosol Luz vesícula

34 Transportadores de membrana y regulación del phi glucosa HOAntiportador Cl-/HOCl acidificación - glucosa Antiportador Na+/H+ lactato alcalinización Activado por H+ Na+ amilórido H+ CO2 H+ HCO3- HCO3- Cl Na+ - DIDS, SITS intercambiador Cl-/HCO3- Intercambiador Cl-/HCO3dependiente de Na+ HCO3acidificación acidificación inhibido por H+ Dependencia del ph de los transportadores de H+ y HCO3- velocidad relativa, % activado por H+ intercambiador Cl-/HCO3- antiportador Na+/H* intercambiador Na+ Cl-/HCO3pH intracelular

35 Transporte transepitelial de glucosa SGLT luz intestinal [Na+] alta (dieta, secretado) [glucosa] baja glucosa (activo) activo contra gradiente (pasivo) 2 Na+ Cl- 2 Na+ citosol [Na+] baja (12 mm) [glucosa] alta [K+] alta (150 mm) canal Cl- Cl- glucosa canal K+ (pasivo) gluc ADP Pi ATP 3 K+ pasivo a favor de gradiente Glut2 sangre (permeasa) [Na+] alta [glucosa] media (5.5 mm) [K+] baja (5 mm) gluluz+2na+luz glucit 2Na+cit+3K+sangre+ATP 3K+cit 2Cl-luz 2Cl-cit gluluz+2na+luz+2cl-luz+atp 2 Na+ glucosa 3 K+ Cl- Na+/K+-ATPasa (activo) glucit+2na+cit glusangre 2Na+sangre+3K+cit+ADP+Pi 3K+sangre 2Cl-cit 2Cl-sangre glusangre+2na+sangre+2cl-sangre+ ADP+Pi

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37 Transporte a nucleósidos través dey nucleótidos membranas Estructura de Química-física del transporte Difusión: ley de Fick Bioenergética Potencial de membrana: ecuación de Nernst Clasificación y tipos de transporte Distinciones bioenergéticas y cinéticas (mecanismos) Difusión facilitada Permeasas: Glut e intercambiador Cl-/HCO3 Canales iónicos: estructura, función y regulación ATPasas de membrana: Bombas iónicas Estructura y clasificación P-ATPasas: mecanismo, ejemplos y funciones V-ATPasas Transportadores ABC/Mdr1/CFTR Mecanismos de transporte acoplado Intercambiadores: mecanismo y bioenergética Transporte transepitelial: trabajo conjunto Transporte mediado por endocitosis Clasificación y tipos Potocitosis: transporte de folato Endocitosis mediada por receptor Transcitosis Ósmosis y fenómenos osmóticos Ley de van't Hoff Tonicidad de disoluciones: coeficiente de reflexión Equilibrio Gibbs-Donnan Regulación del volumen celular

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39 Potocitosis= endocitosis mediada por caveolina

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42 Transporte a nucleósidos través dey nucleótidos membranas Estructura de Química-física del transporte Difusión: ley de Fick Bioenergética Potencial de membrana: ecuación de Nernst Clasificación y tipos de transporte Distinciones bioenergéticas y cinéticas (mecanismos) Difusión facilitada Permeasas: Glut e intercambiador Cl-/HCO3 Canales iónicos: estructura, función y regulación ATPasas de membrana: Bombas iónicas Estructura y clasificación P-ATPasas: mecanismo, ejemplos y funciones V-ATPasas Transportadores ABC/Mdr1/CFTR Mecanismos de transporte acoplado Intercambiadores: mecanismo y bioenergética Transporte transepitelial: trabajo conjunto Transporte mediado por endocitosis Clasificación y tipos Potocitosis: transporte de folato Endocitosis mediada por receptor Transcitosis Ósmosis y fenómenos osmóticos Ley de van't Hoff Tonicidad de disoluciones: coeficiente de reflexión Canales de agua: Acuaporinas Equilibrio Gibbs-Donnan Regulación del volumen celular/presión osmótica

43 Las membranas biológicas son muy permeables al agua

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48 Acuaporinas: Estructura y función Acuaporinas: canales de H2O 6TM (3+3 invertido) Tetrámeros Impermeable a iones y mol. pequeñas Columna de H2O en poro invertido A B C A' B' C' extracelular citosol Transporte s-1 directo CHIP 28 kda Acuaporinas: localización y funciones localización función AQP-1 ubicua: rinón, pulmón, Reabsorción de agua en túbulos ojo, plexos coroideos colectores; secreción de fluido en humor acuoso y líquido cefalorraquideo; homeostasis de agua en el pulmón AQP-2 Rinón: Túbulo colector Reabsorción de agua (diabetes insípida) AQP-3 Rinón: Túbulo colector Retención de agua AQP-4 cerebro: vellosidades Reabsorción de líquido cefalorraquideo en SNC. Regulación del edema cerebral aracnoideas AQP-5 glándulas salivares, lacrimales y epitelio alveolar secreción de fluido

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