CURSO BIOLOGÍA CELULAR TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANAS. Profesor Dr. Marco Tulio Núñez

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1 CURSO BIOLOGÍA CELULAR TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANAS Profesor Dr. Marco Tulio Núñez Departamento de Biología, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile

2 Difusión de moléculas y iones en solución En una solución los solutos se transportan debido a fuerzas impulsoras, que pueden ser gradientes de concentración, potencial eléctrico o presión. Difusión: es el transporte neto de un soluto desde una región de mayor potencial químico a otra de menor potencial químico. Si el soluto es neutro este difunde desde una región de mayor concentración a otra de menor concentración La base molecular de la difusión está en el movimiento al azar de las partículas de soluto debido choques entre ellas o con el moléculas del solvente, causado por la agitación térmica.

3 Difusión

4 Primera ley de Fick Fick (1855) descubrió empíricamente que la velocidad de difusión de un soluto (flujo, J) es directamente proporcional al gradiente de concentración: J = -D(dC/dx) J = No de moléculas o iones transportados por unidad de tiempo a través de la unidad de área (moles s-1 cm-2); D (cm 2 s -1 ): coeficiente de difusión del soluto; -(dc/dx): gradiente de concentración; -dc/dx

5 Difusión de un soluto a través de la membrana celular Si el medio donde se realiza la difusión es la membrana celular y si suponemos que el gradiente de concentración del soluto es lineal a través de ésta, la ecuación de Fick queda: J = -D(dC/dx) = -D( C/ x)= -D(C e - C i )/δ = P(C e - C i ) = P C J = P C C e1 C e membrana C e2 δ ( Δx) C i Donde: J = flujo de soluto: (moles s -1 cm -2 ); δ = grosor de la membrana P = -D/δ (cm/s) es el coeficiente de permeabilidad del soluto en la membrana C = diferencia de concentración del soluto a través de la membrana. Al equilibrio las concentraciones del soluto en el medio externo e interno se igualan: C e = C i y el flujo neto es????

6 Osmosis Es el flujo de volumen J, del solvente (agua) a través de una membrana semipermeable que separa dos soluciones de diferente concentración. Lp: coef. de filtración. J v = L p ( π - p) La presión hidrostática, p, aplicada que impide el flujo neto de agua equivale a la presión osmótica (π) de la solución que contiene el soluto. Lodish et al. 2004

7 Osmosis La expresión que describe la presión osmótica π de una solución fue derivada por van t Hoff depende de la concentración de cada una de las especies disueltas: π =. RT(C 1 + C 2 +.C n ) =RT ΣC i Donde R, es la constante de los gases, T la temperatura absoluta y C i concentración del soluto i. la La diferencia de presión osmótica a través de la membrana es entonces: π = RT Σ Ci : p Lodish et al. 2004

8 Respuestas de células animales y vegetales a cambios en la osmolaridad del medio Lodish et al. 2004

9 Potenciales de membrana En las células, las membranas (plasmática o de organelos) separan compartimentos con distintas composiciones iónicas. Los iones [aniones (-) y cationes (+)] presentan diferentes permeabilidades o velocidades de difusión a través de las membranas. Estas diferencias en permeabilidades generan diferencias de potencial eléctrico a través de la membrana. tiempo 0 equilibro V A Lodish et al B

10 Potenciales de membrana Si la membrana es permeable a sólo una especies iónica (ej. al ión K + ) que se encuentra a diferente concentración a ambos lados de ésta, la difusión del ión produce un leve exceso de cargas positivas en el compartimiento de menor concentración, que genera una diferencia de potencial eléctrico ( V o E) a través de la membrana, llamado, potencial de difusión. tiempo 0 equilibro V A Lodish et al B

11 Potenciales de membrana El flujo neto del ión se detiene cuando la magnitud del potencial es tal que se balancea con efecto del gradiente de concentración. Esta situación de equilibrio está descrita por la Ecuación de Nernst. RT C e RT [K + ] e [K + ] e E = V = ln = ln = 58 log (mv) zf C i zf [K + ] i [K + ] i Donde, R es la constante de los gases (8,31 J mol -1 o K -1 ), T, la temperatura absoluta (273 + t o C), z la carga del ión, F la constante de Faraday ( Coulomb mol -1 ), y C e y C i las concentraciones del ión en cada compartimento (mol).

12 Transporte a través de las Membranas Biológicas Debido a la naturaleza no polar de la bicapa, las membranas de fosfolípidos puros son altamente impermeables a iones y moléculas orgánicas polares. Tamaño, Carga, Polaridad Lodish et al. 2004

13 Transporte a través de las Membranas Biológicas Las membranas celulares tienen una permeabilidad mucho mayor a iones y moléculas polares como azúcares que lo predicho para una membrana constituida solo por una bicapa de fosfolípidos. La razón es que varias de las proteínas integrales de membrana constituyen vías específicas de transporte para iones y moléculas polares y agua que facilitan su paso: transporte o difusión facilitada DIFUSIÓN FACILITADA Transporte a favor del gradiente de potencial químico TRANSPORTE ACTIVO Transporte en contra del gradiente de potencial químico

14 Transporte a través de las Membranas Biológicas En las membranas celulares los principales tipos de proteínas de membrana que facilitan el transporte de iones y moléculas polares son los canales de iones, canales de agua, los transportadores y las bombas de iones. A través de las proteínas transportadoras los solutos se pueden mover a favor de su gradiente de potencial químico (transporte o difusión facilitada) o en contra de su gradiente (transporte activo). DIFUSIÓN FACILITADA Transporte a favor del gradiente de potencial químico TRANSPORTE ACTIVO Transporte en contra del gradiente de potencial químico

15 Difusión Facilitada La Difusión Facilitada de solutos (iones o moléculas orgánicas polares pequeñas) tiene lugar a través de proteínas de transporte como canales iónicos o transportadores, a favor del gradiente de potencial químico. Es más rápida que lo que predice la ecuación de Fick Es específica para un soluto determinado Es saturable (se llega a un flujo máximo J max o V max ) J G = P G C Lodish et al. 2004

16 Proteínas de membrana transportadoras de solutos Lodish et al. 2004

17 Proteínas de membrana transportadoras de solutos Lodish et al. 2004

18 Canales de iones Son proteínas integrales de membrana plegadas formando un poro a través del que se transportan iones. El tamaño del poro y la densidad de cargas en su interior determinan su selectividad a los diferentes iones. Pueden estar en un estado conformacional no conductor (cerrado) o conductor (abierto).

19 Canales de iones Su apertura o cierre puede estar regulada por factores físicos (voltaje, tensión mecánica) o químicos (iones, neurotransmisores, hormonas, fosforilación, etc.). Pueden estar constituidos por una o varias cadenas polipeptídicas. En el estado abierto, transportan 10 7 a 10 8 iones/s, Están involucrados en procesos fisiológicos como conducción del impulso nervioso, secreción celular, regulación del volumen celular, apertura de estomas, quimiotaxis, etc.

20 Algunos canales de iones están constituidos por una sola cadena polipeptídica Lodish et al. 2004

21 Algunos canales de iones están formados de varias subunidades Lodish et al Algunos canales de K + y canales activados por nucleótidos, cng, forman homotetrámeros.

22 La permeación de los iones a través del poro del canal puede considerarse como un proceso de saltos a través de barreras de energía y unión a sitios de la proteína G A S 1 B S 2 x Inter. ión-dipolo Unión a sitios en el canal Inter. ión-dipolo

23 Canales de agua o acuaporinas En las células el agua se transporta a través de proteínas de membrana llamadas canales de agua o acuaporinas, que forman poros selectivos al agua, excluyendo iones y otras moléculas orgánicas polares de bajo PM La permeabilidad al agua aumenta de cm/s a cm/s. La expresión de estos canales de agua se ha detectado mediante ensayos de hinchamiento de ovocitos Xenopus expuestos a un medio hipotónico, inyectados con mrna que codifica para acuaporinas. exptal. control Lodish et al ,5 min 1,5 min 2,5 min 3,5 min

24 Canales de agua o acuaporinas. Los canales están formados por homotetrámeros de subunidades de 28 kda c/u con seis hélices. La cadena polipeptídica posee seis dominios de transmembrana acuaporina γ-tip de tonoplasto, Se ha postulado los monómeros son las unidades funcionales que forman poros de un radio de entre 1,5 a 2,0 Å. Las moléculas de agua se moverían en fila india: cinco a nueve moléculas de agua ocuparían la vía del transporte.

25 Transportadores Los transportadores son proteínas integrales de membrana mono u oligoméricas que a igual que los canales iónicos poseen varios dominios de transmembrana con estructura de hélices α. Pueden transportar una especie molecular o ión a favor de su gradiente de potencial: transportador simple (uniporters). También existen los cotransportadores (simporters) y los contratransportadores (antiporters) que pueden catalizar el transporte de un soluto en contra de su gradiente de potencial químico acoplado al movimiento de otros iones o moléculas a favor de su gradiente de potencial químico.

26 Modelo de la difusión facilitada de D-Glucosa mediada por el transportador GLUT-1

27 Estructura de los transportadores Modelo estructural de un típico transportador de células eucarióticas de 12 segmentos de transmembrana. Por ejemplo el transportador de glucosa GLUT1.

28 Mantención de los gradientes iónicos: Transporte Activo. Las células mantienen asimetrías iónicas entre el interior y el exterior. Esto lo hacen transportando iones en contra de su gradiente de potencial químico. A este tipo de transporte se le denomina transporte activo. El transporte activo de iones no es un proceso que ocurra espontáneamente ya que su G es positivo. Para que ocurra, debe estar acoplado a un proceso cuyo G q sea negativo de modo que la suma sea < 0. G t + G q < 0 La concentración de K + es mayor en el citosol que en el exterior y lo contrario ocurre con el Na +. K + Na +

29 Bombas iónicas o ATPasas transportadoras de iones En las membranas celulares existen bombas iónicas o ATPasas transportadoras de iones que conducen activamente iones usando como fuente de energía ( G) de hidrólisis del ATP Se encuentran en las membranas plasmáticas de células animales, vegetales y bacterias y en membranas de organelos (mitocondrias, cloroplastos, vacuolas, endosomas, etc.). Existen tres tipos de bombas iónicas: ATPasas de membrana tipo P, tipo V y Tipo F, que se diferencian por su estructura molecular así como por el mecanismo de transporte activo.

30 Bombas iónicas o ATPasas transportadoras de iones ATPasas de membrana tipo P Están presentes en las membranas plasmáticas de células eucarióticas y en organelos como retículo endoplásmico, aparato de Golgi. Están formadas por una o dos cadenas polipeptídicas y durante el ciclo de transporte forman un intermediario fosforilado : Mg 2+ C i+ + E 1 E 1 C i+ + ATP E 1 C i+ ATP E 1 C i+ Pi + ADP

31 Esquema del ciclo de transporte de Na + y K + por la bomba de sodio Es la más estudiada de las bombas tipo P. Está presente en las MPs de las células animales y mantiene los gradientes de concentración de Na + y K + entre la célula y el medio extracelular. Transporta 3 iones Na + hacia el espacio extracelular y 2 K + hacia el citosol utilizando una molécula de ATP por cada ciclo de transporte. K + release (intracellular) Lodish et al. 2004

32 Estructura de la Na + -K + -ATPasa Está compuesta de dos subunidades: una α, con un peso de 110 kda y otra β, más pequeño de alrededor de 55 kda. Las funciones catalíticas están en la subunidad α, que contiene el residuo fosforilable por el ATP. La cadena α ( 1000 AAs) posee 10 segmentos de transmembrana unidos por 5 cortas asas extracelulares (análogo a otras ATPasas tipo P) y está muy conservada. La subunidad β un glicopéptido ( 370 AAs) tiene un solo segmento transmembrana y expone la mayor parte de su estructura muy plegada al interior. Se postula que se requiere para el adecuado plegamiento de la proteína y su destinación a la membrala plasmática. Sitio de fosforilación As369 α β extracelular citosol

33 ATPasas de membrana tipo V Están presentes en las membranas de las vacuolas y en organelos como lisosomas, retículo endoplásmico, cisternas del aparato de Golgi y endosomas, bombean electrogenicamente H + desde el citosol al lumen del organelo. Están compuestas de dos partes. Una parte hidrofóbica integral en la membrana (V 0 ) formada por varias copias del proteolípido c y una de a y que constituye la vía de transporte de protones. La forman siete tipos de subunidades diferentes con un PM total de entre 400 y 500 kda Una cabeza (V 1 ) hidrofílica que está orientada hacia el citoplasma y donde se realiza la hidrólisis del ATP. H + H + H + lumen organelo citosol H + Lodish et al. 2000

34 ATPasas de membrana tipo F Están presentes en las membranas plasmáticas de las bacterias, en la membrana tilacoide de cloroplastos y en la membrana interna de las mitocondrias. Catalizan la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi. La energía proviene del gradiente de potencial electroquímico de protones (H + ) a través de la membrana generado por la actividad de la cadena transportadora de electrones. Es decir, actúan como ATP sintasas. Al igual que las ATPasas tipo V están formadas por dos dominios: F 1 y F 0 El complejo integral F 0 contiene tres tipos de subunidades a, b y c: (a 1 b 2 c 10 en bacterias) y contiene el canal a través del que se transportan los protones. El complejo F 1 está compuesto de 5 polipéptidos diferentes :α,β, y γ. ADP + Pi ATP lumen mitocondria Lodish et al H + H + H + H + H+ espacio inntermembranas

35 Diversos procesos de transporte en el eritrocito

36 Fin

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