Lección 22. Mecanismos de transporte a través de membranas

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1 Lección 22. Mecanismos de transporte a través de membranas Objetivos: 1. Diferenciar los mecanismos de transporte de solutos apolares y de solutos polares a través de las membranas 2. Clasificar los diferentes sistemas de transporte celulares según su mecanismo de acción: transporte no mediado y transporte mediado 3. Describir las características termodinámicas y cinéticas de cada mecanismo de transporte 4. Estudiar y ver ejemplos de difusión simple 5. Estudiar y ver ejemplos de transporte mediado pasivo; diferenciar transportadores y canales Bibliografía: Stryer 6ª ed. Cp 13, Lehninger 5ª ed. Cp 11, y Devlin 5ª ed. Cp. 12

2 Transporte a través de membranas celulares Conceptos Transporte Translocación de una molécula de soluto S de 1 a 2 o vicebersa Molécula liposoluble Molécula hidrofóbica Es repelida por el agua No es soluble en agua o lo es muy poco Es soluble en lípidos. Ejemplos: Sustancias apolares, ácidos grasos, colesterol Gases: O 2 CO 2 N 2 CO 2 (in) 1 (out) S 2 S 1 Membrana celular 70% lipídica Atraviesan la membrana con facilidad Molécula hidrosoluble Molécula hidrofílica Repele los lípidos No es soluble en lípidos o muy poco Es soluble en agua Ejemplos: Sustancias polares: glúcidos, iones, y en general, sustancias capaces de formar puentes de H con el agua Cómo se transportan las moléculas hidrosolubles a través de la membrana?

3 Importancia biológica de estos hechos Fenómenos vitales para las células y los organismos como: Captación de nutrientes Eliminación de catabolitos Control de la composición celular y del volumen celular Mecanismos de absorción y secreción en los epitelios Se llevan a cabo mediante procesos de transporte a través de membranas Cómo se produce el transporte de solutos polares a través de las membranas biológicas?

4 Revisión de los fundamentos termodinámicos y cinéticos del transporte a través de membranas Estudiaremos el transporte a través de membranas desde dos puntos de vista: 1. Termodinámico Estado inicial Estado final 2. Cinético (tiempo 0) (equilibrio) 1. Termodinámica del transporte El cambio de energía libre para el transporte de 1 mol de soluto S desde una región en la que la concentración es C 1 a un lugar en el que la concentración es C 2 viene dado por: v 2 v2 ΔG = RT ln C 2 /C 1 v 1 v 1 Para t=0, C 1 >> C 2 ΔG < 0 (espontáneo) Con el paso del tiempo C y C 1 2 hasta C 1 =C 2 ΔG = 0, el sistema está en equilibrio 2. Cinética del transporte v 1 = k C 1 ; v 2 = k C 2 Cuando C 1 = C 2 v 1 = v 2 Flujo neto =0

5 Tres condiciones que alteran las ecuaciones anteriores 1. Unión del soluto S a macromoléculas: C = concentración de S libre 2. Diferencia de potencial eléctrico de membrana (ΔΨ = Ψ dentro - Ψ fuera ) o potencial transmembrana y transporte de iones C dentro ΔG = RT ln + zf ΔΨ C fuera Potencial de equilibrio: ΔΨ tal que ΔG = 0 (C dentro C fuera ) 3. Acoplamiento a un proceso termodinámicamente favorecido ΔG global = RT ln + zf ΔΨ + ΔG favorecido C dentro C fuera

6 Así, según los principios termodinámicos y cinéticos enunciados, podemos preguntarnos: 1. Se puede producir transporte de soluto en contra de su gradiente de concentración? Transporte concentrativo 2. A qué velocidad se produce el transporte? Concepto de tiempo eficaz

7 Clasificación de los mecanismos de transporte de solutos a través de membranas 1. Transporte no mediado o difusión simple (Bicapa lipídica) ( G < 0) 2. Transporte mediado (Proteínas de membrana) 2.1. T. M. Pasivo o difusión facilitada ( G < 0) Transportadores Canales 2.2. T. M. Activo ( G > 0) TMA Primario (ATP) Bombas o ATPasas TMA Secundario (Grad Na + ) Cotransporte con Na+

8 1. Transporte no mediado. Difusión simple La difusión simple es un mecanismo de transporte no mediado: la sustancia atraviesa la membrana disolviéndose en los lípidos de la bicapa lipídica sin interaccionar con las proteínas de la membrana 1 (fuera) Termodinámica El sistema se ajusta a la ecuación ΔG = RT ln C 2 /C 1 Por lo tanto: 2 (dentro) C 1 > C 2 S 2 S 1 Es un mecanismo de transporte pasivo: no consume energía, es espontáneo, ΔG < 0 El sentido de la translocación es siempre desde [S] más alta a [S] más baja: a favor de gradiente de concentración (gradiente químico) Cuando C 1 = C 2 se alcanza el equilibrio: ΔG = 0 No es concentrativo Es un mecanismo posible solamente para moléculas liposolubles

9 Cinética de la difusión simple La velocidad o flujo neto (J) viene dada por la 1ª ley de la difusión de Fick: J = P(C 1 C 2 ) = P ΔC J = flujo neto o velocidad de difusión/unidad de superficie (moles/s.cm 2 ) P = Coeficiente de permeabilidad de la membrana para esa molécula (s -1.cm -1 ) Depende de la temperatura y de las características membrana-soluto. Están tabulados Por lo tanto, en la difusión simple La fuerza que determina el flujo de la sustancia es el gradiente químico ΔC J aumenta indefinidamente al aumentar el gradiente químico: No hay saturación J A tª = cte P Se alcanza el equilibrio cuando C 1 = C 2 J = 0 No es concentrativo ΔC

11 2. Transporte mediado Los solutos hidrosolubles no atraviesan las bicapas lipídicas a una velocidad eficaz Se puede considerar que las bicapas lipídicas son impermeables a los solutos hidrosolubles: son grandes barreras de energía para ellos Los solutos hidrosolubles atraviesan las membranas a velocidad eficaz gracias a las proteínas integrales de membrana Se establece una interacción específica soluto-proteína Se reduce la barrera termodinámica Soluto hidratado Difusión simple sin transportador Transportador G G Tomado de Lehninger 3ª ed. Difusión simple Difusión con transportador Nótese la semejanza del papel de una proteína transportadora con el de un enzima

12 2. Transporte mediado. Características cinéticas generales 1. Velocidad y especificidad Velocidad de transporte J (mol/s.cm 2 ) Bicapa lipídica (1) Membrana de eritrocitos (2) Glucosa (2) Manitol 4.4 x x 10-9 Cl Cinética de saturación Interacción soluto-proteína 3. Inhibición y regulación (1) Difusión simple

14 2.1. Transporte mediado pasivo. Difusión facilitada Los mecanismos de transporte mediado pasivo translocan solutos a través de las membranas celulares sin consumo de energía: ΔG < 0 Termodinámica C dentro ΔG = RT ln + zf ΔΨ C fuera Un sistema de transporte mediado pasivo es aquel en el que ΔG < 0 el movimiento del soluto tiene lugar espontáneamente, a favor de su gradiente de potencial electroquímico Según el mecanismo de acción se diferencian dos grandes grupos de sistemas de transporte mediado pasivo: a) Transportadores (translocasas, permeasas, etc) b) Canales

15 Transportadores. Características generales out in Además de las características cinéticas vistas para el transporte mediado pasivo, los transportadores presentan algunas características peculiares: Velocidad de transporte: Nº de recambio o nº de moléculas transportadas/s = moléculas/s Cambios conformacionales T 1 El transporte o translocación del soluto ocurre en cuatro etapas La unión o separación del soluto al transportador (interacción) produce cambios de conformación en el transportador (T 1 y T 2 ) Todas las conformaciones están en equilibrio unas con otras Cambios conformacionales T 2 El sitio de unión al soluto se expone alternativamente a un lado o a otro de la membrana Tomado de Devlin 4ª ed. T 1

16 Los transportadores se agrupan en tres clases generales Los transportadores difieren en el número de solutos transportados y en el sentido en el que los mueven Cotransportador Uniporte Intercambiador Tomado de Lehninger 3ª ed.

17 Intercambiador Cl - / HCO 3 - de los eritrocitos Constituye el 30% de las proteínas de la membrana plasmática de los eritrocitos (prot. de banda 3) Este sistema de transporte es el que posibilita el transporte de CO 2 desde los tejidos a los pulmones por el plasma El intercambio de aniones se produce sin gasto de energía La dirección del flujo de cada anión viene determinada por su gradiente de potencial electroquímico en cada lugar ΔG anión = RT ln C dentro C fuera + zf ΔΨ El acoplamiento de los movimientos de estos dos iones es obligado Tejidos Membrana plasmática del eritrocito Pulmones

18 Clasificación de los mecanismos de transporte de solutos a través de membranas 1. Transporte no mediado o difusión simple (Bicapa lipídica) ( G < 0) 2. Transporte mediado (Proteínas de membrana) 2.1. Pasivo o difusión facilitada ( G < 0) Transportadores Canales 2.2. Activo ( G > 0) Primario (ATP) Bombas o ATP asas Secundario (Grad Na + ) cotransporte con Na +

19 Canales. Características generales (I) Los canales son proteínas integrales de membrana que forman túneles o conductos acuosos por los que pueden difundir los iones Los canales transportan iones (Na +, K +, Cl -, Ca 2+ ), y agua (acuaporinas) Características del transporte por canales Velocidad: moléculas/s Es una velocidad muy alta próxima a la máxima posible Selectividad y especificidad: los canales son muy selectivos para cada ión Cinética: Aparentemente, en condiciones fisiológicas, no hay saturación Los canales se pueden inhibir y regular Se puede controlar el flujo de iones Cuando el canal está abierto, es accesible al soluto desde ambos lados de la membrana simultáneamente El soluto puede circular en un sentido u otro según el gradiente de potencial electroquímico J ΔC

20 Canales. Características generales (II) Los canales pueden estar en tres conformaciones principales: abiertos C 1 cerrados inactivados C 2 J = 0 J = 0 C 1 > C 2 J = f (ΔC) Los cambios conformacionales de los canales están inducidos por diferentes factores de activación Según el factor de activación ó de apertura de los canales éstos se clasifican en dos clases: 1. Canales dependientes de ligando, o regulados por ligando 2. Canales dependientes de voltaje, o regulados por voltaje

21 1. Canales dependientes de ligando Constituyen una familia cuyos miembros presentan una gran homología estructural Ejemplos: Receptor nicotínico de acetilcolina (nachr) Receptor de GABA Receptor de glutamato Canal de Cl - de la fibrosis quística: CFTR (Investigación y Ciencia, febrero 1996, Devlin 4ª ed. Cp. 12, Stryer 5ª ed. Cp 13) Superfamilia de proteínas transportadoras con dominios de unión para ATP (ABC)

22 Receptor nicotínico de acetilcolina (nachr) (I) (Stryer 6ª ed. Cp 13) Neurotransmisor colinérgico El nachr se encuentra en la membrana plasmática de las células musculares Sinapsis de la placa motora La llegada de un impulso nervioso provoca la exocitosis sincronizada de unas 300 vesículas [nach] en la hendidura se eleva de 10 nm a 500 μm en menos de 1 ms Motoneurona Receptor nicotínico de acetilcolina Hendidura sináptica 50nm Fibra muscular

23 Receptor nicotínico de acetilcolina (nachr) (II) En reposo 3º) Despolarización de la membr. postsináptica 0 mv 1º) Impulso nervioso 2º) Conductancia del Na + y del K Fibra muscular 10nM El canal nachr se cierra en ms cuando se produce la hidrólisis: ACh + H 2 O Acet + Colina Se libera el receptor cambio conformacional: canal cerrado Acetilcolina 500 M en menos de 1 ms 4º) Como consecuencia de esta despolarización, en la fibra muscular se genera un potencial de acción que conduce a la contracción muscular

24 Receptor nicotínico de acetilcolina (nachr) (III) Estructura Inhibidores. Neurotoxinas: d-tubocurarina, cobratoxina Análogo: succinilcolina (relajante muscular en cirugía) Enfermedad: Miastenia gravis

25 2. Canales dependientes de voltaje En los canales dependientes de voltaje la conformación de la proteína (canal abierto o cerrado) depende del potencial de membrana en magnitud y en polaridad Ejemplos: Canal de Na +, canal de K + y canal de Cl - dependientes de voltaje Canal de Na + dependiente de voltaje El canal de Na+ dependiente de voltaje junto con el canal de K + está en la base de la generación y propagación del impulso nervioso en los axones neuronales y en general en las células excitables: Potencial de acción Mecanismo de acción En estado de reposo, el potencial de membrana es -60mV Cuando el potencial de membrana aumenta (despolarización) por encima de un umbral crítico (-40mV), (efecto mediado por el nachr, por ejemplo) se abre el canal de Na + dependiente de voltaje permitiendo la entrada de Na + a favor de gradiente. Como consecuencia el potencial de membrana se hace positivo (+30mV) en unos milisegundos

26 Estructura de canal de Na + dependiente de voltaje Es un gran glucopolipéptido. Consta de cuatro unidades homólogas, cada una de las cuales tiene seis hélices α transmembrana. Una de esas seis hélices α actúa como un sensor de voltaje, induciendo el cambio conformacional que abre el canal El canal abierto permite la entrada de Na + a favor de su gradiente Tomado de Devlin 4ª ed. Fig I

27 Especificidad: El canal de Na + es 11 veces más permeable a Na + que a K + Flujo: 10 7 iones / s Inhibidores Enfermedades Tetrodotoxina (TTX) Pez globo o fugu. Saxitoxina (STX) Dinoflagelado marino (marea roja) Se han descrito mutaciones en un solo aminoácido de este canal que conducen a debilidad muscular o parálisis Parálisis hiperkalémica periódica Paramiotonía congénita Miotonía de canal de Na +

28 Acuaporinas Las acuaporinas son proteínas integrales de membrana que forman canales específicos para agua Velocidad: moléculas/s Son abundantes en: las membranas plasmáticas de eritrocitos, células epiteliales del túbulo renal proximal (donde se produce la orina) y en general donde hay procesos de absorción y excreción de agua y ésta debe transportarse a gran velocidad

29 En resumen: Características generales del transporte mediado pasivo Mediado por proteínas de membrana: Interacción soluto-proteína A) Transportadores: 1. Especificidad soluto-sistema de transporte 2. Cinética de saturación 3. Regulación 4. Velocidad ( moléculas/s) >>> Velocidad de difusión simple 5. El transportador es accesible desde un lado u otro de la membrana de forma secuencial o alternativa: translocación B) Canales 1. Especificidad soluto-proteína 2. En general, en condiciones fisiológicas no muestran cinética de saturación 3. Regulación (pueden estar abiertos, cerrados o inactivados) 4. Velocidad ( moléculas/s) >>> velocidad de difusión simple 5. Los canales abiertos son accesibles desde ambos lados de la membrana simultáneamente