FISIOLOGÍA CARRERAS DE BIOQUÍMICA Y DE OPTICA

FISIOLOGÍA
CARRERAS DE BIOQUÍMICA Y DE OPTICA
Seminario: Transporte a través de las membranas
Temario:
Tipos de transporte a través de la membrana. Endocitosis, exocitosis y fagocitosis.
Transportes mediados y no mediados, transportes activos y pasivos. Concepto de
gradientes químico y eléctrico. Difusión simple, leyes de Fick. Transporte a través de
canales iónicos. Difusión facilitada. Transporte activo 1rio y 2rio.
Bibliografía: cap 3 de Johnson* (Membrane transport), cap 2 de C-H (“Transportadores de
membrana”).
Apunte sobre algunos temas de trasporte:
Las células mantienen estables concentraciones desiguales de distintos iones (K +, Na+,
Cl-, Ca2+, CO3H-) adentro y fuera de las mismas gracias a un constante gasto de energía
metabólica obtenida por la hidrólisis de ATP. Las bombas ATPasas son las encargadas
de mantener este estado de desequilibrio estacionario.
Las concentraciones iónicas típicas en el espacio intersticial (extracelular) y en el espacio
intracelular para una célula de mamífero son:
Ión
Intracelular mM Intersticial mM
Pot.equil. (mV)
(Ex)
Fuerza impulsora (mV)
Na+
10
145
+
K
159
4.1
Cl
3
113
H+
0.0001
0.00004
2+
Ca
0.0001
2.4
CO3H7
27
(los valores de concentración de iones están tomados de la tabla ubicada en la pág. 478
del libro de Cingolani-Houssay, 7ma. Edición; se tomaron para el extracelular los valores
de concentración en el líquido intersticial).
Por otro lado las membranas biológicas presentan diferente permeabilidad para los
distintos iones y sustancias hidrofílicas. La permeabilidad depende de varios factores, en
particular de la presencia de canales iónicos y transportadores de membrana que
permiten el flujo de iones a través de la misma. Las diferencias de concentraciones
iónicas y las distintas permeabilidades de la membrana plasmática dan origen al potencial
de membrana (Vm) que es un potencial de difusión que genera una diferencia de
potencial eléctrico de valor negativo en el interior de la célula con respecto al exterior.
Potencial de equilibrio:
El flujo de iones a través de la membrana celular estará determinado por el gradiente
químico, por el Vm y por la carga del ion. La ecuación de Nernst establece el valor de
potencial eléctrico que genera un gradiente de concentración de un ion a los lados de una
membrana permeable al mismo. Es un potencial de equilibrio porque el flujo generado por
la diferencia de concentraciones produce una diferencia de potencial eléctrico que se
contrapone al mismo produciendo que no haya flujo neto hacia ningún lado de la
membrana, es decir hay una situación de equilibrio electroquímico constante en el tiempo.
Para un ion “x”:
Ex = RT/zF . ln [Ce]/[Ci]
(El producto RT/F a 37 ºC vale 0,0264 volt o 26.4 mV)
Si se lo desea expresar como log decimal:
Ex = 26.4 mV x log [Ce]/[Ci]x ln 10
Ex =26.4 mV x log [Ce]/[Ci]x 2.303
Ex =26.4 x 2.303 mVx log [Ce]/[Ci]
Ex= 60.8 mV x log [Ce]/[Ci]
Flujos iónicos:
A partir de lo dicho anteriormente intentaremos hacer un análisis de los flujos iónicos en
una célula.
Para esto consideraremos que el potencial de membrana es de –90 mV. Un mecanismo
sencillo para determinar como será el flujo de un ion a través de la membrana plasmática
es determinar la fuerza impulsora para ese ion: mediante la ecuación de Nerst se calcula
el valor de potencial de equilibrio para ese ion, y luego se compara con el valor del
potencial de membrana de la célula. Se calcula la diferencia ( Vm – Ex ) y su valor dará el
valor de la fuerza impulsora:
fuerza impulsora para la especie cargada x = (Vm – Ex)
Cationes
- con valores NEGATIVOS de fuerza impulsora: tenderán a entrar a la célula.
- con valores POSITIVOS de fuerza impulsora: tenderán a salir de la célula.
Aniones
- con valores NEGATIVOS de fuerza impulsora: tenderán a salir de la célula.
- con valores POSITIVOS de fuerza impulsora: tenderán a entrar la célula.
Finalmente con el valor de conductancia de toda la membrana para ese ion x (gx) se
determina si el flujo puede existir y su magnitud puede ser calculada en términos eléctricos
mediante la siguiente ecuación:
Ix = gx (Vm - Ex)
donde Ix es la corriente iónica llevada por este ion a través de la totalidad de los canales
iónicos de la membrana por los que el ion puede pasar.
Hay que recordar que Gx es la conductancia global de toda la membrana para el ion x e Ix
es la corriente que atraviesa todos los canales iónicos que dejan pasar ese ion. Si
hablamos de un solo canal iónico permeable al ion x, tenemos que considerar una
nueva conductancia llamada conductancia de canal único (x) que ahora describe la
facilidad con la que ese ion puede atravesar ese canal. El vínculo entre g x y x está dado
por:
gx = N Po x
donde Po es la probabilidad de apertura de los canales que dejan pasar x (en forma
abreviada se les llama “canales de x”) y N es el número total de esos canales en la
membrana celular. Po se define como :
Po = tiempo que el canal permanece abierto / tiempo total considerado
Po puede depender de diversos parámetros: del Vm, del tiempo (ej canales que
inactivan), del estado de fosforilación del canal, de la ocupación de un sitio que reconozca
un mensajero extracelular, etc. Ej: aquellos canales en los que Po depende de Vm se
llaman “voltaje operados” o “sensibles al voltaje”. Ej: la Po de los receptores que son a la
vez canales iónicos depende de la ocupación del sitio extracelular del receptor por su
agonista. Cuanto mayor sea la Po, más tiempo pasará el canal en estado abierto.
En el caso de un canal único la corriente iónica se describe como:
cuando el canal está cerrado:
ix = 0
cuando el canal está abierto:
ix = x (Vm - Ex)
y la corriente total Ix llevada por ese ion a través de toda la membrana en un momento
dado es simplemente la sumatoria de todas las corrientes a través de todos los canales
abiertos en ese momento (los canales cerrados tienen i=0):
Ix = ix1 + ix2 + ix3 + .... + ixN
Fuerza impulsora de los transportadores
Los transportadores iónicos pueden llevar iones en el mismo sentido, por ejemplo, hacia
adentro de la célula y en este caso se llaman cotransportadores o simportadores.
Ejemplo el Cl-/Na+/K+ y el Na+/CO3H-. Por otra parte los pueden llevar en direcciones
opuestas, llamándose entonces contratransportadores o antitransportadores o
intercambiadores. Ejemplo el Na+/H+, el Cl-/CO3H- y el Na+/Ca2+.
Para los dos tipos, si el número de cargas eléctricas desplazadas se compensa el
mecanismo es electroneutro. La fuerza impulsora (FI) es la diferencia entre los
potenciales de equilibrio para los iones transportados.
FI = Ea-Eb
Si, en cambio, hay movimiento neto de cargas, el mecanismo es electrogénico. Si el
mecanismo es electrogénico la fuerza impulsora depende del valor del potencial de
membrana, el cual puede llegar a invertir el sentido del transporte. Existe para cada
transportador electrogénico un valor de potencial de membrana para el cual el
transportador se detiene; este valor se llama potencial de inversión (Ei). El potencial de
inversión para un cierto transportador se puede calcular como la diferencia entre los
potenciales de equilibrio de los iones transportados, cada uno multiplicado por el número
de cargas que se transportan (ver el ejemplo del intercambiador Na +/Ca2+).
La fuerza impulsora es en estos casos la diferencia entre el potencial de membrana y el
potencial de inversión para el intercambiador.
FI= Vm -Ei
Ejemplos de transportadores iónicos:
3 Na+
Interc ambiador Na+ /Ca 2+
Exterior
Interior
Ca 2+
A valores de potencial de membrana de reposo el intercambiador Na +/Ca2+ saca 1 ion
Ca2+ por cada 3 iones Na+ que entran a la célula. Es entonces electrogénico y su fuerza
impulsora depende del potencial de membrana. La despolarización tiende a reducir la
expulsión del ion Ca2+ y puede invertir el sentido del transporte. Por la relación de 3
cargas positivas que entra contra 2 cargas positivas que saca este contratransporte va
“cargando” positivamente la célula. El potencial de inversión sería, en este caso, la
diferencia entre 3 veces el potencial de equilibrio para el sodio y 2 veces el potencial de
equilibrio para el calcio. Considerando las concentraciones iónicas típicas, el valor de su
potencial de inversión sería de –53 mV y la fuerza impulsora (para un Vm de –90 mV)
será: -90-(-53) = -37 mV. El signo negativo de la FI indica que genera una corriente neta
catiónica entrante despolarizante. (calcúlelo).
El intercambiador Na+/Ca2+ funcionando en el modo llamado directo saca Ca2+ de la
célula y entra Na+. Cuando la membrana se despolariza, si se sobrepasa el valor del
potencial de inversión, el intercambiador puede revertir su dirección sacando Na + y
entrando Ca2+; este último es el modo reverso de funcionamiento del intercambiador.
Vm (mV)
0
entra Ca2+ / sale Na+
Ei = -53
sale Ca2+ / entra Na+
Este intercambiador es muy importante en células contráctiles ya que es uno de los
mecanismos que está involucrado en regular la concentración de calcio durante la
contracción.
Problemas:
1)Una célula del ductus pancreático posee en su membrana basolateral canales de K+
activados por calcio (KCa) y en la membrana luminal posee un canal de Cl- y un
intercambiador Cl/HCO3- que producen un flujo neto de Cl-. La concentración de Clintracelular es de 4 mM y la de la luz varía de 30 a 130 mM, en forma inversa a la
concentración de HCO3-.
HCO3-
Cl-
Luminal
ClHCO3-
H2CO3
H+
AC
H2O + CO2
Na+
K+
 = que consume ATP
~
H+
Na+ K+
Basolateral
HCO3-
K+
H+
H2CO3
H2O + CO2
a) ¿Qué tipo de transporte realizan los canales de K+ (tipo KCa) de la membrana
basolateral?¿Qué tipo de transporte es el del CO2? ¿Y el de H+ vinculado al transporte
de K+?
b) Si el Vm es de –70 mV, ¿cuál será la fuerza impulsora para el Cl- y la dirección del flujo
neto de Cl- por el canal en las dos condiciones exteremas de secreción de HCO3-?
c) Explique el nexo existente entre el transporte de Cl- y CO3H- de la membrana apical y el
flujo paracelular de Na+ y K+.
2) Las células acinares de las glándulas salivales poseen mecanismos para producir la
secreción de Na+, Cl- y HCO3- hacia la luz del acino (ver esquema el día del práctico).
a) ¿Cuáles de los mecanismos ubicados en la membrana basolateral afectarían el
gradiente electroquímico del Cl- y del HCO3- para favorecer su flujo hacia la luz?
Justifique.
b) Si el Vm fuera de –40 mV (por haber bloqueado los canales de K+) ¿en qué sentido será
el flujo neto de Cl- para concentraciones de Cl- 10 mM intracelular y 40 mM en la luz
tubular? Comparar estos resultados con el flujo neto para un Vm de –70 mV.
c) ¿Cuál sería el sentido del flujo de HCO3- si la concentración intracelular fuera de 9 mM y
la de la luz tubular de 45 mM. Compare el resultado para valores de Vm de –70 y –40
mV?
3) En un cierto tipo de células se midió el flujo de glucosa hacia el interior de las mismos
luego de incubarlos en un medio con concentraciones crecientes de glucosa y se obtuvo el
gráfico (I) de la figura. Cuando al medio de incubación se le incorporó galactosa se obtuvo el
gráfico (II). Luego, las células se expusieron a la acción de la sustancia X y se obtuvo el
gráfico (III) de la misma figura. Luego de unos minutos de incubación con CNNa se produjo
una cinética del tipo (III). Explique en base a estos datos el mecanismo de incorporación de
glucosa a dichas células y por qué se modifica en las diferentes condiciones enunciadas.
Jglu
(I)
(II)
(III)
[glucosa]
4) Se estudió la absorción de glucosa en segmentos intestinales evertidos de un hámster,
exponiendo simultáneamente las superficies serosa y mucosa a soluciones con igual
concentración de glucosa. Después de un período de incubación se dosó la concentración
de glucosa dentro del segmento intestinal y fuera del mismo. En una experiencia similar se
produjo anaerobiosis por burbujeo con N2, y en otra se burbujeó con O2 pero se eliminó el
Na+ de las soluciones. Explique los resultados obtenidos. ¿Cuáles serían las caracte-rísticas
del transporte de glucosa en este sistema?
[glu]
lado seroso
lado mucoso
Concentración de glucosa inicial
+
con O2
con N 2
con O2 , sin Na