Transporte a través de la membrana celular Departamento de Biofísica Facultad de Medicina Objetivos • Analizar parte de las funciones de las membranas celulares. • Estudiar el pasaje de sustancias a través de la misma. • Expresar en forma cuantitativa las leyes que gobiernan dicho pasaje. Estructura básica Bicapa lipídica: • Carbohidratos • Proteínas de membrana (intrínsecas y extrínsecas). • Una de las principales funciones de las membranas biológicas es la compartimentación. • Las proteínas de membrana son las macromoléculas que determinan el grado de especialización de esta. • • • • Transporte activo de iones y metabolitos Comunicación intercelular Formación de canales iónicos Generación de segundos mensajeros de distintas vías metabólicas • Transducción de energía • Reconocimiento celular Permeabilidad Es la capacidad que posee una membrana (sea ésta natural o artificial), de permitir el pasaje de una sustancia a través de ella. • • • • Impermeables Semipermeables De permeabilidad selectiva Sin selectividad • A pesar de la naturaleza hidrófoba del interior de la bicapa, las membranas no son completamente impermeables. • Se considera a las membranas biológicas como de permeabilidad selectiva. • Deben existir por tanto, mecanismos capaces de disminuir la barrera de energía que presenta la bicapa lipídica para que exista pasaje apreciable de moléculas cargadas a través de ella. Definiciones básicas FLUJO Cantidad de sustancia (moles o gramos) que atraviesa una determinada sección perpendicular a la dirección del desplazamiento por unidad de tiempo ∆n J= ∆t (mmol/seg) DENSIDAD DE FLUJO Flujo que atraviesa la sección por unidad de área m= J A = ∆n A . ∆t (mmol/seg.cm2) Equilibrio Químico Es el estado al que llega un sistema después de cierto tiempo sin que actúen fuerzas exteriores, manteniéndose invariable con el tiempo. Estado Estacionario En contraposición al anterior, podemos definirlo como un estado de no equilibrio el cual se mantiene constante en el tiempo. Esto requiere aporte de energía. µ = µο φ C= 1M y µ : Cte. ( µ = µ ο si φ = 0) R : Cte. de los gases (julio / grado.mol) T : Temperatura absoluta (º Kelvin) z : Carga / ion F : Cte. de Faraday ( carga de un mol de iones monovalentes 96500 coul.) µ : julio/mol µ 1 > µ 2 µ 1 = µ 2 RT ln C + zF φ 1 1 = RT ln C + zF φ 2 2 ECUACIÓN DE NERNST µ1 = µ2 µ0 + RTlnC1 + zFφ1 = µ0 + RTlnC 2 + zFφ 2 ECUACIÓN DE NERNST µ1 = µ2 µ0 + RTlnC1 + zFφ1 = µ0 + RTlnC 2 + zFφ 2 ECUACIÓN DE NERNST µ1 = µ2 RTlnC1 + zFφ1 = RTlnC 2 + zFφ 2 ECUACIÓN DE NERNST µ1 = µ2 RTlnC1 + zFφ1 = RTlnC 2 + zFφ 2 zF(φ1 − φ 2 ) = RT(lnC 2 − lnC1 ) C2 zF(φ1 − φ 2 ) = RT ln C1 ECUACIÓN DE NERNST µ1 = µ2 C2 zF(φ1 − φ 2 ) = RT ln C1 RT C2 (φ1 − φ 2 ) = ln zF C1 ε RT C2 ε= ln zF C1 Consecuencias de la ley de Nernst Un ion puede estar en equilibrio electroquímico aun cuando su concentración no sea la misma en ambos compartimientos. Si C1 = C2, ε=0, ln (1)=0 Clasificación de transporte 1-Difusión simple Transporte PASIVO 2-Transporte Facilitado - transportadores - canales 1-Primario Transporte ACTIVO 2-Secundario -cotransporte -contratransporte Transporte PASIVO Producido por la diferencia de potencial electroquímico de la especie transportada. Incluye: a) Difusión simple b) Transporte facilitado a) DIFUSIÓN SIMPLE Transporte neto de una sustancia sin carga eléctrica neta desde la zona más concentrada a la zona más diluída de una disolución. Cuando la partícula posee carga eléctrica neta el movimiento se produce desde la zona de mayor potencial electroquímico hacia otra con menor potencial electroquímico y el proceso se denomina electrodifusión libre. C(mM) a b X(cm) C(mM) C2 C1 Si el gradiente de concentración es cte, la densidad de flujo entre dos puntos será proporcional a la diferencia de concentración (∆C) e inversamente proporcional a la distancia (∆x). a b X1 X2 X(cm) Primera Ley de Fick D = coeficiente de Difusión (cm2/seg) Primera Ley de Fick D = coeficiente de Difusión (cm2/seg) c c x x Si el gradiente de concentración es cte, la densidad de flujo entre dos puntos será proporcional a la diferencia de concentración (∆C) e inversamente proporcional a la distancia (∆x). C m = D. C1-C2 ∆x x Ley de Fick J = D. ∆C .A ∆x ∆C/∆x: gradiente de concentración D: coeficiente de difusión Se puede calcular el flujo neto de una sustancia, siendo la suma de flujos unidireccionales La ley de Fick es aplicable en un medio homogéneo, (D = cte) Flujo a través de la membrana C1 c1 c2 C2 Flujo a través de la membrana C1 c1 c2 C2 Coeficiente de partición (k): razón de concentraciones entre la bicapa y la fase acuosa. Indica cuan fácil se “disuelve” una sustancia química en la membrana. Flujo a través de la membrana C1 c1 c2 C2 ∆x = a = espesor de membrana P (permeabilidad de la membrana) - composición, estructura de membrana - espesor de membrana - especie química que difunde Para una membrana y un soluto determinados, k, a y son ctes EN RESUMEN En la membrana celular, la difusión simple se produce a través de la bicapa lipídica y obedece a la expresión: m = P (C1 –C2) que deriva de la primera ley de Fick. J Difunden según esta ecuación sustancias liposolubles. k desempeña un papel importante Transporte de iones a través de la membrana por difusión simple es despreciable ∆C b) TRANSPORTE FACILITADO Permite el transporte PASIVO de iones y sustancias hidrosolubles Se da por sitios específicos: - canales - transportadores Los 2 mecanismos no son excluyentes Un canal con múltiples estados conformacionales puede aproximarse al comportamiento cinético de un transportador Disminuyen la barrera de energía para que exista un flujo apreciable de moléculas cargas o polares Transportadores Estructuras proteicas con uno o más sitios de unión, que exponen alternativamente uno o varios sitios de unión a un lado y otro de la membrana Etapas: 1- atrapar ión y despojarlo de las moléculas de hidratación 2- cruzar el ión 3- liberarlo y rehidratarlo en la otra orilla Mecanismos: encerrar el ión, brindado refugio con cubierta hidrofóbica (ej: antibiótico valinomicina, transporta K+). Transporte mediante cambios conformacionales Canales Importancia: participan en diversos procesos celulares (Excitabilidad, regulación del volumen celular, etc) Definición: Son proteínas transmembrana que poseen un poro cuya apertura es controlada por voltaje, ligando, mecánicamente, y permite el flujo de iones a través de la membrana Presentes en tejidos excitables y no excitables, involucrados en procesos de señalización Canales: Na+ y K+: participan en la generación del potencial de acción Ca++: transmisión de señales. Acoplamiento excitacióncontracción Acetilcolina: placa neuromotora Flujo por canales y transportadores tiene una cinética de saturación J = Jmáx .[S] K+[S] [A] + [S] K [AS] J J máx 1/2 J máx K: cte de equilibrio A: sitio de unión S: ligando K [S] Transporte ACTIVO Incluye todos los mecanismos de transporte que no son producidos por la diferencia de potencial electroquímico La energía libre para el transporte puede provenir de procesos metabólicos directamente, o del transporte de otra especie a favor de su gradiente T Activo Primario: bomba de Na+/K+, con importante función electrogénica Cotransporte (mismo sentido) Secundario Contratransporte + LA BOMBA DE Na+- K DE LA MEMBRANA CELULAR ES UNA ATPasa : 3 Na+ Sitio de unión del K+ y de la Ouabaina MEDIO EXTRACELULAR CITOPLASMA + Sitio de unión del Na ATP 2K ATP(i) + H 2 O + 3 Na+ (i) + 2 K+ (e) ADP + Pi + + Mg++ + ADP(i) + P(i) + 3 Na (e) + 2 K (i)