PERMEABILIDAD CELULAR

¿QUÉ PUEDE INGRESAR
Y SALIR DE LA CÉLULA?
Permeabilidad pasiva
-Gradiente de concentración
-Gradiente eléctrico
Transporte Activo
-Bomba sodio ATPasa
-Proteínas de transporte.
Temas que faltan:
-Diferenciaciones de la membrana
-Cubiertas de membrana y reconocimiento
-Inhibición por contacto y células cancerosas
¿La membrana es permeable, permite el paso de sustancias?
El medio extracelular tiene una composición previa
Solubilidad en los lípidos: Las sustancias que se disuelven en los lípidos (moléculas hidrófobas,
no polares) penetran con facilidad en la membrana dado que esta está compuesta en su
mayor parte por fosfolípidos.
Tamaño: la mayor parte de las moléculas de gran tamaño no pasan a través de la membrana.
Sólo un pequeño número de moléculas no polares de pequeño tamaño pueden atravesar la
capa de fosfolípidos.
Carga: Las moléculas cargadas y los iones no pueden pasar, en condiciones normales, a través
de la membrana. Sin embargo, algunas cargadas pueden pasar por los canales proteícos o
con la ayuda de una proteína transportadora.
En la membrana la naturaleza de las proteínas rigen el traspaso selectivo:
Canales: algunas proteínas forman canales llenos de agua por donde pueden pasar
sustancias polares o cargadas eléctricamente que no atraviesan la capa de fosfolípidos.
Transportadoras: otras proteínas se unen a la sustancia de un lado de la membrana y la
llevan del otro lado donde la liberan.
PERMEABILIDAD (PASIVA(P) VERSUS ACTIVA(A))
-MECANISMOS QUE IMPIDEN O PERMITEN
EL PASAJE DE MOLÉCULAS HIDROSOLUBLES A TRAVÉS DE LA
MEMBRANA-
(P)
Sólo obedece a las leyes de la física (difusión)
(A)
Requiere gasto de energía.
SIGLO XIX OVERTON
(SUSTANCIA LIPOSOLUBLE) PASAN CON MAYOR FACILIDAD
Si colocamos en agua una solución concentrada
de una sustancia soluble (azúcar),
se producirá un movimiento del soluto
siguiendo el gradiente de concentración
(desde el lugar de mayor al lugar de menor concentración)
K se calcula mezclando el soluto en una mezcla de aceite y agua,
cuando se separan las fases se determina el soluto en cada fase.
La relación de equilibrio de la concentración en ambas fases es lo deseable.
Definimos que
A igual tamaño, las moléculas QUE penetran más rápido SON las que mayor
solubilidad en los lípidos posee.
Si las moléculas comparadas tienen la misma solubilidad, SERAN las más
pequeñas que pasen más rápido.
¿Cual pasará más rápido?
Diacetina
P= 0.02 mol/hora/litro
K=0,1
D= MRD >30 (expresado como refracción molecular)
t= 104 nm
Glicerol
K=0,0001
D= MRD <15
t= 104 nm
P= 1,44 -5 mol/hora/litro
PERMEABILIDAD PASIVA
POR GRADIENTE ELÉCTRICO
La concentración iónica del interior celular es diferente al exterior (GRAN VERDAD CHAN ! )
Entonces existe un potencial eléctrico.
Si lo medimos dentro de la célula (c/ microelectrodo de 1 um el potencial en reposo) e
en el interior siempre es negativo (varían entre -20 y -100 mV).
Líquido
intersticial
Líquido
Intracelular
Na+
145
12
K+
4
155
Cl-
120
3,8
CO3H-
27
8
A- y otros
7
155
0
-90 mV
Cationes
Aniones
El líquido intersticial tiene una elevada concentración de Na y Cl,
mientras que el líquido intracelular tiene una alta de K y aniones orgánicos.
Si colocamos una célula en KCl, el K+ será arrastrado hacia el interior
por los gradientes de concentración y eléctrico, pero el Cl- lo será sólo
por gradiente de concentración así mismo que repelido por el gradiente eléctrico
Ultrafiltración (CONCEPTO)
En este proceso de transporte pasivo, el agua y algunos solutos pasan a través de una
membrana por efecto de una presión hidrostática.
El movimiento es siempre desde el área de mayor presión al de menos presión.
La ultrafiltración tiene lugar en el cuerpo humano en los riñones y es debida a la presión
arterial generada por el corazón.
Esta presión hace que el agua y algunas moléculas pequeñas (como la urea, la
creatinina, sales, etc) pasen a través de las membranas de los capilares
microscópicos de los glomérulos para ser eliminadas en la orina.
Las proteínas y grandes moléculas como hormonas, vitaminas, etc., no pasan a través de
las membranas de los capilares y son retenidas en la sangre.
Difusión facilitada
Algunas moléculas son demasiado grandes como para difundir a través de los canales de
la membrana y demasiado insolubles en lípidos como para poder difundir a través de
la capa de fosfolípidos.
Tal es el caso de la glucosa y algunos otros monosacáridos.
Esta sustancias, pueden sin embargo cruzar la membrana plasmática mediante el
proceso de difusión facilitada, con la ayuda de una proteína transportadora.
En el primer paso, la glucosa se une a la proteína transportadora, y esta cambia de
forma, permitiendo el paso del azúcar.
Tan pronto como la glucosa llega al citoplasma, una kinasa (enzima que añade un grupo
fosfato a un azúcar) transforma la glucosa en glucosa-6-fosfato.
De esta forma, las concentraciones de glucosa en el interior de la célula son siempre muy
bajas, y el gradiente de concentración exterior --> interior favorece la difusión de la
glucosa.
Difusión facilitada
La difusión facilitada es mucho más rápida que la difusión simple y depende:
•
Del gradiente de concentración de la sustancia a ambos lados de la membrana
•
Del número de proteínas transportadoras existentes en la membrana
•
De la rapidez con que estas proteínas hacen su trabajo
La insulina, una hormona producida por el páncreas, facilita la difusión de la glucosa
hacia el interior de las células, disminuyendo su concentración en la sangre.
Esto explica el porque la ausencia o disminución de la insulina en la diabetes mellitus
aumenta los niveles de glucosa en sangre al mismo tiempo que obliga a las células a
utilizar una fuente de energía diferente de este monosacárido
DIFUSIÓN SIMPLE
La difusión tiene lugar hasta que la concentración se iguala en todas las partes y será tanto más
rápida cuanto mayor sea energía cinética (que depende de la temperatura) y el gradiente de
concentración y cuanto menor sea el tamaño de las moléculas.
Algunas mezclas moleculares como el agua, el oxígeno, dióxido de carbono, esteroides, vitaminas
liposolubles, urea, glicerina, alcoholes de pequeño peso molecular ,atraviesan la membrana
celular por difusión, disolviéndose en la capa de fosfolípidos.
Algunas iónicas también pueden cruzar la membrana plasmática por difusión, pero empleando los
canales constituidos por proteínas integrales llenas de agua.
Algunos ejemplos notables son el Na+, K+, HCO3, Ca++, etc. Debido al pequeño tamaño de los
canales, la difusión a través de estos es mucho más lenta que a través de la bicapa
fosfolipídica
TRANSPORTE ACTIVO
Ahora requerimos energía.
El ATP requerido se ha obtenido por medio de la fosforilación oxidativa (respiración
celular).
Cuando un ión es transportado contra gradiente eléctrico se consume mucha energía
(10% del metabolismo en el músculo de rana en reposo para el ión sodio, puede ir
hasta 50 si se estimula el músculo).
Si privamos de oxígeno al animal se bloquea el transporte activo.
Hay pérdida de K+ y el potencial se reduce a 0.
Los iones K+ del interior, deben pasar contra gradiente al exterior.
Esta enzima permite sacar Na+ del citoplasma.
Esta firmemente unida a la membrana 670.000 D (5.000 moléculas eritrocito) puede
sacar 20 iones de Na+ por segundo.
Tras la hidrólisis de un ATP se proporciona la energía para enviar 2 iones de K+ hacia el
interior y sacar tres iones Na+ hacia afuera.
A veces la bomba se vuelve elctrogénica la salida de Na+ -no es compensada por la
entrada de K+Este potencial puede actuar para impulsar otros solutos (glucosa, aminoácidos)
PROTEÍNAS DE TRANSPORTE
HIPÓTESIS CARRIER TRASLOCADOR / PORO FIJO
El primero supone una molécula que rota sobre sí misma desde el exterior donde
toma la molécula hacia el interior donde la suelta.
El segundo nos hace pensar sobre un canal que va desde el exterior hacia el interior
con una capa hidrofílica en su interior.
UNITRANSPORTADORAS
(a favor de gradientes concentración y electroquímico)
(difusión facilitada)
Es especifico de cada molécula o de un grupo reducido de ellas, y estas
sustancias se transportan a una velocidad proporcional a la concentración
de sustancia, difunde hasta alcanzar una velocidad máxima.
Esta proteína transportadora presenta un receptor de unión en el interior
del transportador proteico, la molécula que se va a transportar entra en el
poro y queda unida (activación química o por ligando).
proteína transportadora con un receptor de
unión
•
Después, en una fracción de segundo se produce un cambio conformacional o
químico en la proteína transportadora, de modo que, el poro ahora se abre en el
lado opuesto de la membrana.
•
Como la fuerza de unión del receptor es débil, el movimiento térmico de la
molécula unida hace que se separe y que se libere en el lado opuesto de la
membrana.
•
La velocidad a la que se pueden transportar moléculas por este mecanismo
nunca puede ser mayor que la velocidad a la que la molécula proteica
transportadora puede experimentar el cambio en un sentido y en otro entre sus
dos estados.
•
Este mecanismo permite que la molécula transportada se mueva o difunda en
ambas direcciones a través de la membrana.
•
Una característica muy importante de este tipo de transportador es que las
sustancias transportadas son transportadas de una en una y siempre en una
misma dirección cada vez y dado que no pertenece al transporte activo, siempre
se producen las difusiones a favor de gradiente ya sea un gradiente osmótico o
eléctrico en función de si lo que se transporta son sustancias como la glucosa o
aminoácidos o si se trata de iones ya sean cationes o aniones.
Los transportadores más estudiados de este tipo son los que se encargan de
transportar aminoácidos (la mayor parte de ellos) y glucosa.
En el caso de la glucosa se ha descubierto la molécula transportadora (GLUT), que
tiene un peso molecular de aproximadamente 45.000 D y que además tiene la
capacidad de transportar otros monosacáridos que tienen estructuras similares
a la glucosa, como es la galactosa .
Sustancias como la insulina entre otras pueden actuar sobre estos
transportadores modificando la velocidad de difusión, la insulina puede
aumentar entre 10 y 20 veces la velocidad de difusión de la glucosa, el cual es
el principal mecanismo de control de la utilización de la glucosa por el cuerpo
por parte de la insulina.
COTRANSPORTADOR
Son proteínas pertenecientes al transporte activo secundario acopladas a gradientes.
Por ejemplo, en una célula, debido a la bomba sodio-potasio del transporte activo primario, se
transportan hacia el exterior iones sodio y se establece un gran gradiente de concentración de
iones sodio a través de la membrana celular, con una concentración elevada fuera de la célula y
una concentración muy baja en su interior.
Este gradiente o diferencia de concentración entre los dos lados de la membrana celular representa
un almacén de energía porque el exceso de sodio en el exterior de la membrana celular siempre
intenta difundir hacia el interior.
En condiciones adecuadas esta energía de difusión del sodio puede arrastrar otras sustancias junto
con el sodio a través de la membrana celular.
Para que el sodio arrastre otra sustancia con él es necesario un mecanismo de acoplamiento que
se consigue por medio de otra proteína transportadora de la membrana celular.
El transportador o cotransportador en este caso actúa como punto de unión tanto para el ion sodio
como para la sustancia que va a ser cotransportada.
El gradiente de energía del ion sodio hace que este ion y la sustancia cotransportada sean
transportados juntos hacia el interior de la célula.
Las sustancias habitualmente cotransportadas mediante este sistema en las células son la glucosa y
muchos aminoácidos que son transportados hacia el interior de la célula contra grandes
gradientes de concentración mediante este mecanismo.
La proteína transportadora tiene dos puntos de unión en su cara externa que es donde se unen las
dos sustancias que van a ser transportadas hacia el interior de la célula, estos sitios de unión
son uno para el sodio y otro para la glucosa o bien para un aminoácido por ejemplo.
La energía suministrada para el transporte la aporta la sustancia que va a favor de gradiente y es
utilizada para que la sustancia en contra de gradiente atraviese la membrana celular. Cuando
ambas sustancias se unen, se produce automáticamente el cambio conformacional y ambas
sustancias son transportadas al mismo tiempo.
El mecanismo de cotransporte es siempre el mismo sean cuales sean las sustancias transportadas,
al tratarse de proteínas transportadoras, estas son especificas de las sustancias que
transportan.
Los más estudiados son los transportadores de sodio-glucosa y sodio-aminoácidos, en éste último se
conocen cinco proteínas transportadoras de aminoácidos, cada una de las cuales se encarga de
transportar un grupo de aminoácidos con características moleculares específicas.
Este cotransporte con sodio de la glucosa y de los aminoácidos se produce
especialmente a través de las células epiteliales del tubo digestivo y de los túbulos renales para
favorecer la absorción de estas sustancias hacia la sangre
CONTRATRANSPORTE
Son proteínas pertenecientes al transporte activo secundario acopladas a gradientes.
Con el mismo ejemplo que antes, los iones sodio que al estar muy concentrados en
el exterior de la célula y muy poco en el interior intentan difundir hacia el interior
de la célula debido a su gran gradiente de concentración.
A diferencia del ejemplo anterior, la sustancia que se va a transportar junto con el
sodio se encuentra en el interior de la célula y se debe transportar hacia el
exterior.
El ion sodio se une a la proteína transportadora en el punto en el que se proyecta
hacia la superficie exterior de la membrana, mientras que la sustancia que se va
a contratransportar se une a la proyección interior de la proteína transportadora.
Se produce un transporte en una dirección opuesta a la sustancia primaria donde la
sustancia primaria que es la que se mueve a favor de gradiente de concentración
o iónico es la que suministra la energía necesaria para contratransportar la
sustancia secundaria que es la que se transporta en contra de su gradiente de
concentración o iónico.
Una vez ambas sustancias se han unido a sus respectivos puntos de unión
o receptores se produce un cambio conformacional y la energía que libera el ion
sodio al ingresar en la célula hace que la otra sustancia se mueva hacia el
exterior (RE MARADONA CON EL GOL A LOS INGLESES)
CONTRATRANSPORTE
Son proteínas pertenecientes al transporte activo secundario acopladas a gradientes.
El contratransporte más estudiado es el que se produce con iones sodio e iones
calcio e hidrógeno.
El contratransporte sodio-calcio se produce a través de todas o casi todas las
membranas celulares, de modo que los iones sodio se mueven hacia el interior y
los iones calcio hacia el exterior, ambos unidos a la misma proteína
transportadora en un modo de contratransporte.
El contratransporte sodio-hidrógeno se produce en varios tejidos.
Un ejemplo especialmente importante se produce en los túbulos proximales de los
riñones, en los que los iones sodio se desplazan desde la luz del túbulo hacia el
interior de la célula tubular, mientras que los iones hidrógeno son
contratransportados hacia la luz tubular.
TRANSPORTE EN MASA
Hasta aquí analizamos el modo en el que los iones y las pequeñas moléculas
atraviesan la membrana celular.
Pero como ingresan o abandonan la célula partículas de mayor tamaño.
Esto se realiza por medio del TRANSPORTE EN MASA.
Este tipo de transporte involucra siempre gasto de ATP, ya que la célula realiza un
movimiento general de su estructura (en particular de la membrana plasmática y
del citoesqueleto )
El mecanismo por medio del cual los materiales entran a la célula se denomina
endocitosis y aquel por el cual la abandonan, exocitosis.
FUSIÓN DE LAS MEMBRANAS
Las membranas tienen una elevada capacidad para fusionarse entre sí.
Por ejemplo, cuando una vesícula se aproxima a la membrana plasmática, a una
cisterna o, inclusive, a otra vesícula, al entrar en contacto ambas superficies, las
dos membranas se fusionan, constituyendo a partir de ese momento una sola
membrana.
Este fenómeno explica el transito de sustancias desde un compartimiento celular a
otro, y desde las endomembranas a la membrana plasmática
Este es el principio en el que se basa la administración de fármacos vehiculizadas
dentro de liposomas, que son vesículas fosfolipídicas artificiales que contienen
alguna droga de interés terapéutico.
Cuando el liposoma se aproxima a la célula blanco (o target), la membrana del
liposoma se fusiona con la membrana plasmática liberando su contenido
directamente en el citoplasma de la célula.
Este fenómeno permite que el contenido del liposoma sólo sea captado por ciertos
tipos celulares y no por otros. Técnicas basadas en esta propiedad de las
membranas se utilizan, por ejemplo, para combatir células tumorales.