Transporte activo

SEMANA 2
• Movimientos trans-membranas:
Organización de las membranas
biológicas. Difusión simple. Difusión
facilitada.
• Transporte activo; primario, secundario.
• Transporte vesicular: Pinocitosis.
Endocitosis. Exocitosis.
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Las Membranas Biológicas
Funciones
1. Definen límites celulares/compartimentos.
2. Regulan el transporte molecular.
3. Organizan secuencias complejas de reacciones.
Propiedades Específicas:
1. Insolubles: Resistentes a presiones
2. Flexibles: Deformables, acompañan crecimiento y movimiento
3. Autoensamblaje: Se autoreparan, dinámica de fusión/fisión
4. Selectivamente Permeables: transporte de metabolitos,
generación de energía,
generación de señales
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Las membranas celulares contienen:
Adhesión y Reconocimiento celular
Estructura tisular
Comunicación química
Entrada de elementos nutritivos
Salida de productos del catabolismo – Salida de elementos sintéticos
Potencial transmembrana – bioelectricidad – Potencial de Acción – Comunicación nerviosa
Control del volumen celular – Control de la contracción muscular
Figura 1: Elementos de las membranas celulares (plasmática). Los sistemas
efectores repartidos sobre la membrana están anclados en un bicapa lipídico.
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Figura 2: Elementos y funciones de las membranas de las células (epitelio endotelio). Los mensajes recibidos y los movimientos de entrada y de salida
a menudo conciernen a efectores diferentes sobre ambas caras. Los
movimientos trans-epiteliales pueden efectuarse a través de las células o
también a través de los espacios intercelulares.
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Figura 3: Representación esquemática
de una unión incompleta (comunicante gap junction) entre dos células.
Estas estructuras son muy numerosas en
ciertos tejidos, permiten el paso de una
célula a la otra de las soluciones que
tienen hasta un peso molecular del orden
de 1000 a 1500 D (iones, elementos
nutritivos, etc).
Forman un canal constituido por la
asociación de dos elementos transmembranas (conexiones) que forman un
poro de ±1,5 nm rodeado de 6
subunidades idénticas de connexina. Las
connexiones son generalmente
agrupados en placas más o menos
anchas, al nivel del cual, el espacio
intercelular es muy reducido (2 - 3 nm en
lugar de 10 a 15 nm).
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Mecanismos de Transportes a través
de Membranas Biológicas
•Mecanismo de Transporte pasivo:
•Difusión simple
•Difusión a través de canales
•Difusión facilitado
•Mecanismo de Transporte activo
•Gradientes iónicos
•Cotransporte
•Contratransporte
•Selectividad de membrana
•Endocitosis y Exocitosis
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Clasificación de Transporte a nivel de las
membranas biológicas
Siguiendo el criterio de tamaño molecular en:
1.
Transporte de moléculas pequeñas.
Dentro de este, se pueden distinguir dos clases de transporte:
a.
Transporte activo (requiere energía)
b.
Transporte pasivo (no requiere energía)
2.
Transporte de macromoléculas.
Este tipo de transporte también se puede subdividir en dos :
a.
b.
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Exocitosis (excreción de sustancias)
Endocitosis (incorporación de sustancias)
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Transporte de Moléculas Pequeñas
Transporte pasivo
Transporte activo
Difusión Simple Difusión facilitada
Proteínas
de canales
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Proteínas
Bombas para Canales
Proteínas
transportadoras
iones
iónicos transportadoras
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Transporte pasivo
El transporte pasivo es el intercambio de partículas entre los
medios intra y extracelula, en este transporte debemos
separar las partículas de intercambio entre nutrientes (difusión)
y agua (osmosis), pues son procesos diferentes pero
complementarios.
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Difusión simple
Características:
El transporte se realiza sin gasto de energía.
El transporte es a favor de la gradiente de concentraciones de soluto;
siempre desde un lugar con mayor concentración a un lugar de menor
concentración.
El transporte se realiza de un medio hipertónico a un medio hipotónico.
La difusión simple se puede realizar directamente con la doble
capa de fosfolípidos o a través de proteínas transmembranas.
Ejemplo: los lípidos y solventes orgánicos (alcohol) pasan a
través de la capa de lípidos, por el fenómeno de afinidad.
Las demás moléculas e iones atraviesan la membrana por
diferencia de tamaño; las de menor peso molecular atraviesan
la membrana por los canales con relativa facilidad.
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DIFUSIÓN SIMPLE
Corresponde al desplazamiento neto de la
materia de una región a otra en función al
gradiente de concentración y de los
movimientos de agitación térmica de las
moléculas en solución.
Estos desplazamientos son regidos por la
ley de Fick según la cuál, la cantidad de
solución (ΔN) quién emigra en un tiempo
(ΔT) sobre una distancia (ΔX) es
inversamente proporcional a esta distancia
y es proporcional a la superficie del plano
de migración (A) así como a ldiferencia de
concentración (ΔC) existente de una y otra
parte de este plano (figura).
D = coeficiente de difusión.
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Ley de Fick (1855, biofísico Fick) Formula la velocidad de difusión
de partículas . En su forma simplificada, esta ley se formula:
Q = - (dc/dx) A . D (Ec.1)
Donde:
Q = la velocidad de paso del soluto (mg/seg) perpendicularmente a la interfase
dc/dx = gradiente de concentración (cambio de concentración en mg/ml a lo
ancho de la interfase (cm) que separa las dos soluciones
A = área de la interfase (cm2)
D = coeficiente de difusión (cm2/seg)
El coeficiente de difusión depende de:
•Temperatura
•Propiedades de la sustancia que difunde
•Naturaleza del medio (interfase) a través de la cual se realiza la
difusión.
El signo negativo simboliza que el paso de materia tiene lugar "cuesta-abajo" es
decir, desde la solución más concentrada a la menos concentrada.
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Dado que la fisiología estudia la difusión a través de membranas,
se puede introducir en la ecuación anterior el ancho de la
membrana (equivalente al término dx) como parte del coeficiente
de difusión, originándose la constante de permeabilidad:
P = D/dx
(Ec.2)
Donde:
dx = grueso de la membrana (para las membranas biológicas se asume
usualmente un espesor de 75 Armstrong
P = constante de permeabilidad (cm.s-1)
Cuando se sustituye la constante de permeabilidad en la (Ec.1) y
se asume que la disminución de la concentración de la sustancia
que difunde es lineal a medida que cruza la membrana, la Ley de
Fick se formula:
Q = P.A ([C1] – [C2])
(Ec.3)
Donde:
C1 y C2 son las concentraciones del soluto a ambos lados de la membrana
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Moléculas que atraviesan la
membrana por difusión simple
El agua, el anhídrido carbónico
y el oxígeno se encuentran entre
las pocas moléculas simples que
pueden cruzar la membrana celular
por simple difusión. El anhídrido
carbónico se regenera
constantemente dado que es
producido en las células como
consecuencia de fenómenos
metabólicos, y como la fuente está
en el interior de la célula, el flujo
neto del CO2 es hacia el exterior de
la célula. Los procesos metabólicos,
requieren usualmente oxígeno,
cuya concentración es mayor en el
exterior de la célula, por lo tanto su
flujo neto es hacia el interior.
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El coeficiente de reparto (K)
Mide la solubilidad difeencial de
una sustancia en dos disolventes.
Donde:
[sustancia]1 es la concentración
de la sustancia en el primer
disolvente y, análogamente
[sustancia]2 es la concentración
de la misma sustancia en el otro
disolvente.
Figura. Permeabilidad relativa (POROS) del alga Chara a diferentes soluciones
con arreglo al coeficiente de reparto aceite / agua. Para las sustancias de tipo
"urea", el diámetro de los círculos da una idea relativa de sus dimensiones.
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POROS
Estudios "hidrodinámicos"
condujeron a la idea de poros
no selectivos; éstos que tienen
un diámetro medio de 4,2 Å en
la membrana de los glóbulos
rojos por ejemplo.
La interpretación de los datos
relativos a los poros es difícil y
debe estar considerada en la
actualidad como un concepto
operacional más que como un
sistema correspondiente a una
estructura fisicoquímica
particular y claramente definida.
Figura: Permeabilidad relativa de la membrana de los
glóbulos rojos a diferentes soluciones hidrosolubles con
arreglo a sus dimensiones relativas.
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CANALES ESPECÍFICOS
Figura: Representación esquemática de la
organización probable de un canal en Na +
epitelial (ENaC), sensible al amiloride.
Comprende 4 unidades (2 solamente son representadas aquí)
conteniendo cada una 2 segmentos helicoidales trans-membranas
M1 y M2 arreglado alrededor de un canal central y el amiloride (A)
puede bloquear bastante específicamente su apertura. Podría que,
en ciertos casos, el canal contenga sólo 3 unidades y no 4.
Según Horisberger (Cur. Op. Cell. Biol ., 10, 443, 1998), modificado.
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Se trata de proteínas intrínsecas
de naturaleza oligomericas. La
mayoría de las veces constituidas
por un número variable de
unidades trans-membranas
homólogas. Estas unidades son
organizadas de tal modo que
delimitan un poro que atraviesa la
membrana. Presentan un número
variable de segmentos (dominios)
helicoidales unidos entre ellos por
segmentos extra e intracelulares.
Su arreglo en la unidad, lo mismo
que el arreglo de las unidades las
unas con relación a otros,
determinan las características
específicas del canal.
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Resulta pues que los canales jónicos son totalmente derivados, a pesar de
sus especificidades funcionales a veces muy diferentes, de algunas
estructuras proteicas que difieren a veces sólo a muy poca entre ellas.
Podemos así distinguir en la actualidad:
1. Canales cuya actividad (la probabilidad de apertura) depende del potencial
de membrana (Kv, Nav, Cav).
2. Canales modulados por iones incluido H+ (ASIC, KCa, KNa). El canal KATP
formaría parte de este grupo, aunque en numerosos casos, la estructura de
estos canales todavía no sea conocida.
3. Canales directamente acelerados por receptores. Los mejores ejemplos
estudiados son los receptores-canales que intervienen en la transmisión
sináptica. Están constituidos por 5 unidades que tienen 4 dominios
helicoidales.
4. Canales acelerados por segundos mensajeros, tal como el AMP cíclico o el
GMP cíclico. Tales canales intervienen por ejemplo en el mecanismo de
transduccion al nivel de los receptores retinianos y olfativos. De estructura
próximas el de los canales de voltaje parecen estar constituidos por un
ensamblaje de 4 unidades que posee cada una 6 segmentos helicoidales
trans-membranas y un rizo intramembrana entre los segmentos 5 y 6.
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Ósmosis:
La ósmosis u osmosis es un fenómeno
que consistente en el paso del solvente
de una disolución desde una zona de
baja concentración de soluto a una de
alta concentración, separadas por una
membrana semipermeable.
(* membrana semipermeable: permite el paso de disolvente pero no de soluto)
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Movimiento de agua y efecto disolvente
El flujo osmótico de agua es bastante
importante, puede dar cuenta de un flujo neto de
solución que va en contra de el gradiente de
concentración.
Fisiológicamente, las interacciones agua-soluto
son importantes sólo al nivel del epitelio que
presenta flujos netos importantes de agua, Ej:
piel, vejiga de batracios, intestino, riñón, vasos
sanguíneos.
Estos flujos van a establecerse una diferencias
entre presión hidrostática (Phydr) y presión
osmótica (Posm) de los compartimientos con
arreglo al flujo osmótico de agua en respuesta a
la producción de un gradiente osmótico.
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• En realidad, el flujo de agua tiene lugar de la región
de mayor concentración de agua a la región de menor
concentración de Agua.
Agua dulce
5 mOsm
H2O
Plasma sanguíneo
300 mOsm
------------------ H2O
la ósmosis es un fenómeno determinado por un gradiente
de concentraciones.
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Figura. Componentes de la presión de ultrafiltración responsable del
establecimiento de un flujo en masa a nivel del glomerulo de Malpighi
en el hombre. Otro ejemplo sería a nivel de los capilares sanguíneos.
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A: Relaciones entre los flujos entrantes de agua y de
Na + al nivel del intestino delgado de la rata (valores
relativos).
B: representación esquemática, los compartimientos
1, 2 y 3 hacen referencia al modelo descrito C a
continuación.
C: sistema modelo de Curran y MacIntosh que permite
demostrar el establecimiento de un flujo neto de agua
que va en contra de un gradiente osmótico aparente
(caso del intestino).
D: vista en microscopía electrónica de la cara mucosa
de un intestino de mamífero. Observe las junciones
apretadas que cierran los espacios intercelulares.
Según Weiss 1988, modificado.
Figura: Flujo de agua a nivel del epitelio.
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•Desde un punto de vista termodinámico, el agua fluye
de la región de mayor potencial químico a la de menor
potencial químico hasta que el incremento de presión
hidrostática equilibra la fuerza debida al gradiente de
concentraciones, y el potencial químico es igual a
ambos lados.
Este incremento de presión necesario para contrarrestar el flujo
osmótico se denomina presión osmótica (π)
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Ecuación de Van´t Hoff: establece el valor de la presión
osmótica (π) suponiendo que en uno de los lados se tiene disolvente
puro (agua) y que en el otro la disolución es diluida.
Igualando en el equilibrio el potencial químico del agua a ambos
lados de la membrana se obtiene:
π = c RT
(c: concentración de soluto)
• La restricción de disoluciones diluidas puede superarse usando un
factor de corrección denominado coeficiente osmótico (g)
π = g c RT
•El valor del coeficiente osmótico depende del tipo de sustancia y de
la concentración
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• En el caso de sustancias disociables, la presión osmótica
es igual a la suma de las presiones osmóticas de los iones
en que se disocia.
Así, para una disolución 0.1 M de ClNa (ClNa → Cl- + Na+ ):
• La osmolaridad mide la concentración efectiva de soluto que
determina la presión osmótica total y es el resultado de su
concentración real, el valor del coeficiente osmótico y (en el caso de
sustancias disociables) de su grado de disociación
En el caso de sustancias disociables la osmolaridad suele depender
del valor del pH del medio.
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Ejemplos:
Osmol = Peso molecular de la sustancia * Elementos en los que se
disocia
En el caso del cloruro sódico (NaCl) en una concentración de 1 mol%:
Peso molecular del sodio (Na) = 23 g/cel
Peso molecular del Cloro (cloro) = 35,5 g/mol (cualquiera)
Peso molecular del Na + Cl = 58,5 g/cel
Osmol NaCl = 58,5 * 2 = 117Osmoles
Para el CaCl2 en una concentración de 1 mol%:
Peso molecular del Calcio (Ca) = 40 g/mol
Peso molecular del Cloro (Cl) = 35,5 g/mol, en este caso X 2 ya que es CL2
Peso molecular del CaCl2 = 111 g/mol.
Osmol CaCl2 = 111 * 3 = 333Osmoles
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En consideraciones fisiológicas celulares, la presión hidrostática
que se origina de diferencias de presión osmótica es de gran interés:
•Sólo en el caso de membranas realmente semipermeables
en relación a todos los componentes de la disolución, la diferencia
de presión osmótica es igual a la diferencia de presión hidrostática
• Para disoluciones con varios componentes y diferentes
propiedades de permeabilidad, la relación entre las diferencias de
presión osmótica (.πi) para los distintos solutos y la diferencia de
presión hidrostática (.p) a ambos lados de la membrana es:
σi: Coeficiente de Reflexión de Staverman del soluto i
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• El
Coeficiente de Reflexión de Staverman (σi) tiene en
cuenta que los solutos pueden penetrar en mayor o menor
grado en la membrana y está dado por la relación:
donde νd, νs representan el “ritmo” del movimiento (~ velocidad) del
disolvente y soluto en la membrana, respectivamente.
• Cuando Vs ~ 0, se tiene que σs ~ 1, que corresponde a membrana
completamente impermeable al soluto, y se recupera la situación
clásica .p ~ π.
•Si Vs ~ Vd, σs ~ 0, con lo cual .p ~ 0. En este caso, la membrana
permite el paso de soluto y disolvente, y se alcanza un estado de
equilibrio con una distribución homogénea de sustancia.
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• La membrana celular es permeable al agua y si la
concentración de solutos es grande frente al exterior,
debido al fenómeno de la ósmosis, se producirá la
entrada de agua en la célula. La célula se hincha y,
finalmente, puede romperse.
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• Para evitar este problema, las células desarrollan varios
sistemas:
- las células animales bombean solutos (transporte activo),
principalmente iones, al exterior.
- en el caso de las plantas, las células presentan una pared
celular rígida, que tolera importantes diferencias osmóticas.
- en algunos protozoos, el exceso de agua que fluye por
ósmosis se recoge en vacuolas que descargan su contenido
en el exterior.
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Equilibrio electroquímico.
• Se tiene un sistema con dos fases, cada una con una disolución
de una sal AB, con diferentes concentraciones en las fases I y II
• La sal está completamente disociada en los iones A y B
• La membrana permite el paso del ión A , pero no del B
• Existe un equilibrio osmótico entre las dos fases
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•El paso del ión A de una fase a otra debido al gradiente
de concentraciones lleva a un aumento de la diferencia
de potencial través de la membrana.
• El proceso de difusión de A se verá frenado por un fuerte campo
eléctrico, llegándose a una situación de equilibrio para A en la que
el gradiente de concentración se compensa con la fuerza eléctrica
(gradiente de potencial eléctrico)
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• En el equilibrio, el potencial electroquímico de A debe ser el mismo
en las dos fases:
• De este modo:
Suponiendo la temperatura igual en las dos fases y que no hay
diferencia de presión debido al equilibrio osmótico (μΑ0Ι = μΑ0ΙΙ):
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Ecuación de Nernst
• De forma equivalente:
• La ecuación de Nernst permite calcular la distribución
de iones como función del campo eléctrico, así como
el campo eléctrico (diferencia de potencial a través de la
membrana) a partir de la distribución de iones
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• La ecuación de Nernst se refiere a una situación de
equilibrio y, en principio, no puede aplicarse para calcular
el potencial de membrana de una célula viva, ya que,
“las bombas de iones (transporte activo) llevan a
la célula fuera de la situación de equilibrio”.
• No obstante, algunos tipos de iones, como los iones Cl-,
se distribuyen pasivamente y de forma rápida, de modo
que se pueden considerar en equilibrio. En este caso,
conocida la concentración de iones Cl- dentro y fuera de la
célula, podría usarse la ecuación de Nernst para obtener
el valor del potencial .ψ a través de la membrana.
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Equilibrio de Donnan:
• El estado de Donnan representa un equilibrio entre
dos fases que contienen no sólo aniones (A) y cationes
(C), ambos de los cuales pueden pasar a través de la
membrana, sino también moléculas (M) para las que la
membrana es impermeable.
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• El equilibrio de Donnan requiere que los iones se
distribuyan de forma pasiva, de acuerdo al equilibrio
termodinámico
• El transporte activo aleja a la célula del equilibrio de
Donnan
• No obstante, el transporte de ciertos iones en la
célula como Cl- y H+ se realiza de forma pasiva y muy
rápida en comparación con el transporte activo, por lo
que su distribución puede calcularse de forma
aproximada de acuerdo al equilibrio de Donnan.
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Una situación modelo de Gibbs-Donnan
Situación inicial
• La membrana es permeable al K+ y al
Cl-, pero impermeable a X• Inicialmente el K+ está en equilibrio
pero el Cl- tiende a fluir de B hacia A
• A medida que el Cl- fluye de B hacia A,
este genera un potencial de membrana
negativo en el lado A.
• Esto provee una fuerza conductora
para que el K+ fluya de B hacia A
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Caracterisiticas del equilibrio Gibbs-Donnan
• El lado con los aniones fijos (correspondiente
al citosol) tiene:
• Mayor concentración de cationes móviles
• Menor concentración de aniones móviles
• Potencial de membrana negativo
• Mayor presión osmótica
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Energía Libre y Transporte
Componente
químico
Componente
eléctrico
G = R.T. ln [Na+]final + z F. Em
[Na+]inicial
Em = Efinal – Einicial
En el equilibrio:
G = 0 y Einicio = Eequilibrio (final)
R = 8.315 J.mol-1.K-1
(1.987 cal.mol-1.K-1
F = 96,480 Cb. Mol-1 (J.mol-1.V-1)
(23,059 cal.mol-1.V-1)
1 cal = 4.184 J
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Difusión facilitada
La difusión facilitada implica el movimiento por de una solución en
el sentido de su gradiente de concentración.
El mecanismo implicado clásicamente es representado
esquemáticamente por un sistema "ping-pong“. En este marco, las
moléculas de solución son transportadas individualmente de un
lado al otro lado de la membrana, como consecuencia de un
cambio de configuración del transportador. El sistema es
reversible.
Ejemplo. El mecanismo de entrada de glucosa se denomina
transporte facilitado. Principalmente este mecanismo se realiza en
las microvellocidades intestinales, neuronas e hígado (células que
requieren glucosa).
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A: Esquema que ilustra el
sistema "ping-pong" en el caso
de diferentes tipos de
transportistas: uniport,
symport y antiporto.
B: algunos tipos de symport y
de antiporto de importancia
biológica, las soluciones
sombreadas son transportadas
contra gradiente.
Figura: El transporte por difusión facilitada.
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•Hay un # de sitios saturables
•Glucosa ingresa a una
velocidad de 50,000 veces
mayor que por difusión simple.
•Coeficiente de permeabilidad
de Glu es 4 veces más.
Características:
• Velocidad específica
• Cinética de saturación
• Susceptibilidad a inhibición
• Susceptibilidad a inactivación
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Capilares sistémicos
alta pCO2, baja pO2
(metabolismo tisular)
hemoglobina
Intercambiador Cl-/HCO-3 :
banda 3/pAE1 del eritrocito
Anhidrasa carbónica
eritrocito
Proteína AE1
Capilares pulmonares
baja pCO2, alta pO2
(ventilación)
Anhidrasa carbónica
Efecto Bohr
Cotransporte antiparalelo.
•Proteína integral
•Aumentas la permeabilidad de
membrana al HCO-3 en un millón
eritrocito
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Proteínas que participan en el transporte a
través de la membrana
De los sistemas de transporte se conoce:
Su estructura molecular,
La velocidad con que se mueven,
Su afinidad por las sustancias que acarrean, etc.
Se desconoce:
Su mecanismo de funcionamiento,
Sus limites en la capacidad de reconocimiento,
Sus limites de selectividad.
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Clasificación de las moléculas de transporte propuesta
en el año 2002 por el comité de nomenclatura de la
Unión Internacional de Bioquímica y Biología
Molecular.
A cada transportador se le asigna un número TC, análogo al conocido
EC asignado a las enzimas. Este número TC está compuesto por cinco
dígitos y corresponde a su lugar en la clasificación jerárquica de las
moléculas transportadoras.
Esta jerarquía comprende los siguientes niveles
1. Clase. Corresponde al mecanismo del proceso de transporte
2. Subclase. Por el tipo de estructura del transportador, o la fuente
de energía utilizada
3. Familia. Por la estructura primaria del transportador
4. Tipo. Por la estructura primaria, dentro de una familia
5. Transportador.
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47
Por ejemplo, la síntesis de ATP en mitocondrias, cloroplastos y eubacterias la realiza
la ATPasa F, cuyo número esTC.3.A.2.1.1, que significa:
3: Transportador activo primario
A: La energía la suministra la hidrólisis de un enlace pirofosfato
2: ATPasas traslocadoras de H+ (o Na+) del tipo F, V, o A, formadas por un tallo
hidrofóbico insertado en la membrana y una “cabeza” hexamérica de tipo 33.
1.1: ATPasas F mitocondriales, de cloroplastos o de eubacterias, sintetizadoras
de ATP.
Evidentemente, un transportador que, a su vez es una enzima, se podrá clasificar de
ambas formas. En nuestro ejemplo anterior, la ATPasa F mitocondrial se clasifica
tanto como proteína de transporte con el número TC.3.A.2.1.1 o como enzima con el
número EC.3.6.3.14
Las principales clases de transportadores son las siguientes:
1.Poros y Canales.
2.Transportadores dependientes del potencial electroquímico
de los solutos.
3.Trasporte activo primario (Bombas).
4.Translocadores de grupo.
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48
Figura: el P-ATPases
A: Perfiles de hydrophobicité
comparados por Na +-+/K ATPase
de membrana y de Ca2 ATPase del
RE (según Shechter 1997,
modificado).
B: los diferentes dominios de Ca2
ATPase del RE.
C: representación esquemática de
Na +-+/K ATPase y D: esquema de
funcionamiento.
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49
Transporte activo
El transporte activo es el intercambio de partículas entre los dos
medios. Pero este intercambio de partículas se refiere sólo a
nutrientes, pues el agua se intercambia a través de la osmosis.
Características de este tipo de transporte:
El transporte se realiza con gasto de energía; utiliza ATP.
El transporte es a contra la gradiente de concentración.
El transporte se realiza de un medio hipotónico a un medio
hipertónico.
Este transporte siempre requiere la presencia de enzimas.
El transporte activo cumple con características diferentes al
transporte pasivo; se utiliza como ejemplo la Bomba de
Sodio/Potasio o la Bomba de Hidrógeno para su estudio:
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Transporte activo primario.
Usa energía (generalmente obtenida de la hidrólisis de ATP), a nivel
de la misma proteína de membrana produciendo un cambio
conformacional que resulta en el transporte de una molécula a través
de la proteína.
Las ATPasas o "bombas" del transporte son enzimas que pueden
mover iones a través de las membranas biológicas utilizando la
energía de la hidrólisis (ruptura) del ATP. Por este mecanismo
pueden crear diferencias enormes de concentración y de carga
eléctrica a los lados de la membrana.
Existen varios tipos de bombas:
ATPasa de H+; Para mover protones (H+)
ATPasa de Na — K ; Para mover sodio y potasio.
ATPasa de Ca2+ ; Para mover calcio.
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Las bombas de clase P (compuestas por dos polipéptidos
diferentes: alfa y beta) intervienen en el transporte de H+, Na+,
K+ y Ca++, se las encuentra en las membranas plasmáticas de
vegetales, hongos y bacterias , donde:
En las membranas plasmáticas de eucariotas actúan como
bombas de Na+/ K+ y H+/K+ (células gástricas) y este tipo se
lo encuentra además como bombas de Ca++ en dichas células
(y en el retículo sarcoplásmico de células musculares)
La bombas clase F
Las bombas de clase V (múltiples subunidades de membrana y
citosólicas) intervienen en el transporte de H+ de membranas de
vacuolas de vegetales y hongos, en los endosomas y lisosomas de
células animales y en ciertas células animales secretoras de ácidos
(p.ej. osteoclastos)
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Las bombas de clase ABC (del inglés ATP Binding Cassete, con
dos dominios de trasmembrana y dos citosólicos) intervienen en el
transporte de iones y moléculas pequeñas.
• Se encuentran en membranas plasmáticas bacterianas como
permeasas asociadas al transporte de aminoácidos y
monosacáridos.
• En retículo endoplásmico de células de mamíferos asociadas al
transporte de péptidos relacionados con la presentación de
antígenos por las proteínas de CHM, y en membrana plasmática de
mamíferos asociadas al transporte de moléculas pequeñas,
fosfolípidos y fármacos lipidosímiles pequeños.
• Esta superfamilia incluye a la MDR1(del inglés MultiDrug
Resistence) que exporta un gran número de fármacos y es factor
clave de la resistencia de las células cancerosas a los
quimioterápicos y a la proteína CFTR (proteína reguladora
transmembrana de la fibrosis quística), un canal para el Cl- que es
defectuosa en la fibrosis quística.
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Bomba H+, K+ -ATPasa (de tipo P)
También llamada bomba de protones, es una enzima presente en las
células de la mucosa gástrica.
Esta implicada en la secreción gástrica de ácido clorhídrico.
 El ambiente altamente ácido en el estómago (alto [ H+ ]) es esencial
para la digestión del alimento.
 El pH del estómago es alrededor 0.8 a 1.0.
 Sin embargo, el pH de célula parietal de la mucosa gástrica (Ej. esa
forma la guarnición del estómago) tiene un pH fisiológico típico de 7.4
 Hay por lo tanto un gradiente del pH a través de la membrana de la
célula mucosa de 6.6 (el gradiente transmembrana más grande).
 Este gradiente de [ H+ ] es mantenido por el H+, K+ - ATPasa. Esta
proteína de membrana acopla la hidrólisis del ATP al bombeo de H+
fuera de la célula y de K+ dentro de la célula, por lo que el proceso
es electricamente neutro.
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• El ion de K+ se bombea
hacia fuera junto con un
ion del Cl- en otro
proceso eléctricamente
neutro usando un sistema
asociado del transporte
de la membrana.
K+
K+
El beneficio neto es la
secreción de HCl al lado
de estas células en el
estómago. (el K+ se
recicla con eficacia).
• La bomba H+, K+
gástrico- ATPasa es
similar en secuencia de
aminoácidos y estructura
al Na+, K+ - ATPasa.
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Activadores: Histaminas
Inhibidores: Cimetidina, Astritina, Omeprasol,
Rinitidina .
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Bomba sodio/potasio (de tipo P)
La proteína Na+/K+ -asa tiene 2 estados conformacionales
E1 que fija Na (Km=0,2 mM) y E2 que fija K (Km=0,05M).
El mecanismo es de la siguiente forma:
El complejo ternario E1.ATP.3 Na+
El intermediario Aspartil-P: E1 ̴ P.3 Na+
Conformación de baja energía y libera Na: E2-P.3 Na+
E2-P. 2K + y el grupo P se hidroliza dando E2.2K +
E2.2K + cambia su conformación a E1 y libera el K +.
Lo anterior se realiza hasta alcanzar un equilibrio en la
[K+] y [Na+] o equilibrar la naturaleza eléctrica de la
membrana.
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CARACTERÍSTICAS ATPasas tipo P
• Tetrámeros 2α/2β
• Asp-P (vanadato)
• m. plasmática y r. endoplásmico
• Na+, K+, H+, Ca2+ (y otros)
ACTIVIDAD BIOLÓIGICA
FUNCIONES
• Transporte vectorial
• 3 Na+ / 2K+ / 1ATP
• Inhibida por vanadato
• Inhibida por cardiotónicos:
(ouabaina digoxina)
GRADIENTE Na/K
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● control del volumen celular
● control del pHi
● control de [Ca2+]i
●importación de metabolitos (cotransporte)
● excitabilidad eléctrica
25-30% consumo ATP
>60% en cerebro
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Mecanismo de Acción de la Bomba Na/K
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Digitalina
Digitoxigenina
Oubaína
Glucósidos cardíacos ó Esteroides cardiotónicos
Inhibidores de la Bomba de Na/K
Digitalis purpurea)
Se extrae de las semillas
de los arbustos africanos
Strophanthus gratus y
Acokanthera ouabaio.
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Bomba Ca++ ATPasa (de tipo P)
Generalmente la [Ca++]
citosólico es bajo y es
guardado al lado de las
bombas de Ca++ -ATPasa
en la membrana del plasma
y en las membranas del
retículo endoplasmico (ER).
[Ca++]=0.1µM
Estas –ATPasas son
miembros de la familia de
las bombas clase-P
transportan el ion Ca++.
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[Ca++]= 1500 µM
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Mecanismo de la bomba
de calcio del retículo
sarcoplásmico SERCA
ATPasa.
Se denominan ATPasas de tipo P porque durante su ciclo catalítico el ATP cede su fosfato
terminal a un resto de aspártico, formándose un intermediario fosforilado (Phosphorilated)
de la enzima.
Durante el ciclo de transporte la enzima pasa por dos estados conformacionales.
E1, que está abierto hacia el citosol y es más estable en la forma no fosforilada.
E2, es más estable en la forma fosforilada y está abierto hacia el compartimento de salida.
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Calmodulina
Mano EF
Si aumenta la [Ca++], este se une a la
calmodulina, que a su vez se une y activa la
bomba de Ca++.
Ca++ + CaM
Ca++.CaM + Bomba de Ca++inactiva
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Ca++.CaM.Bomba de Ca++activa
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Transporte activo secundario
Utiliza la energía para establecer un gradiente a través de la
membrana celular, y luego utiliza ese gradiente para transportar
una molécula de interés contra su gradiente de concentración.
Ejemplo de Lactosa Permeasa.
Escherichia coli establece un gradiente
de protones (H+) entre ambos lados de
la membrana utilizando energía para
bombear protones hacia afuera de la
célula. Luego estos protones se
acoplan a la lactosa (un azúcar que
sirve de nutriente al microorganismo) a
nivel de la lactosa-permeasa (otra
proteína de transmembrana), la lactosa
permeasa usa la energía del protón
moviéndose a favor de su gradiente de
concentración para transportar la
lactosa dentro de la célula.
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Cotransport de Na+/glucose
Durante la década pasada, varios estudios del cotransporte han conducido a
la propuesta del transporte activo secundario del agua, desafiando el dogma
que todo el transporte del agua es pasivo.
La observación principal que conducía a esta interpretación era que una
afluencia de Na+ no pudo reproducir la hinchazón grande y rápida de la célula
inducida por el cotransport de Na+/solute.
Hemos investigado este fenómeno comparando el flujo inducido del agua de
Na+/glucose (hSGLT1) para regar flujos accionamos por un actual catión
interno (con los canales de ROMK2 K+) o por una afluencia de la glucosa
(que usa GLUT2, un transportador pasivo de la glucosa).
El SYMPOR de Na+ -Glu, usa la bomba de Sodio/Potasio en una primera
etapa, genera así un fuerte gradiente de Sodio a través de la membrana.
Luego la proteína "simport" para el sistema Sodio-Glucosa usa la energía del
gradiente de Sodio para transportar Glucosa al interior de la célula. La
acumulación de la glucosa puede explicar el flujo inicial del agua.
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Estas proteínas eran sobreexpresadas en los oocytes de Xenopus y probadas
con las medidas volumétricas combinadas con electrofisiología del dobleelectrodo o medidas radiactivas del captador. Los gradientes osmóticos que
conducían los flujos observados del agua eran estimados por la comparación
con la hinchazón inducida por choques osmóticos de la amplitud sabida.
Cotransporte
Sistema inhibido por: Floricina
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Intercambiador Na+/H+ del Túbulo Proximal del Riñon
Cataliza el intercambio reversible y
electroneutro de un ion Na+
extracelular por un H+ intracelular,
alcalinizando así el interior de la
célula.
Contratransporte
Intercambiador Na+/H+es inhibido
competitivamente por la amilorida, una
droga diurética, así como por sus
derivados 5-amino sustituidos, como la
etilisopropilamilorida.
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La fuerza conductora de este
transporte es el gradiente de
concentración del ion Na+ a través
de la membrana plasmática, que es
a su vez generado por la bomba de
Na+ y del pHi, máximo rendimiento a
pHi=6,0 y se inhibe a pHi>7,4.
Por lo tanto, el intercambiador
Na+/H+constituye un sistema de
transporte activo secundario de la
célula.
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Transporte de Macromoléculas
Exocitosis
Endocitosis
Fagocitosis
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Pinocitosis
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Exocitosis
La exocitosis es un proceso que tiene como objetivo la excreción
de sustancias. Encontramos en este proceso la excreción de
enzimas y proteínas o lípidos.
• En el caso que cumplan funciones de anabolismo proteico, se
trasladan al retículo de golgi, y posteriormente a vacuolas, y por
último se produce el proceso de exocitosis.
• En el caso que cumplan funciones de anabolismo de glúcidos, se
trasladan al citosol, y posteriormente se realiza exocitosis.
• En el caso de las proteínas siempre se van a trasladar al retículo
de golgi, donde maduran y posteriormente se produce la secreción.
• En los lípidos, se sintetizan en el retículo endoplasmático liso y
luego son segregados en el retículo de golgi.
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Exocitosis y Endocitosis
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Endocitosis
La Endocitosis es el mecanismo por el cual son
incorporadas ciertas macromoléculas al interior del
citoplasma celular.
La endocitosis tiene dos formas bastante frecuentes:
1. la pinocitosis, que consiste en la incorporación de
fluido intracelular y pequeños solutos disueltos, y
2. la fagocitosis, que es la incorporación de grandes
partículas ( sólidas) como microorganismos o
macromoléculas de gran tamaño.
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Figura: El fenómeno de Endocitosis
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Fagocitosis de tipo
inmunitario
El antígeno que hay que ingerir es recubierto con anticuerpos (ligands) reconocidos por
receptores específicos de los macrófagos. En este sistema, el antígeno "es presentado
en primer lugar" a linfocitos auxiliares por un macrófago. Los linfocitos tan acelerados
producen entonces anticuerpos que liberan en la sangre. Éstos van a fijarse
específicamente sobre los antígenos y serán reconocidos por receptores específicos
sintetizados por los macrófagos, el enlace al inducir receptor-anticuerpo la ingestión. B:
vista en microscopía electrónica de un macrófago que ingiere 2 glóbulos rojos
senescentes. Observe la membrana del macrófago que se extiende y progresivamente
engloba los glóbulos (según Weiss 1988, modificado).
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Endocitosis mediada por receptor
(Ligando)
("coated pits")
primario
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Lisosoma
secundario
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Referencias Bibliográficas
1. http://webpages.ull.es/users/bioquibi/temascompletos/transporte/Intr
otransporte.htm.
2. http://www.scielo.org.co/pdf/med/v15n1/v15n1a01.pdf.
3. http://www.fisionet.org/historia-i.html
4. http://www.chem.qmul.ac.uk./iubmb/mtp
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