Transporte a través de la membrana celular

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
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
Difusión simple
Transporte PASIVO
Transporte Facilitado
- transportadores
- canales
Primario
Transporte ACTIVO
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
El desplazamiento de una especie química de donde hay mayor
concentración a otra de menor, en términos termodinámicos,
produce una liberación de energía libre (pérdida de energía,
- ∆G).
∆G=-RTln 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).
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
Dm, se supone cte y las concentraciones en
el espesor de la membrana hacia cada lado
De acuerdo con Ley de Fick:
c1-c2
J =mD=mD.c1c2 . A
∆x
a
a = espesor de membrana
A = superficie de la membrana
c1 = k.C1
c2 = k.C2
k = ci
Ci
Coeficiente de partición (k): razón de concentraciones
entre la bicapa y la fase acuosa. Indica cuan fácil se
“disuelve” una sustancia química en un hidrocarburo
Para una membrana y un soluto determinados,
k, a y Dm son ctes:
P = k . Dm
a
Entonces:
P (permeabilidad de la membrana)
- composición, estructura de membrana
- espesor de membrana
- especie química que difunde
m = P (C1- C2)
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)
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:
ƒNa+ y K+: participan en la generación del potencial de
acción
ƒCa++: transmisión de señales. Acoplamiento excitacióncontracción
ƒAcetilcolina: 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
PREGUNTAS
1- Explique las diferencias entre flujo y densidad de
flujo.
2- Defina el potencial electroquímico y explique el
equilibrio con base en este concepto.
3- Utilizando la expresión matemática de la ley de Fick,
justifique el hecho de que los iones NO atraviesan la
membrana por el mecanismo de difusión simple.
4- En un recipiente, en un determinado instante se mide la
concentración de soluto a diferentes distancias de la pared
del recipiente:
-indique el sentido de los flujos a XA, XB, XC y XD.
-a qué estado llegará el sistema luego de un largo período
de tiempo?
5- Defina un canal y hable sobre la importancia en
la fisiología normal del hombre.
6- Cuál es la importancia en las ciencias
biomédicas conocer las funciones, estructuras y
mecanismos de los canales?
7- Menciones las diferencias entre los dos
mecanismos de transporte activo (cotransporte y
contratransporte).