Transporte a través de las membranas

Transporte a través de las membranas

• El transporte de sustancias a través de las membranas celulares se divide en:
  • Transporte pasivo
  • Transporte activo
  • Transporte de moléculas grandes: endocitosis, exocitosis y transcitosis

Mecanismos de transporte de moléculas

• Los mecanismos de transporte varían según el peso molecular de las moléculas.
• Se distinguen aquellos para moléculas de baja masa molecular y los de alta masa molecular.

Transporte de moléculas de baja masa molecular

• Este transporte se clasifica en pasivo y activo, dependiendo del uso de energía.
• El transporte pasivo incluye la difusión simple y la difusión facilitada.
• El transporte activo se subdivide en primario y secundario, ambos requieren transportadores y energía.
• Las moléculas transportadas pueden ser polares grandes, con carga o iones.

Difusión a través de la membrana

• La transferencia de sustancias como nutrientes, residuos o moléculas señalizadoras a través de las membranas celulares puede ocurrir de tres formas:
  • Difusión pasiva
  • Difusión facilitada
  • Transporte activo

Difusión pasiva

• Es el paso de sustancias a través de la membrana a favor de un gradiente y sin gasto de energía.

Difusión facilitada

• Es el paso de sustancias a través de canales proteicos.
• Reconocen específicamente la sustancia y permiten el paso hasta la saturación.
• Los canales pueden ser de iones, glutamato, NH3, H2O, glicerol, entre otros.

Transporte activo

• Proteínas permiten el paso específico de sustancias con hidrólisis de ATP.

Tipos de transporte según moléculas transportadas

• Uniporte: Transporta una sola molécula.
• Cotransporte: Transporta dos o más moléculas simultáneamente.
  • Simporte: Las moléculas se mueven en la misma dirección.
  • Antiporte: Las moléculas se mueven en direcciones opuestas.

Gradientes en el transporte de solutos

• En moléculas sin carga, la fuerza conductora es el gradiente de concentración.
• En moléculas con carga, el sentido del transporte está determinado por el gradiente electroquímico.
• Cuando el gradiente de concentración favorece la salida, pero el potencial eléctrico actúa en sentido contrario.

Transporte pasivo por difusión simple

• Es el mecanismo más simple y no intervienen proteínas, las sustancias se transportan a favor de gradiente.

Transporte pasivo por difusión facilitada

• Intervienen proteínas transportadoras y canales, se produce sin gasto de energía y a favor de gradiente.
• Las proteínas transportadoras experimentan un cambio conformacional.
• Los canales proteicos pueden tener apertura permanente o regulada por voltaje, ligando o estímulos mecánicos.
• Se transporta glucosa, aminoácidos, iones y moléculas cargadas.

Proteínas de membrana en el transporte pasivo

• Las proteínas de membrana que intervienen en el transporte pasivo son los canales iónicos, las porinas y los carriers o permeasas.
• Los canales iónicos y las porinas son selectivos pero no se saturan
• Los carriers o permeasas son selectivos y se saturan

Canales proteicos de apertura regulada

• La apertura de los canales regulados por ligando se produce en respuesta a la unión de pequeñas moléculas (ligandos).
• La apertura de los canales regulados por voltaje se da cuando se produce un cambio en el potencial de membrana.

Canales regulados por ligando

• Los neurotransmisores sirven como ligando en los canales regulados por ligando.
• El receptor nicotínico de acetilcolina y los receptores de GABA (canales de Cl-) son ejemplos.
• La unión de la acetilcolina induce cambios conformacionales que abren el canal, permitiendo el paso de iones con carga positiva.

Canales regulados por voltaje

• La regulación de la apertura por voltaje se debe a una hélice alfa transmembrana con cargas positivas.
• La despolarización de la membrana induce el movimiento de estas cargas, alterando la posición del segmento transmembrana y abriendo el canal.
• Este tipo de canales son muy selectivos.

Canales regulados mecánicamente

• El potencial de acción se propaga por los túbulos T, activando los receptores DHP (dihidropiridina), que sufren un cambio conformacional.
• El cambio conformacional en los receptores DHP provoca la apertura del canal de Ca2+, liberando Ca2+ del retículo sarcoplásmico.

Porinas y acuaporinas

• La aquaporina transporta agua a través de los compartimentos celulares.
• Son proteínas transmembrana que forman un canal de 2 nm de largo y 0.3 nm de ancho, a través del cual sólo pueden pasar moléculas de agua.
• Estas acuaporinas se encuentran en células animales y vegetales, y su apertura es permanente.
• Peter Agre, descubridor de las acuaporinas, recibió el premio Nobel de Química en 2003.

Transportadores o carriers

• GLUT1 es un uniportador que transporta glucosa hacia el interior de las células de los mamíferos.
• La concentración de glucosa suele ser mayor en el exterior de la célula.
• GLUT1 tiene dos estados conformacionales: un sitio fijador orientado hacia el exterior y otro hacia el interior de la membrana.
• Es un tipo de difusión facilitada que no gasta ATP.

Transporte activo de moléculas de baja masa molecular

• Implica el transporte en contra de un gradiente, con gasto de energía.
• Los tipos incluyen uniporte y cotransporte.

Bomba de sodio-potasio

• Es un tipo de transporte activo muy estudiado en el cual el bombeo de Na+ y K+ está asociado a la actividad ATPasa de una proteína transmembrana.

Mecanismos y concentraciones iónicas

• El transporte activo permite mantener diferencias en las concentraciones intra y extracelulares de iones como Na+, K+, Mg++, Ca++, y Cl-.
• Permite el funcionamiento de bombas de iones, como la bomba sodio/potasio, la bomba de protones gastrointestinal y la bomba de protones de los lisosomas.

Transporte activo y cotransporte

• Algunos simportadores ligados al Na+ transportan glucosa y aminoácidos al interior de las células animales.
• Este proceso se denomina transporte activo secundario o acoplado.

ATPasa de sodio / potasio

• La bomba de sodio actúa no sólo como proteína transportadora sino también como ATPasa.
• Representa el 30% del gasto de ATP en las células animales.
• El Na+ exterior de la célula es un depósito de energía.
• La unión del Na citosólico y la posterior fosforilación determinan un cambio conformacional que transfiere el Na al otro lado de la membrana.
• La energía para el cambio conformacional proviene de la unión del fosfato de alta energía.
• La unión del potasio y la liberación del fosfato provocan el siguiente cambio conformacional.
• La enzima se encuentra en la forma E1 y se produce la fosforilación pasando a la configuración E1P
• Finalmente hay un cambio de configuración donde se liberan 3Na+ al exterior
• Posteriormente hay una liberación de 2K+ y regeneración de la forma E1.

Transporte activo secundario

• En esta modalidad, la energía no proviene directamente de la hidrólisis de ATP, sino de un gradiente electroquímico establecido por transporte activo primario.
• Permite transportar solutos como la glucosa.

Simportadores de sodio en el intestino delgado

• Transporte de glucosa en las células que revisten el intestino delgado
• El movimiento favorable del ión Na+ (a favor de gradiente) se acopla al movimiento de la glucosa en contra de gradiente
• Ambas moléculas, Na+ y glucosa, se deben mover juntas, en la misma dirección (simporte)
• La bomba Na+/K+ actúa para mantener baja la concentración de iones sodio en el interior de la célula, sacando iones Na+ al medio extracelular.

Absorción de glucosa

• La glucosa se absorbe en la pared intestinal gracias a simportadores de Na+ y uniportadores de glucosa.
• El simportador Na+ glucosa está dirigido por el gradiente de concentración de Na+
• El uniportador Uniportador GluT2 facilita el transporte de glucosa a favor de gradiente
• Hay una concentración alta de glucosa en la célula, baja en el lumen intestinal y baja en el capilar

Moléculas grandes y su transporte

• El transporte de moléculas de gran tamaño se divide en endocitosis, exocitosis y transcitosis.

Endocitosis

• El transporte de moléculas de gran tamaño se divide en endocitosis, exocitosis y transcitosis.
  • Fagocitosis, pinocitosis, mediada por receptor.

Endocitosis, exocitosis, pinocitosis y fagocitosis

• Requieren vesículas recubiertas de clatrina.
• La clatrina es una proteína que forma una estructura denominada 'trisquelión' con tres cadenas pesadas y tres cadenas ligeras y recubren las vesículas.

Endocitosis

• La célula toma partículas o moléculas grandes del medio externo mediante invaginación de la membrana plasmática.
• Se forma una vacuola que puede estar mediada por el receptor.
• Se puede transportar desde macromoléculas hasta células enteras.
• La pinocitosis transporta partículas muy pequeñas o líquido.

Endocitosis mediada por receptor

• Sustancias específicas son captadas por un receptor específico y transportadas al interior celular.
• La vesícula endocítica incluye clatrina en su revestimiento.

Ejemplo de endocitosis

• El LDL-colesterol ingresa por endocitosis mediada por receptor donde:
  • La cubierta está formada por 500 moléculas de colesterol, 800 de fosfolípido y una apoproteína B100
  • El núcleo hidrófobo se conforma con 1500 moléculas de colesterol esterificado.

Fagocitosis

• Implica el consumo de partículas grandes, como microorganismos o restos celulares.
• Participa en la nutrición de organismos unicelulares
• Otorga protección frente a invasores a través de los macrófagos y neutrófilos
• Elimina las células dañadas y sustancias de desecho

Exocitosis

• Expulsión de sustancias intracelulares contenidas en vesículas (hormonas, enzimas, mucus...), puede eliminar sustancias de desecho.
• En el acercamiento a la membrana es importante la despolimerización del esqueleto submembranoso de actina que actúa como barrera
• El mecanismo exocitótico no es del todo bien conocido

Tipos de exocitosis

• Constitutiva: Siempre y en todo lugar.
• Regulada: Solo con estimulo.

Exocitosis - función

• Necesaria para la secreción de proteínas, reposición de la membrana plasmática, presentación de antígenos
• Permite el reciclaje de receptores, la colocación de proteínas integrales, el funcionamiento del acrosoma y la liberación de neurotransmisores.

Transcitosis

• Implica endocitosis seguida de exocitosis, permitiendo que una sustancia atraviese todo el citoplasma celular sin modificar su contenido.

Endocitosis en células endoteliales - caveolas

• Las caveolas son pequeñas depresiones de 50-100 nm que se forman en la superficie celular para captar moléculas de forma selectiva por endocitosis.
• Las caveolas no están recubiertas de clatrina y no se fusionan con lisosomas.

Caveolas en detalle

• Son agrupaciones en las membranas compuestas por colesterol, esfingolípidos y proteínas caveolinas
• Implicadas en procesos de formación de vesículas y plegamientos de la membrana citoplasmática en el endotelio.
• Caveolinas: Proteínas integrales de membrana de 22KDa específicas de tejido compuestas por caveolina.
• Las caveolinas están unidas a la membrana y Forman homodímeros.