Fisiología Humana: Transporte y Señalización Celular PDF

Grado en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte Fisiología Humana Bloque I. Fisiología celular 2. Transporte y señalización celular Dr. David Ramiro Cortijo [email protected]  Contenidos Funciones de la membrana plasmática: gradiente y equilibrio electroquímico y osmótico. L...

Grado en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte Fisiología Humana Bloque I. Fisiología celular 2. Transporte y señalización celular Dr. David Ramiro Cortijo [email protected]  Contenidos Funciones de la membrana plasmática: gradiente y equilibrio electroquímico y osmótico. La difusión simple y facilitada: poros, canales y permeasas. El transporte activo y pasivo. La bomba Na+-K+ ATPasa. La exocitosis y endocitosis. La comunicación autocrina, paracrina y endocrina. La comunicación por contacto. Principios de señalización celular: ligando, célula emisora y receptora, receptor, la localización de receptores liposolubles e hidrosolubles y los segundos mensajeros. Sistemas de señalización intracelular: proteínas G La membrana plasmática Modelo del mosaico fluido Lípidos: Fosfolípidos / Esfingolipidos / Colesterol Proteínas (integrales/perifericas/asociadas a lípidos) - Enzimas - Receptores - Transportadores - Canales Jonathan Singer - 1972 Garth Nicolson - 1972 Hidratos de carbono (exterior): Glucocálix Glicoproteína Glicolipido Compartimento extracelular → Fosfolípidos Compartimento intracelular → Proteínas Periféricas Proteínas Colesterol Proteínas Esfingolipidos (citoplasma) Integral Integral Funciones de las membranas celulares 1. Intercambio de sustancias entre la célula y el medio extracelular (o entre orgánulos y citoplasma) 2. Mantenimiento del gradiente electroquímico a ambos lados de la membrana 3. Recibir mensajes para que la célula genere respuestas: Crecimiento/muerte Movimiento Secreción Reconocimiento 4. Secretar sustancias: hormonas, neurotransmisores, sustancias paracrinas. La membrana plasmática (o de orgánulos intracelulares) presenta permeabilidad selectiva La difusión y el gradiente ¿Hacia dónde se mueven las moléculas? Las moléculas tienen movimiento intrínseco y se mueven aleatoriamente → Las moléculas difunden Resultado de imagen de Brownian movement En ausencia de barreras, las moléculas difunden hacia donde hay menos concentración y con el tiempo se distribuyen homogéneamente → Las moléculas difunden a favor de gradiente de concentración https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/10/Scheme_simple_diffusion_in_cell_membrane-es.svg/310px-Scheme_simple_diffusion_in_cell_membrane-es.svg.png Gradiente de concentración: diferencia de concentración de una sustancia entre dos lugares La difusión y el gradiente Los líquidos intracelular y extracelular son diferentes El citoplasma (liquido intracelular) y el líquido intersticial y plasma (liquido extracelular) tienen:  concentración de moléculas → Desequilibrio químico  carga eléctrica a ambos lados de la membrana → Desequilibrio eléctrico = concentración de partículas → Equilibrio osmótico La difusión y el gradiente – el desequilibrio químico y eléctrico Desequilibrio químico: K+ K+ y las proteínas están más concentrados en el líquido intracelular Proteínas Na+, Cl- y HCO3- están más concentrados en el líquido extracelular HCO3- Na+ Cl- + +-+ + + Desequilibrio eléctrico: El interior de la membrana es negativo respecto del exterior +- - + + -- - + + - - La existencia de un gradiente electroquímico es imprescindible para el - + funcionamiento celular + - - + + +  La difusión y el gradiente y el equilibrio osmótico El agua es capaz de atravesar las membranas y equilibra el número de partículas a ambos lados Moléculas = 10 Moléculas = 5 Extracelular → Membrana Plasmática semi- permeable → → Tiempo → Intracelular → Moléculas = 5 Moléculas = 5 Osmolaridad liquido intracelular = Osmolaridad líquido extracelular En los líquidos biológicos la osmolaridad normal es de ≈300 mOsm/L La difusión y el gradiente y el equilibrio osmótico Osmolaridad  Tonicidad Tonicidad. Es un término de “comportamiento” celular (no se mide). Qué cambios se producen en el volumen celular en el equilibrio cuando se pone la célula en una solución con una concentración extracelular determinada Depende de la osmolaridad de la solución y si los solutos pasan o no la membrana celular Tipo de solución Comportamiento celular Hipertónica Reduce el volumen Isotónica No se modifica el volumen Hipotónica Aumenta el volumen Transporte a través de la membrana La célula mantiene el gradiente electroquímico gracias al transporte selectivo de moléculas a través de la membrana plasmática Los solutos pueden transportarse a favor de gradiente o en contra de gradiente electroquímico Difusión Simple No requiere aporte externo de energía PASIVO Usa la energía cinética del Difusión Facilitada movimiento molecular Según el gasto energético Primario Requiere aporte de energía externa ACTIVO Es saturable Secundario Transporte a través de la membrana PASIVO Difusión Simple Difusión Facilitada Que moléculas pasan así: Que moléculas pasan así: Pequeñas y apolares: O2, CO2 Moléculas impermeables Liposolubles: alcoholes, vitaminas A, E, D y K Polares: Agua Moléculas Agua Gases liposolubles PORO CANAL PERMEASAS Directamente proporcional a: Gradiente de concentración Cada tipo celular expresa unas proteínas diferentes Velocidad de Liposolubilidad en la membrana difusión Inversamente proporcional a: La dirección del transporte depende del gradiente Tamaño de la molécula electroquímico de la molécula a transportar Grosor de la membrana https://phet.colorado.edu/sims/html/neuron/latest/neuron_es.html Transporte a través de la membrana PASIVO Difusión Facilitada PORO CANAL PERMEASAS Siempre abiertos Se abren y cierran Paso selectivo de sustancias Algunos se abren en respuesta a: Moléculas muy grandes y polares que Moléculas muy pequeñas Cambios eléctricos en la membrana no caben por los canales Moléculas polares Unión de molecular al canal Otros estímulos (estiramiento, vibración) Mecanismo de apertura: cambio conformacional. Las acuaporinas son poros Permiten el paso de iones No están abiertas simultáneamente a los dos por los que el agua pasa Hay canales específicos de cada ion lados más rápido que por (según carga y tamaño) difusión simple Si están abiertos también permiten el paso del agua No se saturan y transporte muy rápido Pueden transportar en ambas direcciones La dirección de transporte depende del gradiente Transporte a través de la membrana PASIVO Difusión Facilitada PERMEASAS Selectividad: Muy alta (más que los canales) Velocidad de transporte: Menor que los canales y se saturan Pueden transportar en las dos direcciones. Según el gradiente Permeasa GLUT, que transportan hexosas por difusión facilitada Glucosa Insulina Glucosa GLUT3 GLUT4 Tejido independiente de insulina (nervioso) Tejido dependiente de insulina (adiposo y músculo) Transporte a través de la membrana ACTIVO Primario Secundario Consume energía indirectamente Consume energía directamente (transporte acoplado a una molécula (hidrólisis de ATP) que entra a favor de gradiente) Bombas Transportadores Transporte a través de la membrana ACTIVO Primario Bomba Na+/K+ ATP-asa Proteína de transporte y enzima (actividad ATPasa) Electrogénica (genera potencial de membrana) Transporta 3Na+ al exterior y 2K+ al interior Sitio de unión al K+ Sitio de unión al Na+ Gasta entre el 25-50% del ATP producido por una célula Transporte a través de la membrana ACTIVO Primario Interior de Exterior de Importancia fisiológica de la Bomba Na+/K+ ATP-asa la célula la célula 1) Contribuye al gradiente químico. Mantiene la diferencia de 2 concentraciones de Na+ y K+ entre el LIC y el LEC. K+ 2) Contribuye al gradiente eléctrico. Mantiene la diferencia de Na+ cargas a ambos lados de la membrana → mantiene potencial de la membrana. 3 3) Contribuye a mantener el volumen celular. Membrana plasmática Transporte a través de la membrana ACTIVO Secundario Co-transporte Una de las moléculas se mueve a favor de gradiente electroquímico y proporciona la energía para transportar a otra en contra de gradiente. Sistemas acoplados a ion Na+ El Na+ siempre tiende a entrar y permite introducir/sacar otras sustancias en contra de gradiente Hay otros sistemas de co-transporte asociados a otros iones. ¿Por qué gasta energía el transporte activo secundario mediado por Na+? La Na+/K+ ATPasa lo vuelve a sacar con gasto energético Simporte: Ambas moléculas se Antiporte: La molécula a transportar se mueven en la misma dirección mueve en dirección contraria al Na+ Transporte a través de la membrana ACTIVO Secundario Transportadores SGLT: simporte de Na+-Glucosa → Permite acumular glucosa en contra de gradiente 1. Na+ se une al transportador en el espacio extracelular 2. Se activa un sitio de alta afinidad para la glucosa y se une la glucosa 3. La unión de la glucosa produce el cambio conformacional y 4. En el interior, el Na+ se libera por gradiente y se reduce la el SGLT se vuelve hacia el interior afinidad por la glucosa que pasa al citoplasma  Transporte a través de la membrana Algunas moléculas son demasiado grandes para entrar/salir de la célula Transporte mediado por vesículas ESPACIO 1. ENDOCITOSIS 2. EXOCITOSIS EXTRACELULAR ESPACIO INTRACELULAR La vesícula puede fusionarse con lisosomas para liberar el contenido La membrana de la vesícula secretora se fusiona con la membrana celular, abriéndose al espacio En ocasiones la endocitosis está mediada por extracelular y liberando el contenido de la misma receptores en la superficie que reconocen a la molécula a transportar Comunicación celular Las células se comunican para coordinar su actividad Célula emisora Célula Diana Envía el mensaje Recibe el mensaje Mensajero Clasificación de la comunicación celular Química Corta distancia – Comunicación Según Según la LOCAL Naturaleza del Eléctrica distancia a la que mensajero viaja el mensaje Larga distancia Por contacto Comunicación celular Química Usa moléculas que produce la célula emisora La célula diana necesita tener receptores para esa molécula El mensaje puede llegar a células diferentes La respuesta será diferente según el tipo celular Eléctrica Implica movimiento de iones Las señales eléctricas entre 2 células tienen lugar a través de uniones en hendidura (GAP junction) Formadas por proteínas denominadas conexinas Permiten el paso rápido de iones de una célula a otra Las neuronas se comunican mediante señales eléctricas y químicas Viajan a larga distancia Señales eléctricas Señales químicas Algunos tejidos reciben mensajes por comunicación eléctrica y química Células musculares lisas (arterias) Mensajero químico Paso rápido de información entre células por uniones en hendidura Comunicación celular Por contacto Implica un contacto directo entre células Mediado por proteínas de membrana Las uniones en hendidura son un tipo de comunicación por contacto Las células inmunes se mueven desde la sangre a los tejidos mediante proteínas de membrana Clasificación de los sistemas de comunicación química Según el lugar sobre el que actúan Comunicación AUTOCRINA Comunicación PARACRINA Comunicación ENDOCRINA Sobre si misma Sobre celulas vecinas Sobre celulas distantes transportadas Resultado de imagen de cell communication electrical signals cartoon por la sangre Resultado de imagen de cell communication electrical signals cartoon Resultado de imagen de cell communication electrical signals cartoon Clasificación de los sistemas de comunicación química Comunicación AUTOCRINA Comunicación A corta distancia PARACRINA Según la distancia Comunicación POR Señales exclusivamente químicas CONTACTO Viaja por la sangre (hormonas) Receptores específicos en célula diana Sistema ENDOCRINO A larga distancia Sistema NERVIOSO Señales eléctricas y químicas (neurotransmisores) La señal eléctrica puede viajar largas distancias, pero el neurotransmisor se libera muy cerca de la célula diana La comunicación química necesita receptores Una misma sustancia puede interaccionar con más de un receptor → La especificidad del mensaje está en el receptor Una sustancia químicamente relacionada puede interaccionar con el mismo receptor Los receptores pueden localizarse en la membrana, el citoplasma o el núcleo. Depende de la naturaleza química del ligando: Liposoluble (citoplasma o núcleo) Hidrosolubles (membrana) Receptores intracelulares Liposoluble Hidrosolubles Receptores de membrana A B C B Especificidad ligando-receptor Ligando Ligando para otro receptor Cada receptor es específico para un ligando o sustancias relacionadas Receptores La unión del ligando al receptor provoca cambios en la célula: Iónicos (apertura o cierre de canales iónicos) Célula diana Bioquímicos (cambios en la actividad de alguna proteína) Transcripción de genes (síntesis de una nueva proteína) Modifican la actividad celular: Cambios eléctricos Movimiento Síntesis/ degradación Muerte/ proliferación celular Unión de un ligando con receptores intracelulares Unión de un ligando con receptores de membrana El ligando-receptor se une al Pueden producir apertura o Producen un segundo mensajero ADN y activa un gen cierre de un canal iónico Gen Proteína Transducción de señales Los receptores son transductores de señales → Transforman una señal en otra Tipos de receptores de membrana que traducen señales al interior celular Asociados Asociados a enzimas a canales Integrinas Asociados a proteinas G Enzima Transducción de la señal Receptores asociados a proteínas G Receptores acoplados a enzimas El receptor atraviesa la membrana (7 dominios transmembrana) Se une a una proteína formada por 3 subunidades Tirosina-quinasa: Fosforilan proteínas Funcionamiento Guanilato ciclasa: GTP→ cGMP (segundo mensajero) Estado inactivo (sin ligando) → subunidades asociadas Estado activado (con ligando) → disociación → SEÑALIZACION Resultado de imagen de g coupled protein receptor ligando GDP GTP Sistema adenilato ciclasa-AMP cíclico Sistema fosfolipasa C- Inositol trifosfato (IP3) y diacil glicerol (DAG) Receptores acoplados a proteínas G - Sistema adenilato ciclasa-AMP cíclico (AMPc) 1. Unión ligando-receptor activa la proteína G 2. Esta activa/inhibe la Adenilato Ciclasa (AC) 1 2 3 3. La AC transforma el ATP en cAMP 4. El cAMP activa la proteína kinasa A (PKA) 2º mensajero 4 5 5. La PKA fosforila diversas proteínas 6. Cambios celulares 6 Receptores acoplados a proteínas G - Sistema fosfolipasa C (PLC) Ligando 2º mensajero 1. Unión ligando-receptor activa a la proteína G 2. La Proteína G activa a la Fosfolipasa C (PLC) 3. La PLC transforma un tipo de fosfolípido de la membrana en 2 compuestos: Diacil glicerol (DAG)→ activa la proteína Kinasa C (PKC) → fosforila proteínas Inositol trifosfato (IP3) → libera Ca2+ del retículo endoplásmico → señalización celular