Tema 4 Transportadores PDF
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Universidad de Valencia
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Este documento presenta una descripción general de los diferentes tipos de transportadores, incluyendo los transportadores de exposición alternante, uniporte, simporte y antiporte. Se centra en los transportadores de glucosa en humanos, así como en otros tipos de transportadores de solutos, como aquellos que transportan metales. Se proporciona información sobre el transporte de glucosa en humanos, así como los diferentes tipos de transportadores asociados al metabolismo celular.
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Tema 4: TRANSPORTADORES Transportadores de exposición alternante Uniporte Simporte Antiporte Translocadores de grupo Otros transportadores 1 Transportadores de exposición alternante Modelo...
Tema 4: TRANSPORTADORES Transportadores de exposición alternante Uniporte Simporte Antiporte Translocadores de grupo Otros transportadores 1 Transportadores de exposición alternante Modelo de exposición alternante Muchas sustancias que entran (nutrientes) o salen (desechos) tienen un tamaño y son hidrofílicas y no pueden atravesar las membranas ni por difusión ni por canales. Hay transportadores que proporcionan un camino alternativo y que se parecen a enzimas ya que sufren cambios conformacionales en su ciclo de transporte. Los transportadores de exposición alternante no hidrolizan ATP directamente y no dependen de una cadena de transporte de electrones o de la absorción de luz, por lo que son transportadores pasivos (difusión facilitada) o activos secundarios (dependen del gradiente generado por un transportador activo primario). Estos transportadores (junto con los canales iónicos) son las formas más abundantes y variadas de mecanismos de transporte. S = soluto sin carga Mecanismo de conformación alternante (rocket‐switch): la unión ΔG1→2 = R∙T∙ ln (S2/S1) del sustrato provoca un cambio de conformación que reorienta el sitio de unión hacia el interior celular y la liberación del sustrato desencadena el cambio de conformación que reorienta el sitio de unión hacia el exterior. V A Cero‐trans ( Km) 1 o Intercambio de equilibrio Infinito‐trans ( Km) 2 i S cis trans Detección/ A Exterior= 1/outside/o Medidas Interior= 2/inside/i Tema 4: Transportadores 2 Transportadores de exposición alternante Major Facilitator Superfamily (MFS) Junto a los transportadores ABC, es de las superfamilias con más miembros (~25% de los transportadores de microorganismos) y que se encuentran en todos los organismos vivos (>15.000 Deng D et al. Nature 2014, 510, 121. Nieng Yan MFS identificadas). Formados por una única cadena polipeptídica (500 aa) de 12 TMD (2 x 6TMD =duplicación). El motivo firma DRXXRR está entre los TMD2 y TMD3 y TMD8 y TMD9. Son transportadores de pequeños solutos: Azúcares, Aminoácidos Nucleótidos Fármacos (Drogas) Metabolitos del ciclo de Krebs Bases orgánicas Tema 4: Transportadores 3 Transportadores de exposición alternante Situación inicial Major Facilitator Superfamily (MFS) Las proteínas de transporte MFS llevan a cabo distintas modalidades de transporte (difusión facilitada, cotransportadores, intercambiadores o uniporte, simporte y antiporte), cinética, afinidad y especificidad, mecanismos de regulación, localización y patrón espacio‐ temporal de expresión durante el desarrollo. Uniporte Ejemplos de los diferentes tipos que veremos: ‐Uniporte: ej: GLUT1 transporte pasivo ‐Simporte: ej: SGLT (Na+/Glucosa) transporte activo ‐Antiporte: ej: oxalato (oxalato/formato) S Si participan iones o moléculas cargadas potencial electroquímico. Simporte GP S Antiporte GP S= Sustrato GP=Gradiente Previo Tema 4: Transportadores 4 Transportadores de exposición alternante Transporte de glucosa en humanos La glucosa es la principal fuente de energía (generación de ATP en glicolisis y respiración) en organismos eucariotas y juega un papel central en el metabolismo y homeostasis. Se requiere un aporte aproximadamente constante de glucosa (80‐110 mg/dL) aunque algunos tejidos consumen mucha de forma continuada (cerebro) o dependiente de la actividad (músculo). Homeostasis de la glucosa: 1) Absorción en intestino delgado 2) Metabolismo en hígado 3) Consumo en casi todos los tejidos 4) Insulina regula almacenamiento vs consumo Dado que la bicapa es impermeable a la glucosa se necesitan transportadores para atravesarla: 1) Permeasas o facilitadores del transporte (GLUT) 2) Simportadores con Na (SGLT) 3) Translocadores de grupo Tema 4: Transportadores 5 Uniporte Transportadores de glucosa GLUT en humanos En el genoma humano hay 14 GLUT (SLC= SoLute Carrier HUGO) que se agrupan en tres tipos. Para mantener la concentración de glucosa baja en el interior celular, la hexoquinasa la fosforila (Glu‐6P). Son permeasas o facilitadores del transporte de glucosa. El transporte uniporte se puede considerar como un simporte permanentemente protonado. Transportador Localización Características El primer transportador GLUT1 se aisló de membranas de GLUT 1 Mayoría de tejidos Glucosa y otras hexosas eritrocitos por unión al inhibidor citocalasina B. Los del cuerpo: Constitutivo eritrocitos, glia, demás miembros se clonaron por homología de secuencia. endotelio, BHE GLUT 2 Hígado y páncreas, Glucosa y otras hexosas Sus secuencias y topologías transmembrana son muy intestino y riñón Alta Km (poca afinidad) similares, aunque sus localizaciones y características GLUT 3 Neuronas Glucosa y otras hexosas. cinéticas son diferentes y acordes a las necesidades Baja Km (alta afinidad) fisiológicas del tejido donde se localizan. GLUT 4 Tejido adiposo y Regulado por insulina. En músculo esquelético membrana de vesículas. GLUT 5 Intestino, Transporta fructosa. Poca espermatozoides, afinidad para glucosa. riñones. GLUT 6 Secuencia que no codifica GLUT 7 Intestino delgado, Transporta glucosa y colon, testículos y fructosa. Tema 4: Transportadores próstata. 6 Uniporte GLUT1 GLUT1 o SLC2A1=Transportador de glucosa del eritrocito y del cerebro y otros órganos. El transportador es reversible y realiza ciclos en sentido horario o anti‐horario a favor de gradiente termodinámico en función de la diferencia de concentración (difusión facilitada). Se caracteriza por tener una amplia gama de sustratos, aceptan varios monosacáridos (hexosas, pentosa, tetrosas), aunque no caben disacáridos. La [Glu] en el plasma sanguíneo es 5 mM. GLUT1 facilita unas 50000 veces (difusión facilitada) el paso de Glu. GLUT1 trabaja cerca de la Km [D‐Glu] 4,5‐5 mM; Km [L‐Glu] =3000 mM; con estereoespecificidad (prefiere D‐Glucosa frente a L‐Glucosa). Imagen de tomografía por emisión de positrones La alta expresión de GLUT1 es un marcador de tumorigénesis (PET) con 18fluorodesoxiglucosa (FdG) (efecto Warburg o glicolisis aerobia). Puede formar dímeros y tetrámeros dependiendo de las condiciones redox que alteran el transporte. Tiene sitios de unión asimétricos de la glucosa a ambos lados. https://www.genecards.org/cgibin/carddisp.pl?gene=SLC2A1&search=SLC2A1 Tema 4: Transportadores 7 Uniporte Secreción de insulina por las células -pancreáticas GLUT4 Se localiza en los miocitos del músculo esquelético, cardiaco y en adipocitos del tejido adiposo Km= 5 mM. La función del transportador de glucosa GLUT4 está regulada por insulina. Entre comidas GLUT4 se localiza en membranas intracelulares (vesículas de secreción). Al aumentar la glucosa en sangre, la insulina hace que GLUT4 vaya a la membrana plasmática y eso aumenta la captación de glucosa por los miocitos y adipocitos Transporte de GLUT4 a la membrana plasmática unas 15 veces. Cuando disminuye la insulina, los transportadores vuelven a ser reclutados a vesículas internas mediante endocitosis. GLUT4 es una diana para el tratamiento de diabetes (tipo II). Tema 4: Transportadores 8 Simporte Sistemas de transporte acoplado Muchas sustancias, como iones, azúcares y aminoácidos, que necesitan transportadores, alcanzan concentraciones en las células que no pueden explicarse por el transporte pasivo. Requieren transporte activo (contra el gradiente electroquímico). Hay dos formas de conseguir concentrar sustratos: D Transporte activo primario que consume directamente una F fuente de energía metabólica o fotones. Simporte Transporte activo secundario en que se transporta más de un sustrato. Este transporte requiere que uno de los D sustratos se transporte a favor de su gradiente electroquímico y que el proceso esté acoplado al transporte F del otro sustrato en contra de su gradiente electroquímico. Simporte (cotransporte) Antiporte (intercambio). D Antiporte F D F D= Desfavorable; S F= Favorable; GP Tema 4: Transportadores 9 Simporte Cotransporte Na+/glucosa En los años 1950 Robert K. Crane estableció que el transporte de glucosa a las células en el intestino delgado es el primer paso del metabolismo de la glucosa y clave para su control. Robert K. Crane (1919‐2010) En 1960 describió el mecanismo de absorción intestinal de la glucosa tiene lugar por un cotransporte sodio:glucosa. Fue la primera propuesta de flujos acoplados en Biología. El movimiento neto de Na+ y glucosa a través del epitelio intestinal contribuye a una separación de carga y a un pequeño gradiente osmótico que proporciona la fuerza que dirige la absorción tanto de Cl‐ (vía la ruta paracelular) como la absorción de agua (vía rutas transcelulares y paracelulares). Este proceso fisiológico resulta en el transporte global de Na+, glucosa, Cl‐ y agua. Este descrubrimiento condujo al desarrollo de terapias de rehidratación oral (ORT) que contrarrestan la pérdida de agua y electrolitos en diarreas como las causadas por el cólera y ha salvado la vida de millones de personas desde los años 1980. Se consideró uno de los avances médicos más importantes del siglo. Además, ha servido para desarrollar inhibidores del cotransporte sodio:glucosa en el tratamiento de diabetes y obesidad. También al uso de drogas como el Prozac (fluoxetina) para tratar la depresión inhibiendo el cotransporte sodio:serotonina en el cerebro. Tema 4: Transportadores 10 Simporte Familia de transportadores de solutos (SLC) SGLT1 (Na+ y glucosa) Características SGLT1: tiene 14 TMD y transporta 2 Na+/glucosa en 2 dirección entrada en el epitelio intestinal. SGLT1 utiliza la energía libre del gradiente electroquímico de Na+ 2 para llevar a cabo el transporte activo secundario y electrogénico. El simporte de glucosa con Na+ en el transportador SGLT1 consigue eliminar el máximo del nutriente en el lumen intestinal. Otros miembros de la familia, como SGLT2 tienen otras localizaciones (membrana túbulos renales). Tema 4: Transportadores 11 Simporte LacY (H+ y lactosa) La permeasa de lactosa de E. coli (cotransportador de galactósidos) o LacY es un transportador MFS que lleva a cabo un simporte de H+ y lactosa. Es un transportador MFS (417 aa) de los mejor estudiados. Los residuos que unen el azúcar están en N‐t y los del protón en C‐t. Requiere un gradiente electroquímico de H+ y realiza un transporte activo secundario electrogénico. La lactosa se puede acumular más de 100 veces con un potencial de membrana de 200 mV. La eliminación del pH inhibiendo la CTE (con cianuro) reduce el transporte de lactosa al transporte pasivo en ausencia del transportador (también las mutaciones de pérdida de función). Tiene sitio de unión del sustrato extracelular de alta afinidad y el intracelular de baja afinidad. Tema 4: Transportadores 12 Antiporte Antiporte Na+ y H+ El intercambiador de Na+/H+ (NhaA/NHE) funciona diferente en distintos organismos según los gradientes de Na+ y de H+ Responsable de mantener la homeostasis del pH y el sodio. En humanos, se encuentran en las membranas de muchas células. Los defectos en los antiportadores de Na+/H+ pueden provocar insuficiencia cardíaca o renal e hipertensión. Antiporte Na+ y Ca2+ El intercambiador de sodio‐calcio (NCX) exporta un solo ion de calcio para la importación de tres iones de sodio. El intercambiador existe en muchos tipos de células y especies animales diferentes. El intercambiador Na+/Ca2+ complementa la función de la Ca2+‐ATPasa, ambos participan en una variedad de funciones celulares, entre ellas: control de la neurosecreción actividad de las células fotorreceptoras relajación del músculo (acoplamiento excitación‐ contracción) Tema 4: Transportadores 13 Antiporte Oxalato:formiato El antiportador oxalato:formiato de Oxalobacter formigenes (OxlT), bacteria anaerobia del colón es miembro de los MFS. El oxalato ingerido es inservible y si no hay Oxalobacter en la flora intestinal se producen cristales de oxalato de calcio en el riñón (piedras). Oxalobacter consigue energía metabolizando el oxalato. El antiportador utiliza una porción del oxalato que tras la actividad de una descarboxilasa se elimina en forma de formiato. Mediante el translocador oxalato:formiato y la descarboxilasa, se consigue de manera indirecta un gradiente de H+ similar al creado por las bombas de H+. Con ello se energiza la membrana de Oxalobacter. Tema 4: Transportadores 14 Translocadores de grupo Transporte y actividad enzimática En bacterias, algunos transportadores de glucosa llevan incorporada una actividad enzimática. La célula, para mantener la concentración de glucosa baja y favorecer que se importe, la modifica por fosforilación (Glu‐6P). La glucosa se fosforila antes de dejar el transportador por la parte interna mediante el sistema fosfotransferasa (PTS) dependiente de fosfoenolpiruvato (PEP). Este proceso está acoplado a la glicolisis. De las 2 moléculas de PEP, una se utiliza en el transporte. Este proceso es denominado "translocación de grupo" y puede considerarse un transporte activo, ya que el balance termodinámico del transporte se ve afectado por la tendencia termodinámica de la reacción química. Los transportadores que llevan a cabo la translocación de grupo pertenecen a una familia distinta de los transportadores de glucosa de eucariotas. Tema 4: Transportadores 15 Otros transportadores Transportadores de metales La clasificación de los transportadores es compleja. Metales esenciales como el cobre, el hierro o el zinc (micronutrientes) que tienen sus propias familias. Se dividen en permeasas y bombas, según la dirección de influjo o eflujo de la célula y los compartimentos. Forman parte de las metaloproteínas (1/3 proteoma). Componentes para el transporte de l/e c + ‐ metales a través de membranas + ‐ + ‐ 1) Transportadores: Hacia el citosol: Transporte Pasivo (TP) MC TP MCh Hacia el lumen/exterior: Transporte activo (TA) 2) Transbordadores: Mn R/O Citosol: Metalochaperonas (MCh) Mn Lumen/exterior: Metalocomplejos (MC) Mn+1 R/O 3) Adecuadores Redox: Mn+1 Reductasas (R) MC TA MCh Oxidasas (O) Tema 4: Transportadores 16