Tema 4 Transportadores PDF

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