TEMA 5: Transporte a través de la membrana (PDF)

FISIOLOGÍA Tema 5 TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA  La tomografía de emisión de positrones (PET) es una técnica clínica que permite visualizar la actividad metabólica de un tejido u órgano. ¿Qué tipo de transporte a través de la membrana tiene lugar en esta técnica?...

FISIOLOGÍA Tema 5 TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA  La tomografía de emisión de positrones (PET) es una técnica clínica que permite visualizar la actividad metabólica de un tejido u órgano. ¿Qué tipo de transporte a través de la membrana tiene lugar en esta técnica? ¿Qué transportadores están implicados? 2 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Contenido 5.1. ¿Por qué son necesarios los mecanismos de transporte? 5.1.1. Importancia de los gradientes en las células de mamíferos 5.1.2. Regulación del volumen celular 5.1.3. Regulación del pH citoplásmico 5.2. Tipos de transporte y proteínas implicadas 5.3. Transporte pasivo 5.3.1. Difusión simple 5.3.1.1. Difusión de gases: Ley de Fick 5.3.1.2. Diálisis 5.3.1.3. Aquaporinas 5.3.1.4. Canales iónicos 5.3.2. Difusión facilitada: Permeasas 4 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Contenido 5.1. ¿Por qué son necesarios los mecanismos de transporte? 5.1.1. Importancia de los gradientes en las células de mamíferos 5.1.2. Regulación del volumen celular 5.1.3. Regulación del pH citoplásmico 5.2. Tipos de transporte y proteínas implicadas 5.3. Transporte pasivo 5.3.1. Difusión simple 5.3.1.1. Difusión de gases: Ley de Fick 5.3.1.2. Diálisis 5.3.1.3. Aquaporinas 5.3.1.4. Canales iónicos 5.3.2. Difusión facilitada: Permeasas 5 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA ¿Por qué son necesarios los fenómenos de transporte? ✓ En las membranas biológicas existen proteínas que realizan transporte de iones y otras moléculas pequeñas, que de otra manera no podrían cruzar la membrana plasmática o si lo hicieran, tardarían mucho tiempo en hacerlo. ✓ Las células deben adquirir nutrientes y eliminar desechos al medio externo, manteniendo la integridad de la membrana celular para no perder el material genético ni orgánulos citoplasmáticos. ✓ El transporte a través de membrana surge como consecuencia de que las células son sistemas abiertos (intercambian materia y energía). ✓ Las membranas plasmáticas son semipermeables. GRADIENTES ✓ Los fenómenos de transporte son específicos. 6 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Importancia de los gradientes en las células de mamíferos ¿Por qué es necesario crear gradientes de K+ y Na+? GRADIENTES: Compensan diferencias de osmolaridad Facilitan transporte de solutos 7 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Regulación del volumen celular RVI (Regulatory volumen increase) AC Las variaciones de volumen de la célula se (ej., manitol…) pueden regular de dos maneras: 1. A corto plazo (seg/min) 2 mecanismos (mutuamente excluyentes) RVI (estímulo inicial: [Osm]o) RVD (estímulo inicial: [Osm]o) Control antagónico RVD (Regulatory volumen decrease) Retroalimentación negativa No provoca cambios en pH No provoca cambios en Vm ATPasa Na/K pierde importancia cuando actúan estos mecanismos 8 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Regulación del volumen celular Algunos osmolitos presentes en las células son: Las variaciones de volumen de la célula se pueden regular de dos maneras: 2. A largo plazo Osmolitos intracelulares sintetizados Osmolitos extracelulares captados Taurina Betaína (Ácido 2-aminnoetanosulfónico) (Ácido N-trimetiletanoico) a) Taurina b) Betaína c) Inositol d) Sorbitol e) Manitol Manitol Inositol Sorbitol Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Regulación del pH citoplasmático PRÁCTICA INTEGRADA pH: ¿qué es y cómo mantenemos su homeostasia? (Bioquímica I – Fisiología) Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Contenido 5.1. ¿Por qué son necesarios los mecanismos de transporte? 5.1.1. Importancia de los gradientes en las células de mamíferos 5.1.2. Regulación del volumen celular 5.1.3. Regulación del pH citoplásmico 5.2. Tipos de transporte y proteínas implicadas 5.3. Transporte pasivo 5.3.1. Difusión simple 5.3.1.1. Difusión de gases: Ley de Fick 5.3.1.2. Diálisis 5.3.1.3. Aquaporinas 5.3.1.4. Canales iónicos 5.3.2. Difusión facilitada: Permeasas 11 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Tipos de transporte Los fenómenos de transporte se pueden ver como procesos termodinámicos. Tomando como criterio si el transporte de una molécula es favorable termodinámicamente (ΔG0), los fenómenos de transporte se clasifican en: TRANSPORTE PASIVO TRANSPORTE ACTIVO - No requiere aporte externo de energía. - La reacción de transporte requiere aporte de energía externo. Tipos: Tipos: 1.- Difusión simple 1.- Primario (bombas) a) Directa b) Ósmosis 2.- Secundario (transportadores activos secundarios) c) Diálisis d) A través de canal/poro 3.- Transporte activo de macromoléculas: a) Endocitosis 2.- Difusión facilitada (permeasas) b) Exocitosis * Las bombas, los transportadores activos secundarios y las permeasas se consideran transportadores. 12 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Contenido 5.1. ¿Por qué son necesarios los mecanismos de transporte? 5.1.1. Importancia de los gradientes en las células de mamíferos 5.1.2. Regulación del volumen celular 5.1.3. Regulación del pH citoplásmico 5.2. Tipos de transporte y proteínas implicadas 5.3. Transporte pasivo 5.3.1. Difusión simple 5.3.1.1. Difusión de gases: Ley de Fick. 5.3.1.2. Diálisis 5.3.1.3. Aquaporinas 5.3.1.4. Canales iónicos 5.3.2. Difusión facilitada: Permeasas 13 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: Transporte de gases. Ley de Fick. El flujo de un soluto a través de una membrana viene En el sistema pulmonar, la concentración de gases (O2 dado por la ley de Fick: y CO2) es proporcional a la presión parcial (PO2 y PCO2). En realidad, la ley de Fick para los gases viene mejor definida por la siguiente ecuación: : flujo de soluto a través de membrana : coeficiente de difusión : concentración : distancia entre compartimentos es el flujo de gas por unidad de tiempo Coeficiente de solubilidad: expresa la cantidad de gas : constante de proporcionalidad disuelto por unidad de volumen de agua a una atmósfera : Área de presión (760 mmHg). : solubilidad del gas en agua (coeficiente de solubilidad) Algunos coeficientes de solubilidad para gases importantes : grosor en la respiración a la temperatura corporal son: : Peso molecular Oxígeno: 0.025 : Presión parcial del gas en compartimento n Dióxido de carbono: 0.57 : Capacidad de difusión. Monóxido de carbono: 0.018 Internal use 14  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: Transporte de gases. Ley de Fick. INTERCAMBIO DE O2 - CO2 A NIVEL ALVEOLAR pO2 = 40 pCO2 = 46 CO2 Capilar O2 CO2 pO2 = 100 Alveolo pCO2 = 40 O2 Membrana alveolo-capilar O2 CO2 pO2 = 100 pCO2 = 40 * Las unidades de presión de los gases 15 representados son mm Hg. Internal use 15  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: Transporte de gases. Ley de Fick. En el intercambio de gases entre los pulmones y los tejidos, los gases implicados (oxígeno y dióxido de carbono), siempre van a difundir a favor de su gradiente de presión. 16 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: Transporte de gases. Ley de Fick. 17 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: Transporte de gases. Ley de Fick. Enfisema Superficie alveolar Grosor P1 O2 Distancia Enfermedad fibrótica del pulmón P2 Vgas= -DA P1-P2 Edema pulmonar δx 18 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Contenido 5.1. ¿Por qué son necesarios los mecanismos de transporte? 5.1.1. Importancia de los gradientes en las células de mamíferos 5.1.2. Regulación del volumen celular 5.1.3. Regulación del pH citoplásmico 5.2. Tipos de transporte y proteínas implicadas 5.3. Transporte pasivo 5.3.1. Difusión simple 5.3.1.1. Difusión de gases: Ley de Fick 5.3.1.2. Diálisis 5.3.1.3. Aquaporinas 5.3.1.4. Canales iónicos 5.3.2. Difusión facilitada: Permeasas 19 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: Diálisis. Permite la separación de moléculas de distinto tamaño a través de una membrana semipermeable, que es permeable al solvente (transporte pasivo). Su aplicación clínica es la hemodiálisis renal, que permite eliminar de la sangre productos del catabolismo como la urea que, de otra forma, se acumularían en el plasma, alcanzando concentraciones tóxicas. La fuerza motriz para la separación de sustancias mediante diálisis es la diferencia de concentraciones (o gradiente químico). Por lo tanto, es TRANSPORTE PASIVO. La tasa de movimiento de los solutos a través de la membrana de diálisis depende de: 1)El gradiente de la concentración del soluto entre las dos soluciones. 2)La permeabilidad de la membrana al soluto. 3)La superficie de la membrana. 4)El tiempo que permanecen en contacto la sangre y el líquido a través de la membrana. 20 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: Diálisis Dializador (“riñón artificial”) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fc/Hemodialysismachine.jpg/300px-Hemodialysismachine.jpg 21 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: Diálisis PERITONEAL 22 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: Diálisis COMPONENTE PLASMA NORMAL LÍQUIDO DE DIÁLISIS PLASMA URÉMICO Electrólitos (mEq/L) Na+ 152 133 152 K+ 5 1.0 7 Ca2+ 3 3.0 2 Mg2+ 1.5 1.5 1.5 Cl- 107 105 107 HCO3- 25 35.7 15 Lactato- 1.2 1.2 1.2 HPO52- 3 0 9 Urato- 0.3 0 2 HSO52- 0.5 0 3 No electrólitos (mg/dL) Glucosa 100 125 100 Urea 26 0 200 Creatinina 1 0 6 23 Se usan diferentes membranas con distinto tamaño de poro para optimizar el proceso de hemodiálisis. Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Contenido 5.1. ¿Por qué son necesarios los mecanismos de transporte? 5.1.1. Importancia de los gradientes en las células de mamíferos 5.1.2. Regulación del volumen celular 5.1.3. Regulación del pH citoplásmico 5.2. Tipos de transporte y proteínas implicadas 5.3. Transporte pasivo 5.3.1. Difusión simple 5.3.1.1. Difusión de gases: Ley de Fick 5.3.1.2. Diálisis 5.3.1.3. Aquaporinas 5.3.1.4. Canales iónicos 5.3.2. Difusión facilitada: Permeasas 24 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: aquaporinas http://www.hopkinsmedicine.org/press/NOBEL5_sm.jpg La mayoría de las células son más permeables al agua de lo que puede ser explicado por difusión simple a través de la membrana lipídica. En 1991, Peter Agre y su equipo, de la Universidad John Hopkins (EEUU), identificaron unas proteínas denominadas aquaporinas que permiten el movimiento pasivo de moléculas de agua a uno y otro lado de la membrana Dr. Peter Agre plasmática. Premio Nobel Medicina y Fisiología 2003. 25 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Contenido 5.1. ¿Por qué son necesarios los mecanismos de transporte? 5.1.1. Importancia de los gradientes en las células de mamíferos 5.1.2. Regulación del volumen celular 5.1.3. Regulación del pH citoplásmico 5.2. Tipos de transporte y proteínas implicadas 5.3. Transporte pasivo 5.3.1. Difusión simple 5.3.1.1. Difusión de gases: Ley de Fick 5.3.1.2. Diálisis 5.3.1.3. Aquaporinas 5.3.1.4. Canales iónicos 5.3.2. Difusión facilitada: Permeasas 26 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: Canales iónicos. Características y tipos Los canales son proteínas integrales que atraviesan la membrana varias veces (multipaso). Se encuentran en todas las células. Tienen las siguientes propiedades: – Conducen iones – Reconocen y seleccionan iones específicos Tipos de canales: – Pasivos o de fuga (poros): canales que están predominantemente abiertos – Canales activables: se abren o cierran en respuesta a señales específicas eléctricas (dependientes de voltaje), mecánicas (dependientes de tracción mecánica), químicas (dependientes de ligando)… 28 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: Canales iónicos activables CANALES ACTIVABLES A. Canales de apertura activada por voltaje (ej., B. Canales de apertura activada canal de Na+ activado por voltaje) por ligando: - Extracelular (ej., NT…) (Receptores ionotrópicos) ✓ Activación directa - Intracelular (ej., Ca2+, AMPc…) ✓ Activación indirecta C. Canales de apertura activada por estímulos físicos (presión, temperatura…) - Presentes en células sensitivas. 30 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: Canales iónicos activables CANALES ACTIVABLES 31 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: Canales iónicos. Función ¿Qué hacen? Son responsables de la permeabilidad selectiva de la membrana. Permiten cambios rápidos en la concentración de iones (ej., calcio) y del potencial de membrana (transmisión de la información a distancia). ¿Qué NO hacen? Mantener la concentración diferencial a ambos lados de la membrana, esto lo hacen las bombas. 32 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: Canales iónicos. Estructura molecular Componentes funcionales de los canales iónicos: 1) Compuerta: determina que el canal esté abierto o cerrado, reflejando, por lo tanto, distintas conformaciones proteicas. 2) Sensores: pueden responder a diferentes estímulos como cambios en el potencial de membrana, segundos mensajeros, ligandos, estímulos mecánicos, térmicos, cambios de pH… 3) Filtros de selectividad: determina QUÉ clase de ion/es (anión/es o catión/es) atraviesan el canal. 4) Canal: es la proteína en su conformación abierta, que permite el paso del ion correspondiente. 33 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: Canales iónicos. Estructura molecular ✓ COMPUERTA ✓ SENSOR (DE VOLTAJE) Canal de Na+ activado por voltaje El cambio en el potencial de membrana no afecta al tamaño del poro del canal sino que aumenta la 34 probabilidad de que el canal esté abierto. Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: Canales iónicos. Estructura molecular ✓ PORO Y SELECTIVIDAD IÓNICA - Tamaño - Carga 36 Internal use Figure 12-20 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: Canales iónicos de Na+ y K+. Diferencias estructurales Dominio o subunidad Canal Na+ 1 monómero Canal 4 dominios o subunidades Na+ Cada subunidad: 6 dominios transmembrana Asa de poro (S5-S6) Sensor de voltaje (S4) Canal K+ Canal K+ 4 monómeros (subunidad) Cada monómero: 6 dominios transmembrana Asa de poro (S5-S6) Sensor de voltaje (S4) 37 © Addison Wesley Internal use Longman, Inc  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: canales iónicos. Alteraciones patológicas CANALOPATÍAS: TEJIDO CANAL IÓNICO GEN SUBUNIDAD PATOLOGÍA Cambios en la estructura de Na+ SCN1A α- Nav1.1 Epilepsia / Migraña canales iónicos debido a K+ KNCQ3 Kv7.3 Epilepsia mutaciones genéticas que KCNC3 Kv3.3 Ataxia producen patologías graves. Ataxia progresiva o Generalmente afectan a tejidos Sistema Nervioso Central Ca2+ CACNA1A α- 1A Cav2.1 episódica / Migraña / epilepsia excitables, aunque también GABAA GABRG2 γ2 Epilepsia pueden estar afectados los Nicotínico de ACh CHRNA2 α2 Epilepsia tejidos no excitables Hiperreflexia Glicina GLRA1 α1 Su mecanismo genético no está Dolor excesivo / Sistema Nervioso Na+ α- Nav1.7 bien definido, aunque muchas Periférico SCN9A insensibilidad al dolor de ellas son hereditarias. Na+ α- Nav1.4 Parálisis periódica / SCN4A Miotonía Cl- CLCN1 CLC-1 Miotonía Músculo Ca2+ CACNA1S α- 1S Cav1.1 Parálisis periódica Síndrome congénito Nicotínico de ACh CHRNA1 α1 39 de miastenia Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: canales iónicos. Alteraciones patológicas Ejemplo de canalopatía: Hipertermia maligna 40 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: canales iónicos. Alteraciones patológicas Ejemplo de canalopatía: Fibrosis quística Enfermedad de base genética, autosómica recesiva. Mutación en gen que codifica para canal de conductancia del cloro. Déficit de este canal implica deficiencia en el transporte iónico epitelial. Producción de moco viscoso y deshidratado, que conlleva a problemas respiratorios… 41 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Contenido 5.1. ¿Por qué son necesarios los mecanismos de transporte? 5.1.1. Importancia de los gradientes en las células de mamíferos 5.1.2. Regulación del volumen celular 5.1.3. Regulación del pH citoplásmico 5.2. Tipos de transporte y proteínas implicadas 5.3. Transporte pasivo 5.3.1. Difusión simple 5.3.1.1. Difusión de gases: Ley de Fick 5.3.1.2. Diálisis 5.3.1.3. Aquaporinas 5.3.1.4. Canales iónicos 5.3.2. Difusión facilitada: Permeasas 42 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión facilitada: permeasas Las permeasas son transportadores que se unen al soluto a transportar, lo que provoca un cambio conformacional en el transportador. Se trata por tanto de un mecanismo de difusión facilitada (transporte pasivo) que sigue una cinética enzimática (mecanismo saturable). ¡CUIDADO!: en muchos textos se utiliza la palabra transportador en lugar de permeasa. No es incorrecto, todas las permeasas son transportadores, pero no al revés. Ejemplos de permeasas: Transportadores de glucosa intestinales Transportadores de aminoácidos Aplicaciones clínicas: Tomografía de Emisión de Positrones (PET) 43 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión facilitada: permeasas 44 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Transporte pasivo. Difusión simple: Comparativa poros, canales y transportadores COMPARACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE POROS, CANALES Y TRANSPORTADORES POROS CANALES TRANSPORTADORES Ejemplo Aquaporina (AQP1) Canal de K+ shaker GLUT1 Conducto a través Siempre abierto Abierto Nunca abierto de membrana intermitentemente Evento observado Ninguno (siempre Apertura Ciclo de cambio con el transporte abierto) conformacional Partículas _ 6 x 105* 1-5 traslocadas por “evento” Partículas Hasta 2 x 109 106-108 cuando está 200-50.000 traslocadas por abierto segundo *Asumiendo un canal de 100 pS de conductancia, una fuerza electromotriz de 100 mV y una apertura de canal de 1 ms. 45 Internal use  La tomografía de emisión de positrones (PET) es una técnica clínica que permite visualizar la actividad metabólica de un tejido u órgano. ¿Qué tipo de transporte a través de la membrana tiene lugar en esta técnica? ¿Qué transportadores están implicados? 46 Internal use  TEMA 5: TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Bibliografía Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. Molecular Biology of the Cell. 6ª ed. Garland Science; 2014. Boron W, Boulpaep EL. Fisiología Médica. 3ª ed. Elsevier; 2017. Kandel ER. Principles of neural science. 4ª ed. London: Prentice Hall International; 2000 Marieb EN. Human Anatomy and Physiology. 9ª ed. Addison Wesley; 2003. Silverthorn DU. Fisiología Humana, un enfoque integrado. 8ª ed. Editorial Médica Panamericana; 2019. Internal use Internal use