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TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANA
FUNCIONES DE LAS MEMBRANAS
• Producción de ATP• Transporte selectivo • Especificidad celular• Fijación de agentes
reguladores• Transmisión de
impulsos eléctricos• Transducción de
señales
•• ProducciProduccióón de ATPn de ATP•• Transporte selectivo Transporte selectivo •• Especificidad celularEspecificidad celular•• FijaciFijacióón de agentes n de agentes
reguladoresreguladores•• TransmisiTransmisióón de n de
impulsos elimpulsos elééctricosctricos•• TransducciTransduccióón de n de
seseññales ales
• Lugar para reacciones enzimáticas
• Protección de la celula
• Límite entre organelos
• Comunicación intercelular
•• Lugar para Lugar para reacciones reacciones enzimenzimááticasticas
•• ProtecciProteccióón de la n de la celulacelula
•• LLíímite entre mite entre organelosorganelos
•• ComunicaciComunicacióón n intercelularintercelular
MEMBRANAS BIOLÓGICASLas membranas celulares no son paredes rígidas, sino estructuras complejas y
dinámicas compuestas por moléculas que poseen características especiales. Ello hace posible la existencia de interacciones selectivas, como la regulación del transporte de moléculas hacia adentro y afuera de la célula, la transmisión de señales e información
entre el medio y el interior de la célula, la capacidad de actuar como sistema de transferencia y almacenamiento de energía y el reconocimiento del entorno celular.
Modelo del “mosaico fluido”Singer y Nicholson, 1972
Bicapa Lipídica: Autoensamble y Autosellado
Su forma le permite asociarse con el agua en
forma de una estructura de doble capa (bicapa lipídica) que tiende a cerrarse sobre
sí misma formando compartimientos herméticos, eliminando los bordes libres
en los que las colas hidrofóbicas podrían estar en
contacto con el agua. Los compartimientos formados
por bicapas lipídicas tienden a cerrarse de nuevo después
de haber sido rotos (autoensamblaje y
autosellado)
Tipos de fosfolípidos
fosfatidilcolina (lecitina) fosfatidiletanolamina (cefalina)
fosfatidilserina fosfatidilinositol
Esfingomielinaesfingosina
Bicapa Lipídica
Las dos cadenas de ácidos grasos son hidrófobas y tienen longitud variable (14 a 24 C). Una de estas cadenas presenta enlaces cis (es insaturada) y la otra no tiene dobles
enlaces (es saturada). Las diferencias en longitud y grado de instauración afectan la capacidad de las moléculas de fosfolípidos para empaquetarse, modificando su fluidez.
El tercer C del glicerol está unido por un grupo fosfato a una molécula orgánica hidrofílica, que generalmente contiene un átomo de nitrógeno o un hidrato de carbono. Las moléculas con una región hidrofóbica y otra hidrofílica, se denominan anfipáticas.
Bicapa Lipídica: Asimetría
Las moléculas lipídicas que tienen colina en su grupo cabeza (fosfatidilcolina y esfingomielina) se encuentran en la mitad exterior de la bicapa, mientras que las que contienen un grupo amino (fosfatidiletanolamina y fosfatidilserina) se hallan en la mitad interior. La pérdida de la asimetría es una señal de muerte celular
(apoptosis o muerter programada), ya que la exposición de fosfatidilserina en la capa externa favorece la fagocitosis de estas células por macrófagos
Bicapa Lipídica: Asimetría
Bicapa Lipídica: Fluidez
A mayor cantidad de colesterol menor fluidez
A mayor temperatura mayor fluidez
Transporte Biológico
El transporte biológico involucra paso o movimiento de iones y moléculas a través de la membrana celular, independientementede su tamaño y del mecanismo mediante el cual la atraviesa.
Debido a su interior hidrofóbico, la bicapa lipídica es una barreraaltamente impermeable al flujo de la mayoría de las moleculaspolares, con lo cual se evita la pérdida de éstas desde el interior celular, pero es permeable al agua.
Esta función de barrera es importante ya que la combinación de permeabilidades selectiva y transporte activo a través de la membrana crea grandes diferencias en la composición iónica entre el LIC y el LEC, lo que permite a la membrana celularalmacenar energía potencial en la forma de gradientes iónicos quepueden usarse para el transporte, conducción de señaleseléctricas, etc.
1.- tamaño de la molécula
2.- carga
3.- solubilidad en lípidos (Coeficiente de partición lípido/H20)
4.- gradiente de concentración y eléctrico
5.- área
6.- fluidez
La velocidad a la cual difunde una molécula o partícula depende:
Transporte Biológico
Bicapa Lipídica: Permeabilidad Debido a su interior hidrofóbico, la bicapa lipídica constituye una barrera
altamente impermeable a la mayoría de las moléculas polares. Esta función de barrera es de especial importancia, ya que permite a una célula mantener en su
citosol ciertos solutos a concentraciones diferentes a las que están en el fluido extracelular y en cada uno de los compartimientos intracelulares
Proteínas de membranaAunque la estructura básica es provista por los fosfolípidos, la mayoría de las funciones
específicas de la membrana son llevadas a cabo por proteínas. En promedio, hay un 50% de lípidos y otro tanto de proteínas, pero como las proteínas son mucho más grandes, la relación
numérica es de alrededor de 50 moléculas de fosfolípidos por cada molécula de proteína
Las proteínas integrales poseen algunas regiones insertadas en las regiones hidrófobas. Pueden atravesar una sola vez la membrana (1) o muchas veces (2), estar solubles en el citosol pero ancladas a la cara interna por un resto acilo o prenilo (3), o estar unidas a un resto de glicosilfosfatidilinositol, que
las ancla a la cara externa de la membrana (4)Las proteínas periféricas se unen a regiones expuestas de proteínas integrales y usualmente unidas no covalentemente a proteínas integrales y pueden ubicarse hacia adentro (5) o fuera (6) de la membrana
Mecanismos de transportes a través de la membranas celulares
De acuerdo a sus características, los transportes biológicos se les puede clasificar de la siguiente manera:
a.- Si requieren o no energía:a.1.- Transporte pasivoa.2.- Transporte activo
a.1.- Transporte Pasivo: no requiere energía metabólica. Ej.a.1.a.- Difusión simplea.1.b.- Difusión facilitada
a.2.- Transporte Activo: requiere de energía metabólica. Ej.a.2.a.- Primarioa.2.b.- Secundario
b.- Si participan o no proteínas carriers.
Mecanismos de transportes a través de la membranas celulares
b.1.- Transporte Mediado: participan proteínas carriers. Ej.
b.1.a.- Transporte Activob.1.b.- difusión Facilitada
b.2.- Transporte No Mediado: no participan proteínas carriers. Ej
b.2.a.- Difusión simpleb.2.b.- Osmosis
1. Difusión simple
2. Difusión facilitada(transportador)
Gradiente de concentración
Lehninger. Principios de Bioquímica.© 2006 Ed. Omega. 4/e
Concentración
Tas
a de
tran
spor
te
Cinética del transporte por difusión simple
2
Transporte pasivo
Lehninger. Principios de Bioquímica.© 2006 Ed. Omega. 4/e
AQUAPORINA
Transporte Mediado
La característica distintiva de los procesos de transporte mediado es el requerimiento de la interacción específica del soluto transportado con un componente especializado de la membrana celular.A causa de ello, estos procesos presentan propiedades cinéticas comunes, entre ellas tenemos:
a.- Cinética de saturaciónb.- Especificidad (estereoespecificidad)c.- Competenciad.- Alto coeficiente térmico
La cinética de saturación se basa en el hecho de que las proteínas transportadoras tienen un número limitado de sitios de unión para el soluto, por lo tanto, la velocidad o flujo de un soluto no varía en forma directa con la concentración del soluto, alcanzandose, a una determinada concentración, el transporte máximo.
Efecto de la concentración de soluto sobre su flujo a través de un sistema de transporte mediado. La velocidad de paso del soluto a través de la membrana en función de su concentración es una curva de pendiente decreciente hasta que alcanza un valor máximo, a partir del cual el flujo no se modifica al aumentar la concentración de la sustancia transportada
Transporte Mediado
Especificidad
El transporte mediado muestra una selectividad muy elevada ya que sustancias químicamente muy parecidas a las transportadas no pueden atravesar la membrana ocupando este transporte. Los sitios de unión de las proteínas carrier son estereoespecíficos. Por ej., el transportador de glucosa de los eritrocitos transporta más eficientemente los isómeros de D-glucosa que los L-glucosa
Competencia
Aunque los sitios de unión para los solutos transportados son muy específicos, pueden reconocer, unirse e incluso transportar solutos químicamente relacionados y su presencia produce una inhibición del flujo del soluto específico. Por ej., el transportador de la glucosa es específico para la D-glucosa, pero también reconoce y transporta la D-galactosa, en consecuencia, la presencia de ésta última inhibe el transporte de D-glucosa.
Transporte Mediado
La inhibición puede ser competitiva, en el caso que se compita por el mismo sitio de unión y por lo tanto se altera la Ks, ej. D-glucosa – D-Galactosa; o puede ser no-competitiva, el soluto se une en un sitio diferente alterando la estructura del carrier y en esta caso se altera la Vmáx.
Coeficiente Térmico (Q10)
Estos sistemas tienen un Q10 de 2 – 3, lo que significa que el flujo de soluto aumenta 2 a 3 veces por cada 10o que aumente la temperatura.
Ej. de transporte mediado:a.- Difusión facilitadab.- Transporte activo primarioc.- Transporte activo secundario
Transporte Mediado
Difusión Facilitada
Transporte pasivo mediado por carriers que se genera cuando la fuerza impulsora es el gradiente electroquímico del soluto. El carrier actúa acelerando la transferencia del soluto. Ej. Transporte de D-glucosa hacia la célula muscular esquelética. La D-galactosa y la floridcina son inhibidores competitivos
Modelo hipotético que muestra como los cambios conformacionales del carriermedian la difusión facilitada del soluto A.Algunos pueden ser modificados por hormonas, ej., la insulina estimula el transporte de glucosa en el músculo esquelético
Transportes pasivos a través de la membrana plasmática cuya fuerza impulsora es el gradiente electroquímico. Tienden a igualar las concentraciones. Son reversibles y simétricos ya que pueden funcionar en ambas direcciones dependiendo del gradiente.
Transporte ActivoOcurre cuando se demuestra que hubo una transferencia neta de soluto desde un compartimiento cuyo potencial electroquímico es menor hasta otro compartimiento donde el potencial electroquímico es mayor.
Mientras la difusión simple y la facilitada ocurren espontáneamente, el transporte activo requiere de energía metabólica
Bomba de Sodio-Potasio o ATP-asa Sodio-Potasio (ATPasa de Tipo P)
Modelo que explica el funcionamiento de la ATP-asa Na+ -K+
Se les denomina de tipo P porque forman un intermediario fosforilado clave
a) Unión de tres Na+ a sus sitios activos
b) Fosforilación de la cara citoplasmática de la bomba que induce a un cambio de conformación en la proteína. Esta fosforilación se produce por la transferencia del grupo terminal del ATP a un residuo de ácido aspártico de la proteína
c) El cambio de conformación hace que el Na+ sea liberado al exterior
d) Una vez liberado el Na+, se unen dos moléculas de K+ a sus respectivos sitios de unión de la cara extracelular de la proteína
e) La proteína se desfosforila produciéndose un cambio conformacional de esta, lo que produce una transferencia de los iones de K+ al citosol
Bomba de Sodio-Potasio o ATP-asa Sodio-Potasio (ATPasa de Tipo P)
Lehninger. Principios de Bioquímica.© 2006 Ed. Omega. 4/e
Mantenimiento de la osmolaridad y del volumen celular
La bomba de Na+/K+ juega un papel muy importante en el mantenimiento del volumen celular. Entre el interior y el exterior de la célula existen diferentes niveles de concentración, siendo mayor la concentración de solutos dentro que fuera de la célula. Como quiera que la bomba extrae de la célula más moléculas de las que introduce tiende a igualar las concentraciones y, consecuentemente, la presión osmótica. Sin la existencia de la bomba, dado que los solutos orgánicos intracelulares, a pesar de contribuir en sí mismos poco a la presión osmótica total, tienen una gran cantidad de solutos inorgánicos asociados, la concentración intracelular de estos (que generalmente son iones) es mayor que la extracelular. Por ello, se produciría un proceso osmótico, consistente en el paso de agua a través de la membrana plasmática hacia el interior de la célula, que aumentaría de volumen y diluiría sus componentes. Las consecuencias serían catastróficas ya que se reduciría la probabilidad de colisión molecular, e incluso es posible que la célula llegara a reventar (proceso conocido como lisis).
Bomba de Sodio-Potasio o ATP-asa Sodio-Potasio (ATPasa de Tipo P)
Transporte de nutrientes
El gradiente producido por el Na+ impulsa el transporte acoplado (activo secundario) de la mayoría de nutrientes al interior de la célula. Lo que quiere decir que el fuerte gradiente que impulsa al sodio a entrar en la célula (véase más adelante) es aprovechado por proteínas especiales de membrana para "arrastrar" otros solutos de interés utilizando la energía que se libera cuando el sodio se introduce en la célula.
Potencial eléctrico de membrana
Esta bomba es una proteína electrogénica ya que bombea tres iones cargadospositivamente hacia el exterior de la célula e introduce dos iones positivos en el interior celular. Esto supone el establecimiento de una corriente eléctrica neta a través de la membrana, lo que contribuye a generar un potencial eléctrico entre el interior y el exterior de la célula ya que el exterior de la célula está cargado positivamente con respecto al interior de la célula. Este efecto electrogénicodirecto en la célula es mínimo ya que sólo contribuye a un 10% del total del potencial eléctrico de la membrana celular. No obstante, casi todo el resto del potencial deriva indirectamente de la acción de la bomba.
Bomba de Sodio-Potasio o ATP-asa Sodio-Potasio (ATPasa de Tipo P)
Flujo de entrada de K+ (mmol/L de célula/hora) en glóbulos rojos humanos con y sin energía metabólica y a distintas concentraciones de K+ radiactivo en el medio de incubación a 37 oC.
Bomba de Sodio-Potasio o ATP-asa Sodio-Potasio (ATPasa de Tipo P)
Flujo de entrada activo de K+ en función de la concentración de potasio en el medio de incubación. Muestra que la velocidad de entrada de K+ crece rápidamente y alcanza la mitad de su valor máximo a un concentración de K+ de 2 mM.
Bomba de Sodio-Potasio o ATP-asa Sodio-Potasio (ATPasa de Tipo P)
Efecto de la Ouabaína (5x10-5 M) sobre el flujo de entrada de potasio en glóbulo rojos humanos. El glicósido ouabaína deriva del núcleo pentano-perhidro-fenantreno.C6H11O5 es un resto de deoxiglucosa
Bomba de Sodio-Potasio o ATP-asa Sodio-Potasio (ATPasa de Tipo P)
Bomba de Calcio o ATP-asa de calcio (ATPasa de Tipo P)
1.- La reacción cíclica se inicia con la enzima en su forma defosforilada y con dos iones calcio unidos. En esta conformación puede intercambiar iones calcio con el interior citoplásmico
2.- En esta conformación se puede unir el ATP. Los dominios N, P y A sufren un fuerte cambio conformacional a medida que se cierran sobre el ATP. Los iones calcio están ahora atrapados en el interior del enzima.
3.- El grupo fosforilo se transfiere ahora del ATP al Asp 351
4.- Tras la liberación del ADP, el enzima experimenta un nuevo cambio conformacionalque, esta vez, incluye también al dominio de membrana.
5.- Se hidroliza el residuo fosfoaspartato y se libera el grupo fosfato.
6.- Con la liberación del fosfato, se pierden las interacciones que estabilizaban la conformación y el enzima revierte a la conformación primera.
TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO
Transporte activo secundario: La bomba de sodio/potasio mantiene una importante diferencia de concentración de Na+ a través de la membrana. Por consiguiente, estos iones tienen tendencia a entrar de la célula a través de los poros y esta energía potencial es aprovechada para que otras moléculas, como la glucosa y los aminoácidos, puedan cruzar la membrana en contra de un gradiente de concentración. Cuando la glucosa cruza la membrana en el mismo sentido que el Na+, el proceso se llama Symporte o cotransporte ; cuando los hacen en sentido contrario, el proceso se llama Antiporte o contratransporte
TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO
Uniporte Simporte Antiporte
Cotransporte
Transporte activo secundario de glucosa en células intestinales. Este modelo explica también la reabsorción de glucosa en el túbulo proximal de la nefrona
TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIOTRANSPORTE SECUNDARIO DE GLUCOSA-SODIO
Cotransporte y transporte múltiple integrado
La distribución asimétrica de las proteínas transportadoras en la membrana plasmática de una célula epitelial intestinal da lugar al transporte transcelular de glucosa a través del epitelio intestinal
TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIOTRANSPORTE SECUNDARIO DE GLUCOSA-SODIO
El cotransportador Na+-Glucosa oscila entre dos estados “ping y pong”. La unión del sodio a la proteína induce un cambio alostérico que aumenta grandemente la afinidad del carrier para la glucosa.Se requiere que la gradiente electroquímica del Na+ se mantenga por medio de la bomba la que indirectamente está proporcionando la energía para el cotransportador.
TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIOTRANSPORTE SECUNDARIO DE GLUCOSA-SODIO
La distribución asimétrica de proteínas transportadoras en la membrana plasmática de una célula intestinal resulta en el transporte transcelular de glucosa desde el lumen del intestino al fluido extracelular.
TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIOTRANSPORTE SECUNDARIO DE LACTOSA-PROTONES
TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIOTRANSPORTE SECUNDARIO DE LACTOSA-PROTONES
1.- El ciclo se inicia con las dos mitades orientadas de forma que el bolsillo de unión al azúcar es accesible desde el exterior de la célula. Un protón procedente del exterior de la célula se une a un residuo de la permeasa, posiblemente al Glu 269.
2.- En su forma protonada, la permeasa une lactosa del exterior de la célula.
3.- La estructura cambia de conformación
4.- La permeasa libera la lactosa al interior de la célula
5.- La permeasa libera un protón en el interior de la célula
6.- La permeasa vuelve a cambiar de conformación para completar el ciclo
Transporte de grandes moléculas
En la endocitosis la célula incorpora materiales hacia su interior . En la fagocitosis (literalmente "ingesta de células"), la célula ingiere partículas sólidas como bacterias o nutrientes.
A veces también se degradan por este mecanismo organelas con fallas (una mitocondria, en el ejemplo), envolviendo la organela en una vesícula formada con membranas del retículo endoplásmico; a este proceso se lo denomina autofagocitosis o autofagia.
En otro tipo de endocitosis, llamada pinocitosis ("bebido de células"), la célula incorpora materiales disueltos
Transporte de grandes moléculas
En un tercer tipo de endocitosis, llamado endocitosis mediada por receptor, algunas proteínas específicas de determinadas partículas extracelulares se unen a proteínas receptoras, localizadas en la membrana plasmática de la célula.
En la exocitosis una célula expulsa productos de desecho o productos
específicos de secreción (como hormonas), mediante la fusión de
una vesícula con la membrana plasmática de la célula. La exocitosisconsiste en la fusión de la membrana
de la vesícula secretora con la membrana plasmática. Es también un
mecanismo primario de crecimiento de la membrana plasmática.
