• Author / Uploaded
• Blanca Mariño

Citation preview

Transporte a nucleósidos través dey nucleótidos membranas Estructura de  Química-física del transporte

• Difusión: ley de Fick • Bioenergética • Potencial de membrana: ecuación de Nernst

 Clasificación y tipos de transporte

• Distinciones bioenergéticas y cinéticas (mecanismos)

 Difusión facilitada

• Permeasas: Glut e intercambiador Cl-/HCO3• Canales iónicos: estructura, función y regulación

 ATPasas de membrana: Bombas iónicas • • • •

Estructura y clasificación P-ATPasas: mecanismo, ejemplos y funciones V-ATPasas Transportadores ABC/Mdr1/CFTR

 Mecanismos de transporte acoplado

• Intercambiadores: mecanismo y bioenergética • Transporte transepitelial: trabajo conjunto

 Transporte mediado por endocitosis • • • •

Clasificación y tipos Potocitosis: transporte de folato Endocitosis mediada por receptor Transcitosis

 Ósmosis y fenómenos osmóticos • • • •

Ley de van't Hoff Tonicidad de disoluciones: coeficiente de reflexión Equilibrio Gibbs-Donnan Regulación del volumen celular

Enrique Castro, © 2004

Enrique Castro, © 2004

Permeabilidad de las membranas

Agua

H2O

Gases

O2, CO2, NO, CO, N2

polares pequeñas sin carga

urea etanol, glicerol Ác. Acético

Hidrófobas Ác. grasos pequeñas Esteroides

polares grandes sin carga

glucosa sacarosa

iones

K+, Na+, Ca2+, Mg2+ Cl-, HCO3-, H2PO4-

polares cargadas

aminoácidos glucosa--6-P ATP, nucleótidos

Enrique Castro, © 2004

Permeabilidad e Hidrofobicidad K+ Na+

-12

glucosa

trp

Cl+

urea

-10

-8

-6

indol H2O

-4

-2

Coeficiente de permeabilidad, cm/h

Permeabilidad

Coeficiente de permeabilidad, cm/s

Permeabilidad ∝ hidrofobicidad

Coeficiente de reparto aceite/agua

Hidrofobicidad Enrique Castro, © 2004

Log P

Difusión libre: leyes de Fick  Difusión: camino al azar (relaciones de Einstein)

D= coeficiente de difusión

〈 x 〉=0

(depende del tamaño)

〈 x 〉=2 D⋅t

L 2 cm2 [D]= = T s

d =  2 D⋅t

En tres dimensiones

2

r=  6 D⋅t

Movimiento browniano

2∙n

 Flujo a través de una frontera: 1º ley de Fick 1 2

c2

c1

dn 1 dc ⋅ = J =−D⋅ , dt A dx

[J ]=

M mol = 2 2 L ⋅T cm ⋅s

Flujo proporcional al gradiente de concentración  Variación temporal: 2ª ley de Fick 2

dc dJ d c =− =D⋅ 2 dt dx dx n c  x , t = ⋅  D t ⋅ e 2

−

t=1

C x2 4Dt

Distribución gausiana

t=4 t=16

t=64 -3

-2

-1

0

X Enrique Castro, © 2004

1

2

3

Difusión a través de membrana

δ

 cm dc m J = −D⋅ = −D⋅ dx  =

c im s

ci

c1m β=2

;

c im=⋅cis ;

 c m=⋅ c s c1S

β=1

D⋅ J =− ⋅ c s 

β=0.5

β=0.2

J = −P⋅ c s 0

P=

D⋅ 

−1

[P]= L ⋅TL ⋅1 = cms 2

Coeficiente de permeabilidad • Coeficiente de reparto • Coeficiente de difusión (√Mr) • Espesor de la membrana

Enrique Castro, © 2004

c2m

x

δ

c2S

Energía libre y transporte

equilibrio componente químico

[ Na + ]destino

G = RT⋅ln [ Na ] +

origen

componente eléctrico

 zF⋅ E m  E m=E destino −E origen

R = 8.315 J·mol-1·K-1 (1.987 cal∙mol-1∙K-1) F = 96480 Cb·mol-1 ( J·mol-1·V-1 ) (23059 cal∙mol-1∙V-1) 1 cal = 4.184 J

Enrique Castro, © 2004

Difusión de iones: potencial de membrana Membrana impermeable Em= 0 mV 0 -60

+60

NaCl 15 mM

NaCl 150 mM

Membrana permeable a Na+ Em= -59 mV

0

-60

+60

NaCl 15 mM

NaCl 150 mM

Na+

⊕ ⊕ ΔV= 0

⊖ ⊖

ΔV≠ 0 constante

Membrana permeable a Cl0 Em= +59 mV

Membrana permeable a Na+ y Cl0

PNa>PCl

-60

+60

-60

+60

NaCl 15 mM

NaCl 150 mM

NaCl 15 mM

NaCl 150 mM

Cl+

⊖ ⊕ ⊖ ⊕

ΔV≠ 0 constante

Enrique Castro, © 2004

Na+ Cl+ ΔV≠ 0 transitorio

Potencial de equilibrio Inicio Em=0

Equilibrio Em=Eeq

[ Na + ]destino

G = RT⋅ln [ Na ] +

origen

En el equilibrio

 zF⋅E m

 G = 0 y E m = E eq

E eq = -

R⋅T z⋅F

[ Na + ]destino

⋅ln [ Na ] +

origen

Ecuación de Nernst

Walther Nernst 1864-1941 Premio Nobel 1920 Enrique Castro, © 2004

R = 8.315 J·mol-1·K-1 (1.987 cal∙mol-1∙K-1) F = 96480 Cb·mol-1 ( J·mol-1·V-1 )

Transporte a nucleósidos través dey nucleótidos membranas Estructura de 



Química-física del transporte • Difusión: ley de Fick • Bioenergética • Potencial de membrana: ecuación de Nernst

Clasificación y tipos de transporte • Distinciones bioenergéticas y cinéticas

(mecanismos)

 Difusión facilitada • Permeasas: Glut e intercambiador Cl-/HCO3• Canales iónicos: estructura, función y regulación  ATPasas de membrana: Bombas iónicas • Estructura y clasificación • P-ATPasas: mecanismo, ejemplos y funciones • V-ATPasas • Transportadores ABC/Mdr1/CFTR  Mecanismos de transporte acoplado • Intercambiadores: mecanismo y bioenergética • Transporte transepitelial: trabajo conjunto  Transporte mediado por endocitosis • Clasificación y tipos • Potocitosis: transporte de folato • Endocitosis mediada por receptor • Transcitosis  Ósmosis y fenómenos osmóticos • Ley de van't Hoff • Tonicidad de disoluciones: coeficiente de reflexión • Equilibrio Gibbs-Donnan • Regulación del volumen celular

Enrique Castro, © 2004

Enrique Castro, © 2004

Enrique Castro, © 2004

Enrique Castro, © 2004

Ionóforos transportadores

canales

Complejo valinomicina-K+

Canal de gramicidina

Valinomicina (K+)

nonactina

monensina (Na+)

gramicidina

En bicapa lipídica

Hélice 6.3 hueca dímero cabeza-cabeza En solvente hidrófobo Enrique Castro, © 2004

Transporte a nucleósidos través dey nucleótidos membranas Estructura de 

Química-física del transporte • Difusión: ley de Fick • Bioenergética • Potencial de membrana: ecuación de Nernst



Clasificación y tipos de transporte • Distinciones bioenergéticas y cinéticas (mecanismos)



Difusión facilitada

Permeasas: Glut e intercambiador Cl-/HCO3• Canales iónicos: estructura, función y regulación •

 ATPasas de membrana: Bombas iónicas • Estructura y clasificación • P-ATPasas: mecanismo, ejemplos y funciones • V-ATPasas • Transportadores ABC/Mdr1/CFTR  Mecanismos de transporte acoplado • Intercambiadores: mecanismo y bioenergética • Transporte transepitelial: trabajo conjunto  Transporte mediado por endocitosis • Clasificación y tipos • Potocitosis: transporte de folato • Endocitosis mediada por receptor • Transcitosis  Ósmosis y fenómenos osmóticos • Ley de van't Hoff • Tonicidad de disoluciones: coeficiente de reflexión • Equilibrio Gibbs-Donnan • Regulación del volumen celular

Enrique Castro, © 2004

Enrique Castro, © 2004

D. facilitada: Glucosa permeasas

Saturable Específico

Enrique Castro, © 2004

Estructura de transportadores Glut

 Elementos funcionales

• 12 segmentos transmembrana • 9 hélice anfipáticas (polares no cargados) • haz de hélices (sitio de unión)

Puentes de Hidrógeno

Hélice anfipática

Enrique Castro, © 2004

Haz de hélices (bolsillo de unión)

Intercambiador Cl-/HCO3- : banda 3/pAE1 del eritrocito Capilares sistémicos alta pCO2, baja pO2 (metabolismo tisular) hemoglobina

Anhidrasa carbónica

eritrocito Proteína AE1

Capilares pulmonares baja pCO2, alta pO2 (ventilación)

Anhidrasa carbónica

eritrocito

Enrique Castro, © 2004

Efecto Bohr

Canales iónicos Componentes funcionales • • • • •

Filtro

Bocas: externa e interna Fick Poro Boca externa Filtro selectivo Sensor Compuerta

Saturable baja ΔG‡ alto nº recambio (>107 ion/s)

poro

Sensor compuerta

Boca interna

Topología transmembrana

Activados por cNMP

• Básico: 2TM/P • Componentes adicionales

Bucle P

sensibles a Em INa, IK, ICa

Unión de nucleótido

TM

No sensibles a Em Activados por ligando (R. Ionotrópicos)

IK ir

IK (Ca) big Enrique Castro, © 2004

IK (rep)

Unión de ligando

Canales iónicos: selectividad Canal de K+: estructura del poro

mal ajuste

Buen ajuste

Selectividad= compensar desolvatación

Bucle P

extracelular

citosol

Filtro selectivo

compuerta

Poro iónico

Vista superior Enrique Castro, © 2004

Mecanismos de compuerta Receptores ionotrópicos • fam. nAchR • fam. iGluR • fam. P2X

Canales dependientes de voltaje • Na+, Ca2+ • K+ etc.

Canales dependientes de voltaje • Ca2+ • K+ etc.

IK(M)

Canales dependientes de voltaje y Ca2+ • IK(Ca)

 Canales dep. cAMP (olor, gusto)

 Canales dep. cGMP (vista)

 Canales dep. ATP (célula β)

Enrique Castro, © 2004

Transporte a nucleósidos través dey nucleótidos membranas Estructura de 

Química-física del transporte • Difusión: ley de Fick • Bioenergética • Potencial de membrana: ecuación de Nernst

 Clasificación y tipos de transporte • Distinciones bioenergéticas y cinéticas (mecanismos)  Difusión facilitada • Permeasas: Glut e intercambiador Cl-/HCO3• Canales iónicos: estructura, función y regulación



ATPasas de membrana: Bombas iónicas • • • •

Estructura y clasificación P-ATPasas: mecanismo, ejemplos y funciones V-ATPasas Transportadores ABC/Mdr1/CFTR

 Mecanismos de transporte acoplado • Intercambiadores: mecanismo y bioenergética • Transporte transepitelial: trabajo conjunto  Transporte mediado por endocitosis • Clasificación y tipos • Potocitosis: transporte de folato • Endocitosis mediada por receptor • Transcitosis  Ósmosis y fenómenos osmóticos • Ley de van't Hoff • Tonicidad de disoluciones: coeficiente de reflexión • Equilibrio Gibbs-Donnan • Regulación del volumen celular

Enrique Castro, © 2004

Transporte activo primario: ATPasas de Membrana ATPasas tipo P • • • •

Tetrámeros 2α/2β Asp-P (vanadato) m. plasmática y r. endoplásmico Na+, K+, H+, Ca2+ (y otros)

asp-P P-asp

ATPasas tipo V y F

• Muy complejas 3 integrales 8 periféricas • Exclusivamente H+ • D. integral: canal de H+ • D. periférico: unión de ATP • Intracelular ATP-sintasa mitocondrial Lisosomas vesículas sinápticas

F: mitocondria ATP F1, V1 citosol

matriz

Canal de H+ F0, V0

citosol

V: vesículas

ATPasas tipo "transportadores ABC" • 4 dominios 2T+2A • Estructura diversa (mono-, di-, tetraméricas) • Membrana plasmática • Iones y compuestos orgánicos

citosol ATP ATP

Enrique Castro, © 2004

extracelular

Enrique Castro, © 2004

Na+/K+-ATPasa de membrana Estructura

• Tetrámero 2α/2β • Sitio de unión de ATP intracelular • Asp-P

Subunidad β: • esencial para plegamiento • 3 N-glicosilada • 1 TM • 40 kD

Subunidad α: • Centro activo

citosol

• No glicosilada • 10 TM • 120 kD

extracelula r

Función • • • •

Transporte vectorial 3 Na+ / 2K+ / 1ATP Inhibida por vanadato Inhibida por cardiotónicos (ouabaina digoxina)

citosol aspP

Pasp extracelular

➢Actividad biológica ●

control del volumen celular

●

control del pHi

●

control de [Ca2+]i

●

●

importación de metabolitos (cotransporte) excitabilidad eléctrica

Enrique Castro, © 2004

citosol

Gradiente Na+/K+ 25-30% consumo ATP >60% en cerebro

Mecanismo de la Na+/K+-ATPasa

Enrique Castro, © 2004

Cardiotónicos

Enrique Castro, © 2004

ATPasas "transportador ABC" Estructura

• 4 dominios 2T+2A • Estructura diversa (mono-, di-, tetraméricas)

MDR CFTR 2T+2A fusionados 12 TM

Función

• Membrana plasmática • Exportación de mol. hidrófobas (MDR1) • Canal de aniones (CFTR)

Enrique Castro, © 2004

Destoxificación interferencia antitutorales

Fármacos quimioterápicos y MDR

Enrique Castro, © 2004

Estructura del CFTR

Enrique Castro, © 2004

Transporte a nucleósidos través dey nucleótidos membranas Estructura de  Química-física del transporte • Difusión: ley de Fick • Bioenergética • Potencial de membrana: ecuación de Nernst  Clasificación y tipos de transporte • Distinciones bioenergéticas y cinéticas (mecanismos)  Difusión facilitada • Permeasas: Glut e intercambiador Cl-/HCO3• Canales iónicos: estructura, función y regulación  ATPasas de membrana: Bombas iónicas • Estructura y clasificación • P-ATPasas: mecanismo, ejemplos y funciones • V-ATPasas • Transportadores ABC/Mdr1/CFTR



Mecanismos de transporte acoplado

• Intercambiadores: mecanismo y bioenergética • Transporte transepitelial: trabajo conjunto

 Transporte mediado por endocitosis • Clasificación y tipos • Potocitosis: transporte de folato • Endocitosis mediada por receptor • Transcitosis  Ósmosis y fenómenos osmóticos • Ley de van't Hoff • Tonicidad de disoluciones: coeficiente de reflexión • Equilibrio Gibbs-Donnan • Regulación del volumen celular

Enrique Castro, © 2004

Familias de transportadores F. co-transportador Na+-glucosa • 14 TM • 1-2 Na+:1 sustrato • Intestinal (SGLT1), renal (SGLT2)

Sitio de permeasa

F. co-transportador Na+/Cl- de neurotransmisores • • • •

12 TM cotransporte Cl- obligado (antiporte K+) 2 Na+:1 Cl-:1 sustrato+ GABA, monoaminas, Gly/Pro, NTT4

exterior

Cocaina, anfetas, tricíclicos

citosol

F. co-transportador de glutamato • • • •

8 TM antiporte K+ obligado 1Na+:1Glu-/1K+:HOExclusivamente Glu sináptico

exterior citosol

exterior

F. antiportador Na+/Ca2+ • 12 TM • 3 Na+:1 Ca2+

citosol

F. transportador dependiente de H+ • 12 TM • Antiporte 2 H+:1 sustrato+ • Vesículas sinápticas y lisosomas (neurotransmisores)

Reserpina, extasis(ΔH ) +

Enrique Castro, © 2004

citosol

Luz vesícula

Transportadores de membrana y regulación del pHi glucosa

HOAntiportador Cl-/HOCl

acidificación

-

glucosa

Antiportador Na+/H+ lactato

alcalinización Activado por H+

Na+

amilórido

H+ CO2

H+

HCO3-

HCO3-

Cl

Na+

-

DIDS, SITS

intercambiador Cl-/HCO3-

Intercambiador Cl-/HCO3dependiente de Na+ HCO3acidificación

acidificación inhibido por H+

Dependencia del pH de los transportadores de H+ y HCO3-

velocidad relativa, %

activado por H+ intercambiador Cl-/HCO3-

antiportador Na+/H*

intercambiador Na+ Cl-/HCO3pH intracelular

Enrique Castro, © 2004

Transporte transepitelial de glucosa SGLT

luz intestinal

• [Na+] alta (dieta, secretado) • [glucosa] baja glucosa

(activo)

activo contra gradiente

(pasivo)

2 Na+

Cl-

2 Na+

citosol

• [Na+] baja (12 mM) • [glucosa] alta • [K+] alta (150 mM)

canal Cl-

Cl-

glucosa canal K+ (pasivo)

gluc

ADP Pi ATP 3 K+

pasivo a favor de gradiente Glut2

sangre

(permeasa)

• [Na+] alta • [glucosa] media (5.5 mM) • [K+] baja (5 mM)

gluluz+2Na+luz glucit 2Na+cit+3K+sangre+ATP 3K+cit 2Cl-luz 2Cl-cit gluluz+2Na+luz+2Cl-luz+ATP Enrique Castro, © 2004

2 Na+ glucosa

3 K+

Cl-

Na+/K+-ATPasa (activo) glucit+2Na+cit glusangre 2Na+sangre+3K+cit+ADP+Pi 3K+sangre 2Cl-cit 2Cl-sangre glusangre+2Na+sangre+2Cl-sangre+ ADP+Pi

Enrique Castro, © 2004

Transporte a nucleósidos través dey nucleótidos membranas Estructura de  Química-física del transporte • Difusión: ley de Fick • Bioenergética • Potencial de membrana: ecuación de Nernst  Clasificación y tipos de transporte • Distinciones bioenergéticas y cinéticas (mecanismos)  Difusión facilitada • Permeasas: Glut e intercambiador Cl-/HCO3• Canales iónicos: estructura, función y regulación  ATPasas de membrana: Bombas iónicas • Estructura y clasificación • P-ATPasas: mecanismo, ejemplos y funciones • V-ATPasas • Transportadores ABC/Mdr1/CFTR  Mecanismos de transporte acoplado • Intercambiadores: mecanismo y bioenergética • Transporte transepitelial: trabajo conjunto



Transporte mediado por endocitosis • • • •

Clasificación y tipos Potocitosis: transporte de folato Endocitosis mediada por receptor Transcitosis

 Ósmosis y fenómenos osmóticos • Ley de van't Hoff • Tonicidad de disoluciones: coeficiente de reflexión • Equilibrio Gibbs-Donnan • Regulación del volumen celular

Enrique Castro, © 2004

Enrique Castro, © 2004

Potocitosis= endocitosis mediada por caveolina

Enrique Castro, © 2004

Enrique Castro, © 2004

Enrique Castro, © 2004

Transporte a nucleósidos través dey nucleótidos membranas Estructura de  Química-física del transporte • Difusión: ley de Fick • Bioenergética • Potencial de membrana: ecuación de Nernst  Clasificación y tipos de transporte • Distinciones bioenergéticas y cinéticas (mecanismos)  Difusión facilitada • Permeasas: Glut e intercambiador Cl-/HCO3• Canales iónicos: estructura, función y regulación  ATPasas de membrana: Bombas iónicas • Estructura y clasificación • P-ATPasas: mecanismo, ejemplos y funciones • V-ATPasas • Transportadores ABC/Mdr1/CFTR  Mecanismos de transporte acoplado • Intercambiadores: mecanismo y bioenergética • Transporte transepitelial: trabajo conjunto  Transporte mediado por endocitosis • Clasificación y tipos • Potocitosis: transporte de folato • Endocitosis mediada por receptor • Transcitosis



Ósmosis y fenómenos osmóticos • • • • •

Ley de van't Hoff Tonicidad de disoluciones: coeficiente de reflexión Canales de agua: Acuaporinas Equilibrio Gibbs-Donnan Regulación del volumen celular/presión osmótica

Enrique Castro, © 2004

Las membranas biológicas son muy permeables al agua

Enrique Castro, © 2004

Enrique Castro, © 2004

Enrique Castro, © 2004

Acuaporinas: Estructura y función  Acuaporinas: canales de H2O

• 6TM (3+3 invertido) • Tetrámeros • Impermeable a iones y mol. pequeñas

Columna de H2O en poro

invertido A

B

C

A'

B'

C' extracelular

citosol

Transporte 5·108 s-1

directo

CHIP 28 kDa

 Acuaporinas: localización y funciones localización

función

AQP-1 ubicua: rinón, pulmón, Reabsorción de agua en túbulos ojo, plexos coroideos colectores; secreción de fluido en humor acuoso y líquido cefalorraquideo; homeostasis de agua en el pulmón

AQP-2 Rinón: Túbulo colector Reabsorción de agua (diabetes insípida) AQP-3 Rinón: Túbulo colector Retención de agua AQP-4 cerebro: vellosidades Reabsorción de líquido cefalorraquideo en SNC. Regulación del edema cerebral aracnoideas AQP-5 glándulas salivares, lacrimales y epitelio alveolar Enrique Castro, © 2004

secreción de fluido

Enrique Castro, © 2004

Enrique Castro, © 2004