transport e 2004

Enrique Castro, © 2004

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

Estructura de nucleósidos y nucleótidosTransporte a través de membranas


Agua H2O

Gases O2, CO2, NO, CO, N2

polares ureapequeñas etanol, glicerolsin carga Ác. Acético

Hidrófobas Ác. grasospequeñas Esteroides

polares glucosa grandes sacarosasin carga

iones K+, Na+, Ca2+, Mg2+

Cl-, HCO3-, H2PO4

-

polares aminoácidoscargadas glucosa--6-P

ATP, nucleótidos

Permeabilidad de las membranas


Coeficiente de reparto aceite/agua

Hidrofobicidad

Coe

ficie

nte

de p

erm

eabi

lidad

, cm

/h

Perm

eabi

lidad

Permeabilidad ∝ hidrofobicidad

Permeabilidad e Hidrofobicidad

-12 -10 -8 -6 -4 -2 Log P

Na+

K+

Cl+

glucosa trp

urea

indol

H2O

Coeficiente de permeabilidad, cm/s


Difusión libre: leyes de Fick

Difusión: camino al azar (relaciones de Einstein)

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

Variación temporal: 2ª ley de Fick

Movimiento browniano

⟨ x ⟩=0

⟨ x2⟩=2D⋅t

d=2D⋅t

[D]=L2

T= cm

2

s

D= coeficiente de difusión(depende del tamaño)

En tres dimensiones

r=6D⋅t

1 2

c1

c2

dndt

⋅1A

=J=−D⋅dcdx

, [J ]= ML2⋅T

= molcm2⋅s

dcdt

=−dJdx

=D⋅d2cdx2

c x , t = n2⋅D t ⋅ e

− x2

4D t

C

-3 -2 -1 0 1 2 3X

t=1

t=4

t=16t=64

Flujo proporcional al gradiente de concentración

Distribución gausiana

2∙n


J = −D⋅dcm

dx= −D⋅

cm

=cim

cis ; ci

m=⋅cis ; cm=⋅cs

J = −D⋅

⋅cs

J = −P⋅cs

[P]=L2⋅T−1⋅1L = cm

s

β=1

β=0.5

β=0.2

β=2

c1S

c2S

c1m

c2m

δ

0 x δ

Difusión a través de membrana

P=D⋅

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


Energía libre y transporte

equilibrio

G = RT⋅ln [Na+]destino[Na+]origen

zF⋅Em

componentequímico

componenteeléctrico

Em=E destino−Eorigen

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


Difusión de iones: potencial de membrana

NaCl15 mM

NaCl150 mM

0

-60 +60

Em= 0 mVMembrana impermeable Membrana permeable a Na+

Membrana permeable a Cl- Membrana permeable

a Na+ y Cl-

Em= -59 mV

ΔV= 0 ΔV≠ 0 constante

ΔV≠ 0 constante ΔV≠ 0 transitorio

Em= +59 mV PNa>PCl

NaCl15 mM

NaCl150 mM

0

-60 +60

⊖ ⊕⊖ ⊕

Cl+

NaCl15 mM

NaCl150 mM

0

-60 +60

⊕ ⊖⊕ ⊖

Na+

NaCl15 mM

NaCl150 mM

0

-60 +60

Na+

Cl+


InicioEm=0

Potencial de equilibrio

Ecuación de Nernst

EquilibrioEm=Eeq

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 )

E eq = - R⋅Tz⋅F ⋅ ln [Na+ ]destino

[Na+]origen

G = RT⋅ln [Na+]destino[Na+]origen

zF⋅EmEn el equilibrio G = 0 y Em = E eq

Walther Nernst1864-1941

Premio Nobel 1920




(mecanismos)









Ionóforos

Valinomicina (K+)

monensina (Na+)nonactina

gramicidina

En solventehidrófobo

En bicapa lipídicaHélice 6.3 hueca

dímero cabeza-cabeza

Canal de gramicidina

transportadores

canales

Complejovalinomicina-K+




(mecanismos)









D. facilitada: Glucosa permeasas

SaturableEspecífico


Estructura de transportadores Glut

Hélice anfipática

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

Haz de hélices(bolsillo de unión)

Puentes deHidrógeno


Intercambiador Cl-/HCO3- :

banda 3/pAE1 del eritrocitoCapilares sistémicos

alta pCO2, baja pO2

(metabolismo tisular)

Capilares pulmonaresbaja pCO2, alta pO2

(ventilación)

eritrocito

eritrocito

hemoglobina

Efecto Bohr

Proteína AE1

Anhidrasa carbónica

Anhidrasa carbónica


Canales iónicos

Activados por ligando(R. Ionotrópicos)

Activados por cNMP

Unión deligando

Unión denucleótido

No sensibles a Em

Componentes funcionales• Bocas: externa e interna Fick • Poro• Filtro selectivo• Sensor• Compuerta

Topología transmembrana• Básico: 2TM/P• Componentes adicionales

Boca externa

Boca interna

Sensor

Filtro

compuerta

poro

Saturablebaja ΔG‡ alto nº recambio

(>107 ion/s)

Bucle P

TM

sensibles a Em

INa, IK, ICa

IK ir

IK (Ca) big IK (rep)


Canales iónicos: selectividad

Poroiónico

Vista superior

Filtro selectivo

compuerta

Canal de K+:estructura del poro

Bucle P

extracelular

citosol

Selectividad= compensar desolvatación

Buenajuste

malajuste


Mecanismos de compuertaReceptores ionotrópicos

• fam. nAchR• fam. iGluR• fam. P2X

Canales dependientesde voltaje

• Na+, Ca2+

• K+ etc.

Canales dep. cAMP(olor, gusto)

Canales dep. cGMP(vista)

Canales dep. ATP(célula β)

Canales dependientesde voltaje

• Ca2+

• K+ etc. IK(M)

Canales dependientes de voltaje y Ca2+

• IK(Ca)




(mecanismos)









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)

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 mitocondrialLisosomas vesículas sinápticas

ATPasas tipo "transportadores ABC"• 4 dominios 2T+2A• Estructura diversa

(mono-, di-, tetraméricas)• Membrana plasmática• Iones y compuestos orgánicos

asp-P P-asp

Canal de H+

F0, V0

ATPF1, V1

F: mitocondria

V: vesículas

citosol

extracelular

citosol

matrizcitosol

ATP ATP


Na+/K+-ATPasa de membrana

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

Función• Transporte vectorial• 3 Na+ / 2K+ / 1ATP• Inhibida por vanadato• Inhibida por cardiotónicos

(ouabaina digoxina)

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

Subunidad α:• Centro activo• No glicosilada• 10 TM• 120 kD

citosol

asp-P

P-asp

citosol

extracelular

➢Actividad biológica● control del volumen celular● control del pHi ● control de [Ca2+]i

● importación de metabolitos(cotransporte)

● excitabilidad eléctrica

citosol

extracelular

25-30% consumo ATP>60% en cerebro

Gradiente Na+/K+


Mecanismo de la Na+/K+-ATPasa


Cardiotónicos


ATPasas "transportador ABC"

Estructura• 4 dominios 2T+2A• Estructura diversa

(mono-, di-, tetraméricas)

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

MDRCFTR

2T+2A fusionados12 TM

Destoxificacióninterferencia antitutorales


Fármacos quimioterápicos y MDR


Estructura del CFTR




(mecanismos)









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

F. co-transportador de glutamato• 8 TM• antiporte K+ obligado• 1Na+:1Glu-/1K+:HO- • Exclusivamente Glu sináptico

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

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

Reserpina, extasis(ΔH+)

Cocaina, anfetas, tricíclicoscitosol

exterior

citosol

exterior

citosol

exterior

citosol

Luz vesícula


Transportadores de membrana y regulación del pHi

glucosa

glucosa

CO2 HCO3-

H+

lactato

H+

Na+

HCO3-

Cl-Na+

HCO3-

Cl-

HO-

Antiportador Cl-/HO-

acidificación

Antiportador Na+/H+

alcalinizaciónActivado por H+

intercambiador Cl-/HCO3-

acidificacióninhibido por H+ Intercambiador Cl-/HCO3

- dependiente de Na+

acidificaciónactivado por H+

pH intracelular

velo

cida

d re

lativ

a, % intercambiador

Cl-/HCO3-

intercambiador Na+ Cl-/HCO3

- antiportador

Na+/H*

Dependencia del pH de los transportadores de H+ y HCO3

-

amilórido

DIDS, SITS


Transporte transepitelial de glucosa

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

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

citosol• [Na+] baja

(12 mM)• [glucosa] alta • [K+] alta

(150 mM)

gluc

activocontra

gradiente

pasivoa favor degradiente

glucosa

glucosa

glucosa 2 Na+

2 Na+

3 K+

Cl-

Cl-

Cl-3 K+2 Na+

ATPADP

Pi

Glut2(permeasa)

Na+/K+-ATPasa(activo)

SGLT(activo) canal Cl-

(pasivo)

canal K+

(pasivo)

gluluz+2Na+luz glucit+2Na+

cit glucit glusangre

2Na+cit+3K+

sangre+ATP 2Na+sangre+3K+

cit+ADP+Pi

3K+cit 3K+

sangre

2Cl-luz 2Cl-cit

2Cl-cit 2Cl-sangre

gluluz+2Na+luz+2Cl-

luz+ATP glusangre+2Na+sangre+2Cl-

sangre+ ADP+Pi




(mecanismos)









Potocitosis= endocitosis mediada por caveolina




(mecanismos)






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



Las membranas biológicas son muy permeables al agua


Acuaporinas: Estructura y función Acuaporinas: canales de H2O

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

Acuaporinas: localización y funcioneslocalización función

AQP-1 ubicua: rinón, pulmón,ojo, plexos coroideos

Reabsorción de agua en túbuloscolectores; secreción de fluido en humoracuoso 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: vellosidadesaracnoideas

Reabsorción de líquido cefalorraquideo enSNC. Regulación del edema cerebral

AQP-5 glándulas salivares,lacrimales y epitelioalveolar

secreción de fluido

A B C A' B' C'

directo

invertido

citosol

extracelular

CHIP 28 kDa

Columna de H2O en poro

Transporte 5·108 s-1

transport e 2004

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