Transporte a través de membranas

Transcripción

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
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
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
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
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
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
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
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
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
membranas
Estructura de


Química-física del transporte
• Bioenergética
Clasificación y tipos de transporte
(mecanismos)
• Estructura y clasificación
• P-ATPasas: mecanismo, ejemplos y funciones
• V-ATPasas
• Transportadores ABC/Mdr1/CFTR
• Clasificación y tipos
• Potocitosis: transporte de folato
• Endocitosis mediada por receptor
• Transcitosis
• Ley de van't Hoff
• Tonicidad de disoluciones: coeficiente de reflexión
• Equilibrio Gibbs-Donnan
• Regulación del volumen celular
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
Transporte
a nucleósidos
membranas
Estructura de

• Bioenergética

Clasificación y tipos de transporte
(mecanismos)

Difusión facilitada
Permeasas: Glut e intercambiador Cl-/HCO3• Canales iónicos: estructura, función y regulación
•
• V-ATPasas
• Transcitosis
D. facilitada: Glucosa permeasas
Saturable
Específico
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
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
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
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
Mecanismos de compuerta
Receptores ionotrópicos
• fam. nAchR
• fam. iGluR
• fam. P2X
Canales dependientes
de voltaje
• Na+, Ca2+
• K+ etc.
de voltaje
• Ca2+
• K+ etc.
IK(M)
de voltaje y Ca2+
• IK(Ca)
 Canales dep. cAMP
(olor, gusto)
 Canales dep. cGMP
(vista)
 Canales dep. ATP
(célula β)
Transporte
a nucleósidos
membranas
Estructura de

• Bioenergética
(mecanismos)

ATPasas de membrana: Bombas iónicas
•
•
•
•
Estructura y clasificación
P-ATPasas: mecanismo, ejemplos y funciones
V-ATPasas
Transportadores ABC/Mdr1/CFTR
• Transcitosis
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
extracelular
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
citosol
Gradiente Na+/K+
25-30% consumo ATP
>60% en cerebro
Mecanismo de la Na+/K+-ATPasa
Cardiotónicos
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)
Destoxificación
interferencia antitutorales
Fármacos quimioterápicos y MDR
Estructura del CFTR
Transporte
a nucleósidos
membranas
Estructura de
• Bioenergética
(mecanismos)
• V-ATPasas

Mecanismos de transporte acoplado
• Transcitosis
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 )
+
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
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
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
Transporte
a nucleósidos
membranas
Estructura de
• Bioenergética
(mecanismos)
• V-ATPasas

Transporte mediado por endocitosis
•
•
•
•
Clasificación y tipos
Potocitosis: transporte de folato
Endocitosis mediada por receptor
Transcitosis
Potocitosis= endocitosis mediada por caveolina
Transporte
a nucleósidos
membranas
Estructura de
• Bioenergética
(mecanismos)
• V-ATPasas
• 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
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
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
secreción de fluido

Transporte a través de membranas

Transcripción

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