Transporte a través de la Transporte a través de la membrana celularmembrana celular

Departamento de BiofísicaDepartamento de BiofísicaFacultad de MedicinaFacultad de Medicina

ObjetivosObjetivos

•• Analizar parte de las funciones de las Analizar parte de las funciones de las membranas celulares.membranas celulares.

•• Estudiar el pasaje de sustancias a través Estudiar el pasaje de sustancias a través de la misma.de la misma.

•• Expresar en forma cuantitativa las leyes Expresar en forma cuantitativa las leyes que gobiernan dicho pasaje.que gobiernan dicho pasaje.

Estructura básicaEstructura básica

BicapaBicapa lipídicalipídica::•• CarbohidratosCarbohidratos•• Proteínas de membrana (intrínsecas y Proteínas de membrana (intrínsecas y

extrínsecas).extrínsecas).

•• Una de las principales funciones de las Una de las principales funciones de las membranas biológicas es la membranas biológicas es la compartimentación.compartimentación.

•• Las proteínas de membrana son las Las proteínas de membrana son las macromoléculas que determinan el macromoléculas que determinan el grado de especialización de esta. grado de especialización de esta.

•• Transporte activo de iones y metabolitosTransporte activo de iones y metabolitos•• Comunicación intercelularComunicación intercelular•• Formación de canales iónicosFormación de canales iónicos•• Generación de segundos mensajeros de Generación de segundos mensajeros de

distintas vías metabólicasdistintas vías metabólicas•• Transducción de energíaTransducción de energía•• Reconocimiento celularReconocimiento celular

Es la capacidad que posee una membrana Es la capacidad que posee una membrana (sea ésta natural o artificial), de permitir el (sea ésta natural o artificial), de permitir el pasaje de una sustancia a través de ella. pasaje de una sustancia a través de ella.

PermeabilidadPermeabilidad

• Impermeables• Semipermeables• De permeabilidad selectiva• Sin selectividad

• A pesar de la naturaleza hidrófoba del interior de la bicapa, las membranas no son completamente impermeables.

• Se considera a las membranas biológicas como de permeabilidad selectiva.

• Deben existir por tanto, mecanismos capaces de disminuir la barrera de energía que presenta la bicapa lipídica para que exista pasaje apreciable de moléculas cargadas a través de ella.

FLUJO

DENSIDAD DE FLUJO

Cantidad de sustancia (moles o gramos) que atraviesa una determinada sección perpendicular a la dirección del desplazamiento por unidad de tiempo

Flujo que atraviesa la sección por unidad de área

m =J

A A . ∆t

∆n= (mmol/seg.cm2)

Definiciones bDefiniciones báásicassicas

J = ∆n∆t

(mmol/seg)

Equilibrio QuEquilibrio QuímicoímicoEs el estado al que llega un sistema después de cierto tiempo sin que actúen fuerzas exteriores, manteniéndose invariable con el tiempo.

Estado EstacionarioEstado Estacionario

En contraposición al anterior, podemos definirlo como un estado de no equilibrio el cual se mantiene constante en el tiempo. Esto requiere aporte de energía.

µ : Cte. ( µ = µ si C = 1 M y φ = 0 )R : Cte. de los gases (julio / grado.mol)T : Temperatura absoluta (º Kelvin)z : Carga / ionF : Cte. de Faraday ( carga de un mol de iones

monovalentes 96500 coul.)µ : julio/mol

µ = µ φο

ο

µ > µ1 2

µ = µ1 2

1 21 2RT ln C + zF φ = RT ln C + zF φ

ECUACIÓN DE NERNST

220110

21

zFφRTlnCµzFφRTlnCµ

µµ

++=++

=

ECUACIÓN DE NERNST

220110

21

zFφRTlnCµzFφRTlnCµ

µµ

++=++

=

ECUACIÓN DE NERNST

2211

21

zFφRTlnCzFφRTlnC

µµ

+=+

=

ECUACIÓN DE NERNST

1

221

1221

2211

21

CC ln RT)φzF(φ

)lnCRT(lnC)φzF(φ

zFφRTlnCzFφRTlnC

µµ

=−

−=−

+=+

=

ECUACIÓN DE NERNST

1

221

1

221

21

CC ln

zFRT)φ(φ

CC ln RT)φzF(φ

µµ

=−

=−

=

1

2

CC ln

zFRTε =

ε

Consecuencias de la ley de NernstConsecuencias de la ley de Nernst

Un ion puede estar en equilibrio electroquímico aun cuando su concentración no sea la misma en ambos compartimientos.

Si C1 = C2, ε=0, ln (1)=0

Concentración fisiológica y potenciales de equilibrio para los iones Na+, K+ y Cl-.

Na+ K+ Cl-

[ ]ext

(mmol/l)120 2.5 110

[ ]int(mmol/l) 15 140 3

Potencial de equilibrio

(mV)+50 -100 -90

Fibra muscular esquelética de rana

Clasificación de transporte

Transporte pasivo: Se produce a favor de gradiente electroquímico 1) Difusión simple2) Difusión facilitada

Transporte activo: Se produce en contra de gradiente electroquímico

1) Transporte activo primario: utiliza la energía proveniente del metabolismo celular (Hdrólisis de ATP). Bomba de Na+-K+.

2) Transporte activo secundario. Utiliza la energía de otro soluto que se transporta a favor de gradiente electroquímico (transportes acoplados: cotransporte y contratransporte)

Transporte PASIVO

Producido por la diferencia de potencial electroquímico de la especie transportada.

Incluye: a) Difusión simpleb) Transporte facilitado

a) DIFUSIa) DIFUSIÓÓN SIMPLEN SIMPLE

Transporte neto de una sustancia sin carga eléctrica neta desde la zona más concentrada a la zona más diluída de una disolución.

Cuando la partícula posee carga eléctrica neta el movimiento se produce desde la zona de mayor potencial electroquímico hacia otra con menor potencial electroquímico y el proceso se denomina electrodifusión libre.

C(mM)

X(cm)

a

bC1

C2

X2X1

Si el gradiente de concentración es cte, la densidad de flujo entre dos puntos será proporcional a la diferencia de concentración (∆C) e inversamente proporcional a la distancia (∆x).

Primera Ley de Fick

D = coeficiente de Difusión (cm2/seg)

c

x x

c

Si el gradiente de concentración es cte, la densidad de flujo entre dos puntos será proporcional a la diferencia de concentración (∆C) e inversamente proporcional a la distancia (∆x).

C

x

m = D. C1-C2∆x

J = D. ∆C .A∆x

∆C/∆x: gradiente de concentración

D: coeficiente de difusión

Se puede calcular el flujo neto de una sustancia, siendo la sumade flujos unidireccionales

La ley de Fick es aplicable en un medio homogéneo, (D = cte)

Ley de Fick

Flujo a través de la membrana

C2C1c1 c2

Flujo a través de la membrana

C2C1c1 c2

Coeficiente de partición (k): razón de concentraciones entre la bicapa y la fase acuosa. Indica cuan fácil se “disuelve” una sustancia química en la membrana.

Flujo a través de la membrana

C2C1c1 c2 ∆x = a = espesor de membrana

P (permeabilidad de la membrana)- composición, estructura de membrana- espesor de membrana- especie química que difunde

Para una membrana y un soluto determinados, k, a y son ctes

EN RESUMEN

En la membrana celular, la difusión simple se produce a través de la bicapa lipídica y obedece a la expresión:

m = P (C1 –C2)

que deriva de la primera ley de Fick.J

∆C

Difunden según esta ecuación sustancias liposolubles. k desempeña un papel importante

Transporte de iones a través de la membranapor difusión simple es despreciable

b) TRANSPORTE FACILITADOb) TRANSPORTE FACILITADO

Permite el transporte PASIVO de iones y sustancias hidrosolubles Se da por sitios específicos: - canales

- transportadores

Los 2 mecanismos no son excluyentes

Un canal con múltiples estados conformacionales puede aproximarse al comportamiento cinético de un transportador

Disminuyen la barrera de energía para que exista un flujo apreciable de moléculas cargas o polares

Transportadores

Estructuras proteicas con uno o más sitios de unión, que exponen alternativamente uno o varios sitios de unión a un lado y otro de la membrana

Mecanismos: encerrar el ión, brindado refugio con cubierta hidrofóbica (ej: antibiótico valinomicina, transporta K+).

Transporte mediante cambios conformacionales

Etapas:

1- atrapar ión y despojarlo de las moléculas de hidratación2- cruzar el ión3- liberarlo y rehidratarlo en la otra orilla

Canales

Importancia: participan en diversos procesos celulares (Excitabilidad, regulación del volumen celular, etc)

Definición:Son proteínas transmembrana que poseen un poro cuya apertura es controlada por voltaje, ligando, mecánicamente, y permite el flujo de iones a través de la membrana

Presentes en tejidos excitables y no excitables, involucrados en procesos de señalizaciónCanales:

Na+ y K+: participan en la generación del potencial de acciónCa++: transmisión de señales. Acoplamiento excitación-

contracciónAcetilcolina: placa neuromotora

Transporte ACTIVO

Incluye todos los mecanismos de transporte que no son producidos por la diferencia de potencial electroquímico

La energía libre para el transporte puede provenir de procesos metabólicos directamente, o del transporte de otra especie a favor de su gradiente

T Activo

Primario: bomba de Na+/K+, con importantefunción electrogénica

Secundario

Cotransporte (mismo sentido)

Contratransporte

ATP ADP + Pi

CITOPLASMA

2 K+

3 Na+Sitio de unión del K y de la Ouabaina

+

Sitio de unión del Na+

LA BOMBA DE Na - K DE LA MEMBRANA CELULAR ES UNA ATPasa :

+ +

ATP(i) + H O + 3 Na (i) + 2 K (e) ADP(i) + P(i) + 3 Na (e) + 2 K (i)2+ + + +

Mg++

MEDIO EXTRACELULAR

[A] + [S] [AS]K

K: cte de equilibrioA: sitio de uniónS: ligando

J = Jmax * [S] / (Km + [S])

LOS TRANSPORTES MEDIADOS POR PROTEINAS SATURAN