UNIDAD N 2: Tema 3: TRANSPORTE A TRAVESDE LA MEMBRANA Blgo. Ms. Pablo Chuna Mogolln

Profesor Auxilar T.C. Area BiologaDepartamento Acadmico de Ciencias - UPAO

TRANSPORTE A TRAVS DE LAS MEMBRANAS BIOLGICAS

Las membranas celulares tienen una permeabilidad mucho mayor a iones y molculas polares grandes que una bicapa de fosfolpidos. La razn es que varias de las protenas integrales de membrana constituyen vas especficas de transporte para iones y molculas polares y agua que facilitan su paso: Transporte Facilitado En las membranas los principales tipos de protenas de membrana que facilitan el transporte de iones y molculas polares son: los canales de iones y de agua, los transporta-dores y las bombas inicas.A travs de las protenas transporta-doras los solutos se pueden transpor-tar a favor de su gradiente electro-qumico (difusin facilitada) o en contra del mismo (transporte activo).

La membrana plasmtica es una barrera selectivamanete permeable (semipermeable). Esta permeabilidad asegura que las molculas esenciales como la glucosa, aminocidos y lpidos entren rpidamente en la clula, que los cmouestos intermediarios queden retenidos en al clula y que los compuestos de deshecho dejen la clula. La permeabilidad de la membrana depende de varios factores:* Tamao de las molculas * Liposolubilidad* Presencia de canales y transportadores * Carga

TRANSPORTE A TRAVES DE LA MEMBRANAB. Transporte activoA. Transporte pasivoOsmosisC. Transporte vesicularDifusinTransporte activo primarioPermeasas (carrier)EndocitosisTransporte activo secundarioExocitosisSustancias insolubles en lipdosSustancias solubles en lpidosCanales regulados por voltajeCanalesDifusin facilitadaCanales regulados mecnicamenteCanales regulados por ligandoFagocitosis Endocitosis de fase fluidaEndocitosis mediada por receptorSimportAntiportBomba Na+/K+BombasBomba H+Bomba Ca++

En el transporte pasivo, una sustancia difunde espontneamente bajo su gradiente de concen-tracin, con lo cual la clula no gasta energa. En el transporte activo, una protena transpor-tadora mueve sustancia a travs de la membrana en contra de su gradiente de concentracin.

TRANSPORTE PASIVO Y ACTIVOEl transporte activo requiere gasto de nerga, usualmente provisto por el ATP.

Una sustancia difunde desde una regin de mayor concentracin hacia una regin donde est menos concentrada. La difusin bajo el gradiente de concentracin lleva a un equilibrio dinmico, las molculas de soluto continuan atravesando la membrana, pero a una tasa igual en ambas direcciones.LA DIFUSIN

Difusin FacilitadaEste tipo de transporte se hace siempre a favor del gradiente electroqumico, y las protenas transporta-doras son las permeasas.En la difusin facilitada la velocidad de transporte aumenta rpidamente con la diferencia de concen-traciones, pero se llega a un tope cuando todas las protenas transportadoras estn saturadas.PERMEASAS: Transportador GluT1

GLUT1El genoma humano codifica para 12 protenas GLUT transportadoras de azcar (GLUT1 GLUT 12)Cada protena GLUT contiene 12 alfa hlicesDiferencialmente expresadasEjemplo: GLUT4 es solamente expresada en clulas adiposas y muscularesLas clulas adiposas y musculares responden a la insulina incrementando la entrada de glucosa, permitiendo remover glucosa de la sangreEn ausencia de insulina = GLUT4 se encuentra en membranas intracelularesEn presencia de insulina = GLUT4 encontrado en superficie celular

CANALES IONICOS

Son protenas integrales plegadas formando un poro a travs del que se transportan iones. Tres propiedades son fundamentales para su funcin: - El transporte es extremadamente rpido (107 a 108 iones/s.). - Son muy selectivos, el tamao estrecho del canal restringe el paso aquellos iones de un tamao y carga apropiados. - La mayora de los canales inicos no se encuentran permanentemente abiertos La apertura de los canales viene regulada por puertas que se abren de forma transitoria en respuesta a estmulos especficos.Estn involucrados en procesos fisiolgicos como conduccin del impulso nervioso, secrecin celular, regulacin del volumen celular, quimiotaxis, etc.

Hay dos tipos de canales inicos: - Los canales de filtracin, siempre estn abiertos. Ej. canales para iones K+. - Los canales de compuerta, se abren y cierran en respuesta a algn tipo de estmulo. Segn el estmulo pueden ser: 1. Canal inico de voltaje, se abre en respuesta a un cambio en el potencial de membrana (voltaje). 2. Canal inico de compuerta mecnica, se abre y cierra en respuesta a estmulos como las vibraciones (ondas sonoras), presin (contacto fsico) o estiramiento de tejidos.

3. Canal inico de ligandos, se abre y cierra en respuesta a un estmulo qumico especfico. Entre ligandos qumicos extracelulares se encuentran los neurotransmisores como: GABA, acetilcolina, glutamato. Ligandos intracelulares = Ca2+, nucletidos cclicosActivacin directa Activacin indirecta

ENFERMEDADES POR DEFECTOS EN CANALES INICOS

Canal InicoGen afectadoEnfermedadNa+ (regulado por voltaje, msculo esquelticoSCN4AMiotona y parlisis perodicaNa+ (regulado por voltaje, msculo cardaco)SCN5ASndrome de QT largoK+ (regulado por voltaje, neuronal)KCNQ2Convulsiones neonatales benignasK+ (neuronal)KCNQ4Sordera dominante Ca++ (neuronal)CACNA1ACefaleas migraosas

Canales de agua o aquaporinas

En las clulas el agua se transporta a travs de protenas de membrana especficas llamadas canales de agua o aquaporinas.Estn presentes en clulas animales (eritrocitos y clulas epiteliales renales) y forman poros selectivos al agua, excluyendo iones y otras molculas orgnicas polares de bajo peso molecular. Las molculas de agua se moveran en fila india: cinco a nueve molculas de agua ocuparan la va del transporte.

OSMOSISLa smosis se puede entender considerando los efectos de diversas concentraciones de agua en los eritrocitos. Si un eritrocito se coloca en una solucin hipotnica, que tiene una baja concentracin de soluto, las molculas de agua entran en la clula ms rpido de lo que ella pueda salir, causando que el eritrocito se hinche y en forma eventual estalle (hemlisis).Si el eritrocito es colocado en una solucin hipertnica que tiene una mayor concentracin de soluto, las molculas de agua se mueven hacia el exterior, sta situacin causa que las clulas se contraigan (crenacin).

Gradiente ElectroqumicoFigure 2.2

TRANSPORTE ACTIVO

BOMBAS INICAS O ATPASAS TRANSPORTADORAS DE IONESEn las membranas celulares existen protenas integrales que transportan activamente iones y que usan la energa libre de hidrlisis del ATP como fuente de energa: bombas inicas o ATPasas transportadoras de iones. Existen tres tipos de bombas inicas: ATPasas de membrana tipo P, tipo V y Tipo F, que se diferencian por su estructura molecular as como por el mecanismo de transporte activo.

ATPASAS DE MEMBRANA TIPO P

Estn presentes en las membranas plasmticas de clulas eucariticas (bomba de Na+/K+ y bomba de Ca2+, en clulas del estmago: bomba H+/K+) y en organelos como retculo endoplsmico (bomba de Ca2+ en clulas musculares). Estn formadas por una o dos cadenas polipeptdicas y durante el ciclo de transporte forman un intermediario fosforilado.

Bomba de sodio o Na+-K+-ATPasa

Es la ms estudiada de las bombas tipo P. Est presente en las membranas plasmticas de las clulas animales y mantiene los gradientes de concentracin de Na+ y K+ entre la clula y el medio extracelular. Transporta 3 iones Na+ hacia el espacio extracelular y 2 K+ hacia el citosol.

Ouabain

Bombas de Ca o Ca2+-ATPasas

Las bombas de Ca o Ca2+-ATPasas al igual que la bomba de Na pertenecen grupo de ATPasas de membrana tipo P. Estn presentes en la membrana plasmtica y en organelos como retculo endoplsmico y sarcoplsmico (SERCA) y el aparato de Golgi. Las SERCAs estn constitudas por una sola cadena polipeptdica de 110 kDa.

Bombas de Ca2+ remueven Ca2+ del citosol despus de los eventos de sealizacin.La concentracin de Ca2+ citoslico es muy baja (10-7 M) en comparacin con el Ca2+ extracelular (10-3M)El mantenimiento del gradiente de Ca2+ es esencial para la sealizacin celular En cada ciclo cataltico se transportan 2 iones Ca2+ por cada ATP hidrolizado.

BOMBAS (ATPASAS) DE TIPO PAGENTES QUE BLOQUEAN LAS BOMBAS DE TIPO P

BombaDistribucinSustratoFuncinFamilia de ATPasas Tipo PNa+ K+ ATPasaMembrana plasmtica, 3 Na+ por 2 K+Generacin de gradiente de Na+ , K+H+ K+ ATPasaMembrana plasmtica de estmago y rin1 H+ por K+Secrecin gstrica y renal de H+Serca Ca++ ATPasaRetculo sarcoplasmtico2 Ca+ por 2 H+Disminucin de Ca++ citoslicoPmca Ca++ ATPasaMembrana plasmtica1 Ca+ por 1 H+Disminucin de Ca++ citoslico

AgenteBomba afectadaGlicsidos cardacos (ouabana, digital)Na+K+ ATPasaOmeprazolH+K+ ATPasa (clulas partetales)

ATPasas de membrana tipo V

Estn presentes en las membranas plasmticas (osteoclastos y clulas tubulares renales) membranas de vacuolas y en organelos como lisosomas, endosomas, bombean electrogenicamente H+ desde el citosol al lumen del organelo.Estn compuestas de dos partes. Una parte hidrofbica integral en la membrana (V0) formada por varias copias del proteolpido c y una de a y que constituye la va de transporte de protones. Una cabeza (V1) hidroflica que est orientada hacia el citoplasma y donde se realiza la hidrlisis del ATP. Proton pumps cluster on the ruffled border of osteoclast cells and function to pump protons into the space between the cell membrane and the bone surface. High proton concentration in this space dissolves the mineral matrix of the bone.

ATPasas de membrana tipo F (F0F1)

Estn presentes en las membranas plasmticas de las bacterias, en la membrana tilacoidal y en la membrana interna de las mitocondrias. Catalizan la reaccin de sntesis de ATP a partir de ADP y Pi. La energa proviene del gradiente de potencial electroqumico de protones (H+) a travs de la membrana generado por la actividad de la cadena transportadora de electrones. Es decir, actan como ATP sintetasas. Al igual que las ATPasas tipo V estn formadas por dos dominios: F1 y F0 El complejo integral F0 contiene tres tipos de subunidades a, b y c y contiene el canal a travs del que se transportan los protones.

SUPERFAMILIA ABC Estn presentes en las membranas plasmticas de las bacterias (transporta aminocidos, azcares y pptidos), en la membrana plasmtica de mamferos (transporta fosfolpidos, pequeas drogas lipoflicas, colesterol y molculas pequeas).

PROTEINA CFTR Protena CFTR (Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator).

La protena CFTR se halla involucrada en el transporte de Cl- a travs de la membrana plasmtica, y cuando es defectuosa se origina la fibrosis qustica. Dado que el transporte de Cl- a travs de la CFTR se bloquea, disminuye el anin en la luz de los conductos afectados y, por consecuencia, disminuye tambin el catin Na+; y finalmente, la menor concentracin de estos iones determina que el agua se retire y ello aumenta la viscosidad de las secreciones.

PROTEINA CFTR (Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator).

Protena de resistencia a multifrmacos (MDR).

La protena MDR (multidrug resistance), se encuentran normalmente en las membranas de muchos tipos celulares. Aparecen en gran nmero en la membrana plasmtica de varias clases de clulas cancerosas, a las que les confieren una indeseada resistencia contra algunas drogas citotxicas. Ello es debido a que las MDR bombean esas drogas fuera de las clulas cancerosas, lo que hace que stas se vuelvan resistentes a la quimioterapia.Se ha observado un aumento de protenas MDR en los linfocitos infectados por el virus tipo I de la inmunodeficiencia adquirida (HIV-1), lo que contribuira a su resistencia a drogas antivirales como la AZT. Tambin, existe incremento de MDR en la membrana plasm-tica de las clulas de algunos parsitos, que por tal motivo se hacen resistentes a las drogas antiparasitarias; p.ej., el Plasmodium falciparum desarrolla resistencia a cloroquina, primaquina, etc.

ENFERMEDADES POR ALTERACION DE LAS PROTEINAS ABCPROTEINAS ABC

ProtenaExpresada en tejidoFuncinEnfermedad causada por protena defectuosaABCB1 (MDR1)Adrenales, cerebro, rinExporta drogas lipoflicasABCB4 (MDR2)HgadoExporta fosfatidilcolina en bilisABCB11HgadoExporta sales biliares en bilisCFTRTejido exocrinoTransporta iones cloruroFibrosis qusticaABCD1Membrana peroxisomalInfluencia actividad de enzima peroxisomalAdrenoleucodistrofia (ADL)

BombaDistribucinSustratoFuncinMDR 1 Membrana plasmticaDrogasSecrecin de drogasCFTRMembrana plasmtica de epitelio de tracto respiratorio y pncreasATP, Cl-Secrecin de Cl-MDR2Membrana plasmtica apical de celulas hepticasFosfatidilcolinaFosfolglicrido flipasaTAP 1,2Retculo endoplasmticoPptidos antignicosTransporte de pptidos antignicos del citosol al RE

TRANSPORTE SIMPORT: COTRANSPORTEGenerado el gradiente de soluto (ej. Gradiente de Na) puede ser usado para transportar en contra del gradiente de una segunda molcula transporte activo secundario.La tendencia de los iones sodio a regresar por la membrana plasmtica apical en favor del gradiente de concectracin la aprovechan las clulas epiteliales para impulsar el cotransporte de molculas de glucosa al interior de la clula contra un gradiente de concentracin. La protena transportadora, llamada cotransportador de Na+/glucosa (SGLT), permite la unin de dos iones sodio y una molcula de glucosa.

Transportadores SimportNa+ / glucosaNa+ / aminocidosNa+ / K+ / 2Cl -Na+ /sales biliares (intestino delgado)Na+ /entrada de colina (clulas nerviosas)Na+ /entrada de neuro-transmisor (cl. nerviosas)

TRANSPORTE ANTIPORT: CONTRATRANSPORTEEn membrana plasmtica, la mayora de clulas poseen un tipo de antiport o ms de uno. Estos acoplan el movimiento de un in cotransportado (a menudo Na+), a favor de su gradiente electroqumico con el movimiento de una molcula diferente en la direccin opuesta en contra de un gradiente de concentracin. En las clulas musculares cardiacas, por ejemplo, antiportador Na+/Ca++ (tres iones sodio propulsan la salida de un in calcio).En eritrocitos, la proteina AE1, que cataliza el intercambio uno por uno de Cl- y HCO3.

TRANSPORTADORES DEPENDIENTES DE SODIONa+ / H+Na+ / Ca2+TRANSPORTADORES NO DEPENDIENTES DE SODIOHCO3 - /Cl -H+ / K+ -

*****Cpoyright 2005 Dr. Salme Taagepera, All rights reserved.*********The Na+/K+ ATPase is responsible for the coupled movement of K+ and Na+ into and out of the cell. The drug oubain binds to a specific region on the exoplasmic surface of the protein and specifically inhibits its ATPase activity and also prevents cells from maintaining their Na+/K+ balance.

In the cardiac muscle there is a Na+/Ca antiporter rather than a plasma membrane Ca ATPase. It plays the principal role in maintaining a low concentration of Ca in the cytosol. As in other muscle cells, a rise in the intracellular Ca concentration in cardiac muscle triggers contraction. Thus the operation of Na+/Ca+ antiporter lowers the cytosolic concentration of Ca and reduces the strength of heart muscle contraction. The Na+/K+ ATPase in the plasma membrane of cardiac cells, as in other body cells, creates the Na+ concentration gradient used to power export of Ca ions.

The drugs ouabain and digoxin increase the force of heart muscle contraction and are widely used in the treatment of congestive heart failure. The primary effect of these drugs is to inhibit the Na+/K+ ATPase, thereby raising the intracellular Na+ concentration (and lowering intracellular K+), Because the Na+/Ca2+ antiporter functions less efficiently with a lower Na+ concentration gradient, fewer Ca2+ ions are exported and the intracellular Ca2+ concentration increases. This increase causes the muscle to contract more strongly.

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