Estructura de nucleósidos y nucleótidos Transporte a...
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12010 Enrique Castro
Estructura de nucleósidos y nucleótidosTransporte a través de membranasTransporte a través de membranas
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
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22010 Enrique Castro
Membranas biológicasMembranas biológicas
Funciones
Definen límites celulares / compartimentos
Regulan transporte molecular
Organizan secuencias complejas de reacciones
PROPIEDADES ESPECÍFICAS
● INSOLUBLES
● FLEXIBLES
● AUTOENSAMBLANTES
● SELECTVAMENTE PERMEABLES
Resistentes, aguantan presiones
Deformables,acompañan crecimiento y movimiento
Autoreparación
Transporte de metabolitosgeneración de energía generación de señales
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32010 Enrique Castro
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-, H
2PO
4-
polares aminoácidoscargadas glucosa--6-P
ATP, nucleótidos
Permeabilidad de las membranasPermeabilidad de las membranas
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42010 Enrique Castro
Coeficiente de reparto aceite/agua
Hidrofobicidad
Co
efi
cie
nte
de
pe
rme
ab
ilid
ad
, c
m/h
Pe
rme
ab
ilid
ad
Permeabilidad ∝ hidrofobicidad
Permeabilidad e HidrofobicidadPermeabilidad e Hidrofobicidad
-12 -10 -8 -6 -4 -2 Log P
Na+
K+
Cl+
glucosa trp
urea
indol
H2O
Coeficiente de permeabilidad, cm/s
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52010 Enrique Castro
Difusión libre: leyes de FickDifusión 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=cm2
s
D= coeficiente de difusión(depende del tamaño)
En tres dimensiones
r=6D⋅t
1 2
c1
c2
dndt
⋅1A=J=−D⋅
dcdx
, [J ]=M
L2⋅T=
mol
cm2⋅s
dcdt
=−dJdx
=D⋅d 2 c
dx2
c x , t =n2⋅ Dt ⋅ e
−x 2
4Dt
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
D=k BT
6 r
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62010 Enrique Castro
J =−D⋅dcm
dx= −D⋅
cm
=cim
cis ; ci
m=⋅cis ; cm=⋅ c s
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 membranaDifusión a través de membrana
P= D⋅
Coeficiente de permeabilidad• Coeficiente de reparto• Coeficiente de difusión (√Mr)• Espesor de la membrana
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72010 Enrique Castro
Energía libre y transporteEnergía libre y transporte
equilibrio
G = RT⋅l n[N a+ ]de st i no[N a+ ]orig en
zF⋅ Em
componentequímico
componenteeléctrico
Em=Ed es t in o−Eorig en
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
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82010 Enrique Castro
Difusión de iones: potencial de membrana
Difusión de iones: potencial de membrana
NaCl15 mM
NaCl150 mM
0
-60 +60
Em= 0 mV
Membrana impermeable Membrana permeable a Na+
Membrana permeable a Cl- Membrana permeablea Na+ y Cl-
Em= -59 mV
ΔV= 0 ΔV≠ 0 constante
ΔV≠ 0 constante ΔV≠ 0 transitorio
Em= +59 mV P
Na>P
Cl
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+
Separación de cargas
=potencial de membrana
Membrana = Condensador eléctricoC=Q/VC = 0,8-1 μF/cm2
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92010 Enrique Castro
InicioE
m=0
Potencial de equilibrioPotencial de equilibrio
Ecuación de Nernst
EquilibrioE
m=E
eq
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 )
Ee q = - R⋅Tz⋅F ⋅l n[N a+ ]des t i n o[N a+ ]ori gen
G = RT⋅l n[Na+ ]des t i n o[N a+ ]orig en
zF⋅Em
En el equilibrio G = 0 y Em = Ee q
Walther Nernst1864-1941
Premio Nobel 1920
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102010 Enrique Castro
Em=R⋅TF ⋅ln
pK⋅[K+ ]o pNa⋅[Na
+ ]o pCl⋅[Cl-]i
pK⋅[K+]i pNa⋅[Na
+ ]i pCl⋅[Cl- ]o
Na+Na+
K+ K+
Cl- Cl-
Membrana permeable a varios ionesMembrana permeable a varios iones
Em≠E
K
Em≠E
Cl
Em≠E
Na
JK≠ 0
JCl≠ 0
JNa≠ 0
∆G≠ 0no equilibrio
Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz
Em=R⋅TF ⋅ln
[K + ]o⋅[Na+ ]o[K + ]i⋅[Na+ ]i
=p N ap K
∑ Ii=∑ z i⋅Ji= 0
Ji= p i⋅f Em−E i
∑ Ii=∑ z i⋅p i⋅f Em−R⋅Tz i⋅F
⋅l n[X i ]e
[ X i ]i= 0
Haciendo
Estadoestacionario
Transporte de carga nulo
≡
Puesto que
Sustituyendo Ei por la
expresión de Nernst
y despreciando la contribución de Cl -
Simplificada, sólo para Na+ y K+
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112010 Enrique Castro
Equilibrio de GibbsDonnanEquilibrio de GibbsDonnan
Varios iones difusibles+
un ión no difusible asimétrico
Iones no difusibles intracelularescausan entrada continua de agua
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122010 Enrique Castro
Solución osmótica en noexcitablesSolución osmótica en noexcitables
Cuasi-equilibrio Gibbs-Donnan doble• Simetrización del sistema• Na+ funcionalmente impermeable (PNa << PK)
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132010 Enrique Castro
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
Estructura de nucleósidos y nucleótidosTransporte a través de membranasTransporte a través de membranas
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142010 Enrique Castro
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152010 Enrique Castro
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162010 Enrique Castro
Tipos de transportadoresTipos de transportadores
Usualmente iones
Usualmentemol. orgánicas
Permeasas
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172010 Enrique Castro
IonóforosIonóforos
Valinomicina (K+)
monensina (Na+)nonactina
gramicidina
En solventehidrófobo
En bicapa lipídicaHélice 6.3 hueca
dímero cabeza-cabeza
Canal de gramicidina
transportadores
canales
Complejovalinomicina-K+
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182010 Enrique Castro
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 membranasTransporte a través de membranas
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192010 Enrique Castro
Intercambiador Cl/HCO3 :
banda 3/pAE1 del eritrocitoIntercambiador Cl/HCO3
:banda 3/pAE1 del eritrocito
Capilares sistémicosalta pCO2, baja pO2
(metabolismo tisular)
Capilares pulmonaresbaja pCO2, alta pO2
(ventilación)
eritrocito
eritrocito
hemoglobina
Efecto Bohr
Proteína AE1
Anhidrasa carbónica
Anhidrasa carbónica
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202010 Enrique Castro
Canales iónicosCanales 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)
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212010 Enrique Castro
Canales iónicos: selectividadCanales iónicos: selectividad
Poroiónico
Vista superior
Filtro selectivo
compuerta
Canal de K+:estructura del poro
Bucle P
extracelular
citosol
Selectividad= compensar desolvatación
Buenajuste
malajuste
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222010 Enrique Castro
Mecanismos de compuertaMecanismos de compuerta
Receptores 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)
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232010 Enrique Castro
Acuaporinas: Estructura y funciónAcuaporinas: Estructura y función
Acuaporinas: canales de H2O• 6TM (3+3 invertido)• Tetrámeros• Impermeable a iones y mol. pequeñas
Acuaporinas: localización y funciones
localización funciónAQP-1 ubicua: rinón, pulmón,
ojo, plexos coroideosReabsorción 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
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242010 Enrique Castro
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
Estructura de nucleósidos y nucleótidosTransporte a través de membranasTransporte a través de membranas
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252010 Enrique Castro
Transporte activo primario:ATPasas de Membrana
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, V
0
ATPF
1,
V1
F: mitocondria
V: vesículas
citosol
extracelular
citosol
matrizcitosol
ATP ATP
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262010 Enrique Castro
Na+/K+ATPasa de membranaNa+/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+
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272010 Enrique Castro
Mecanismo de la Na+/K+ATPasaMecanismo de la Na+/K+ATPasa
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282010 Enrique Castro
CardiotónicosCardiotónicos
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292010 Enrique Castro
ATPasas "transportador ABC"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
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302010 Enrique Castro
Fármacos quimioterápicos y MDRFármacos quimioterápicos y MDR
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312010 Enrique Castro
Estructura del CFTREstructura del CFTR
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322010 Enrique Castro
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
Estructura de nucleósidos y nucleótidosTransporte a través de membranasTransporte a través de membranas
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332010 Enrique Castro
Familias de transportadores 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
F. co-transportador Na+-glucosa• 14 TM• 1-2 Na+:1 sustrato• Intestinal (SGLT1), renal (SGLT2)
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)
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342010 Enrique Castro
Transportadores de membrana y regulación del pHi
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+
alcalinizaciónactivado por H+
pH intracelular
ve
loc
ida
d r
ela
tiv
a,
% intercambiador Cl-/HCO
3-
intercambiador Na+ Cl-/HCO
3-
antiportadorNa+/H*
Dependencia del pH de los transportadores de H+ y HCO3
-
amilórido
DIDS, SITS
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352010 Enrique Castro
Transporte transepitelial de glucosaTransporte transepitelial de glucosaluz 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+
2 K+
Cl-
Cl-
Cl-2 K+3 Na+
ATP
ADPP
i
Glut2(permeasa)
Na+/K+-ATPasa(activo)
SGLT(activo) canal Cl-
(pasivo)
canal K+
(pasivo)
gluluz+2Na+luz glucit+2Na+
cit
glucit
glusangre
3Na+cit+2K+
sangre+ATP 3Na+sangre+2K+
cit+ADP+Pi
K+cit
K+sangre
Cl-luz
Cl-cit
Cl-cit Cl-sangre
Gluluz
+ Na+luz
+ Cl-luz
+ATP glusangre
+ 2Na+sangre
+ Cl-sangre
+ ADP+Pi
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362010 Enrique Castro