FISIOLOGIA I TEMA NUMERO 5 Mecanismos de transporte de iones y solutos a través de membranas biológicas PROFESOR: Gregorio Tiskow, Ph.Sc.

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1 FISIOLOGIA I TEMA NUMERO 5 Mecanismos de transporte de iones y solutos a través de membranas biológicas PROFESOR: Gregorio Tiskow, Ph.Sc. E-mail: gtiskow@ucla.edu.ve gtiskow@ucla.edu.ve U.C.L.A. Barquisimeto, Venezuela

2 Membrana plasmática celular

3 Célula como modelo de sistema abierto

4 ¿Cómo atraviesan los solutos y iones la membrana? Lipofílicas no cargadas : Lipofílicas no cargadas : Atraviezan la capa lipídica (alcoholes diversos, O 2, N 2, CO 2 ) ya que son muy liposolubles. Polares pequeñas: por poros intermoleculares (H 2 O: a través de aquoporinas) Polares pequeñas: por poros intermoleculares (H 2 O: a través de aquoporinas) Hidrofílicas o polares grandes : a través de un transportador (glucosa, aminoacidos) o un canal (caso de los iones) Hidrofílicas o polares grandes : a través de un transportador (glucosa, aminoacidos) o un canal (caso de los iones)

5 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII SOLUBILIDAD EN LÍPIDOS DE MOLECULAS O2O2 CO 2 Lípidos LEC LIC Cortesía del Dr. Oscar Fuentes

6 Tipos de Transporte PASIVO TRANSPORTE TRANSPORTEACTIVO

7 Tipos de Transporte TRANSPORTE PASIVO DIFUSION SIMPLE TRANSPORTE PASIVO DIFUSION SIMPLE

8 Tipos de Transporte PRIMARIO TRANSPORTE ACTIVO TRANSPORTE ACTIVOSECUNDARIO

9 Tipos de transporte

10 Formas de Difusión

11 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII DIFUSIÓN POR CANALES LEC LIC Cortesía del Dr. Oscar Fuentes

12 Tipos de canales

13 Transporte a través de canales Características básicas: Características básicas:  SELECTIVO (Permeabilidad selectiva)  ES PASIVO  NO SATURABLE  NATURALEZA PROTEÍCA  INHIBIBLES

14 Transporte a través de canales Tipos de canales según los mecanismos de activación : Tipos de canales según los mecanismos de activación : · Dependientes de voltaje · De rectificación interna · Operados por ligando · Controlados por segundos mensajeros · Operados mecánicamente · Regulados a nivel de la expresión en la membrana

15 Transporte a través de canales Acuaporinas (canales para agua) Acuaporinas (canales para agua) Peter Agre

16 Transporte a través de canales CANALES IONICOS: CANALES IONICOS: Son vías celulares con filtros de selectividad y con compuertas que los ponen en estados conformacionales funcionales diferentes: Son vías celulares con filtros de selectividad y con compuertas que los ponen en estados conformacionales funcionales diferentes: REPOSO: cerrado, pero disponible para su apertura por estímulos químicos o eléctricos. REPOSO: cerrado, pero disponible para su apertura por estímulos químicos o eléctricos. ACTIVADO: abierto, permite el paso de una corriente iónica. ACTIVADO: abierto, permite el paso de una corriente iónica. INACTIVADO: cerrado, y no disponible para su apertura INACTIVADO: cerrado, y no disponible para su apertura

17 Transporte a través de canales

18 Canales Iónicos De Sodio De Sodio Dependientes de voltaje Dependientes de voltaje Epiteliales (ENaC) (sensible a amilorida) Epiteliales (ENaC) (sensible a amilorida)  Los canales voltaje-dependientes están presentes en las células excitables y son los responsables de la generación y propagación de los potenciales de acción en estas células.  Se activan por voltaje.  Se inactivan muy rápidamente.  Canales selectivos para iones sodio.

19 Canal de sodio

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22 Canales Iónicos De Potasio: De Potasio: Dependientes de voltaje Dependientes de voltaje Dependientes de calcio Dependientes de calcio De rectificación interna (Kir) De rectificación interna (Kir) Operados por ligando Operados por ligando Sensibles al ATP Sensibles al ATP

23 Canales de Potasio Contribuyen al control del volumen celular Contribuyen al control del volumen celular Generan el potencial de membrana en reposo Generan el potencial de membrana en reposo Participan en la excitabilidad neuronal Participan en la excitabilidad neuronal Intervienen en los procesos de secreción (sales, hormonas, neurotransmisores) Intervienen en los procesos de secreción (sales, hormonas, neurotransmisores)

24 Canales de Potasio

25 Potassium Voltage Channel

26 Canal de K+ tipo Kir

27 Tienen dos roles fundamentales: Tienen dos roles fundamentales:  Mediar el transporte iónico a través de la membrana celular  Estabilizar el potencial de membrana en reposo, muy cercano al potencial de equilibrio del K+  Conducen más corriente cuando la membrana está hiperpolarizada Estructura tetramérica

28 Canales de Cloruro

29 Participan en la regulación del volumen celular, secreción, proceso de contracción muscular, estabilizan el potencial de membrana y modulan la transmisión de señales neuronales. Participan en la regulación del volumen celular, secreción, proceso de contracción muscular, estabilizan el potencial de membrana y modulan la transmisión de señales neuronales.

30 Canales de Calcio Canales de calcio Tipo T: Canales de calcio Tipo T: Descritos originalmente en neuronas sensoriales de vertebrados, los canales de Ca 2+ tipo T han sido encontrados en una gran variedad de células excitables y no excitables (neuronas, músculo cardíaco, músculo liso, músculo esquelético durante el desarrollo, fibrobastos, osteoblastos, astrocitos, pituitaria, etc.) y se encuentran ausentes en células cromafines y en neuronas simpáticas. Su función está relacionada principalmente con la actividad rítmica (marcapasos) y la entrada de Ca 2+ a potenciales negativos.

31 Canales de Calcio Canales de calcio tipo L: Canales de calcio tipo L: Los canales de Ca 2+ de tipo L son los mejores estudiados y se encuentran ampliamente distribuidos en todas las células excitables y en la mayorías de las células no excitables. Constituyen la principal vía de entrada de iones Ca 2+ en las células de los músculos cardíaco, esquelético y liso, y, contribuyen de forma significativa a controlar la secreción de neurotransmisores y los mecanismos de acoplamiento excitación-contracción.

32 Canales de Calcio Canales de calcio tipo N. Canales de calcio tipo N. Se describieron por primera vez en neuronas del ganglio dorsal del pollo. Son un grupo heterogéneo de canales que precisan grandes despolarizaciones para su activación. Los canales de tipo N, se denominan así porque parecen ser específicos del sistema nervioso (N) y de tejidos relacionados con éste, puesto que sólo se han descrito en células de origen neural.

33 Canal de calcio voltaje dependiente

34 Canal de calcio

35 Continuamos con más de otros mecanismos de transporte…

36 Transporte Pasivo DIFUSION SIMPLE DIFUSION SIMPLE Referirse al Tema Número 3 de la serie

37 Transporte Activo Secundario DIFUSION FACILITADA: DIFUSION FACILITADA: La difusión facilitada utiliza canales o poros (formados por proteínas de membrana) para permitir que moléculas cargadas o no (que de otra manera no podrían atravesar la membrana) difundan libremente hacia afuera y adentro de la célula.

38 DIFUSION FACILITADA Ejemplo clásico: transporte de glucosa acoplado al de sodio

39 Transporte de aminoacidos

40 Transporte Activo Secundario Difusión facilitada = Difusión mediada por transportador. Difusión facilitada = Difusión mediada por transportador. Aporte indirecto de energía metabólica. Aporte indirecto de energía metabólica. Requiere de un transportador (una proteína) Requiere de un transportador (una proteína) Está limitado por la velocidad (según la concentración de sustancia que difunde). Tiene el transportador una Vmax. Está limitado por la velocidad (según la concentración de sustancia que difunde). Tiene el transportador una Vmax. Es saturable (saturabilidad) Es saturable (saturabilidad) Es inhibible competitivamente. Es inhibible competitivamente. Estereoespecificidad: Ejemplo: Formas L o D Estereoespecificidad: Ejemplo: Formas L o D

41 Transporte Activo Secundario La energía indirecta deriva de la diferencia de concentración creada por el transporte activo. La energía indirecta deriva de la diferencia de concentración creada por el transporte activo. Sub-Tipos: Sub-Tipos:  Cotransporte  Contratransporte

42 Transporte Activo Secundario COTRANSPORTE ( glucosa, aminoacidos ) COTRANSPORTE ( glucosa, aminoacidos ) Na+ Glu 3Na+ 2K+ Glu Líquido extracelularLíquido intracelular

43 Transportador de glucosa

44 Transporte activo secundario CONTRATRANSPORTE: CONTRATRANSPORTE: (3Na + /2Ca ++ ) Fenómenos de contracción muscular (Na + /H + ) previene la acidificación del LIC Ca++ 3Na+ Na+ H+

45 Características cinéticas del Transporte por difusión facilitada

46 Saturabilidad

47 Mecanismo propuesto para la difusión facilitada

48 Transporte Activo Primario Transporte de moléculas en dirección de su mayor concentración (en contra de gradientes) Transporte de moléculas en dirección de su mayor concentración (en contra de gradientes) Requiere de aporte directo de energía metabólica. Requiere de aporte directo de energía metabólica. Requiere de un transportador (una proteína) Requiere de un transportador (una proteína) Está limitado por la velocidad. Tiene el transportador una Vmax. Cinética enzimática es similar a la de Michaelis-Menten. Está limitado por la velocidad. Tiene el transportador una Vmax. Cinética enzimática es similar a la de Michaelis-Menten. Es saturable (saturabilidad) Es saturable (saturabilidad) Es inhibible competitivamente. Es inhibible competitivamente. Estereoespecificidad: Depende de la estereoespecificidad de la molécula a transportar. Ejemplo: Formas L o D Estereoespecificidad: Depende de la estereoespecificidad de la molécula a transportar. Ejemplo: Formas L o D

49 Transporte Activo Primario ATPasa o bomba de 3Na + /2K + ATPasa o bomba de 3Na + /2K + ATPasa o bomba de Ca ++ : ATPasa o bomba de Ca ++ : mantiene baja la [Ca ++ ] en el LIC (10 -6 M) ATPasa o bomba de H + /K + : ATPasa o bomba de H + /K + : bombea [H + ] del LIC a la luz del estómago. ATPasa de H + ATPasa de H +

50 ATPasa de Na-K

51 Internalización de 2 iones K+ y expulsión de 3 iones Na

52 ATPasa de Na-K Proteína intrínseca (integral) de membrana, presente en todas las células del organismo y que contribuye con un 50% del gasto energético del cuerpo

53 ATPasa de Na-K Ciclo de reacción de la ATPasa Na-K

54 Ciclo Reacción-Secuencia a) Unión de tres iones Na + a sus sitios activos. a) Unión de tres iones Na + a sus sitios activos. b) Fosforilación de la cara citoplasmática de la bomba que induce a un cambio de conformación en la proteína. Esta fosforilación se produce por la transferencia del grupo terminal del ATP a un residuo de ácido aspártico de la proteína. b) Fosforilación de la cara citoplasmática de la bomba que induce a un cambio de conformación en la proteína. Esta fosforilación se produce por la transferencia del grupo terminal del ATP a un residuo de ácido aspártico de la proteína. c) El cambio de conformación hace que el Na + sea liberado al exterior. c) El cambio de conformación hace que el Na + sea liberado al exterior. d) Una vez liberado el Na +, se unen dos moléculas de K + a sus respectivos sitios de unión de la cara extracelular de la proteína. d) Una vez liberado el Na +, se unen dos moléculas de K + a sus respectivos sitios de unión de la cara extracelular de la proteína. e) La proteína se desfosforila produciéndose un cambio conformacional de esta, lo que produce una transferencia de los iones de K + al citosol. e) La proteína se desfosforila produciéndose un cambio conformacional de esta, lo que produce una transferencia de los iones de K + al citosol.citosol

55 Ciclo de reacción ATPasa Na-K

56 ATPasa Na-K: Funciones Funciones: Funciones: Regulación del volumen celular Regulación del volumen celular Mantenimiento de la osmolaridad Mantenimiento de la osmolaridad Coadyuvante en el transporte de nutrientes Coadyuvante en el transporte de nutrientes Mantenimiento de los gradientes de Na+ y K+ Mantenimiento de los gradientes de Na+ y K+ Generación del potencial de acción celular Generación del potencial de acción celular Transducción de señales. Transducción de señales.

57 ATPasa y funciones vitales

58 ATPasa Na-K y Estímulos

59 Jean C. Skou

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61 Ciclo reacción Bomba Na-K

62 Otros mecanismos de Transporte en el organismo...

63 Otros mecanismos de transporte

64 Endocitosis Es un proceso por el que la célula introduce en su interior moléculas grandes o partículas, y lo hace englobándolas en una invaginación de la membrana citoplasmática, formando una vesícula que termina por desprenderse e incorporarse al citoplasma. Wikipedia.org.

65 Endocitosis

66 Fagocitosis Es un tipo de endocitosis por el cual algunas células (neutrófilos y macrófagos) rodean con su membrana citoplasmática a un antígeno y lo introducen al interior celular. Esto se produce gracias a la emisión de pseudópodos alrededor de la partícula o microorganismo hasta englobarla completamente y formar alrededor de él una vesicula, llamada fagosoma, la cual fusionan posteriormente con lisosomas para degradar el antígeno fagocitado. endocitosis vesiculaendocitosis vesiculaWikipedia.org

67 Fagocitosis Este es un archivo de Wikimedia CommonsWikimedia Commons

68 Secuencia de la fagocitosis

69 Fagocitosis

70 Pinocitosis Ingestión de líquidos y partículas en disolución por pequeñas vesículas revestidas de clatrina Ingestión de líquidos y partículas en disolución por pequeñas vesículas revestidas de clatrina

71 Transcitosis Es el conjunto de fenómenos que permiten a una sustancia atravesar todo el citoplasma celular desde un polo al otro de la célula. Implica el doble proceso endocitosis-exocitosis. Es propio de células endoteliales que constituyen los capilares sanguíneos, transportándose así las sustancias desde el medio sanguíneo hasta los tejidos que rodean los capilares. ciam.ucol.mx/.../celula/Transporte%20Celular.htm

72 Transcitosis Aquí tienes dos animaciones donde puedes ver como se deforma la membrana en los procesos de endocitosis y exocitosis

73 Endocitosis y Exocitosis

74 Exocitosis Mecanismo por el cual las macromoléculas contenidas en vesículas citoplasmáticas son transportadas desde el interior celular hasta la membrana plasmática, para ser vertidas al medio extracelular. Esto requiere que la membrana de la vesícula y la membrana plasmática se fusionen para que pueda ser vertido el contenido de la vesícula al medio. Mediante este mecanismo, las células son capaces de eliminar sustancias sintetizadas por la célula, o bien sustancias de desecho. ciam.ucol.mx/.../celula/Transporte%20Celular.htm

75 Exocitosis

76 Exocitosis

77 Endocitosis y Exocitosis

78 ¿Preguntas?...