Transporte a través de la membrana celular Departamento de Biofísica Facultad de Medicina

Objetivos Analizar parte de las funciones de las membranas celulares. Analizar parte de las funciones de las membranas celulares. Estudiar el pasaje de sustancias a través de la misma. Estudiar el pasaje de sustancias a través de la misma. Expresar en forma cuantitativa las leyes que gobiernan dicho pasaje. Expresar en forma cuantitativa las leyes que gobiernan dicho pasaje.

Estructura básica Bicapa lipídica: Carbohidratos Carbohidratos Proteínas de membrana (intrínsecas y extrínsecas). Proteínas de membrana (intrínsecas y extrínsecas).

Una de las principales funciones de las membranas biológicas es la compartimentación. Una de las principales funciones de las membranas biológicas es la compartimentación. Las proteínas de membrana son las macromoléculas que determinan el grado de especialización de esta. Las proteínas de membrana son las macromoléculas que determinan el grado de especialización de esta.

Transporte activo de iones y metabolitos Transporte activo de iones y metabolitos Comunicación intercelular Comunicación intercelular Formación de canales iónicos Formación de canales iónicos Generación de segundos mensajeros de distintas vías metabólicas Generación de segundos mensajeros de distintas vías metabólicas Transducción de energía Transducción de energía Reconocimiento celular Reconocimiento celular

Es la capacidad que posee una membrana (sea ésta natural o artificial), de permitir el pasaje de una sustancia a través de ella. Permeabilidad 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. Δt Δn = (mmol/seg.cm 2 ) Definiciones básicas J = Δn Δt (mmol/seg)

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

Estado 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.

ECUACIÓN DE NERNST



Consecuencias de la ley de Nernst Un ion puede estar en equilibrio químico aun cuando su concentración no sea la misma en ambos compartimientos. Si C1 = C2, ε=0, ln (1)=0

Clasificación de transporte Difusión simple Transporte PASIVO Transporte Facilitado - transportadores - canales Transporte ACTIVO Primario Secundario cotransporte contratransporte

Transporte PASIVO Producido por la diferencia de potencial electroquímico de la especie transportada. Incluye: a) Difusión simple b) Transporte facilitado a) DIFUSIÓN SIMPLE El desplazamiento de una especie química de donde hay mayor concentración a otra de menor, en términos termodinámicos, produce una liberación de energía libre (pérdida de energía, -  G).  G=-RTln C 2 C 1

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. C 1 -C 2  x J = D.  C.A  x Ley de Fick  C/  x: gradiente de concentración D: coeficiente de difusión Se puede calcular el flujo neto de una sustancia, siendo la suma de flujos unidireccionales La ley de Fick es aplicable en un medio homogéneo, (D = cte)

Flujo a través de la membrana D m, se supone cte y las concentraciones en el espesor de la membrana hacia cada lado De acuerdo con Ley de Fick: J = D m c1- c2. A a a = espesor de membrana A = superficie de la membrana c1 = k.C 1 c2 = k.C 2 k = ci C i Coeficiente de partición (k): razón de concentraciones entre la bicapa y la fase acuosa. Indica cuan fácil se “disuelve” una sustancia química en un hidrocarburo

Para una membrana y un soluto determinados, k, a y D m son ctes: P = k. D m P (permeabilidad de la membrana) a - composición, estructura de membrana - espesor de membrana - especie química que difunde Entonces: J = P (C 1 - C 2 ) A

EN RESUMEN En la membrana celular, la difusión simple se produce a través de la bicapa lipídica y obedece a la expresión: J = P (C 1 –C 2 ) A que deriva de la primera ley de Fick. J ΔC Difunden según esta ecuación sustancias liposolubles. k desempeña un papel importante Transporte de iones a través de la membrana por difusión simple es despreciable

b) 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 hidratación 2- cruzar el ión 3- liberarlo y rehidratarlo en la otra orilla

Canales Importancia: participan en diversos procesos celulares (Excitabilidad) 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 señalización Canales:  Na + y K + : participan en la generación del potencial de acción  Ca ++ : transmisión de señales. Acoplamiento excitación- contracción  Acetilcolina: placa neuromotora

Flujo por canales y transportadores tiene una cinética de saturación J = J máx.[S] K+[S] [S] J J máx 1/2 J máx K [A] + [S] [AS] K K: cte de equilibrio A: sitio de unión S: ligando

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 importante función electrogénica Secundario Cotransporte (mismo sentido) Contratransporte

PREGUNTAS 1- Explique las diferencias entre flujo y densidad de flujo. 2- Defina el potencial electroquímico y explique el equilibrio con base en este concepto. 3- Utilizando la expresión matemática de la ley de Fick, justifique el hecho de que los iones NO atraviesan la membrana por el mecanismo de difusión simple.

4- En un recipiente, en un determinado instante se mide la concentración de soluto a diferentes distancias de la pared del recipiente: -indique el sentido de los flujos a XA, XB, XC y XD. -a qué estado llegará el sistema luego de un largo período de tiempo?

5- Defina un canal y hable sobre la importancia en la fisiología normal del hombre. 6- Cuál es la importancia en las ciencias biomédicas conocer las funciones, estructuras y mecanismos de los canales? 7- Menciones las diferencias entre los dos mecanismos de transporte activo (cotransporte y contratransporte).