TEMA 10 - Fenomenos de transporte a traves de membranas biologicas PDF

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Fenomenos de transporte a traves de membranas biologicas ...

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TE TEMA MA 10 – TTRA RA RAN NSP SPOR OR ORTE TE A TTRA RA RAVE VE VESS DE M MEM EM EMBR BR BRA ANAS B BIOL IOL IOLO OGIC GICAS AS 1. COMPOSICION, ESTRUCTURA Y CARACTERISTICAS DE LAS MEMBRANAS BIOLOGICAS COMPOSICION DE LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS. Las membranas biológicas tienen tres características fundamentales: • • •

Son flexibles, lo que permite los cambios necesarios para poder adaptarse a los diferentes medios y en el proceso de crecimiento celular. Tienen capacidad autosellante, lo que quiere decir que dos membranas diferentes van a ser capaces de fusionarse. Poseen una permeabilidad selectiva, es decir, permiten el paso de ciertas moléculas y excluyen a otras.

Están compuestas, casi en su totalidad, por proteínas y lípidos, pero también podemos encontrar glúcidos, los cuales forman parte de las glucoproteínas y los glucolípidos. Están compuestas por dos capas de moléculas, por lo que son muy delgadas. Esta doble capa es lo que les da la característica de bidimensional, dando lugar a la bicapa lipídica de la membrana. Esa bicapa hace posible que las membranas posean lateralidad y asimetría funcional, es decir, que la composición y la función de la cara externa de la membrana será diferente a la composición y función de la cara interna de dicha membrana. Son estructuras fluidas, ya que las moléculas de lípidos difunden en la membrana, al igual que algunas proteínas. ESTRUCTURA DE LAS MEMBRANAS BIOLOGICAS. En las membranas existen tres tipos de proteínas, las proteínas integrales de membrana, las proteínas periféricas y las proteínas anfitropicas. Las proteínas integrales de membrana son aquellas que se pueden extraer mediante el uso de detergentes y se encuentran firmemente unidas a la bicapa lipídica mediante muchas interacciones hidrofóbicas. Existen dos tipos, las transmembrana, que atraviesan totalmente la membrana, y las unidas a lípidos, las cuales están unidas a un lípido que se encuentra en el interior de la membrana. Las proteínas periféricas se encuentran asociadas a la membrana mediante interacciones electrostáticas, enlaces de hidrogeno con los dominios hidrofílicos de las proteínas integrales y con las cabezas polares de los lípidos de membrana. Para separar y estudiar estas proteínas se puede utilizar un cambio en el pH que cambie las cargas, provocando que las interacciones electrostáticas desaparezcan, o la urea, la cual al ser un agente caotrópico rompe los enlaces de hidrogeno.

Las proteínas integrales son sostenidas por interacciones hidrofóbicas con los lípidos y hay de seis tipos; •

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Tipo I; tienen una sola hélice transmembrana, con el grupo amino hacia el exterior y el grupo carboxilo hacia el interior. Tipo II; tienen una sola hélice transmembrana, con el grupo carboxilo hacia el exterior y el grupo amino hacia el interior. Tipo III, tienen varias hélices transmembrana en un único péptido Tipo IV; son proteínas que tienen varias cadenas polipeptídicas, son oligoméricas, con varias hélices transmembrana. Tipo V; las proteínas suelen unirse a la bicapa mediante un lípido de forma covalente, y se encuentran normalmente en el interior. Tipo VI; se componen de hélices transmembrana como de anclajes a lípidos de membrana.

2. TERMODINAMICA DEL TRANSPORTE. CONDUCTOS Y BOMBAS Las membranas son selectivas, es decir, permiten el paso de ciertas moléculas mientras que a otras no. Existen mecanismos que van a facilitar la selectividad de la membrana. Mediante estos mecanismos de transporte, la célula adquiere de su alrededor las materias primas para la biosíntesis y producción de energía, y excretan a su entorno los productos de desecho del metabolismo. FUERZAS QUE DETERMINAN EL TRANSPORTE DE SOLUTOS A TRAVES DE LAS MEMBRANAS Si se tienen dos zonas separadas por una membrana que permite el paso de solutos, y en cada zona hay dos concentraciones, C1 y C2, donde C1 es mayor que C2, dejando el sistema evolucionar, lo que ocurrirá es que las concentraciones trataran de igualarse. Esto nos indica que hay un flujo desde C1 hasta C2, movimiento que se conoce como a favor del gradiente. Este proceso físico tiene una ΔG negativa, es espontaneo. Esto es un gradiente de concentraciones. A veces lo que se puede encontrar son dos zonas con diferente carga eléctrica, en una con carga negativa y la otra con carga positiva. El sistema evoluciona de forma que el sistema se equilibre, pasando cargas negativas hacia un lado y cargas positivas hacia el otro, hasta que la carga se iguale en ambos lados. En este cado se habla de que hay un gradiente eléctrico que es el que impulsa el movimiento de las cargas. Se puede encontrar moléculas que tienen cargas, las cuales se desplazan. En ese caso hablamos de un gradiente electroquímico.

TRANSPORTE PASIVO O ACTIVO Dependiendo de cómo se mueva el soluto, pueden diferenciarse dos tipos de transporte: a. Transporte pasivo, el cual se realiza a favor del gradiente, sin necesidad de aporte energético. En este grupo se incluirían la difusión simple y la difusión facilitada. En esta ultima se utilizan proteínas transportadoras. b. Transporte activo, que ocurre en contra del gradiente, con la necesidad de un aporte energético. Siempre es necesaria una proteína transportadora.

DIFUSION SIMPLE Los procesos de difusión simple son siempre a favor del gradiente. Se trata de moléculas pequeñas apolares, a concentraciones mas altas en el exterior que en el interior, que pueden atravesar la membrana celular. Lo que ocurre para que una molécula pueda atravesar la membrana, es que dicha molécula, la cual se encuentra hidratada, tiene que perder la moléculas de agua de solvatación, atravesar la membrana y cuando llega al interior de la célula, volver a hidratarse. Si estudiamos el comportamiento cinético del paso de una molécula que no sea hidrofóbica a través de la membrana, nos encontramos que la energía de activación, conocida también como energía transmembrana, para el paso de este soluto polar o cargado, es tan grande que las bicapas lipídicas son virtualmente impermeables a estas especies, impidiendo su paso. Por lo que, se necesitan transportadores de membrana para que estas moléculas polares atraviesen dicha membrana. NECESIDAD DE PROTEINAS DE TRANSPORTE En la membrana aparecen integradas una serie de proteínas que van a permitir el paso de moléculas polares a través de la bicapa lipídica, bajando mucho la energía transmembrana, permitiendo el paso de dichas moléculas polares. Lo que ocurre es que cuando una molécula pasa por la proteína transmembrana, crea una serie de interacciones débiles con la misma, que libera una energía que permite la difusión a través de la membrana con ayuda de estas moléculas facilitadoras del transporte.

PROTEINAS TRASPORTADORAS DE MEMBRANA Estas proteínas pueden ser de dos tipos, las llamadas proteínas transportadoras o Carrier, y proteínas canal. Los Carrier, establecen una interacción entre el soluto que van a transportar, lo que implica un reconocimiento mediante estereoespecificidad, es decir, tiene que acoplarse a una zona determinada de la proteína. La velocidad en estos transportadores es menor que la de una difusión simple. Son saturables, es decir, cuando alcanzan una concentración de sustrato, la velocidad no aumenta. Normalmente, son proteínas complejas, pero son monoméricas. En el caso de los canales, normalmente se transportan iones mediante selección por tamaño y carga. Son más rápidas que los Carrier. Tienen menor especificidad, y no son saturables, ya que, si aumenta la concentración, la velocidad aumenta. Son proteínas oligoméricas, formadas por varias subunidades.

Esta grafica nos muestra la cinética de transporte, comparando la difusión simple con el uso de Carrier. En el cado de la difusión simple, cuando aumenta la concentración de sustrato, la velocidad de transporte aumenta. En cambio, cuando se utilizan Carrier, a medida que aumenta la concentración, la velocidad aumenta hasta alcanzar una velocidad máxima. Se define Kt, que es la concentración de soluto para la cual la velocidad de transporte es la mitad de la velocidad máxima. SISTEMAS TRANSPORTADORES Existen tres clases generales de sistemas transportadores. Si se transporta solo una molécula se habla de un transporte uniport o único. Si se transportan dos moléculas de forma simultánea, se habla de cotransporte. Si este paso de moléculas se realiza en la misma dirección, hablamos de cotransporte en paralelo o simport, y si se realiza en direcciones opuestas, se dice que es un cotransporte antiparalelo o antiport. TRANSPORTE PASIVO DE GLUCOSA: GLUT-1 Es un transporte pasivo, en el cual se necesita una proteína para el transporte y ocurre a favor del gradiente.

Estos transportadores constan de 12 hélices transmembrana, pero es una única cadena, muy compleja que se encuentra dispuesta de forma que 5 de las hélices transmembrana forman una especie de espacio, interaccionando entre sí, de tal manera que los aminoácidos hidrófobos quedan en contacto con la membrana y los aminoácidos hidrofílicos quedan en el interior, ya que por el espacio creado pasa la glucosa que el hidrofílica. Cuando esta atraviesa por el interior, se establece una serie de interacciones que lo que hacen es disminuir la energía transmembrana y facilitar el transporte. Existen muchos tipos de transportadores de glucosa: GLUT-1, que está en la mayoría de las membranas, GLUT-2, que se encuentra en el hígado con baja afinidad, GLUT-3, que se encuentra en el cerebro con una alta afinidad, GLUT-4, que esta en los adipocitos y en el musculo esquelético y es dependiente de insulina. TRANSPORTE PASIVO DE GLUCOSA: GLUT-4 DEPENDIENTE DE INSULINA. Cuando los niveles de glucosa son bajos, los transportadores de glucosa se encuentran almacenados en la célula en vesículas de membrana. Una vez que los niveles de glucosa aumentan, la insulina se libera, uniéndose a los receptores de membrana. Esto produce que las vesículas se desplacen hacia la superficie y se fusionan con la membrana plasmática, incrementando el numero de transportadores de glucosa en la membrana. Cuando los niveles de glucosa vuelven a decrecer, la insulina se separa del receptor, creando que los transportadores sean eliminados de la membrana por endocitosis, formando pequeñas vesículas, las cuales se fusionan con otras de mayor tamaño. Estas vesículas que están en la célula esperan a que los niveles de glucosa aumenten para volver a la superficie. INTERCAMBIADOR DE CLORURO BICARBONATO. Es esencial en el transporte de CO2 desde tejidos tales como músculos y el hígado a los pulmones. En los tejidos, el CO2 entra en los eritrocitos y por acción de una enzima que es la carbónico anhidrasa se forma el 𝐻𝐶𝑂3− . La concentración de este compuesto es muy alta en el interior de los eritrocitos, pero fuera de ellos es muy baja por lo que gracias a un transportador pasivo transporta 𝐻𝐶𝑂3− al exterior. De forma paralela a la salida de este compuesto, entran Cl- a los eritrocitos, debido a que en el exterior es muy elevada su concentración y en el interior es muy baja. Desde el punto de vista eléctrico, sale una carga negativa y entra otra carga negativa, esto se conoce como electroneutro. En los pulmones, la concentración de 𝐻𝐶𝑂3− es más alta en el exterior que en el interior, por lo que va a entrar mediante un transportador pasivo, y mediante la acción de la carbónico anhidrasa, se transforma en CO2, el cual se libera al exterior mediante difusión simple. En este caso sale de los eritrocitos el Cl-.

TRANSPORTE ACTIVO En este transporte, el soluto se mueve a través de la membrana en contra del gradiente. El transporte activo no es espontaneo, y para que tenga lugar, se debe acoplar a otro proceso que libere energía. Existen dos tipos: a. Transporte activo primario. Ocurre cuando la energía necesaria para el transporte de la molécula se obtiene de la hidrolisis de ATP. b. Transporte activo secundario. Para que se pueda dar un transporte en contra del gradiente, se puede acoplar a un transporte que se genere a favor del gradiente. Estas moléculas que salen a favor del gradiente tienden a equilibrarse, perdiendo así la fuerza impulsora, por lo que, para mantenerla, debe estar acoplado un transporte activo primario que introduzca las moléculas de nuevo en contra del gradiente.

TRANSPORTE ACTIVO PRIMARIO: ATPasas TIPO P Las ATPasas tipo P se caracterizan porque transportan cationes y porque se fosforilan reversiblemente por acción de ATP. Cuando sufren esta fosforilación, la conformación de la proteína cambia, y cuando sueltan en grupo fosfato, vuelven a la conformación inicial. El ejemplo más típico de estas moléculas es la bomba de K+. Si nos fijamos en una célula, nos encontramos con que la parte exterior de la membrana se encuentra cargada positivamente y la parte interna se encuentra de manera negativa. Na+

Estos transportadores unen 3 moléculas de sodio en su interior. Se fosforila debido a la acción del ATP, provocando un cambio en la conformación de la proteína, permitiendo que esas 3 moléculas de sodio se liberen al exterior y se unan al transportados 2 moléculas de potasio. Este transportador sufre la desfosforilación, volviendo a la conformación inicial, liberando potasio al interior de la célula. Este transporte ocurre en contra del gradiente de concentración y también en contra del gradiente eléctrico, ya que, si salen tres moléculas positivas y entran dos positivas, globalmente sale una positiva y el exterior de la célula es positivo.

TRANSPORTE ACTIVO PRIMARIO: ATPasas TIPO F Son las encargadas de llevar a cabo el transporte de protones en contra del gradiente. Están formadas de protones en contra del gradiente. Están formadas por proteínas complejas con una de sus partes introducidas en la membrana y otra parte mas externa, de tal manera que estas bombas lo que van a hacer es sacar protones en contra del gradiente mediante la hidrolisis de una molécula de ATP. Estas bombas de protones a veces funcionan al revés, Cuando entra un protón a favor del gradiente, se realiza la síntesis de ATP. Estas bombas se inhiben mediante la acción de cianuro. TRANSPORTE ACTIVO PRIMARIO: TRANSPORTADORES ABC Son proteínas integrales de membrana, formados por una sola cadenas, bastante complejos. Son capaces de transportar en contra del gradiente, moléculas de gran tamaño como lípidos, aminoácidos, proteínas, péptidos … aunque también son capaces de transportar iones. Este tipo de bombas son muy importantes ya que muchas veces, en los tumores, son los causantes de la resistencia a los fármacos, ya que, si se ha conseguido introducir el fármaco en el interior de la célula para dañarla, estos transportadores son capaces de expulsar los fármacos de nuevo hacia el exterior, debido a su naturaleza de transportadores en contra del gradiente. Pero también están relacionados con enfermedades importantes, como la fibrosis quística, ya que, en esta enfermedad, la Phe508 de estos transportadores no está, por lo que la proteína se va a plegar de una manera diferente y va a funcionar de manera errónea. Este tipo de transportadores son los encargados de transportar Cl- en contra del gradiente junto con una molécula de agua. En las personas con fibrosis quística, este canal es defectuoso. TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO: TRANSPORTADOR DE LACTOSA. La lactosa entra del exterior al interior de la célula en contra del gradiente. Para poder obtener energía para realizar este transporte, el sistema lo que hace es introducir protones a favor del gradiente, los cuales han sido, anteriormente, sacados al exterior mediante un transporte primario gracias a una bomba. TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO: TRANSPORTE PARALELO DE GLUCOSA Y SODIO La concentración de glucosa en la luz del intestino es inferior a su concentración en las células epiteliales del intestino, y en estas, la concentración de glucosa es mayor a la que hay en la sangre. Mediante un transportador activo, se puede introducir la glucosa en las células epiteliales en contra del gradiente. Esto se consigue ya que a la vez que se transporta glucosa, se transporta sodio a favor del gradiente. Gracias a un transportador activo que saca sodio a la par que introduce potasio, se consigue que la concentración de sodio en las células sea menor. Una vez que tenemos la glucosa en las células, esta pasa a la sangre mediante un transporte pasivo.

CANALES Cuando tiene lugar un transporte a través de canales se dice que es un transporte pasivo, a favor del gradiente. Encontramos las acuaporinas, que transportan agua a través de la membrana plasmática. Su papel aun es bastante desconocido. Tambien hay canales selectivos de iones, como el canal de ion K+, el cual deja pasar dichos iones del citosol al exterior mediante un reconocimiento de tamaño y carga. Existen otros los cuales son compuertas que se encuentran abiertas o cerradas en respuesta a señales . IONOFOROS Los ionoforos son moléculas capaces de atrapar iones y transportarlos a través de la membrana plasmática hasta el citosol, donde los liberan. Estos iones son transportados a favor del gradiente de concentración. Son importantes debido a que sirven para el diseño de fármacos como es el caso de la valionomicina, que es un antibiótico, el cual es el encargado de introducir iones potasio en el interior de las bacterias, destruyéndolas....