Transporte a través de la membrana celular

JONATHAN PEREIRA

Objetivos

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

pasaje.

Estructura básica

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

• 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.

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

• Impermeables• Semipermeables• De permeabilidad selectiva• Sin selectividad

PermeabilidadPermeabilidad

• 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.cm2)

Definiciones básicasDefiniciones 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.

Cte. ( = si C = 1 M y = 0 )R : Cte. de los gases (julio / grado.mol)T : Temperatura absoluta (º Kelvin)z : Carga / ionF : Cte. de Faraday ( carga de un mol de iones monovalentes 96500 coul.) : julio/mol

1 2

1 2

1 21 2RT ln C + zF = RT ln C + zF

ECUACIÓN DE NERNST

220110

21

zFφRTlnCμzFφRTlnCμ

μμ

ECUACIÓN DE NERNST

220110

21

zFφRTlnCμzFφRTlnCμ

μμ

ECUACIÓN DE NERNST

2211

21

zFφRTlnCzFφRTlnC

μμ

ECUACIÓN DE NERNST

1

221

1221

2211

21

CC

ln RT)φzF(φ

)lnCRT(lnC)φzF(φ

zFφRTlnCzFφRTlnC

μμ

ECUACIÓN DE NERNST

1

221

1

221

21

CC

ln zFRT

)φ(φ

CC

ln RT)φzF(φ

μμ

1

2

CC

ln zFRT

ε

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

Secundariocotransporte

contratransporte

Transporte PASIVO

Producido por la diferencia de potencial electroquímico de la especie transportada.

Incluye: a) Difusión simple b) Transporte facilitado

a) DIFUSIÓN SIMPLEa) 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 C2

C1

Clasificación de transporte

Difusión simple

Transporte PASIVO Transporte Facilitado

- transportadores- canales

Transporte ACTIVO

Primario

Secundariocotransporte

contratransporte

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. C1-C2

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

Dm, se supone cte y las concentraciones en el espesor de la membrana hacia cada lado

De acuerdo con Ley de Fick: J = Dm c1- c2 . A a

a = espesor de membranaA = superficie de la membrana

c1 = k.C1

c2 = k.C2

k = ci Ci

Coeficiente de partición (k): razón de concentracionesentre 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 Dm son ctes:

P = k . Dm P (permeabilidad de la membrana) a - composición, estructura de membrana

- espesor de membrana - especie química que difunde

Entonces:J = P (C1- C2) 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 (C1 –C2) 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 membranapor difusión simple es despreciable

b) TRANSPORTE FACILITADOb) 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 hidratación2- cruzar el ión3- 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 acciónCa++: transmisión de señales. Acoplamiento excitación-contracciónAcetilcolina: placa neuromotora

Flujo por canales y transportadores tiene una cinética de saturación

J = Jmáx .[S] K+[S]

[S]

J

J máx

1/2 J máx

K

[A] + [S] [AS]K

K: cte de equilibrioA: sitio de uniónS: 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

GRACIAS !!