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Enrique Castro, © 2004
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 membranas
Enrique Castro, © 2004
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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-, H2PO4
-
polares aminoácidoscargadas glucosa--6-P
ATP, nucleótidos
Permeabilidad de las membranas
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Coeficiente de reparto aceite/agua
Hidrofobicidad
Coe
ficie
nte
de p
erm
eabi
lidad
, cm
/h
Perm
eabi
lidad
Permeabilidad ∝ hidrofobicidad
Permeabilidad 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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Difusión 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= cm
2
s
D= coeficiente de difusión(depende del tamaño)
En tres dimensiones
r=6D⋅t
1 2
c1
c2
dndt
⋅1A
=J=−D⋅dcdx
, [J ]= ML2⋅T
= molcm2⋅s
dcdt
=−dJdx
=D⋅d2cdx2
c x , t = n2⋅D t ⋅ e
− x2
4D t
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
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J = −D⋅dcm
dx= −D⋅
cm
=cim
cis ; ci
m=⋅cis ; cm=⋅cs
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 membrana
P=D⋅
Coeficiente de permeabilidad• Coeficiente de reparto• Coeficiente de difusión (√Mr)• Espesor de la membrana
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Energía libre y transporte
equilibrio
G = RT⋅ln [Na+]destino[Na+]origen
zF⋅Em
componentequímico
componenteeléctrico
Em=E destino−Eorigen
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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Difusión de iones: potencial de membrana
NaCl15 mM
NaCl150 mM
0
-60 +60
Em= 0 mVMembrana impermeable Membrana permeable a Na+
Membrana permeable a Cl- Membrana permeable
a Na+ y Cl-
Em= -59 mV
ΔV= 0 ΔV≠ 0 constante
ΔV≠ 0 constante ΔV≠ 0 transitorio
Em= +59 mV PNa>PCl
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+
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InicioEm=0
Potencial de equilibrio
Ecuación de Nernst
EquilibrioEm=Eeq
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 )
E eq = - R⋅Tz⋅F ⋅ ln [Na+ ]destino
[Na+]origen
G = RT⋅ln [Na+]destino[Na+]origen
zF⋅EmEn el equilibrio G = 0 y Em = E eq
Walther Nernst1864-1941
Premio Nobel 1920
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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 membranas
Enrique Castro, © 2004
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Ionóforos
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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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 membranas
Enrique Castro, © 2004
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D. facilitada: Glucosa permeasas
SaturableEspecífico
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Estructura de transportadores Glut
Hélice anfipática
Elementos funcionales• 12 segmentos transmembrana• 9 hélice anfipáticas (polares no cargados)• haz de hélices (sitio de unión)
Haz de hélices(bolsillo de unión)
Puentes deHidrógeno
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Intercambiador Cl-/HCO3- :
banda 3/pAE1 del eritrocitoCapilares sistémicos
alta 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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Canales 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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Canales 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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Mecanismos de compuertaReceptores 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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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 membranas
Enrique Castro, © 2004
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, V0
ATPF1, V1
F: mitocondria
V: vesículas
citosol
extracelular
citosol
matrizcitosol
ATP ATP
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Na+/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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Mecanismo de la Na+/K+-ATPasa
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Cardiotónicos
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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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Fármacos quimioterápicos y MDR
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Estructura del CFTR
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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 membranas
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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
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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+
acidificaciónactivado por H+
pH intracelular
velo
cida
d re
lativ
a, % intercambiador
Cl-/HCO3-
intercambiador Na+ Cl-/HCO3
- antiportador
Na+/H*
Dependencia del pH de los transportadores de H+ y HCO3
-
amilórido
DIDS, SITS
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Transporte transepitelial de glucosa
luz 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+
3 K+
Cl-
Cl-
Cl-3 K+2 Na+
ATPADP
Pi
Glut2(permeasa)
Na+/K+-ATPasa(activo)
SGLT(activo) canal Cl-
(pasivo)
canal K+
(pasivo)
gluluz+2Na+luz glucit+2Na+
cit glucit glusangre
2Na+cit+3K+
sangre+ATP 2Na+sangre+3K+
cit+ADP+Pi
3K+cit 3K+
sangre
2Cl-luz 2Cl-cit
2Cl-cit 2Cl-sangre
gluluz+2Na+luz+2Cl-
luz+ATP glusangre+2Na+sangre+2Cl-
sangre+ ADP+Pi
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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 membranas
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Potocitosis= endocitosis mediada por caveolina
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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• Canales de agua: Acuaporinas• Equilibrio Gibbs-Donnan• Regulación del volumen celular/presión osmótica
Estructura de nucleósidos y nucleótidosTransporte a través de membranas
Enrique Castro, © 2004
Las membranas biológicas son muy permeables al agua
Enrique Castro, © 2004
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Acuaporinas: Estructura y función Acuaporinas: canales de H2O
• 6TM (3+3 invertido)• Tetrámeros• Impermeable a iones y mol. pequeñas
Acuaporinas: localización y funcioneslocalización función
AQP-1 ubicua: rinón, pulmón,ojo, plexos coroideos
Reabsorción 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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