Transcript transporte de moléculas a través de las membranas celulares

TRANSPORTE DE MOLÉCULAS A
TRAVÉS DE LAS MEMBRANAS
CELULARES
Dra. María de los
Ángeles Echeverría
Sáenz
FISIOLOGÍA
MEMBRANA CELULAR
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Cuando se analizaron los compartimientos líquidos
observamos que la membrana plasmática (MP) o
celular separa al LEC del LIC y debido a la
permeabilidad de ésta, los dos compartimientos
poseen una composición muy diferente. Por esa
razón la MP o celular es muy importante en la
función celular ya que sirve de barrera selectiva al
paso de moléculas, detecta señales enviadas por
otras células y sirve de anclaje en la unión con
células vecinas o con la matriz celular.
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La membrana plasmática tiene un grosor
entre 4 y 9nm y consiste de una doble capa
de lípidos (bilipídica) en la cual hay proteínas
embebidas.
Esto es lo que conocemos hoy en día como
el modelo de la membrana de “mosaico
fluido”.
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Modelo de “mosaico fluido”: en 1972 Singer
y Nicolson propusieron una matriz fluida de
fosfolípidos en el que flotan proteínas
globulares integrales. Las moléculas
proteicas y lipídicas poseen libertad de
movimiento dentro de la membrana, lo cual
es posible debido a la naturaleza fluida de la
bicapa.
LÍPIDOS DE LAS MP
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El principal tipo de lípidos que forma las
membranas celulares son los fosfolípidos
(FL). Los FL están formados por un alcohol
que puede ser glicerol o esfingosina, dos
cadenas de ácidos grasos y un fosfato que
casi siempre está unido a otro alcohol como
por ejemplo la serina, la etanolamina, la
colina, el mismo glicerol o el inositol.
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Los FL que se encuentran en la MP son:
fostatidilcolina (lecitina), la esfingomielina, la
fosfatidilserina, la fosfatidiletanolamina, el
fosfatidilglicerol, el fosfatidilinositol y la
cardiolipina. Otros lípidos muy importantes
son el colesterol y los glicolípidos.
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Dependiendo del tipo de ácidos grasos presentes en
los FL y de la cantidad de colesterol contenida en la
MP, éstas presentan una mayor o menor fluidez.
Esta fluidez tiene implicaciones funcionales porque
cuando ↑ la fluidez ↑ agua y otras moléculas
hidrófobas pequeñas. Membranas con fluidez más
alta como las células musculares (contiene pocos
lípidos), membranas con muchos lípidos (SN) poca
fluidez, más resistentes, aumentan velocidad de
conducción.
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Mantener la cantidad de lípidos constantes
en las membranas celulares es importante
para la salud de nuestros tejidos, por
ejemplo en la enfermedad de Tay-Sachs hay
exceso de glucoesfingolípidos que se
acumulan en las células nerviosas
ocasionando parálisis y disfunción mental.
PROTEÍNAS DE LAS MP
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Las proteínas de membrana que cubren la
bicapa lipídica se conocen como proteínas
integrales de membrana, mientras que las
que están asociadas con las capas interna o
externa se conocen como proteínas
periféricas o fijadas a lípidos,
respectivamente.
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El contenido proteico de la MP varía desde
menos 20% en la mielina, sustancia que
ayuda a la propagación y acción de los
potenciales, hasta más de 60 % en los
hepatocitos, los cuales realizan actividades
metabólicas
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Las proteínas integrales de la MP pueden
tener varias funciones como:
Ser receptores de hormonas, NT,
anticuerpos y sitios de unión de fármacos.
Ser enzimas involucradas en fosforilaciones
de intermediarios metabólicos
Participar en el señalamiento intracelular
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Pueden ser transportadoras de sustancias
solubles en agua.
Las proteínas también pueden ser canales
de membrana que permiten que iones como
Na+,K+,Cl- y Ca++ fluyan a través de la MP.
DIFUSIÓN
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Algunas moléculas como las de O2, CO2,
ácidos grasos, hormonas y vitaminas
liposolubles y hasta cierto grado las del
agua, el etanol, la urea y otras más, pueden
penetrar en la bicapa lipídica de la MP y
atravesarla en cualquier sentido.
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Las moléculas poseen movimientos
constantes que se denomina el movimiento
browniano, por ejm. Una molécula de H2O se
mueve a 2500Km/ h y una de glucosa se
mueve a 850km/h. Este movimiento es
aleatorio, aumenta con la temperatura y
disminuye conforme aumenta la masa de las
moléculas. Este movimiento es el causante
de la difusión.
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La magnitud del flujo difusional (J) de un
compartimiento a otro, va a depender de la
diferencia de concentración entre los 2
compartimientos, entre más gradiente de
concentración exista, habrá mayor flujo;
además depende del área de la membrana
que los separa; el grosor de la membrana y
las características fisicoquímicas del soluto.
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Matemáticamente el J obedece a la siguiente
fórmula conocida como el principio de Fick:
J ( mol o g/ unidad de tiempo = -DA*dc/dx donde D=
coeficiente de difusión, tiene signo - porque como
ocurre de mayor a menor concentración, la
pendiente de la función esA= área de la membrana; dc= gradiente de
concentración y dx= grosor de la membrana.
OSMOSIS
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Es un caso particular de difusión, se presenta en las
membranas semipermeables y lo que atraviesa a la
membrana es el agua.
La presión osmótica (π) se calcula de acuerdo a la
ley de Van’t Hoff:
π = RT(Φic), donde R= constante de los gases
ideales, T= temperatura absoluta, Φ= coeficiente
osmótico, i= # partículas formadas por disociación
de una molécula de soluto, c=concentración molar
del soluto.
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Los Φ se pueden obtener de los libros:
Para el NaCl el Φ = a 0.93; para el KCl es de
0.92 y el de la glucosa es de 1.01
El término Φic = corresponde a la
osmolaridad de una solución.
Recordar que osmolaridad es el # de
osmoles/L en solución y que osmolalidad es
el # de osmoles pero por kg de solvente.
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Debe aclararse que si la membrana también
es permeable al soluto, este difundirá
siguiendo su gradiente de concentración.
Lo anterior ayuda a diferenciar dos términos:
osmolaridad y tonicidad.
En la osmolaridad importa el # de partículas
presentes en la solución. En la tonicidad
además importa si las partículas presentes
atraviesan o no la membrana celular.
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En condiciones normales, una solución
isotónica es isosmótica con el LEC, el cual
es isosmótico con plasma (290 a 300
mOsm/L). Por ejemplo una solución de 0.9%
de NaCl es isotónica e isosmótica con el
plasma
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No todas las soluciones isosmóticas son isotónicas:
ejemplo una solución de urea de 290mM es
isosmótica pero no isotónica porque la urea es
permeable a través de la membrana celular, lo que
ocasiona un ingreso de agua hacia el interior de la
célula.
También una solución de glucosa al 5% es
isosmótica pero no isotónica porque el eritrocito
comienza a utilizar la glucosa y también ocurre un
aumento del volumen celular.
TRANSPORTE MEDIADO
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1. Transporte a través de canales iónicos
Presencia de proteínas integrales con un
canal por donde pueden movilizarse iones
(Na+, K+, Ca++, Cl- y agua).
Los canales se clasifican de acuerdo al tipo de
estímulo necesario para su apertura:
 A. Canales operados por voltaje (COV)
 B. Canales mecanosensibles (CMS)
 C. Canales operados por ligando (COL)
 D. Canales operados por segundos
mensajeros (COSM)
E. La clasificación anterior se refiere a iones,
pero también pueden existir para el agua, se
denominan “acuaporinas”.
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Estructuralmente los canales iónicos son muy
heterogéneos.
Una característica de ellos es que seleccionan
bastante bien al ión o iones que dejan pasar.
La selectividad depende: dimensiones físicas del
poro, de repulsiones electrostáticas e interacciones
específicas de los iones con el canal, como puede
ser la interacción con el agua.
Algunas Enfermedades por Alteración
de Canales
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Fibrosis quística: alteración genética para el
canal de ClSíndrome de alargamiento del QT cardíaco:
la mayoría por mutaciones del canal de K+,
pero también algunos casos por alteración
del canal de Na+
Sorderas congénitas: mutación canal de K+
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Migraña hemiplégica familiar ( migraña que
se acompaña de ataxia): defecto en el canal
de Ca++
Síndrome de Lambert-Eaton, defectos en los
canales de Ca++ en las sinapsis motoras
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2. Trasporte mediado por acarreadores:
A. Difusión facilitada: es otro tipo de
transporte mediado. En este caso no existe
un poro o canal dentro de la proteína, sino
más bien, sitios específicos de unión con alta
afinidad para la o las sustancias a ser
transportadas. Caso típico el de la glucosa.
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En este mecanismo la dirección del flujo
ocurre a favor de gradiente de concentración
y se diferencia de la difusión simple en que
esta si se satura.
TRANSPORTES ACTIVOS
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Este transporte se caracteriza porque alguna de las sustancias
que se moviliza lo hace en contra de su gradiente de
concentración por lo tanto se necesita energía.
El transporte activo al igual que la difusión facilitada presentan
saturación.
Se clasifica en primario y secundario. En el primero la fuente
de energía es la hidrólisis del ATP, en el segundo la fuente de
energía es la acumulada por un soluto que se moviliza a favor
de su gradiente electroquímica, (la mayor parte de las veces es
el ión Na+).
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Transporte activo primario: el ejemplo clásico de
este tipo de transporte es la bomba de Na+-K+
ATPAsa. Esta es una proteína integral de
membrana, formada por 2 subunidades (α y β), que
al sacar 3 Na+ de la célula introduce 2 K+.La bomba
ocurre gracias a que se hidroliza ATP y la bomba se
autofosforila y ello modifica la afinidad de los sitios
de unión por las sustancias que se transportan.
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La subunidad alfa es la que posee los sitios
de unión para los 2 K+ (lado extracelular),
los sitios de unión para los 3 Na+, la
actividad ATPásica y el sitio de
autofosforilación ( lado intracelular). La
subunidad beta es necesaria para la
actividad normal de la subunidad alfa.
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Otros ejemplos de ATPasas existentes en
los mamíferos son:
1. La Ca++ATPasa, presente en la
membrana plasmática, donde saca 2Ca++
de la célula, y en ciertas organelas, como el
retículo endoplasmático y la mitocondria
introduce 2 Ca++ en ellas.
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2. La H+ATPasa, presente en la membrana luminal
de las células epiteliales renales, gracias a ella se
acidifica la orina; también presente en lisosomas
para acidificar su contenido.
3. La H+-K+ATPasa, presente en la membrana
luminal de las células parietales gástricas, es la
responsable de la acidez del jugo gástrico, saca
1H+ e introduce 1 K+ por cada ATP que hidroliza,
también está presente en células epiteliales renales.
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Transporte activo secundario: en este caso los
acarreadores poseen 2 o más sitios de unión para
diferentes moléculas. Las sustancias transportadas
son casi siempre iones, glucosa o aa. En la mayoría
de los casos, es el sodio el que se moviliza a favor
de su gradiente electroquímico ( ingresa en las
células), suministrando la energía necesaria para el
movimiento de las otras sustancias en contra de su
gradiente. La unión del sodio produce en el
acarreador los mismos cambios que producía la
fosforilación en las ATPasas.
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Cuando las moléculas transportadas se
movilizan en la misma dirección el
acarreador recibe el nombre de
“simportador” , pero cuando una se moviliza
en un sentido y la otra en sentido contrario
se llama “antiportador”. Además cuando el
número de cargas + y – son diferentes en
cada dirección se dice que son
electrogénicas.
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Ejemplos de transportadores activos secundarios
son:
1. El 3 Na+/1 Ca++( saca 1 Ca++ y mete 3Na+), es
electrogénico y antiportador
2. El Na+/H+(saca 1H+ y mete 1Na+), es
antiportador no electrogénico.
3. El Na+/K+/Cl-( moviliza 1Na+,1 K+ y 2 Cl- hacia el
interior de las células) es simportador no
electrogénico.
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4. El HCO3-/Cl- ( saca 1HCO3- e introduce 1
Cl-) es un antiportador no electrogénico.
5. El Na+/glucosa( moviliza 2 Na+ y una
glucosa hacia dentro de las células), es un
simportar electrogénico.
6. Na+-aa: en realidad existen varios tipos de
transportadores para aa, unos utilizan Na+ y
otros no.
EXOCITOSIS Y ENDOCITOSIS
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Hasta ahora, todos los sistemas de
transporte discutidos permiten el paso de
moléculas a través de la membrana celular.
Existe otra manera de transportar sustancias
de un compartimiento al otro, ésta es
englobadas en vesículas formadas con
trozos de membrana celular.
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Cuando la vesícula se forma en la
membrana e introduce material al interior
que estaba en el LEC, el proceso se
denomina endocitosis; cuando la vesícula se
forma en el interior de la célula y exporta
material del LIC al LEC se denomina
exocitosis.
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Endocitosis: hay dos tipos: la constitutiva y la
mediada por receptor. La primera es un proceso que
se presenta continuamente, mientras que la
segunda, es activada por la unión de las sustancias,
que van a ser endocitadas, con receptores
localizados en ciertas regiones de la membrana
llamadas “fositas cubiertas”. En la parte interna de
estas fositas se encuentra la proteína llamada
clatrina, compuesta por varias subunidades de
triskelion. Cuando éstas subunidades se polimerizan
forman una canasta que llega a cerrarse,
formándose una vesícula que se internaliza.
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Una vez que la vesícula está dentro de la célula, la
clatrina se desprende y puede ser reciclada, o
cuando no, se separan y se fusionan con un
lisosoma, con lo cual el contenido se digiere,
mediante las proteasas lisosómicas.
Mediante este proceso es que pueden ingresar a las
células sustancias como: factores de crecimiento,
hormonas peptídicas, lipoproteínas de baja densidad
(LDL), colesterol, hierro junto con transferrina,
enzimas lisosomales y anticuerpos.
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La endocitosis también se ha dividido de
acuerdo al tamaño y estado del material que
se internaliza: cuando son sólidos, se
denomina fagocitosis( “ingesta o comida
celular”), por ejemplo cuando los leucocitos
polimorfonucleares rodean a bacterias, tejido
muerto u otras partículas de material visible
al microscopio.
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Cuando lo que se internaliza es fluido se
denomina pinocitosis(“bebida celular”), aquí
las sustancias están en solución y no son
visibles al microscopio.
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La exocitosis también puede ser constitutiva o
desencadenada ante estímulos determinados, ésta
última también se le ha llamado “regulada”. En la
exocitosis regulada, un ↑ de Ca++intracelular
conduce a la fusión de las vesículas con la
membrana celular. En reposo, las vesículas se
anclan a los componentes del citoesqueleto por
medio de una proteína llamada sinapsina, la cual
rodea a las vesículas.
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Cuando ↑ el Ca++ citosólico, la sinapsina se
fosforila por una proteína cinasa II
dependiente del complejo Ca++/calmodulina,
lo cual favorece que las vesículas se liberen
del citoesqueleto, se fusionan con receptores
de la membrana y dejan el contenido fuera
de ella.
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Muchas sustancias utilizan este mecanismo
para salir de las células: neurotransmisores,
las enzimas digestivas, las hormonas
peptídicas y las proteínas en la leche
materna.
Tanto la endocitosis como la exocitosis
requieren energía.
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La endocitosis disminuye el área de la
membrana plasmática y la exocitosis agrega
membrana y esta coordinación entre
endocitosis-exocitosis mantiene la superficie
de la célula en sus dimensiones normales.
De hecho se dice que, aproximadamente,
toda la membrana celular ha reciclado en un
período de una hora.