Transporte a Través de las Membranas Biológicas: Difusión y Sistemas

TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANA

TEMA 4.3- Transporte a través de las membranas
biológicas

TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANA

1. Difusión pasiva: ley de Fick
2. Sistemas de Transporte

1. Canales y Poros de membrana
2. Transportadores

1. Transporte facilitado Pasivo
2. Transporte facilitado Activo
3. Translocadores de Grupo

TRANSPORTE A TRAVES DE MEMBRANA
Una célula u orgánulo no puedes estar totalmente abierto o
cerrado a su entorno. Debe protegerse de algunos compuestos
tóxicos pero a la vez necesita captar metabolitos y eliminar
productos de desecho.

Q
Salt
20
¿Tienes cita?
Semipermeable CELL MeMbraNect
Dado que se han de manejar miles de sustancias, gran parte de la estructura
de la membrana está dedicada a la regulación del transporte.TRANSPORTE A TRAVES DE MEMBRANA
. La membrana tiene permeabilidad selectiva.
. Las moléculas grandes, con carga e iones
no atraviesan la membrana por difusión, sino que
requieren transportadores.
· A veces se requiere energía para el transporte
( Transporte activo) y otra no (Transporte pasivo).
. Los solutos gaseosos (O2, CO2 N2, NO), difunden
muy rápidamente. Su velocidad es función del gradiente
de concentración
· El H2O difunde de manera regulada a través de
aquaporinas (tradicionalmente sólo se admitía que
difundía de manera muy limitada por fuerza osmótica
por espacios transitorios de desempaquetamiento
entre los lípidos de la bicapa,)

Moléculas y permeabilidad de la membrana

HYDROPHOBIC
MOLECULES
O2
CO2
N2
benzene
SMALL
UNCHARGED
POLAR
MOLECULES
H2O
urea
glycerol
LARGE
UNCHARGED
POLAR
MOLECULES
glucose
sucrose
IONS
H*, Na*
HCO;, K*
Ca2+, CI
Mg2+
synthetic
lipid
bilayer

Difusión pasiva: ley de Fick

Para los pocos compuestos que pueden "disolverse"
en la membrana lipídica
Difusión a través de membranas:
1) Soluto abandona ambiente acuoso y entra membrana (S1)
2) Atraviesa membrana (Sm)
3) Abandona membrana y retorna ambiente acuosos (otro lado) (S2)

S1
S
S2
m
Velocidad difusión de una sustancia lipídica es
directamente proporcional a su liposolubilidad
y coeficiente de difusión en lípidos
(función tamaño y forma)

Primera Ecuación de Fick

1ª Ecuación de Fick
8C
J
D
8x
Veloc.
difusión
Coef.
Difusión
Gradiente de
concentración
J: cantidad neta de sustancia movida por unidad de tiempo
. Es siempre a favor de gradiente.
. Cumple la 1ª ley de Fick: Cinética lineal.

Velocidad de paso por membrana

Velocidad de paso por
membrana
Transporte
facilitado
Difusión
[soluto]
En equilibrio, intercambio continuo
de soluto, sin acumulación neta en
ningún lado.
Debe existir un gradiente
C1
C2
C1
C2
C1>> C2
Before equilibrium
Net flux
-
C1 = C2
At equilibrium
No net flux

Energética del transporte a través de membrana

AG' = el cambio de energía libre para mover 1 mol de sustancia desde
una región con concentración C1 a un lugar donde la concentración es C2.
En sustancias no cargadas es la concentración a ambos lados lo que favorece o no el transporte

Gradiente Químico o de concentración

Gradiente Químico o de concentración
AG'= Auo = 2,3:RT: 10g
Cte. gases
Tª
C
int.
C
ext
int
Cint>Cent AG>0 es desfavorable
ext
C;
int
< C
AG<0 es favorable.
ext
Ci
int
ext
=
C
AG=0 equilibrio.
El estado normal de equilibrio de una sustancia que puede atravesar
una membrana es igualar las concentraciones a ambos lados de al misma.
Puede impedirse la igualación mediante.
•
Unión de la sustancia a macromoléculas
(O2 y hemoglobina en eritrocito).
· Manteniendo un potencial de membrana.
· Acoplando el transporte a un proceso exergónico.

Potencial de equilibrio de Na+

ESTADO DE INICIO:
EN EQUILIBRIO:
0
O
potencial de equilibrio de Na+
(para estas concentraciones de Na+)
+
+
No
No
O
No
Na
No
Na+ se
mueve a
través de
e
No
los
canales
No
No
O
No
e
No
No
Dentro de la célula
Fuera de la célula
(
Cargas extra (+) dentro
de la célula
AG'= 2,3RT log
C.
int
Cext
+ AG'Energética del transporte a través de membrana:
En sustancias cargadas tanto el potencial eléctrico como las concentraciones están implicadas en cálculo energía libre

Gradiente Electrostático

Gradiente Electrostático
AG '= AU ==
carga
Cte. Faraday
Au= Wint- Wext
Diferencia de potencial eléctrico

Gradiente Electroquímico de un ión

Gradiente Electroquímico de un ión
AG'= AUFO = Aug + AuE = 2,3RT log
C:
int .
+ zFA W
C
ext
· Por ejemplo, en el caso de los H+ (z=1 y pH= - log [H+]):
AUH +EO = 2,3RT[ pHext - pHi,
int
]+ zFAY
Si Au es negativo , contribuye al signo negativo de la energía libre y
favorecería el paso de cationes hacia el interior de la membrana.TRANSPORTE A TRAVES DE MEMBRANA

DIFUSIÓN PASIVA

• Movimiento aleatorio de las
  partículas a través de la
  membrana.
• Siempre a favor de gradiente.
  Mayor concentración -> Menor concentración.
• Velocidad es proporcional al
  coeficiente de difusión y reparto e
  inversamente proporcional al grosor
  de la membrana.

DIFUSIÓN FACILITADA

• Transporte a mayor velocidad.
• Específico de molécula.
• Siempre a favor de gradiente.
• A través de poros y proteínas
  transportadoras.
• No requiere energía.
• No requiere
  MEMBRANE TRANSPORTER
  00
  Diffusion
  Channel protein
  Carrier protein
  Los aminoácidos y la glucosa
  son transportados por
  difusión facilitada.TRANSPORTE A TRAVES DE MEMBRANA

DIFUSIÓN PASIVA vs. DIFUSIÓN FACILITADA

¿DIFUSIÓN PASIVA?
¿DIFUSIÓN FACILITADA?

Facilitated diffusion
Velocidad
Rate of transport
Saturación
Non-mediated diffusion
Concentration difference
across membrane

Sistemas de transporte: Difusión facilitada: POROS

-Los poros: no resultan tan específicos como los canales y dejan pasar
prácticamente todo: son auténticos agujeros. Son aperturas acuosas grandes formadas
por proteínas oligoméricas (de varias subunidades), que conectan dos membranas
adyacentes:

Poros de la membrana nuclear

Poros de la membrana nuclear.
Núcleo
Membrana nuclear
Poro Nuclear
Citoplasma

Uniones en hendidura

Uniones en hendidura:
poros/canales entre dos células contiguas.
Membranas
de células contiguas
Membrana celular
Conexinas
Conexones
H
Cerrado
Abierto
Espacio extracelular
Membrana plasmática bacterias Gram-negativas contienen poros proteicos:
porinas (compuestos de hojas B)

Aquaporinas: canales para el agua

Aquaporinas:
canales para el agua
Funcionan como canales específicos que aumentan la permeabilidad al agua de algunas
membranas. Formados por proteínas transmembranas con a-hélices (6) llamadas
aquaporinas que forman tetrámeros que delimitan un canal estrecho por donde pueden
pasar hasta 10 moléculas de H2O en fila india.
Son especializadas, no permiten que los aniones y la mayoría de los cationes
grandes puedan atravesarla
(para no romper gradiente de protones celular)
Pueden activarse o desactivarse por diferentes
mecanismos de regulación

Sistemas de transporte: Transportadores

Velocidad de paso por
membrana
Carbon dioxide produced
by catabolismenters
erythrocyte.
Bicarbonate
dissolves in
blood plasma.
CO2
Chloride-bicarbonate
exchange protein
In respiring tissues
HCO3 CI"
carbonic anhydrase
CO2 + H20-
>HCO3 + H + CI"
CO2 + H20+
- HCO3 + H+ CI"
carbonic anhydrase
In lungs
CO2
HCO3
CI-
Carbon dioxide leaves
erythrocyte and is
exhaled.
Bicarbonate enters
erythrocyte from
blood plasma.
Ejemplos:
Glucosa permeasa: transporta
D-glucosa en uniport.
Difusión
[soluto]
· Translocan moléculas o iones a traves de la membrana, uniéndose a ellos y
moviéndolos físicamente.
· Son altamente específicos por el sustrato transportado comportándose de modo similar
a los enzimas.
· Pueden transportar a favor de gradiente (Facilitado Pasivo *),
o en contra de gradiente (Facilitado Activo *), consumiendo
energía en el segundo caso. Su cinética es de Saturación.
· La molécula translocada no sufre modificaciones químicas
durante el proceso (# con mecanismos translocadores de grupo)
Exterior
1L
1 (A)
(B)
Proteína
transportadora
Interior
· Su velocidad de translocación (102-103 moléculas/seg), es menor que la de los canales
(107 iones/seg), haciendo posible modular su actividad (inhibidores o activadores)
Transporte
facilitado
. Banda III: intercambia CI-/HCO3-

Sistemas de transporte: Canales iónicos

-Los canales: son muy específicos y permiten el paso de moléculas e iones de un lado a otro
de la membrana con rapidez (107 iones/seg)
· Son proteínas intrínsecas cuya estructura terciaria o cuaternaria (a-hélices anfipáticas), delimita
un orificio acuoso que permite el paso de sustancias a favor de gradiente electroquímico.
El transporte una vez abierto el canal es por difusión simple: 1ª ley de Fick.
. A diferencia de los transportadores, las moléculas no se unen al canal a través del que pasan,
sin embargo los canales presentan (ALTA) especificidad en cuanto a tamaño y carga de la
sustancia transportada.
· Disponen de mecanismos de apertura y cierre:

Mecanismos de apertura y cierre de canales iónicos

Canales iónicos
· Mecanismos de apertura y cierre:
· Activados por voltaje (depolaración membrana)
Voltage
sensor
1
5
-Selectivity
filter (pore)
IV
Activation
gate
Canal Na+
Tether
Inactivation
gate (open)
Outside
+ + + + +
Activation
gate
+ + +
+
+
+
+
Voltage
Inside Membrane polarized, sensor
channel closed
Aqueous ion
channel
Na+
Outside
+ + + +
+
+
+
+
Inside
Na+
Membrane depolarized,
channel open
· Activados por ligando (unión molécula específica)
Receptor ACh
(acetilcolina)
2 Acetylcholine
Closed
Open
NH3
NH3
COO
coo-
M4
M1
M3
Subunit folds into four
transmembrane & helices
M2
Acetylcholine
binding sites
M1 M2
M3
M4
Outside
M1M4 M2
M3
& Subunit
(6,,ô are homologous)
8
Inside
M2 amphipathic helices
surround channel
Bulky hydrophobic
Leu side chains of
M2 helices close
the channel.
Binding of two
acetylcholine molecules
causes twisting
of the M2 helices.
M2 helices now have
smaller, polar residues
lining the channel.
· Activados por cAMP (ej. algunos Canales CI-, ,
incluido el CFTR de la fibrosis quística)
· Otros (ej. sensibles presión, calor, extensión)

Resumen: Transporte por difusión pasiva y difusión facilitada

Resumen:
Transporte por difusión pasiva y difusión facilitada.

Nonspecific
transporter
+
+
Outside
+
+
Plasma
membrane
Inside
+
+
+
Glucose
(a) Simple diffusion
through the lipid bilayer
(b) Facilitated diffusion through
a nonspecific transporter
(c) Facilitated diffusion through a specific
transporter
(d) Osmosis through the lipid
bilayer (left) and an aquaporin
(right)
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Transported
substance
Specific
transporter
Aquaporin
+MECANISMOS DE TRANSPORTE Y COTRANSPORTE
Atendiendo al nº de moléculas transportadas simultáneamente y al sentido
del transporte DISTINGUIMOS:

Mecanismos de transporte y cotransporte

S
S1
S2
S1
carbonic anhydrase
*CO2 + H20-
>HCO3 + H + CIT
CO2 + H2O+
HCO3 + H+ CI"
carbonic anhydrase
In lungs
CO2
HCO3 CI"
Carbon dioxide leaves
erythrocyte and is
exhaled.
Bicarbonate enters
erythrocyte from
blood plasma.
D-Glucose
0
T.
1
T.
2
T2
O
13
0
T2
T1
Inside
Outside
Transporte de
glucosa
Especialmente relevante respecto al transporte de IONES
Sustancia cargada translocada: mecanismo electrogénico generándose potencial de membrana
Si se mueve un contra-ión para equilibrar la carga: mecanismo neutro o electricamente silencioso
Intercambiador de
cloruro-bicarbonato
S2
2
Uniport
Symport
Antiport
Cotransport
Carbon dioxide produced
by catabolismenters
erythrocyte.
Bicarbonate
dissolves in
blood plasma.
HCO3 CI"
CO2
Chloride-bicarbonate
exchange protein
In respiring tissues