Transporte epitelial: mecanismos celulares y moleculares de regulación

Fisiología Humana I

Grado en Medicina Curso 2024-2025

Transporte Epitelial

Mecanismos Celulares y Moleculares

Dr. Diego Alvarez de la Rosa La Laguna, 10 de febrero de 2025

Intercambio de Solutos y Agua

External environment Lungs Alimentary tract Kidneys Internal environment Body cells Skin R. A. Rhoades & G. A. Tanner, Eds. Medical Physiology, 2ª Ed. Lippincott Williams & Wilkins, 2007

Características de los Epitelios

Características de los epitelios que separan el medio interno del medio externo y que participan en el intercambio de sustancias y agua entre ambos (p.e. tubo digestivo, túbulos renales, vías áreas y alveolos pulmonares, glándulas sudoríparas y salivares): poseen una estructura monoestratificada

• · en general presentan alta resistencia eléctrica
• · permeabilidad variable (regulada por la expresión de transportadores y otras proteínas en la membrana celular).

Estas o similares características también se encuentran en epitelios que separan el espacio transcelular del medio interno (p.e. en ventrículos cerebrales).

Estructura de un Epitelio Monoestratificado

Definiciones sobre Transporte Transepitelial

Unión hermética (tight junction) Transporte transcelular Transporte paracelular Membrana apical Membrana basolateral

• · La membrana apical se orienta hacia el lumen (exterior del organismo o interior del espacio transcelular). En el tubo digestivo se habla de "mucosa".
• · La membrana basolateral se orienta hacia el espacio intersticial (medio interno; en equilibrio con el plasma sanguíneo). En el tubo digestivo, se habla de "serosa".
• · Las membranas apical y basolateral se separan por una estructura proteica denominada unión hermética (tight junction).
• · Si las sustancias se transportan a través de las células (atraviesan tanto la membrana apical como la basolateral) hablamos de transporte transcelular . Si las sustancias se transportan entre las células, hablamos de transporte paracelular.
• · En ambos casos (ruta transcelular o paracelular), hablamos de transporte transepitelial.

Ultraestructura de un Epitelio Monoestratificado

Uniones entre Células Epiteliales

Microvellosidades Lumen del túbulo Estructura Componentes 5-1 -6 Unión hermética (zonula ocludens, tight junction) Claudinas y ocludinas 2 Unión de adhesión (zonula adherens) Cadherinas y cateninas 2 Unión comunicante* (gap junction) ( Conexinas 3-5 7 4 8 B Espacio intersticial *NOTA: las uniones comunicantes no son visibles en la micrografía. Desmosomas (macula ocludens) Desmogleína y desmocolina Modificado de Bhat et al. Front. Physiol., 23 January 2019

Transporte Paracelular

• · El paso de sustancias entre las células de un epitelio monoestratificado (transporte paracelular) depende principalmente de las propiedades moleculares de las uniones herméticas (tight junctions) que unen las membranas apicales de las celulas.
• · Las tight junctions están compuestas principalmente por dos tipos de proteínas (claudinas y ocludinas), que a su vez se unen al citoesqueleto de actina por medio de proteínas adaptadoras. Estructura Componentes Unión hermética (zonula ocludens, tight junction) Claudinas y ocludinas Unión de adhesión (zonula adherens) Cadherinas y cateninas Unión comunicante* (gap junction) ( Conexinas Desmosomas (macula ocludens) Desmogleína y desmocolina Modificado de Bhat et al. Front. Physiol., 23 January 2019

Transporte Paracelular y Claudinas

• · Existen 27 genes diferentes que codifican claudinas. Algunas solo tienen función mecánica, separando la membrana apical de la basolateral y limitando la difusión lateral de proteínas de una a otra membrana. Otras claudinas forman canales iónicos selectivos, permitiendo que la ruta transcelular sea permeable a ciertos iones y a otros no.
• · La combinación de distintas claudinas y ocludinas proporciona selectividad: distintos epitelios tienen distintas permeabilidad paracelular a solutos y agua.
• · El transporte paracelular es un proceso pasivo, donde el movimiento de sustancias ocurre a favor de su gradiente electróquímico y el de agua a favor de su gradiente osmótico. Estructura Componentes Unión hermética (zonula ocludens, tight junction) Claudinas y ocludinas Unión de adhesión (zonula adherens) Cadherinas y cateninas Unión comunicante* (gap junction) 1 Conexinas Desmosomas (macula ocludens) Desmogleína y desmocolina Modificado de Bhat et al. Front. Physiol., 23 January 2019

Transporte Transcelular

El Modelo de las Dos Membranas (Hans H. Ussing)

En 1958 Hans Usssing formula la hipótesis de la dos membranas para explicar las siguientes observaciones realizadas en piel de rana:

1. Flujo neto de NaCl a través de la piel de la rana en contra de gradiente.
2. Existencia de un potencial eléctrico entre ambos lados de la piel.
3. Alta concentración intracelular de K+
4. Baja concentración intracelular de Na+
5. Existencia de una corriente eléctrica a través del epitelio.

El modelo propuesto tiene las siguientes características:

1. Existencia de dos membranas funcionalmente diferentes en las células epiteliales, una en contacto con el medio interno y otra en contacto con el medio externo.
2. Membrana en contacto con el medio interno: presencia de una ATPasa de Na+ y alta permeabilidad al K+.
3. Teniendo en cuenta la recientemente propuesta estequiometría de 3Na+/2K+ para la Na,K-ATPasa, Ussing propuso que la ATPasa intercambia Na+ por K+.
4. Membrana en contacto con el medio externo: permeable al Na+ de forma pasiva.
5. Permeabilidad al Cl- a través de la ruta paracelular, de forma que se produce transporte neto de NaCl.
6. El transporte de Cl es ligeramente inferior al de Na+, de forma que se crea una diferencia de potencial (exterior negativo).

Diferencia de potencial transepitelial - + Medio externo Célula epitelial Medio interno -> Na ~ Na+ K+ - 1 1 Na+ K CI- Membrana apical Membrana basolateral Modificado de V. Koefoed-Johnsen, H.H. Ussing. The nature of the frog skin potential. Acta Physiol. Scand., 42 (1958), pp. 298-308

Transporte Transcelular

Extensión del Modelo de las Dos Membranas al Transporte de Glucosa

En 1962 se extiende el modelo de para explicar la absorción neta de glucosa a través de un epitelio. Se sabía que:

1. La acumulación de glucosa en células intestinales se anula si no hay Na+ en el medio externo.
2. La acumulación de glucosa se elimina con inhibidores de la Na,K-ATPasa como los glucósidos cardiotónicos (ouabaína),.
3. La absorción de agua es mayor en presencia de glucosa que en su ausencia.

El modelo propone:

1. La presencia de un co-transportador de Na+ y glucosa en la membrana en contacto con el medio externo (membrana apical; inhibido por florizina).
2. La presencia de Na+,K+-ATPasa en la membrana en contacto con el medio interno (membrana basolateral).
3. La presencia de un facilitador de glucosa en la membrana basolateral.
4. La absorción de glucosa crea un gradiente osmótico para la reabsorción de agua.

Medio interno Medio externo SEROSAL SURFACE EPITHELIAL CELL MUCOSAL SURFACE BRUSH BORDER ¥PHLORIZIN 9 7 - 1 QUABAIN' Fig. 2. Original model for Na-coupled sugar absorption by the small intestine. C is now known to be Na-coupled glucose transporter, C2 is the ouabain- inhibitable Na-K-ATPase, and the carrier designated as (?) is the sugar- facilitated transporter glucose transporter 2 (the reason for the original desig- nation is that the nature of the basolateral membrane glucose transporter was not established in 1964). [S] , [S], and [S]_, mucosal, intracellular, and serosal sugar concentration, respectively; [Na] , [Na], and [Na], mucosal, intracel- lular, and serosal Na concentration, respectively. [Modified from Ref. 20.]

Transporte Transcelular Activo

• · El transporte transcelular de una o varias sustancias puede ocurrir por difusión pasiva, a favor de gradiente electróquímico, o bien por transporte activo (lo más común).
• · El transporte transcelular activo se basa en la distribución asimétrica de transportadores y/o canales iónicos en las membranas apical y basolateral de las células epitaliales. En general la Na+,K+-ATPasa se situa en la membrana basolateral (excepto en el epitelio de los plexos coroideos).
• · En el ejemplo inferior se representa la absorción activa de glucosa y Na+ en el intestino. Nótese que el proceso depende del gradiente de Na+ creado por la Na+, K+-ATPasa, consumiendo ATP.

Luz Célula epitelial intestinal Sangre 3Na+ Aplicación clínica: terapia de rehidratación oral ATP ৳ Na+ 2K+ SGLT1 Glucosa Glucosa Membrana luminal o apical Membrana basolateral Figura 1-7 Cotransportador de Na+-glucosa en una célula epitelial intestinal. ATP, trifosfato de adenosina; SGLT1, proteína transportadora de Na+-glucosa 1. L. S. Constanzo. Fisiología, 4ª Ed. Elsevier, 2011

Combinación de Transporte Transcelular y Paracelular

Con frecuencia el transporte transepitelial se realiza como una combinación de transporte transcelular y paracelular. Ejemplos a la derecha:

A. Absorción de NaCl (Na+ por vía transcelular y Cl- por vía paracelular). Este proceso ocurre en el colon o en el túbulo colector renal.

B. Secreción de K+ acoplada a la reabsoción de NaCl esquematizada en A.

C. Absorción intestinal de glucosa (ver diapositiva anterior).

D. Secreción intestinal de NaCl.

A Na+ ABSORPTION ("USSING MODEL") Na+ enters across apical membrane via channels, but is pumped out across basolateral membrane. The K+ pumped into cell recycles back out. B K+ SECRETION 3 Na+ 3 Na+ 3 Na+ 3 Na+ · 2 K+ 2 K+ Epithelial cell Apical membrane Basolateral membrane K+ 4 Tight junction 2 K+ K+ Exterior milieu (lumen) 3 CF Interstitial space 2 CF + + The lumen is negative compared with interstitium. C GLUCOSE ABSORPTION D CI SECRETION This cotransporter cycles three times. 3 Na+ 3 Na+ 2 K+ 3 Na+ AT - . 6 CI 2 K+ 5 K 3 Glucose 3 K+ 3 Glucose · 3 Na+ 6 Na+ 6 CI- 0 + 0 + This cotransporter cycles three times. FIGURE 5-21 Models of epithelial solute transport.

2 K+ 3 CF

Secreción Epitelial de Sustancias de Alto Peso Molecular

• · Los epitelios también pueden absorber o secretar proteínas u otras moléculas de alto peso molecular. Ejemplos: secreción de lisozima y mucinas en la saliva; secreción de mucosidad en el epitelio pulmonar, etc.
• · Las sustancias de alto peso molecular no pueden atravesar la membrana plasmática a través de transportadores de membrana. Por ello se secretan mediante exocitosis regulada de vesículas intracelulares.
• · En el ejemplo inferior se muestra la formación de saliva primaria en glándulas salivares mediante secreción de NaCl y agua (1) y la aportación de proteínas y mucinas a dicha saliva mediante secreción por exocitosis inducida por procesos de regulación intracelular (2).

1 2 Contraction Acinar cell Primary saliva ACh M3 Myoepithelial cells H2O cl- CI- Norepinephrine M17 IP Na K+ HCO3 Exocytosis Ca2+ TATP Ca2 K+ Proteins Na+ Mucin B2 > CAMP Lumen Blood side Blood side Lumen A. Despopoulos & S. Silbernagl. Color Atlas of Physiology, 5th edition. Georg Thieme Verlag, 2003.