transporte iii, iv

8/19/2019 Transporte III, IV

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Transporte a través de membranas

I. Introducción: energética1. Energía2. Leyes de la termodinámica3. Energía libre G4. Reacciones acopladas

II. Estructura y propiedades de las membranas biológicas1. Funciones2. Composición3. Organización : modelo del mosaico fluido

III. Transporte a través de membranas1. Difusión

1.1. Difusión en solución1.2. Flujo y fuerza1.3. Difusión de un soluto cargado1.4. Difusión a través de membranas biológicas

Nathalie Gago, Universidad Central de Venezuela



2. Transporte mediado2.1. Transporte pasivo

2.1.1. Difusión simple (a través de canales)2.1.2. Difusión facilitada

2.2. Transporte activo2.2.1. Transporte activo primario

2.2.2. Transporte activo secundario o acoplado3. Filtración3.1. Flujo hidráulico3.2. Arrastre por solvente

4. Osmosis4.1. Presión osmótica

4.2. Osmolaridad4.3. Coeficiente de reflexión σ

4.4. Osmolaridad y tonicidad5. Transporte en masa

5.1. Endocitosis5.2. Exocitosis





Difusión a través de las membranas biológicasde un soluto cargado

CO2O2

Gases

Moléculas polarespequeñas

no cargadas

ureaetanol

agua H2O

Moléculas polaresgrandes

no cargadasGlucosa

Iones Na

+

, K

+

, Cl

-

,Ca2+, etc

Moléculas polarescargadas

Amino ácidosATP




Transporte mediado

m e m b r a n a

difusiónsimple

difusiónfacilitada

transporte activoprimario y secundario

Transporte pasivo Transporte activo

Transporte mediado Transporteno mediado

canal transportador

gradienteelectroquímico




Transporte mediadoCanales y transportadores

m e m b r a n a

soluto

Sitio de unióndel soluto

ion

Poro acuoso

Proteína canal Proteína transportadora




Transporte pasivoDifusión simple a través de canales

Regiónhidrofóbica regiónhidrofílica

Canal cerrado Canal abierto

Filtro selectivopara los iones enel poro acuoso

Los canales conformanun "poro" que atraviesala bicapa en todo suespesor y permite elpaso de agua yelectrolitos a favor desu gradienteelectroquímico.

A través de los canalespasan principalmente

moléculas pequeñas,particularmente:- iones como el Na+, K +,Ca2+, Cl-

- agua.

La partícula que pasa se selecciona deacuerdo a su tamaño y carga.

Los canales pueden estar cerrados y seabren frente a estímulos específicos




Transporte pasivoDifusión simple a través de canales - acuaporinas

Las acuaporinas estánformadas por un haz de 7hélices que deja unestrecho poro en suinterior por el que puede

pasar el aguaEl poro contendría diezmoléculas de agua que sedesplazarían en “filaindia” para atravesar lamembrana.

Su descubridor PeterAgre, obtuvo el premioNobel de Química en2003.




Transporte pasivoDifusión simple a través de canales

Canal

cerrado

Canalabierto

citoplasma

Voltaje Ligando Ligando

Ligandoextracelular

Ligandointracelular

EstímuloFuerza

mecánicaFosfori-lación

P




Transporte mediado

m e m b r a n a

difusiónsimple

difusiónfacilitada




canal transportador





Transporte pasivo - Difusión facilitada

Al unirse la molécula altransportador, éste sufre uncambio conformacional quepermite el transporte de lamolécula hacia el otro lado de lamembrana.

soluto

Proteínatransportadora

Espacioextracelular

Espaciointracelular

Gradienteelectroquímico

Permite el transporte de pequeñas moléculas polares, como losaminoácidos, monosacáridos, etc.

La interacción soluto-transportadores similar al complejo sustratoenzima, y esto le confierecaracterísticas particulares a ladifusión facilitada que la difierende la difusión simple.




Transporte pasivo - Difusión facilitada

Tasa detransporte

Tmax

Difusión facilitada

Difusión simplea través de la membrana

Concentración de lamolécula transportada

1/2 Tmax

K m

Características de la difusiónfacilitada:

El mecanismo sólo acelera la velocidad de transporte a través de lamembrana pero la distribución final de los solutos en cadacompartimiento es la misma que la que se obtendría por difusión simple.

Si se invierte el gradiente, el flujo se invierte también.

- velocidad de transporte mayorque difusión simple a través dela membrana.

- cinética de saturación como las

cinéticas enzimáticas tipoMichaelis-Menten.

- alto grado de especificidad por elsoluto a ser transportado.

- inhibición competitiva.




Transporte pasivo

Difusión simplea través de la membrana

Difusión simplea través de canales

Difusión facilitada

Espaciointracellular

Espacioextracellular

soluto

T a s a d e e n t r a d a

Conc extracelular

T a s a d e e n t r a

d a

Conc extracelular

T a s a d e e n t r a d a

Conc extracelularNathalie Gago, Universidad Central de Venezuela



Transporte mediado

m e m b r a n a

difusiónsimple

difusiónfacilitada




canal transportador





Transporte activo primario

Tiempo

C o n c e n t r a c

i ó n i n t r a c e l u l a r

Inhibidormetabólico

añadido

Transporteactivo

Transportepasivo

- El transporte activo primarioestá mediado por proteínasdenominadas bombas oATPasas

- Se transporta un soluto encontra de su gradienteelectroquímico utilizando laenergía liberada por lahidrólisis de ATP (ATPasas)

- Si se añade un inhibidormetabólico, los solutos se

redistribuyen por difusión hastaalcanzar el equilibrio.

Las bombas permiten que las células establezcan un estadoestacionario (fuera del equilibrio).




Transporte activo primario

- El transporte activo puede serselectivamente inhibido poragentes bloqueantes. Por ej.bomba Na+/K +

- Ciertas bombas intercambianun determinado soluto de unlado de la membrana por otrodel otro lado. Por ej. bombaNa+/K +

- Ciertas bombas pueden generarun flujo neto de cargas, quepuede afectar el voltaje de lamembrana y se les denominanbombas electrogénicas. Por ej.bomba Na+/K +

Características del transporte activo primario:

- Requiere energía para sufuncionamiento (hidrólisis deATP).

- Transporta solutos en contra desus gradientes electroquímicos.

- Exhibe una cinética desaturación tipo Michaelis-

Menten (Tmax, Km).

- Presenta una alta especificidad,por ejemplo la bomba de Na+noes capaz de transportar Li +.




Transporte activo primarioBomba Na+/K +

Principales características de la bomba Na+/K +:- Transporta Na+y K +en contra de sus gradientes electroquímicos.- Requiere ATP- El flujo de Na+y K +sigue cinética tipo Michaelis-Menten- La bomba no expulsa Na+si no hay K +fuera, define el acoplamiento- Es inhibida por ouabaina que compite por el sitio de unión del K +

- La bomba es electrogénica


del Na+


del K +

3 Na+

Sitio de unión al K +y a la ouabaina

Sitio deunión al Na+

ATP ADP + Pi

citoplasma

2 K +3 Na+

2 K +




Transporte activo secundario o acoplado

En el transporte activo secundario o acoplado se transportan solutos en

contra de su gradiente electroquímico pero, en este caso, la energía NOproviene directamente de la hidrólisis deATP.

Existe otra fuente importante de energía libre en las células vivas que se

encuentra almacenada en los gradientes electroquímicos a través de las

membranas.

Compartimiento I

Compartimiento II

GeneradorEsta energía almacenada

en los gradientes

electroquímicos puede ser

liberada si se permite quelos iones o solutos fluyan

a favor de su gradiente a

través de la membrana.





Al disiparse los gradientes electroquímos, la energía liberada puede ser

utilizadapara:

la síntesis de ATP transportar sustancias encontra de sus gradientes

electroquímicos

la producción deseñales eléctricas

En el transporte activo secundario se realiza el movimiento de alguna

sustancia en contra de su gradiente electroquímico gracias al movimiento

de otra sustancia a favor de su gradiente, en general un ion.






Moléculatransportada Ion co-transportado

CotransporteSimporte

ContratransporteAntiporte





- presente en células epitelialesintestinales y del túbuloproximal del riñón

- permite el transporte de

glucosa en contra de sugradiente de concentraciónutilizando la energía potencialalmacenada en el gradientede Na+

- Los amino ácidos tambiénson introducidos al interiorcelular mediante uncotransporte con el Na+

Na+

Glucosa

Espacioextracelular

Espaciointracelular

Gradientequímico

de glucosa


de Na+

Cotransporte Na

+

/glucosa





- en ausencia de Na+extracelular,la concentración de alaninaintracelular se aproxima a suconcentración de equilibrio conel exterior

- Si se reduce el gradiente deNa+, por cualquier razón, sedisminuye el transporteacoplado de amino ácido yazúcares.

- La energía potencialalmacenada en el gradiente deNa+se obtuvo mediante eltransporte activo de Na+alexterior celular a través de labomba Na+/K +.

Tiempo

C o n c e n t r a c i ó n

i n t r a c e l u l a r

d e a l a n i n a

[Na+]o= 0 mM

[Na+]O= 140 mM

Cotransporte Na+/alanina





Célula epitelial Lumen intestinalSangre

Glucosa

2Na+

CotransporteNa+/glucosa

Na+

K +

Glucosa

transportadorde glucosa

BombaNa+/K +

Membranaapical

Membranabasolateral

Transporteactivo

secundario

Difusiónfacilitada

Transporteactivo

primario




2. Transporte mediado

2.1. Transporte pasivo2.1.1. Difusión simple (a través de canales)2.1.2. Difusión facilitada

2.2. Transporte activo2.2.1. Transporte activo primario2.2.2. Transporte activo secundario o acoplado

3. Filtración3.1. Flujo hidráulico3.2. Arrastre por solvente









Transporte a través de membranas : Filtración

Filtración

Es un proceso de transporte pasivo de agua y algunos solutosque pasan a través de la membrana por efecto de una presiónhidrostática.

Así como los solutos

pueden difundir a través de

la membrana gracias a un

gradiente electroquímico, el

agua puede moverse comoconsecuencia de un

gradiente de presión

hidrostática.

El flujo de agua ocurre de la

zona de mayor presión a la

zona de menor presión.

Una diferencia de presiónhidrostática puede actuar

como una fuerza impulsora

del flujo de agua.





Membranarígida y porosa

A B

hh

J v

Membranarígida y porosa

A B

h' h'

Potencial químico µ = energía libre molarLa presión aumenta el µ

µ

AH2O >µ

BH2O µ

BH2O - µA

H2O < 0 el flujo de agua ocurre de A hacia B





El flujo de agua a través de la membrana por filtración ocurre através de canales hidrofílicos.

El flujo hidráulico puede por lo tanto expresarse como un flujolaminar de líquido a través de canales cilíndricos. De tal forma

se puede utilizar la ley de Poiseuille que relaciona el flujo conla presión:

J v = -

π r4

8η

.dP

dx

r: radio del canal

η: viscosidad del aguadPdx

gradiente presión conrespecto a la distancia

Ley de Poiseuille





J v : flujo hidráulico

Kf : coeficiente de filtración del agua através de la membrana

x: espesor de la membrana P : diferencia de presión hidrostática

El flujo de agua por filtración depende de:

- coeficiente de filtración del agua a través de la membrana- el gradiente de presión hidrostática

J v = - Kf . P

J v = - π r4

8η

. P

x

Kf = π r4

8η

x. 1





El arrastre por solventeocurre cuando el flujo enbloque de agua arrastraotros solutos pequeños a

través de la membrana.

Este fenómeno ocurrecuando el tamaño de losporos es mas grande que eltamaño de las partículas de

soluto.

Arrastre por solvente

Si por el contrario loscanales tienen un diámetrocercano al de las partículasse observa un tamizado

molecular o polarización delsoluto. El soluto se vaacumulando de un lado de lamembrana mientras que elagua fluye hacia el otro. Porej. los poros de la pared

capilar dejan pasar el aguaque arrastra iones y solutospequeños pero no deja salirlas proteínas.




Presión osmóticasoluto

H2O

Al añadir un soluto a un solvente seproduce una disminución del potencialquímico del solvente: µA

H2O >µ

BH2O

La disminución del potencial químicodel solvente produce la aparición de

las propiedades coligativas:

A

B1. disminución de la presión de vapor

en equilibrio con el solvente2. aumento temperatura de ebullición3. disminución temperatura de

congelación4. desarrollo de la presión osmótica

Las propiedades coligativas no dependen de la naturaleza delsoluto sino del número total de moléculas de soluto presentes en

el agua o solvente.Nathalie Gago, Universidad Central de Venezuela



Presión osmótica

Membranasemipermeable

A B

Membrana semipermeable: es permeable al agua pero no a los solutos

H2O

El flujo de agua se explica por:[H2O]A >[H2O]B

µ

AH2O >µ

BH2O flujo neto de agua de A hacia B

Ósmosis: El flujo de agua a favor de su gradiente de "concentración" o depotencial químico, es decir es la difusión pasiva de agua a través de unamembrana semi-permeable, de la solución mas diluida a la mas concentrada




Presión osmótica


A B

H2O

El equilibrio se alcanza cuando la presión hidrostática desarrollada en B estal que contrarresta la entrada de agua en B por ósmosis.

La presión hidrostática necesaria para contrarrestar la difusión osmótica de

agua desde el compartimiento A al B corresponde a la presión osmótica (π)de la solución en el compartimiento B.

h


A B




h


A B

Presión osmótica


A B

H2O

El establecimiento del equilibrio se explica por:

π

B >π

A

π

que produce un flujo osmótico de A hacia BPB > PA P que produce un flujo hidráulico de B hacia A

En el equilibrio : π = P (en magnitud)

π

P

Al inicio, µAH2O >µ

BH2O , luego al aumentar PB el µB

H2O va aumentando

hasta que µ

BH2O = µ

AH2O , y se alcanza el equilibrio.




Presión osmótica

π = RTC Ecuación de van't Hoff

R: constante de los gases (0,082 l.Atm/°K.mol) T: temperatura en °K C: concentración de soluto

La fuerza conductora de la difusión de agua es el gradiente depresión osmótica entre los 2 compartimientos:

π = RT C

El flujo de agua va a venir dado por:

J v = Kf . π

Kf : coeficiente de filtración del agua a través de la membrana

π : gradiente de presión osmótica

La presión osmótica depende de la concentración del soluto y latemperatura:




Osmolaridad

La osmolaridad: es el número total de moles por litro que ejerceactividad osmótica en una solución, independientemente de lanaturalezade los solutos.Se expresa en osmoles / l = OsM

[glucosa] = 1 mM

Osmolaridad = 1 mOsM

[glucosa] = 1 mM[urea] = 1 mM

Osmolaridad = 2 mOsM




OsmolaridadCaso de los electrolitos:la osmolaridad viene dada por la concentración del electrolito y el

número de partículas en el que se disocia.NaCl

NaCl Na++ Cl-

1 mM 1 mM 1 mM

2 mOsM




Osmolaridad

π = RTC

π = RT n C

La presión osmótica viene dada por lo tanto por:

La osmolaridad plasmática = ~295 mOsM

n: número de partículas en las que se disocia el soluto.




Coeficiente de reflexión σ

Membranapermeable

al agua y al soluto

A B

Membranapermeable

al agua y al soluto

A B

H2O

soluto

El flujo de agua del compartimiento A al B se contrarresta con elflujo de soluto del compartimiento B al A, por lo tanto:

πobservada = 0




Coeficiente de reflexión σ

El coeficiente de reflexión viene dado por:

σ

=πobservada

πteórica

πobservada : presión osmótica medida experimentalmente

π

teórica : presión osmótica teórica calculada con la ecuación de van’t Hoff

σ

= 1 La membrana es completamente impermeable al soluto,caso de las proteínas intracelulares

σ

= 0 La permeabilidad del soluto es muy próxima a la del agua

La membrana es permeable al soluto pero menos que alagua

σ

< 10 <




Osmolaridad y tonicidad


BA

[glucosa ]

300 mOsM

[urea ]

300 mOsM


BA

H2O

H2O

πA =πB π = 0La solución A y la solución B son isosmóticas





BA

[glucosa ]

300 mOsM

[urea ]

100 mOsM


πA >πBLa solución A es hiperosmótica con respecto a la solución BLa solución B es hiposmótica con respecto a la solución A


BA

H2O





La tonicidad:Se define con respecto a la respuesta de las células inmersas enuna solución.

si la célula no se hincha ni se arruga,la solución es isotónica

si la célula se hincha, la solución eshipotónica

si la célula se arruga, la solución eshipertónica





300mOsM

[Urea] = 300 mOsM

Las soluciones intray extra celular son

isosmóticas

Urea H2O

La soluciónextracelular eshipotónica con

respecto a la célula








4. Osmosis4.1. Presión osmótica4.2. Osmolaridad4.3. Coeficiente de reflexión

σ







Transporte en masa : endocitosis y exocitosis

Exocitosis

Endocitosis

espacio

extracelularcitoplasma




Transporte en masa : endocitosis

Recubrimientode clatrina

Receptor Ligando




Transporte en masa : endocitosisMicroscopía electrónica de un hoyo cubierto de clatrina en la

cara citoplasmática en un fibroblasto




Transporte en masa :endocitosis

Endocitosis del hierro porendocitosis mediada porreceptor




Bibliografía

- En general los libros de fisiología humana, fisiología animalo biología celular

- Apuntes de la clase


transporte iii, iv

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