Estructura de nucleósidos y nucleótidos Transporte a...

Enrique Castro, © 2010

12010 Enrique Castro

Estructura de nucleósidos y nucleótidosTransporte a través de membranasTransporte a través de membranas

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



Membranas biológicasMembranas biológicas

Funciones

Definen límites celulares / compartimentos

Regulan transporte molecular

Organizan secuencias complejas de reacciones

PROPIEDADES ESPECÍFICAS

● INSOLUBLES

● FLEXIBLES

● AUTOENSAMBLANTES

● SELECTVAMENTE PERMEABLES

Resistentes, aguantan presiones

Deformables,acompañan crecimiento y movimiento

Autoreparación

Transporte de metabolitosgeneración de energía generación de señales



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-, H

2PO

4-

polares aminoácidoscargadas glucosa--6-P

ATP, nucleótidos

Permeabilidad de las membranasPermeabilidad de las membranas



Coeficiente de reparto aceite/agua

Hidrofobicidad

Co

efi

cie

nte

de

pe

rme

ab

ilid

ad

, c

m/h

Pe

rme

ab

ilid

ad

Permeabilidad ∝ hidrofobicidad

Permeabilidad e HidrofobicidadPermeabilidad e Hidrofobicidad

-12 -10 -8 -6 -4 -2 Log P

Na+

K+

Cl+

glucosa trp

urea

indol

H2O

Coeficiente de permeabilidad, cm/s



Difusión libre: leyes de FickDifusión 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=cm2

s

D= coeficiente de difusión(depende del tamaño)

En tres dimensiones

r=6D⋅t

1 2

c1

c2

dndt

⋅1A=J=−D⋅

dcdx

, [J ]=M

L2⋅T=

mol

cm2⋅s

dcdt

=−dJdx

=D⋅d 2 c

dx2

c x , t =n2⋅ Dt ⋅ e

−x 2

4Dt

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

D=k BT

6 r



J =−D⋅dcm

dx= −D⋅

cm

=cim

cis ; ci

m=⋅cis ; cm=⋅ c s

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 membranaDifusión a través de membrana

P= D⋅

Coeficiente de permeabilidad• Coeficiente de reparto• Coeficiente de difusión (√Mr)• Espesor de la membrana



Energía libre y transporteEnergía libre y transporte

equilibrio

G = RT⋅l n[N a+ ]de st i no[N a+ ]orig en

zF⋅ Em

componentequímico

componenteeléctrico

Em=Ed es t in o−Eorig en

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



Difusión de iones: potencial de membrana

Difusión de iones: potencial de membrana

NaCl15 mM

NaCl150 mM

0

-60 +60

Em= 0 mV

Membrana impermeable Membrana permeable a Na+

Membrana permeable a Cl- Membrana permeablea Na+ y Cl-

Em= -59 mV

ΔV= 0 ΔV≠ 0 constante

ΔV≠ 0 constante ΔV≠ 0 transitorio

Em= +59 mV P

Na>P

Cl

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+

Separación de cargas

=potencial de membrana

Membrana = Condensador eléctricoC=Q/VC = 0,8-1 μF/cm2



InicioE

m=0

Potencial de equilibrioPotencial de equilibrio

Ecuación de Nernst

EquilibrioE

m=E

eq

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 )

Ee q = - R⋅Tz⋅F ⋅l n[N a+ ]des t i n o[N a+ ]ori gen

G = RT⋅l n[Na+ ]des t i n o[N a+ ]orig en

zF⋅Em

En el equilibrio G = 0 y Em = Ee q

Walther Nernst1864-1941

Premio Nobel 1920



Em=R⋅TF ⋅ln

pK⋅[K+ ]o pNa⋅[Na

+ ]o pCl⋅[Cl-]i

pK⋅[K+]i pNa⋅[Na

+ ]i pCl⋅[Cl- ]o

Na+Na+

K+ K+

Cl- Cl-

Membrana permeable a varios ionesMembrana permeable a varios iones

Em≠E

K

Em≠E

Cl

Em≠E

Na

JK≠ 0

JCl≠ 0

JNa≠ 0

∆G≠ 0no equilibrio

Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz

Em=R⋅TF ⋅ln

[K + ]o⋅[Na+ ]o[K + ]i⋅[Na+ ]i

=p N ap K

∑ Ii=∑ z i⋅Ji= 0

Ji= p i⋅f Em−E i

∑ Ii=∑ z i⋅p i⋅f Em−R⋅Tz i⋅F

⋅l n[X i ]e

[ X i ]i= 0

Haciendo

Estadoestacionario

Transporte de carga nulo

≡

Puesto que

Sustituyendo Ei por la

expresión de Nernst

y despreciando la contribución de Cl -

Simplificada, sólo para Na+ y K+



Equilibrio de GibbsDonnanEquilibrio de GibbsDonnan

Varios iones difusibles+

un ión no difusible asimétrico

Iones no difusibles intracelularescausan entrada continua de agua



Solución osmótica en noexcitablesSolución osmótica en noexcitables

Cuasi-equilibrio Gibbs-Donnan doble• Simetrización del sistema• Na+ funcionalmente impermeable (PNa << PK)





(mecanismos)

Difusión facilitada• Permeasas: Glut e intercambiador Cl -/HCO3











Tipos de transportadoresTipos de transportadores

Usualmente iones

Usualmentemol. orgánicas

Permeasas



IonóforosIonóforos

Valinomicina (K+)

monensina (Na+)nonactina

gramicidina

En solventehidrófobo

En bicapa lipídicaHélice 6.3 hueca

dímero cabeza-cabeza

Canal de gramicidina

transportadores

canales

Complejovalinomicina-K+





(mecanismos)

Difusión facilitada• Permeasas: Glut e intercambiador Cl-/HCO3




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




Intercambiador Cl/HCO3 :

banda 3/pAE1 del eritrocitoIntercambiador Cl/HCO3

:banda 3/pAE1 del eritrocito

Capilares sistémicosalta pCO2, baja pO2

(metabolismo tisular)

Capilares pulmonaresbaja pCO2, alta pO2

(ventilación)

eritrocito

eritrocito

hemoglobina

Efecto Bohr

Proteína AE1

Anhidrasa carbónica

Anhidrasa carbónica



Canales iónicosCanales 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)



Canales iónicos: selectividadCanales iónicos: selectividad

Poroiónico

Vista superior

Filtro selectivo

compuerta

Canal de K+:estructura del poro

Bucle P

extracelular

citosol

Selectividad= compensar desolvatación

Buenajuste

malajuste



Mecanismos de compuertaMecanismos de compuerta

Receptores 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)



Acuaporinas: Estructura y funciónAcuaporinas: Estructura y función

Acuaporinas: canales de H2O• 6TM (3+3 invertido)• Tetrámeros• Impermeable a iones y mol. pequeñas

Acuaporinas: localización y funciones

localización funciónAQP-1 ubicua: rinón, pulmón,

ojo, plexos coroideosReabsorción 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





(mecanismos)








Transporte activo primario:ATPasas de Membrana

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, V

0

ATPF

1,

V1

F: mitocondria

V: vesículas

citosol

extracelular

citosol

matrizcitosol

ATP ATP



Na+/K+ATPasa de membranaNa+/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+



Mecanismo de la Na+/K+ATPasaMecanismo de la Na+/K+ATPasa



CardiotónicosCardiotónicos



ATPasas "transportador ABC"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



Fármacos quimioterápicos y MDRFármacos quimioterápicos y MDR



Estructura del CFTREstructura del CFTR





(mecanismos)








Familias de transportadores 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

F. co-transportador Na+-glucosa• 14 TM• 1-2 Na+:1 sustrato• Intestinal (SGLT1), renal (SGLT2)

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)



Transportadores de membrana y regulación del pHi

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+

alcalinizaciónactivado por H+

pH intracelular

ve

loc

ida

d r

ela

tiv

a,

% intercambiador Cl-/HCO

3-

intercambiador Na+ Cl-/HCO

3-

antiportadorNa+/H*

Dependencia del pH de los transportadores de H+ y HCO3

-

amilórido

DIDS, SITS



Transporte transepitelial de glucosaTransporte transepitelial de glucosaluz 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+

2 K+

Cl-

Cl-

Cl-2 K+3 Na+

ATP

ADPP

i

Glut2(permeasa)

Na+/K+-ATPasa(activo)

SGLT(activo) canal Cl-

(pasivo)

canal K+

(pasivo)

gluluz+2Na+luz glucit+2Na+

cit

glucit

glusangre

3Na+cit+2K+

sangre+ATP 3Na+sangre+2K+

cit+ADP+Pi

K+cit

K+sangre

Cl-luz

Cl-cit

Cl-cit Cl-sangre

Gluluz

+ Na+luz

+ Cl-luz

+ATP glusangre

+ 2Na+sangre

+ Cl-sangre

+ ADP+Pi



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