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Transporte de solutos y agua

Transporte de solutos y agua. Curso ME 2012 Fisiología Humana. Temas de la clase. Guía estudio: objetivo, lecturas, laboratorio, ATP Importancia La membrana celular: semipermeabilidad Clasificación de mecanismos de transporte de membrana Difusión simple

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  1. Transporte de solutos y agua Curso ME 2012 Fisiología Humana Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

  2. Temas de la clase Guía estudio: objetivo, lecturas, laboratorio, ATP Importancia La membrana celular: semipermeabilidad Clasificación de mecanismos de transporte de membrana Difusión simple Proteínas de transporte de la membrana: poros; canales; transportadores de solutos; transportadores dependientes del ATP Difusión facilitada Transporte activo: primario, secundario Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

  3. Guía de estudio Objetivo: Resolver problemas de transporte en los organismos vivientes que incluyan: conceptos de difusión simple y facilitada, ósmosis, transporte activo: primario, secundario y terciario. Lectura:Capítulo 5: “Transport of solutes and water” en: Boron W.F. & Boulpaep E.L. (2009). Medical physiology. 2nd ed. Philadelphia: SAUNDERS. Laboratorios:“Osmosis y Permeabilidad en el eritrocito”. ATP:Problemas y casos Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

  4. Importancia

  5. Membranas están compuestas por lípidos (fosfolípidos principalmente), proteínas y pequeña cantidad de carbohidratos. Modelo del Mosaico fluido. Espesor 4-8nm. Son semipermeables.

  6. Silverthorn Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada Figure 5-4

  7. Transporte pasivo no acoplado a través de una membrana. Difusión: proceso mediante el cual las moléculas se desplazan desde un lugar de alta concentración a otro de baja concentración Es pasiva. Utiliza la energía cinética de los movimientos moleculares. El flujo neto se da a favor del gradiente electroquímico del soluto Se da hasta llegar al equilibrio donde el flujo neto es de cero. Se da rápidamente en cortas distancias. Se relaciona en forma directa a la temperatura. Se relaciona en forma inversa al tamaño molecular y a la viscosidad del medio Se puede dar dentro del LEC o LIC o a través de membranas. Si soluto (sin carga, hidrofóbico) puede atravesar la bicapa lipídica, la membrana es permeable a ese soluto.

  8. Ley de Fick simplificada (difusión simple de soluto sin carga a través de la bicapa lipídica): Jx (mol/cm2 .s) = Px ([X]o – [X]i) = (cm/s)(mol/cm3) Flujo neto. Tasa de difusión • Px (coeficiente de permeabilidad del soluto x) incluye: • 1. Coeficiente de partición: liposolubilidad del soluto • Coeficiente de difusión del soluto (D): tamaño molecular (r), temperatura (T), energía térmica de la molécula K, viscosidad del medio () • 3. Grosor (Δx) y área (A) de la membrana

  9. Coeficiente de permeabilidad Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

  10. Coeficiente de Partición Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

  11. Coeficiente de Difusión Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

  12. Transporte mediado Proteínas integrales de membrana median y regulan transporte de solutos polares (iones y solutos hidrofílicos): poros, canales, acarreadores ó transportadores y bombas. 1/6 parte de los genes del genoma humano codifican para proteínas acarreadoras ó transportadoras. Es difusión facilitada o transporte activo (primario, secundario, terciario).

  13. Transporte pasivo a través de proteínas integrales de membrana: poros, canales iónicos, acarreadores • Poros: Siempre están abiertos. • Canales: Alternan entre un estado cerrado, abierto e inactivo. Tienen compuertas (gating). Selectividad para iones es variable. • Acarreadores:“Compuertas nunca abiertas al mismo tiempo”. Transportan solutos como la glucosa y la urea (difusión facilitada). Sustancia transportada queda “ocluida” en algún momento dentro del acarreador (cambios conformacionales). • Transporte se da a favor de gradiente electroquímico Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

  14. Poros Ejemplos: Porinas: en bacterias gram negativas y en membrana externa de mitocondria. Perforinas: monómeros liberados por linfocitos T citotóxicos. Se polimerizan en membrana de la célula blanco (forman poro 16 nm). Complejo de poros nucleares: en la membrana nuclear. Formados por hasta 30 diferentes proteínas. Aquaporinas: En membranas celulares de diferentes tipos de células. Permiten paso del agua y de otras moléculas. Boron Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

  15. Acuaporinas AQP (poros de agua) Agua se moviliza cuando hay gradiente osmótico y la membrana es permeable a ella. Hay 13 diferentes descritas en mamíferos (2009). Hay acuaporinas constitutivas (AQP1, AQP3, AQP4) y reguladas (AQP2, túbulo colector, ADH). Se dividen en: 1. Grupo de las acuaporinas: AQP: 0, 1, 2, 4, 5, 6, 8. 2. Acuagliceroporinas: por ellas puede pasar agua, glicerol, urea (AQP9 hepatocitos), amonio, CO2. Defectos de AQP se relacionan con patologías como: diabetes insípida, cataratas, regulación de volumen glia.

  16. Las acuaporinas (AQPs) AQP1: Tetrámero. Cada monómero tiene 269 aa con 6 dominios TM. AQP 1: Poro mide 2.8 Å, Radio del agua 2.8 Å. Poro interacciona mediante enlaces de hidrógeno con agua. Se encuentra en eritrocitos, riñón, plexos coroideos.

  17. Epitelio del túbulo colector. Membrana apical AQP2 regulada por ADH Boron

  18. Superfamilia de acarreadores de solutos (SLC) Incluye a todos los acarreadores que no hidrolizan ATP directamente y no se relacionan con una cadena de transporte de electrones. 2009: 43 familias, 298 genes; 2011: 51 familias 378 genes. http://www.bioparadigms.org/slc/menu.asp En cada familia hay entre 1 y 46 variantes con diversos grados de homología. Miembros de una misma familia pueden diferir en mecanismo de transporte (difusión facilitada, uniportadores, transporte activo secundario, cotransportadores, intercambiadores), cinética (afinidad y especificidad), mecanismos de regulación (fosforilación), localización, en qué tejido se expresan, cuando se expresan en el desarrollo.

  19. Difusión facilitada: Transporte pasivo mediado por acarreador ó transportador, uniportador. A favor de gradiente electroquímico Cambios conformacionales reversibles. Boron

  20. 3 grupos funcionales: 1. Transportadores de una sola molécula (uniportadores, transporte único): ej.: GLUTs, UTA, UTB 2. Cotransportadores: acoplan transporte de 2 o más moléculas. Ej.: SGLT, NKCC2 (1Na+:1K+:2Cl-) 3. Antiportadores: transportadores en sentido inverso (intercambiadores, contratransportadores, transporte inverso): Ej.: NHE-1, NCX.

  21. Table 5-4. Some Families in the SLC Superfamily of Solute Carriers Boron

  22. Table 5-4. Some Families in the SLC Superfamily of Solute Carriers Boron

  23. El flujo máximo (Jmax) se da cuando el sistema se satura. • Sistema es específico • Sistema se puede inhibir: competitivo/no competitivo • Acarreador tiene Km (menor Km, mayor afinidad) • No se satura • Tasa de transporte depende de [X] • No hay un transporte máximo

  24. Algunos transportadores o acarreadores de glucosa (GLUT, SLC2 (14)). Son selectivos, uniportadores. Difusión facilitada.

  25. Estructura propuesta para los GLUT PM: 46 000 12 dominios transmembrana Extremos amino y carboxilo son intracelulares.

  26. El número de GLUT4 del sarcolema es regulado por insulina

  27. GLUT 2 Kellett G, Brot-Laroche E, Mace OJ, Leturgue A. Sugar absorption in the Intestine: The role of GLUT 2. Annu. Rev. Nutr. 2008. 28: 35-54.

  28. Transportadores de urea (SLC14 (2) UT) Difusión facilitada Urea: O = C (NH2) 2, PM 60, radio 2 Å, polar, baja solubilidad en lípidos, baja permeabilidad por bicapa lipídica. UT-B1: glóbulos rojos: Antígeno Kidd; vasos rectos renales. UT-A1: en epitelio túbulo colector medular. Expresión regulada por ADH (mem. Apical) UT-A2: DDAH (delgada descendente asa Henle) Proteinas altamente reguladas: pueden fosforilarse: PKA, PKC, TK, glicosilarse. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

  29. Comparación entre poros, canales y acarreadores Acarreadores, canales y poros tienen estructura física similar: tienen dominios transmembrana que rodean zona por donde pasa el soluto. Algunos acarreadores también tienen canales incorporados. En algunos canales hay zonas de interacción del soluto con el canal. Pueden saturarse. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

  30. Transporte Activo • Contra gradiente electroquímico, requiere de energía. (ATP ó gradiente de concentración). • Primario (directo): utiliza energía liberada al hidrolizar el ATP. Se les llama “bombas”. • Secundario (indirecto): utiliza la energía potencial de un gradiente. Se acopla el movimiento de un soluto a favor de gradiente con el movimiento de otro en contra de gradiente. • Crea estado de desequilibrio • Proteína transportadora requiere energía para cambios de conformación. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

  31. Lehninger, 2008

  32. Transporte activo primario (bombas): ATPasas de transporte P ATPasas (E1-E2): forman intermediarios fosforilados estables que se pueden aislar. Ej.: Na+ /K+ ATPasa; bombas Ca+2 ó Ca+2 ATPasas; bombas H+-K+ V ATP asas: vacuolares: H+-ATPasas F ATPasas: mitocondrias (F1-F0) Además los Transportadores tipo ABC Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

  33. contratransporte activo primario • Ubicua. • Electrogénica. • P-ATPasa. • Subunidades: 1alfa, 1 beta, 1 gamma • Subunidad alfa (4 isoformas): tiene actividad catalítica y sitios de unión para sodio, potasio, ATP y ouabaína • Subunidad beta (3 isoformas): inserción de subunidad alfa a membrana; regula afinidad por iones. • Subunidad  (7 isoformas): proteína FXYD2: modula afinidad por K+, Na+ y ATP Na+K+ ATPasa (bomba de Na+-K+) Estequimetría: 1 ATP: 3Na+: 2K+

  34. E1: sitios de unión de iones abiertos hacia el lado intracelular E2: sitios de unión para iones abiertos hacia afuera de la célula. E2-P

  35. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

  36. H+K+ ATPasa : Células parietales de glándulas gástricas, riñón, intestino. Estequiometría: 2H+:2K+:1ATP. Electroneutra. Tiene una subunidad alfa y una beta (con similitud a subunidades de Na+ K + ATPasa). Inhibida por omeprazole.

  37. Intercambiador Na+/Ca+2 PMCA SERCA Otras P-ATPasas: Ca+2 ATPasas

  38. SERCA: S/ERCa+2ATPasa Es el 80% de las proteínas de la membrana del Retículo Sarcoplásmico. Importante en la relajación muscular. Hay 3 isoformas clonadas: SERCA1: músc. esquelético rápido. SERCA 2a: corazón, músc. esquelético lento. SERCA 2b: músc.Liso, tej. no musc. Tapsigargina: inhibidor específico. Fosfolamban: regula SERCA en músculos. Desfosforilado inhibe la SERCA. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

  39. PMCA: Plasma Membrane Ca+2ATPasa Codificada por 4 genes: PMCA 1-4. 1ATP: 1 Ca+2: 1 H+ Afinidad por calcio aumenta al unirse con complejo Ca+2 -CAM. Su Km disminuye. PL: sitio de unión a fosfolípidos P: sitio de fosforilación. Aumenta actividad al fosforilarse. Se inhibe con lantano y vanadato. SERCA no. Funciona en paralelo con el intercambiador NCX Es 10x más lento que el intercambiador. Tiene mayor afinidad por el calcio que el intercambiador.

  40. ATPasas tipo V: H+ ATPasas: vesículas (lisosomas, endosomas, vesículas secreción), borde apical epitelios: riñón, intestino. Dra. Adriana Suárez MSc, Profesora Asociada

  41. Transportadores tipo ABC (con cassette de unión al ATP) Tienen 2 dominios que ligan nucleótidos (NBD1 y NBD2) y 2 dominios que atraviesan membrana (TMD1 y TMD2) cada uno con 6TM. Pueden actuar como bombas, canales ó reguladores de canales y de acarreadores. Son 7 subfamilias (ABCA-ABCG). Genoma humano tiene más de 150 genes de transportadores tipo ABC. Transportan: cloruro, colesterol, ácidos biliares, fármacos, hierro y aniones orgánicos. Dra. Adriana Suárez MSc, Profesora Asociada

  42. Table 5-6. ABC Transporters Subfamily*Alternative Subfamily NameExamples ABCA (12) ABC1 ABCA1 (cholesterol transporter) ABCB (11) MDR (multidrug resistance) ABCB1 (MDR1 or P-glycoprotein 1) ABCB4 (MDR2/3) ABCB11 (bile salt export pump, BSEP) ABCC (13) MRP/CFTR ABCC2 (multidrug resistance-associated protein 2, MRP2) ABCC7 (cystic fibrosis transmembrane regulator, CFTR) ABCC8 (sulfonylurea receptor, SUR1) ABCC8 (SUR2) ABCD (4) ALD ABCD1 (ALD, mediates uptake of fatty acids by peroxisomes) ABCE (1) OABP ABCE1 (RNASELI, blocks RNase L) ABCF (3) GCN20 ABCF1 (lacks transmembrane domains) ABCG (5) White ABCG2 (transports sulfated steroids) ABCG5/ABCG8 (heterodimer of "half" ABCs that transport cholesterol) *Number of genes in parentheses. Boron Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

  43. Subfamilia ABCB (11): MDR (multidrug resistance transporters, multiresistencia a fármacos) Son ATPasas (transporte activo primario) MDR1: es una glicoproteína con 12 TM y 2 dominios que ligan nucleótidos : saca metabolitos catiónicos y drogas de las células. Se ven en el hígado, riñón y TGI. Contribuye a que células cancerosas se hagan resistentes a quimioterapia al sacar de la célula a éstas drogas (adriamicina, vinblastina) Protege células de xenotoxinas. Presentes en BHE, barrera materno- fetal, tracto gastrointestinal. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

  44. Unión del ATP controla la apertura y cierre del canal Con sitios de fosforilación por PKA y PKC CFRT (ABCC): (cystic fibrosis transmembrane regulator, regulador de la conductancia transmembranal de la fibrosis quística) Tiene 12 TM

  45. Regulador transmembrana de la fibrosis quística (CFTR) Sufre mutación en la fibrosis quística (enf autosómica recesiva): 1:3000 nacidos vivos. Es una glicoproteína (170 kDa) en membrana apical y basolateral de muchos epitelios Es un canal de Cl- y un regulador de otros canales iónicos (ej.: ENaC). ATP regula el canal de dos formas: fosforilación, interacciones con NBD. CFTR fosforilado se activa (aumenta la P0). Luego depende del ATP para el “gating”: apertura o cierre del canal. Se abre cuando en los 2 NBD hay ATP ligado.

  46. Transporte activo secundario: son cotransportadores (sinporter) e intercambiadores (antiporter): NO utiliza ATP directamente. Energía del gradiente del Na+ se utiliza para transportar otros solutos en contra de gradiente electroquímico. Gradiente de sodio lo mantiene la Na+- K+ ATPasa

  47. Cotransportadores Ambos solutos se mueven en la misma dirección. Na+ dependiente: El sodio puede ser cotransportado con muchos solutos: glucosa (SLC5), aa (SLC6 y SLC38), mono,di,tricarboxilatos (SLC13), aniones inorgánicos (fosfatos NaPi,sulfatos, bicarbonato NBC), iones: (Na+/K+/2Cl- NKCC; Na+/Cl NCC; K+/Cl- KCC) H+ dependiente: Acoplado a gradiente de H+: H+/oligopéptidos (SLC15); H+/monocarboxilato (SLC16); H+/cationes divalentes (SLC11) (Fe+2, Cd+2,Pb+2) Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

  48. SGLUT (SLC5 (12)) Na+ / D-glucosa ó galactosa (sodium glucose transporters). Se ven en borde apical de epitelio intestinal y renal SGLT2 y SGLT3: 1 Na+ : 1 glucosa SGLT1: 2 Na+ : 1 glucosa Es electrogénico, es saturable dep de [Na+] y glucosa. Tienen 14 TM Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

  49. Capacidad de concentración para la glucosa con el SGLT2: 1 Na+: 1 glucosa [glucosa]i/ [glucosa]o= [Na+]o/ [Na+]i x 10 –Vm/(61.5mV) Si afuera de la célula hay 10x más sodio que adentro, y la célula tiene un Vm de -61.5 mv entonces: [glucosa]i/ [glucosa]o=10x101= 100 Esto quiere decir que la glucosa logrará estar hasta 100 x más concentrada adentro que afuera. Tarea: Calcular lo mismo para el SGLT1: 2 Na+ : 1 glucosa cuando: [Na+]o= 150 mEq/L; [Na+]i= 10 mEq/L; Vm= -30 mv

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