TRANSPORTE DE MOLÉCULAS A TRAVÉS DE LAS MEMBRANAS CELULARES

1. TRANSPORTE DE MOLÉCULAS A TRAVÉS DE LAS MEMBRANAS CELULARES Dra. María de los Ángeles Echeverría Sáenz FISIOLOGÍA

2. MEMBRANA CELULAR • Cuando se analizaron los compartimientos líquidos observamos que la membrana plasmática (MP) o celular separa al LEC del LIC y debido a la permeabilidad de ésta, los dos compartimientos poseen una composición muy diferente. Por esa razón la MP o celular es muy importante en la función celular ya que sirve de barrera selectiva al paso de moléculas, detecta señales enviadas por otras células y sirve de anclaje en la unión con células vecinas o con la matriz celular.

3. La membrana plasmática tiene un grosor entre 4 y 9nm y consiste de una doble capa de lípidos (bilipídica) en la cual hay proteínas embebidas. • Esto es lo que conocemos hoy en día como el modelo de la membrana de “mosaico fluido”.

4. Modelo de “mosaico fluido”: en 1972 Singer y Nicolson propusieron una matriz fluida de fosfolípidos en el que flotan proteínas globulares integrales. Las moléculas proteicas y lipídicas poseen libertad de movimiento dentro de la membrana, lo cual es posible debido a la naturaleza fluida de la bicapa.

5. LÍPIDOS DE LAS MP • El principal tipo de lípidos que forma las membranas celulares son los fosfolípidos (FL). Los FL están formados por un alcohol que puede ser glicerol o esfingosina, dos cadenas de ácidos grasos y un fosfato que casi siempre está unido a otro alcohol como por ejemplo la serina, la etanolamina, la colina, el mismo glicerol o el inositol.

6. Los FL que se encuentran en la MP son: fostatidilcolina (lecitina), la esfingomielina, la fosfatidilserina, la fosfatidiletanolamina, el fosfatidilglicerol, el fosfatidilinositol y la cardiolipina. Otros lípidos muy importantes son el colesterol y los glicolípidos.

7. Dependiendo del tipo de ácidos grasos presentes en los FL y de la cantidad de colesterol contenida en la MP, éstas presentan una mayor o menor fluidez. Esta fluidez tiene implicaciones funcionales porque cuando ↑ la fluidez ↑ agua y otras moléculas hidrófobas pequeñas. Membranas con fluidez más alta como las células musculares (contiene pocos lípidos), membranas con muchos lípidos (SN) poca fluidez, más resistentes, aumentan velocidad de conducción.

8. Mantener la cantidad de lípidos constantes en las membranas celulares es importante para la salud de nuestros tejidos, por ejemplo en la enfermedad de Tay-Sachs hay exceso de glucoesfingolípidos que se acumulan en las células nerviosas ocasionando parálisis y disfunción mental.

9. PROTEÍNAS DE LAS MP • Las proteínas de membrana que cubren la bicapa lipídica se conocen como proteínas integrales de membrana, mientras que las que están asociadas con las capas interna o externa se conocen como proteínas periféricas o fijadas a lípidos, respectivamente.

10. El contenido proteico de la MP varía desde menos 20% en la mielina, sustancia que ayuda a la propagación y acción de los potenciales, hasta más de 60 % en los hepatocitos, los cuales realizan actividades metabólicas

11. Las proteínas integrales de la MP pueden tener varias funciones como: • Ser receptores de hormonas, NT, anticuerpos y sitios de unión de fármacos. • Ser enzimas involucradas en fosforilaciones de intermediarios metabólicos • Participar en el señalamiento intracelular

12. Pueden ser transportadoras de sustancias solubles en agua. • Las proteínas también pueden ser canales de membrana que permiten que iones como Na+,K+,Cl- y Ca++ fluyan a través de la MP.

13. DIFUSIÓN • Algunas moléculas como las de O2, CO2, ácidos grasos, hormonas y vitaminas liposolubles y hasta cierto grado las del agua, el etanol, la urea y otras más, pueden penetrar en la bicapa lipídica de la MP y atravesarla en cualquier sentido.

14. Las moléculas poseen movimientos constantes que se denomina el movimiento browniano, por ejm. Una molécula de H2O se mueve a 2500Km/ h y una de glucosa se mueve a 850km/h. Este movimiento es aleatorio, aumenta con la temperatura y disminuye conforme aumenta la masa de las moléculas. Este movimiento es el causante de la difusión.

15. La magnitud del flujo difusional (J) de un compartimiento a otro, va a depender de la diferencia de concentración entre los 2 compartimientos, entre más gradiente de concentración exista, habrá mayor flujo; además depende del área de la membrana que los separa; el grosor de la membrana y las características fisicoquímicas del soluto.

16. Matemáticamente el J obedece a la siguiente fórmula conocida como el principio de Fick: • J ( mol o g/ unidad de tiempo = -DA*dc/dx donde D= coeficiente de difusión, tiene signo - porque como ocurre de mayor a menor concentración, la pendiente de la función es- • A= área de la membrana; dc= gradiente de concentración y dx= grosor de la membrana.

17. OSMOSIS • Es un caso particular de difusión, se presenta en las membranas semipermeables y lo que atraviesa a la membrana es el agua. • La presión osmótica (π) se calcula de acuerdo a la ley de Van’t Hoff: • π = RT(Φic), donde R= constante de los gases ideales, T= temperatura absoluta, Φ= coeficiente osmótico, i= # partículas formadas por disociación de una molécula de soluto, c=concentración molar del soluto.

18. Los Φ se pueden obtener de los libros: • Para el NaCl el Φ = a 0.93; para el KCl es de 0.92 y el de la glucosa es de 1.01 • El término Φic = corresponde a la osmolaridad de una solución. • Recordar que osmolaridad es el # de osmoles/L en solución y que osmolalidad es el # de osmoles pero por kg de solvente.

19. Debe aclararse que si la membrana también es permeable al soluto, este difundirá siguiendo su gradiente de concentración. • Lo anterior ayuda a diferenciar dos términos: osmolaridad y tonicidad. • En la osmolaridad importa el # de partículas presentes en la solución. En la tonicidad además importa si las partículas presentes atraviesan o no la membrana celular.

20. En condiciones normales, una solución isotónica es isosmótica con el LEC, el cual es isosmótico con plasma (290 a 300 mOsm/L). Por ejemplo una solución de 0.9% de NaCl es isotónica e isosmótica con el plasma

21. No todas las soluciones isosmóticas son isotónicas: ejemplo una solución de urea de 290mM es isosmótica pero no isotónica porque la urea es permeable a través de la membrana celular, lo que ocasiona un ingreso de agua hacia el interior de la célula. • También una solución de glucosa al 5% es isosmótica pero no isotónica porque el eritrocito comienza a utilizar la glucosa y también ocurre un aumento del volumen celular.

22. TRANSPORTE MEDIADO • 1. Transporte a través de canales iónicos • Presencia de proteínas integrales con un canal por donde pueden movilizarse iones (Na+, K+, Ca++, Cl- y agua).

23. Los canales se clasifican de acuerdo al tipo de estímulo necesario para su apertura: • A. Canales operados por voltaje (COV) • B. Canales mecanosensibles (CMS) • C. Canales operados por ligando (COL) • D. Canales operados por segundos mensajeros (COSM) E. La clasificación anterior se refiere a iones, pero también pueden existir para el agua, se denominan “acuaporinas”.

24. Estructuralmente los canales iónicos son muy heterogéneos. • Una característica de ellos es que seleccionan bastante bien al ión o iones que dejan pasar. • La selectividad depende: dimensiones físicas del poro, de repulsiones electrostáticas e interacciones específicas de los iones con el canal, como puede ser la interacción con el agua.

25. Algunas Enfermedades por Alteración de Canales • Fibrosis quística: alteración genética para el canal de Cl- • Síndrome de alargamiento del QT cardíaco: la mayoría por mutaciones del canal de K+, pero también algunos casos por alteración del canal de Na+ • Sorderas congénitas: mutación canal de K+

26. Migraña hemiplégica familiar ( migraña que se acompaña de ataxia): defecto en el canal de Ca++ • Síndrome de Lambert-Eaton, defectos en los canales de Ca++ en las sinapsis motoras

27. 2. Trasporte mediado por acarreadores: • A. Difusión facilitada: es otro tipo de transporte mediado. En este caso no existe un poro o canal dentro de la proteína, sino más bien, sitios específicos de unión con alta afinidad para la o las sustancias a ser transportadas. Caso típico el de la glucosa.

28. En este mecanismo la dirección del flujo ocurre a favor de gradiente de concentración y se diferencia de la difusión simple en que esta si se satura.

29. TRANSPORTES ACTIVOS • Este transporte se caracteriza porque alguna de las sustancias que se moviliza lo hace en contra de su gradiente de concentración por lo tanto se necesita energía. • El transporte activo al igual que la difusión facilitada presentan saturación. • Se clasifica en primario y secundario. En el primero la fuente de energía es la hidrólisis del ATP, en el segundo la fuente de energía es la acumulada por un soluto que se moviliza a favor de su gradiente electroquímica, (la mayor parte de las veces es el ión Na+).

30. Transporte activo primario: el ejemplo clásico de este tipo de transporte es la bomba de Na+-K+ ATPAsa. Esta es una proteína integral de membrana, formada por 2 subunidades (α y β), que al sacar 3 Na+ de la célula introduce 2 K+.La bomba ocurre gracias a que se hidroliza ATP y la bomba se autofosforila y ello modifica la afinidad de los sitios de unión por las sustancias que se transportan.

31. La subunidad alfa es la que posee los sitios de unión para los 2 K+ (lado extracelular), los sitios de unión para los 3 Na+, la actividad ATPásica y el sitio de autofosforilación ( lado intracelular). La subunidad beta es necesaria para la actividad normal de la subunidad alfa.

32. Otros ejemplos de ATPasas existentes en los mamíferos son: • 1. La Ca++ATPasa, presente en la membrana plasmática, donde saca 2Ca++ de la célula, y en ciertas organelas, como el retículo endoplasmático y la mitocondria introduce 2 Ca++ en ellas.

33. 2. La H+ATPasa, presente en la membrana luminal de las células epiteliales renales, gracias a ella se acidifica la orina; también presente en lisosomas para acidificar su contenido. • 3. La H+-K+ATPasa, presente en la membrana luminal de las células parietales gástricas, es la responsable de la acidez del jugo gástrico, saca 1H+ e introduce 1 K+ por cada ATP que hidroliza, también está presente en células epiteliales renales.

34. Transporte activo secundario: en este caso los acarreadores poseen 2 o más sitios de unión para diferentes moléculas. Las sustancias transportadas son casi siempre iones, glucosa o aa. En la mayoría de los casos, es el sodio el que se moviliza a favor de su gradiente electroquímico ( ingresa en las células), suministrando la energía necesaria para el movimiento de las otras sustancias en contra de su gradiente. La unión del sodio produce en el acarreador los mismos cambios que producía la fosforilación en las ATPasas.

35. Cuando las moléculas transportadas se movilizan en la misma dirección el acarreador recibe el nombre de “simportador” , pero cuando una se moviliza en un sentido y la otra en sentido contrario se llama “antiportador”. Además cuando el número de cargas + y – son diferentes en cada dirección se dice que son electrogénicas.

36. Ejemplos de transportadores activos secundarios son: • 1. El 3 Na+/1 Ca++( saca 1 Ca++ y mete 3Na+), es electrogénico y antiportador • 2. El Na+/H+(saca 1H+ y mete 1Na+), es antiportador no electrogénico. • 3. El Na+/K+/Cl-( moviliza 1Na+,1 K+ y 2 Cl- hacia el interior de las células) es simportador no electrogénico.

37. 4. El HCO3-/Cl- ( saca 1HCO3- e introduce 1 Cl-) es un antiportador no electrogénico. • 5. El Na+/glucosa( moviliza 2 Na+ y una glucosa hacia dentro de las células), es un simportar electrogénico. • 6. Na+-aa: en realidad existen varios tipos de transportadores para aa, unos utilizan Na+ y otros no.

38. EXOCITOSIS Y ENDOCITOSIS • Hasta ahora, todos los sistemas de transporte discutidos permiten el paso de moléculas a través de la membrana celular. Existe otra manera de transportar sustancias de un compartimiento al otro, ésta es englobadas en vesículas formadas con trozos de membrana celular.

39. Cuando la vesícula se forma en la membrana e introduce material al interior que estaba en el LEC, el proceso se denomina endocitosis; cuando la vesícula se forma en el interior de la célula y exporta material del LIC al LEC se denomina exocitosis.

40. Endocitosis: hay dos tipos: la constitutiva y la mediada por receptor. La primera es un proceso que se presenta continuamente, mientras que la segunda, es activada por la unión de las sustancias, que van a ser endocitadas, con receptores localizados en ciertas regiones de la membrana llamadas “fositas cubiertas”. En la parte interna de estas fositas se encuentra la proteína llamada clatrina, compuesta por varias subunidades de triskelion. Cuando éstas subunidades se polimerizan forman una canasta que llega a cerrarse, formándose una vesícula que se internaliza.

41. Una vez que la vesícula está dentro de la célula, la clatrina se desprende y puede ser reciclada, o cuando no, se separan y se fusionan con un lisosoma, con lo cual el contenido se digiere, mediante las proteasas lisosómicas. • Mediante este proceso es que pueden ingresar a las células sustancias como: factores de crecimiento, hormonas peptídicas, lipoproteínas de baja densidad (LDL), colesterol, hierro junto con transferrina, enzimas lisosomales y anticuerpos.

42. La endocitosis también se ha dividido de acuerdo al tamaño y estado del material que se internaliza: cuando son sólidos, se denomina fagocitosis( “ingesta o comida celular”), por ejemplo cuando los leucocitos polimorfonucleares rodean a bacterias, tejido muerto u otras partículas de material visible al microscopio.

43. Cuando lo que se internaliza es fluido se denomina pinocitosis(“bebida celular”), aquí las sustancias están en solución y no son visibles al microscopio.

44. La exocitosis también puede ser constitutiva o desencadenada ante estímulos determinados, ésta última también se le ha llamado “regulada”. En la exocitosis regulada, un ↑ de Ca++intracelular conduce a la fusión de las vesículas con la membrana celular. En reposo, las vesículas se anclan a los componentes del citoesqueleto por medio de una proteína llamada sinapsina, la cual rodea a las vesículas.

45. Cuando ↑ el Ca++ citosólico, la sinapsina se fosforila por una proteína cinasa II dependiente del complejo Ca++/calmodulina, lo cual favorece que las vesículas se liberen del citoesqueleto, se fusionan con receptores de la membrana y dejan el contenido fuera de ella.

46. Muchas sustancias utilizan este mecanismo para salir de las células: neurotransmisores, las enzimas digestivas, las hormonas peptídicas y las proteínas en la leche materna. • Tanto la endocitosis como la exocitosis requieren energía.

47. La endocitosis disminuye el área de la membrana plasmática y la exocitosis agrega membrana y esta coordinación entre endocitosis-exocitosis mantiene la superficie de la célula en sus dimensiones normales. • De hecho se dice que, aproximadamente, toda la membrana celular ha reciclado en un período de una hora.