Tema 1. Transport de ions (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Ciencias Biomédicas - 1º curso
Asignatura Fisiologia
Año del apunte 2016
Páginas 10
Fecha de subida 25/04/2016
Descargas 4
Subido por

Vista previa del texto

Fisiologia | Tema 1 Milena Abreu TEMA 1. TRANSPORT DE IONS Estructura de la membrana cel·lular - Bicapa lipídica - Model de mosaic fluid Una de les funcions principals de la membrana és fer de filtre.
Gran variabilitat de proteïnes de membrana, en general es classifiquen en 2 tipus: integrals o transmembrana i perifèriques. Les funcions de les proteïnes transmembrana són molt variades, entre elles, canals iònics. Les perifèriques es troben la majoria a la cara interna  senyals missatgers. Algunes importants de la cara externa son glucoproteïnes que en molts casos serveixen com a antígens.
Hi ha un desequilibri de la concentració dels diferents compostos a dintre i fora de la membrana: o Na+  la concentració a l’interior cel·lular es unes 15 vegades menys que a l’exterior o Cl+  molt menys a l’interior que a l’exterior o K+  unes 35 vegades més dins que fora. Si s’incrementa la concentració de potassi del fluid extracel·lular, morim  cada vegada que fem un àpat, la regulació del potassi ha de ser molt estricta.
o Ca2+  pràcticament 0 a l’interior de la cèl·lula (al citosol). Hi ha estructures de la cèl·lula on si que trobem calci: al RE el calci es troba molt concentrat. Les seves concentracions al citosol són tan baixes perquè el calci activa molts processos biològics. Quan la concentració de calci s’eleva molt, s’activa l’apoptosi cel·lular.
A l’interior cel·lular tampoc trobem glucosa, sempre és metabolitzada o transformada en glicogen.
1 Fisiologia | Tema 1 Milena Abreu Quan tenim una pèrdua de líquids (suor), perdem també ions. Per això molts esportistes beuen aigua de mar (4 vegades diluïda) per recuperar-se després de fer exercici intens.
Difusió Les partícules es mouen aleatòriament (moviment Brownià o de zig-zag).
Quan la distribució de les molècules no es homogènia, al cap d’un temps n’hi haurà una d’homogènia, gràcies a la difusió a través de les membranes cel·lulars.
Factors que determinen la difusió F (flux net de difusió a través de la membrana) = Kp · A (Ce-Ci) La constant de permeabilitat (Kp) de la fórmula de la difusió depèn de: - Temperatura: a major T major difusió Mida: a menor mida major difusió Medi: en un medi gasós es mouen més ràpid que un de líquid, perquè en un medi líquid també hi ha les molècules d’aigua que dificulten la difusió.
Factors clau: - Àrea de superfície (A) Diferència de concentració (intracel·lular  Ci i extracel·lular  Ce) Això explica que les cèl·lules tinguin una mida tan petita, ja que si l’àrea de superfície fos gran, no ens arribarien els nutrients (glucosa, oxigen, etc.) a l’hora. Si, per exemple, canviéssim les mides cel·lulars de micres a cm, tant l’oxigen com la glucosa trigarien anys en arribar a l’equilibri, en comptes de milisegons.
Difusió a través de la membrana   Difusió de substàncies liposolubles - Per dissolució en la bicapa lipídica - Ex: oxigen, nitrogen, urea, alcohols...
- La permeabilitat depèn de la solubilitat en lípids (coeficient de partició/permeabilitat) i del pes molecular Difusió de substàncies hidrosolubles - Molècules petites (PM<200) poden difondre a través de la membrana de forma limitada per la seva baixa liposolubilitat - Mecanismes: porus o canals a la membrana (aquaporines per l’aigua) / pas entre les molècules de fosfolípids 2 Fisiologia | Tema 1 Milena Abreu Mecanismes de transport a través de la membrana - Difusió simple  només substàncies liposolubles - Canals iònics - Difusió facilitada - Transport actiu Osmosi L’aigua passa a través d’uns canals (aquaporines), sempre regulada per la pressió osmòtica.
Aquaporines (n’hi ha de molts tipus, però en general comparteixen característiques): - Proteïna amb 6 motius transmembrana Formen tetràmers on cada monòmer és un canal Arginina dóna selectivitat a l’entrada d’aigua Mutació AQ2 (es troba molt als ronyons  reabsorció d’aigua renal dificultosa) diabetis insípida (no dolça) nefrogènica Neuromielitis òptica (afecta al nervi òptic i al sistema immune) o malaltia de Devic està associada a autoimmunitat a AQ4.
Transport de ions a través de la membrana cel·lular Els ions tenen molt poca permeabilidad a través de la bicapa lipídica, degut a: - Baixa liposolubilitat La repulsió per càrregues negatives o positives dels lípids polars a les superfícies externa o interna 3 Fisiologia | Tema 1 - Milena Abreu La mida dels ions en el medi aquós es més gran que el de la molècula (aigua d’hidratació) Estructura general dels canals iònics Provenen d’una família de supergens que codifiquen diverses proteïnes de similar estructura tridimensional. Entre 4 i 12 fragments transmembrana.
Tots, a nivell tridimensional, adopten la mateixa estructura  un canal a través del qual poden circular els diferents ions. La majoria de canals mostren cert grau de selectivitat, determinada per l’estructura del canal.
El porus del canal determina la selectivitat d’aquest.
Famílies de gens que codifiquen: - - Canals iònics selectius per Na+, K+ o Ca2+.
Els que són selectius pel sodi tenen moltes càrregues negatives a l’interior.
Canals activats per neurotransmissors Canals d’unions íntimes Selectivitat dels canals iònics Tots els ions estan hidratats, el que augmenta la seva mida. Per si sols, els ions sodi hidratats no poden travessar els porus. Només passen quan la molècula d’aigua se separa de l’ió. Els grups carboxils dels aminoàcids que hi ha a la regió de filtre del canal, tenen més afinitat per l’aigua que els ions sodi, així, quan passen pel costat, els ions sodi es desprenen de les molècules d’aigua d’hidratació i estableixen enllaços electrostàtics amb residus polars d’aquests aminoàcids. La unió dura aprox. 1 microsegon. Després les forces de difusió i elèctriques impulsen l’avanç pel canal.
La majoria de canals són selectius per a un sol tipus d’ió. La selectivitat depèn de la conformació de la cadena proteica del canal, segons diàmetre i càrregues internes a la superfície interna.
El sodi és molt més petit que el potassi hidratat. Perquè només passi el sodi, el canal és prou gran perquè el sodi pugui passar, però prou petit perquè no passi el potassi.
Factors que determinen la difusió per canals iònics 1. Permeabilitat de la membrana: depèn del número de canals per unitat de superfície (si no hi ha canals, la permeabilitat és 0), de la resistència del canal, del PM de l’ió i de la T.
En situació fisiològica, el factor clau, donat que les mides moleculars dels ions són semblants, és el nombre de canals per unitat de superfície.
L’ió que té més permeabilitat per creuar les nostres membranes biològiques és el potassi.
4 Fisiologia | Tema 1 Milena Abreu 2. Diferència de concentració de l’ió entre els 2 costats de la membrana.
3. Diferència de potencial elèctric, que determina atracció o repulsió de l’ió segons el signe de la càrrega.
4. Diferència de pressió.
Activació de canals iònics o Depenent de voltatge. Quan s’arriba a un cert voltatge, s’obre el canal. Quan s’obre, la permeabilitat iònica per aquell ió o ions, augmenta dràsticament.
o Depenent de lligand. Una molècula s’uneix als receptors de la superfície del canal, aquest canvia de conformació i s’obre. Ex: receptors per neurotransmissors.
o Mecanosensitius. Detecten canvis mecànics que s’apliquen sobre la membrana plasmàtica. Amb aquests canvis, s’obren els canals. Ex: tacte.
Funcionament del canal depenent del voltatge per Na+ Al canal hi ha 2 comportes que regulen el flux iònic: - Comporta d’activació  en contacte amb el medi extracel·lular i tancada en condicions basals Comporta d’inactivació  en contacte amb el citosol i oberta en condicions basals Quan s’obre la comporta d’activació, el Na+ entra a la cèl·lula (en general), durant un temps determinat, molt limitat biològicament. Quan s’obre la comporta d’activació, la d’inactivació es tanca. Aquesta comporta d’inactivació triga més en tancar-se que la d’activació en obrir-se, per això el canal està obert tant poc temps. Perquè el canal sigui funcional, ha de recuperar la seva conformació inicial. Ho fa quan el potencial de membrana en repòs s’estabilitza.
5 Fisiologia | Tema 1 Milena Abreu Hi haurà un moment en què les dues comportes estaran tancades, ja que quan la d’activació es tanca, la d’inactivació triga una mica més en obrir-se.
Funcionament del canal dependent de voltatge per K+ Només té una comporta. Quan es tanca  permeabilitat 0. Quan es dóna un canvi de voltatge (entre 15-30mV), la comporta s’obre i el potassi passa. La cinètica del canal de potassi és, en general, més lenta que la del sodi. En la majoria dels casos, les cèl·lules que tenen canals de sodi, també en tenen de potassi. Quan arriba l’estímul, primer hi ha flux de sodi i després de potassi. El canal de potassi s’obre quan el de sodi s’ha tancat. A les cèl·lules musculars, esquelètiques i neurones, és imprescindible que primer passi el sodi i després el potassi.
6 Fisiologia | Tema 1 Milena Abreu Estudi del comportament de canals iònics Patch camp es succiona la membrana amb una pipeta molt molt petita, i es queda un tros de membrana a la pipeta. El tros de membrana només pot tenir un únic canal iònic, per tal de poder mesurar les diferències de flux iònic. Amb la membrana també s’ha agafat líquid extracel·lular  condicions idèntiques a les de la cèl·lula.
Cal un voltímetre per mesurar les diferències de flux iònic.
Difusió facilitada Els ions i biomolècules poden travessar la membrana cel·lular a través de proteïnes transportadores transmembrana, en forma de canal. Però, a diferència dels canals iònics: - - La proteïna transportadora ha de realitzar un canvi conformacional, que ve determinat pel temps d’obertura i tancament (limitació) El transport es realitza més lentament que a concentració elevada (cinètica enzimàtica) Transport actiu Les molècules i ions no poden difondre a través de la membrana cel·lular contra gradient electro-químic.
El transport actiu permet el pas de substàncies en contra de gradient electró-químic, amb despesa d’energia utilitzant directament i indirectament ATP.
El transport actiu de ions es porta a terme per transportadors específics, anomenats bombes iòniques.
Bomba Na+/K+ Estructura de la bomba Na+/K+ És una ATPasa, amb dues subunitats: o Subunitat beta  glicoproteïna reguladora o Subunitat alfa  catalítica. A la qual trobem: - Sensor de Na+/K+ - ATPasa - Fosforilació 7 Fisiologia | Tema 1 Milena Abreu Funcionament de la bomba Na+/K+ Aquesta ATPasa fa un cicle entre 2 conformacions: E1 (passos 1 i 4 de la imatge) i E2 (passos 2 i 3).
Bomba electrògena: treu més càrregues de les que entra  transporta de 3 ions sodi cap a l’exterior cel·lular i internalitza 2 ions potassi, amb consum d’una molècula d’ATP. Això crea una diferència de potencial de membrana: electroquímic.
A mesura que entra el sodi, la pressió osmòtica de la cèl·lula augmenta, i es podria lisar. Per això és tant important la bomba de sodi/potassi, ja que si no traiem el sodi, no podem tornar a les condicions basals.
Bomba de Ca2+ Estructura de la bomba de Ca2+ La trobem a la membrana plasmàtica i a la membrana del RE. La concentració del calci a l’interior cel·lular (citosol) és pràcticament 0 gràcies a aquesta bomba.
Els seus dominis són: - Sensor de Ca2+ ATPasa Fosforilació Una de les proteïnes claus serà la calmodulina, que activarà diferents processos i regularà l’afinitat d’aquesta bomba pels ions calci.
8 Fisiologia | Tema 1 Milena Abreu Funcionament de la bomba de Ca2+ Treu dos ions calci del citosol (ja sigui cap a l’exterior cel·lular o cap al RE), gastant una molècula d’ATP.
Funcionament de la bomba de H+ Permet eliminar o concentrar la quantitat de H+.
La bomba H,K-ATPasa Els concentra a l’estómac, excretant H i reabsorbint K. És per això que el pH de l’estómac és tan baix.
La bomba de protons també els concentra a nivell renal  l’orina és àcida. Si la sang s’acidifica, aquesta acidificació s’elimina mitjançant l’orina, gràcies a les bombes de protons.
Transport actiu secundari El bombeig de ions al medi extracel·lular mitjançant el transport actiu primari provoca un gran gradient de concentració de ions sodi a través de la membrana.
El transport actiu secundari, a diferència de les bombes o ATPases, utilitza l’energia generada per l’excés de sodi a l’exterior de la membrana cel·lular, per transportar substàncies en contra de gradient electroquímic.
9 Fisiologia | Tema 1 Milena Abreu 10 ...