Tema 10. Transport a través de la membrana biològica (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Pompeu Fabra (UPF)
Grado Medicina - 1º curso
Asignatura Bioquímica I
Año del apunte 2014
Páginas 9
Fecha de subida 02/02/2015
Descargas 13
Subido por

Vista previa del texto

Tema 10. Transport a través de la membrana biològica El transport a través de la membrana biològica pot realitzar-se a favor o en contra de gradient, en funció de si el pas de la substància és dona del compartiment amb més concentració al de menys concentració o a la inversa.
DIFUSIÓ La difusió és un tipus de transport a favor de gradient que consisteix en el pas d’una substància a través d’una membrana. El flux de difusió dependrà de la concentració als dos compartiments i s’expressarà en unitats de volum per unitat de superfície.
El flux d’A a través d’una membrana depèn de la concentració relativa dels dos compartiments (dins i fora) i del coeficient de permeabilitat P, que alhora depèn del coeficient de repartiment oli-aigua (K), del coeficient de difusió de la molècula en la membrana, que inclou forma i grandària de la molècula i viscositat (fluïdesa) de la membrana) i del grossor de la membrana L.
En funció de si intervé algun tercer element en la difusió de substàncies podem separar distingir entre difusió simple i difusió facilitada. Independentment de la participació d’aquest tercer element la difusió sempre es produirà a favor de gradient.
Difusió simple Les molècules orgàniques de petita grandària i lleugerament polars passen a través de les membranes sense requerir la participació de cap altra molècula.
Difusió facilitada S’observa que algunes molècules passen a través de les membranes biològiques més eficientment que a través de membranes artificials formades únicament per una bicapa de fosfolípids. Aquest fet es deu a la presència de proteïnes que actuen com a transportadors facilitadors incrementant el flux de molècules. Aquests transportadors poden ser tipus carrier, canals o porus.
El transport facilitat és saturable i assimilable a la cinètica Michaeliana. És possible representar el flux en funció de la diferència de concentracions, d’on es podrà extreure els valors de flux màxim i KM, i es podrà fer també la representació de Lineweaver-Burk.
Les proteïnes facilitadores de transport poden ser inhibides per inhibició competitiva o no competitiva i s’estudiaran com amb els enzims.
Transportadors tipus carrier Els transportadors del tipus carrier són proteïnes transmembrana amb una part a l’exterior de la cèl·lula i una altra part a l’interior. Tenen dues conformacions diferents, una oberta cap a l’exterior i l’altra oberta cap a l’interior per transportar les substàncies.
Esquema del cicle d’acció del transportador de glucosa: Transportadors tipus porus o canals Els porus són espais en la membrana per on pot passar tota substància que sigui més petita d’una mida determinada. Generalment permeten el pas de substàncies més grans que els canals i poden utilitzar-se per connectar cèl·lules.
Els canals són molt més específics i estan formats per subunitats o dominis que s’integren a la capa lipídica formant un espai amb un entorn hidrofòbic. Els canals iònics normalment es troben tancats i s’obren de manera transitòria modificant la seva estructura quaternària per l’acció d’estímuls. Les proteïnes que formen aquest canal normalment presenten estructura d’hèlix alfa.
Exemple d’especificitat dels canals: canal de potassi El canal de potassi, per exemple, no permet el pas de sodi. Aquests dos elements en solució aquosa no es troben lliures com a ions sinó que es troben hidratats. Per passar pel canal el potassi ha d’alliberar les molècules d’aigua i interaccionar amb els grups carbonils, i aquesta ressolvatació de l’ió compensa la pèrdua d’interacció amb l’aigua. El sodi, en canvi, és massa petit i només pot formar dos enllaços, de manera que no pot alliberar-se completament de l’aigua i és incapaç de passar pel canal.
Regulador transmembrana de la fibrosi quística (CFRT): Canal de Cl El CFRT facilita la sortida de clor cap a l’exterior de la cèl·lula i alhora la sortida de sodi i aigua.
Un mal funcionament del regulador impedirà no només la sortida de clor sinó també la de sodi i aigua, de manera que l’epiteli no quedarà ben hidratat. Una mutació en la fenilalanina508 provoca un plegament incorrecte de la proteïna i la seva degradació, provocant un moc extraepitelial poc fluid.
Els ionòfors són pèptids relativament petits que formen un canal específic obert perpètuament. La gramicidina, per exemple, és un antibiòtic que permet la sortida constant de potassi. De manera general els antibiòtics afecten molt més a les cèl·lules procariotes que a les eucariotes. En el cas de la gramicidina, actuarà sobre les cèl·lules procariotes impedint-los mantenir constants les concentracions.
Diferències entre canals i carriers  Temperatura Els transportadors tipus carrier tenen una major dependència per la temperatura que els tipus canal.
 Molècules anti-transportades Les molècules anti-transportades afecten únicament els transportadors tipus canal, ja que la sortida d’una substància impedeix l’entrada d’una altra.
TRANSPORT ACTIU El transport actiu és un tipus de transport en contra de gradient produït per la necessitat de mantenir una diferència de concentracions. Aquesta diferència de concentracions provoca una diferència de potencial en la cèl·lula amb més càrrega positiva a l’exterior. Alhora, aquest transport és un transport electrogènic que crea una diferència de potencial.
Z = càrrega ió F = constant de Faraday = 96,5 KJ/mol V ΔV = diferència de potencial Exemple 1: Sortida d’un mol d’ions Na+ Exemple 2: Entrada d’un mol d’ions K+ La determinació del signe de la diferència de potencial (ΔV) és realitzarà en funció si aquesta diferència afavoreix o dificulta el procés. En el primer cas un ió positiu s’està desplaçant cap a l’exterior, on hi ha més càrregues positives. La diferència de potencial en aquest cas està dificultant el procés: ha de ser positiva per augmentar l’energia. En el segon cas, en canvi, un ió positiu està entrant a la cèl·lula, on les càrregues positives són menors. La diferència de potencial afavoreix el procés i disminueix l’energia necessària per realitzar el procés. Té, per tant, signe negatiu.
Per realitzar un transport en contra de gradient és necessària l’aportació d’energia, que s’extreu de la hidròlisi de l’ATP. S’observa que l’acoblament entre aquests dos processos és molt eficient.
Hidròlisi ATP = -43 KJ/mol Transport actiu de 3 mols Na+ i 2 mols K+ = 42,8 KJ La pèrdua del gradient de concentracions d’una cèl·lula mostra que aquesta està morint, doncs no és capaç d’obtenir suficient energia.
El transportador de sodi-potassi, també anomenat bomba de sodi potassi, actua alhora com una ATPasa. Així doncs, bomba sodi-potassi dependent de l’ATP serà sinònim d’ATPasa dependent del transport de sodi-potassi. En lloc d’utilitzar l’ATP per al transport de sodi i potassi, l’enzim podria funcionar també a la inversa i utilitzar aquest transport per a sintetitzar ATP. D’aquesta manera la diferència de concentracions actuaria com a reserva d’energia.
Només alguns gradients són utilitzats amb aquesta finalitat. Un exemple és el gradient de protons en la mitocondria.
La bomba sodi-potassi, i per extensió les bombes en general, modifiquen la seva estructura quaternària amb la hidròlisi de l’ATP.
Un altre exemple de bomba seria la bomba de calci, que transporta ions Ca 2+ del citosol al reticle endoplasmàtic funcionant alhora com a ATP sintetasa.
Tipus de transportadors dependents d’ATP Alguns exemples de transportadors dependents d’ATP són els següents: - ATPases tipus P Es fosforilen i transporten cations.
- ATPases tipus A Transporten anions.
- ATPases tipus F Transporten protons al mitocondri. En lloc de funcionar com a ATPases bombejant protons en contra de gradient eliminen el gradient i sintetitzen ATP.
- ATPases tipus V Similars a les F. Es troben en vacuoles de plantes i en lisosomes - Transportadors tipus ABC Transporten activament moltes substàncies: ions, petits metabòlits i drogues. Són importants en moltes patologies.
Flipasa Bomba de fosfolípids dependent d’ATP. Col·labora a la difusió transversa (flip-flop) dels fosfolípids.
Proteïna MDR Transportador del tipus ABC amb rellevància patològica donada la seva resistència als fàrmacs. La síntesi de la proteïna augmenta en cèl·lules tumorals.
COTRANSPORT O TRANSPORT SECUNDARI El cotransport consisteix en el transport d’una molècula aprofitant un gradient iònic. En funció de si es dóna en la mateixa direcció o en direcció contraria es distingeix entre simport i antiport respectivament.
Exemples de cotransport MOLÈCULA TRANSPORTADA Glucosa Glicina Aminoàcids Lactosa GRADIENT IÒNIC UTILITAZAT Na+ Na+ Na+ H+ ORGANISME O TEIXIT Intestí, ronyó Eritròcits Intestí Escherichia coli Transport de glucosa a l’intestí prim des del lumen a la sang Es produeix l’entrada sodi a favor de gradient i de glucosa per simport. Aquesta glucosa surt de la cèl·lula als capilars sanguinis mitjançant un transportador de glucosa mentre que el sodi surt per mitjà d’una bomba Na+/K+ dependent d’ATP (antiport).
Relació entre les concentracions d’ions d’una cèl·lula Les diferents concentracions d’ions en una cèl·lula estan molt relacionades, de manera que anular un gradient tindrà conseqüències sobre els altres.
L’efecte de la digitalina en la contracció cardíaca seria un clar exemple d’aquest fenomen. La contracció de la cèl·lula cardíaca depèn de la concentració de Ca2+, que surt de la cèl·lula per un antitransportador de Na+/Ca2+. El sodi, alhora, entra a la cèl·lula per un altre antitransportador: la bomba Na+/K+. La digitalina actua inhibint la bomba sodi-potassi. Això causa un augment de la concentració de Ca2+, que provoca la contracció muscular.
Transport acoblat a translocació de grups El transport acoblat a la translocació de grups consisteix a la modificació química dels substrat per unió covalent amb un grup químic després del seu transport per evitar-ne la sortida i permetre’n l’acumulació.
La glucosa es fosforila després de la seva entrada a la cèl·lula a favor de gradient per mitjà de transportadors carrier. Un procés similar es dóna amb alguns aminoàcids.
Mètodes d’estudi L’estudi de les proteïnes de membrana es realitza mitjançant la reconstrucció de liposomes.
En primer lloc es solubilitza la membrana intacta mitjançant detergents i es purifica la proteïna a estudiar. A continuació es reconstrueixen liposomes mitjançant l’addició de fosfolípids, que tenen una major afinitat per la proteïna que pel detergent, i aquest s’elimina per diàlisi. Per seleccionar els liposomes on la proteïna s’ha inserit en la posició esperada es pot utilitzar cromatografia d’afinitat o anticossos. En el primer cas s’utilitzaran els glúcids que s’uneixen a les proteïnes i es realitzarà una cromatografia. En el segon cas s’utilitzaran anticossos que detectin el domini que ens interessa. D’aquesta manera haurem seleccionat els liposomes que contenen la proteïna a estudiar i podrem treballar-hi.
1.
2.
3.
4.
Solubilització membrana Purificació proteïna Reconstrucció liposomes Selecció liposomes a. Cromatografia b. Anticossos 5. Estudi liposomes seleccionats CONCEPTES IMPORTANTS Citar els diferents tipus d’entrada de substàncies a una cèl·lula.
Recordar què és el coeficient de permeabilitat.
Recordar els diferents tipus de proteïnes que poden facilitar la difusió de molècules a l’interior de les cèl·lules.
Definir els paràmetres que determinen l’activitat d’un transportador.
Diferenciar un transportador tipus “carrier” d’un porus o canal.
Entendre les bases moleculars de l’alta especificitat dels canals.
Com es produeix el transport actiu d’una molècula en una membrana biològica.
Quines proteïnes (enzims) ho catalitzen i com funcionen.
Quina relació existeix entre el gradient de concentracions i l’energia química.
Com es calcula la despesa energètica del transport d’un ió i d’una molècula sense càrrega.
En què consisteix el transport acoblat (cotransport).
Quins altres mètodes hi ha per acumular una substància dins la cèl·lula.
...