Tema III BioCel (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 1º curso
Asignatura Biologia Celular
Año del apunte 2014
Páginas 9
Fecha de subida 01/11/2014
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Apuntes para asignaturas de Biologia Celular de todos los grados de biociencias (biologia, genetica, microbiologia, biomedicina, nanotecnologia y biotecnologia).

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Bloque III: Transporte a través de la membrana celular.
Recordemos que en la bicapa lipídica era frecuente encontrar fosfolípidos específicos solo en la capa interna - fosfatidiletanolamina y la fosfatidilserina –que le dan a este lado de la capa un carácter negativo. Las moléculas polares (positivas) que atraviesen la bicapa lo harán entonces de una manera sencilla y en abundancia, ya que serán atraídas por la bicapa interna negativa hacia el interior de la célula. Sin embargo, en otras bicapas donde la composición provoque que la capa interna sea positiva será difícil que fluyan moléculas polares (positivas) ya que serán repelidas. De este modo la membrana plasmática actúa como barrera impermeable contra determinadas moléculas.
La mayoría de las moléculas biológicas son incapaces de difundir a través de la bicapa fosfolipídica, por lo que necesitan ayuda de proteínas de transporte específicas. Así pues podemos diferenciar tres tipos de difusión: Difusión simple: Es un proceso no selectivo sin gasto de energía. Una molécula se disuelve en la bicapa fosfolipídica, difunde a través de ella, y después se disuelve en la solución acuosa al otro lado de la membrana. No interviene ninguna proteína de membrana la dirección del transporte viene determinada simplemente por las concentraciones relativas de la molécula dentro y fuera de la célula. El flujo neto de las moléculas se produce a favor de su gradiente de concentración –desde un compartimento con una concentración elevada de la molécula a otro con una concentración inferior. Es común entre moléculas pequeñas y relativamente hidrofóbicas –gases como el O2 y el CO2, moléculas como el benceno y otras polares pero sin carga, como el H2O y el etanol. Son moléculas de poco peso, como por ejemplo el etanol (46d) o el glicerol (92d). Si llegasen a pesar más de 100d no podrían atravesarla de este modo. Además el peso influye también en la facilidad y en la velocidad con la que la molécula atraviesa la bicapa. La grafica velocidad vs concentración para este tipo de difusión es una línea (y=mx).
Difusión facilitada (transporte pasivo): Se produce también a favor del gradiente y por lo tanto no implica un gasto de energía. El tránsito de moléculas como carbohidratos, aminoácidos, nucleósidos e iones (incapaces de fundirse con la bicapa ya que tienen carga) viene mediado por proteínas que permiten a las moléculas transportadas atravesar la membrana. De ese modo, la difusión facilitada es más rápida que la difusión simple, ya que las moléculas no tienen que atravesar la barrera de fosfolípidos, sino que lo hacen ya directamente a través de las proteínas. Una proteína puede transportadora tiene cinética enzimática, es decir, puede encontrarse en estado de saturación –cuando la cantidad de soluto es mayor que aquel para el cual está capacitado –y puede darse un caso de competencia.
Por ese motivo podemos dibujar una gráfica que relacione la velocidad de transporte con la concentración de soluto. Para obtener la velocidad de reacción no tendríamos más que dividir la velocidad máxima entre el valor de km. El valor de Km se consigue calculando ½ de la velocidad máxima de reacción y representa la afinidad de la proteína hacia la molécula transportada. Cuando menor es su valor, mayor es la afinidad, ya que eso implica que se alcanza antes la mitad de la velocidad, es decir, que el sustrato se transporta muy rápidamente. Si el valor de km es elevado, también lo será su velocidad máxima, es decir, que el sustrato tardara más tiempo en ser movilizado, y por lo tanto menor será la afinidad.
Se suelen distinguir dos clases de proteínas que intervienen en la difusión facilitada: proteínas transportadoras (permeasa) y proteínas canal.
Proteínas transportadoras.
Las proteínas transportadoras se unen a las moléculas que han de ser transportadas y sufren un cambio conformacional que permite que la molécula pase a través de la membrana y sea liberada al otro lado.
Pueden pasar moléculas de una en una o por parejas, lo que se conoce como transporte acoplado. Un ejemplo muy común a la hora de explicar esto es el transporte de glucosa. Las células tienen distintas proteínas transportadoras dependiendo de su función. En este caso, la glut1 se encuentra en los eritrocitos, y tiene una km=1,5 mM. Por el contrario, la glut2, que se encuentra en las células del hígado, tiene una km=20 mM. Comparando estas dos observamos que las proteínas glut1 de los glóbulos rojos tienen más afinidad por la glucosa que las glut2 del hígado, y esto se debe a que los eritrocitos necesitan más aporte de glucosa que el hígado, y por eso la captarán antes. Además, una vez la glucosa entra en los eritrocitos es metabolizada rápidamente. Debido a que los cambios conformacionales en el transportador de glucosa son reversibles, la glucosa puede ser transportada en la dirección opuesta simplemente invirtiendo los pasos, que es lo que ocurre, por ejemplo, en las células hepáticas, en donde la glucosa se sintetiza y se libera a la circulación.
Proteínas canal.
En cambio, las proteínas canal forman poros –estrechos y selectivos –abiertos a través de la membrana y permiten la libre difusión de cualquier molécula del tamaño y carga apropiados.
Las proteínas de canal también permiten el paso de moléculas entre las células conectadas entre sí mediante uniones de tipo GAP, que proporciona conexiones directamente entre los citoplasmas de células adyacentes. Permiten la libre fusión de iones y pequeñas moléculas, pero impide el paso de proteínas y ácidos nucleicos, por lo que las uniones GAP intervienen en actividades metabólicas y respuestas eléctricas. La mayoría de las células en los tejidos animales –nerviosas, musculares y embrionarias –se comunican mediante estas uniones, ya que sincroniza todas las células para que puedan responder a la vez. Las uniones tipo GAP están construidas sobre proteínas transmembrana de la familia conexina. Seis conexinas se ensamblan para formar un cilindro con un poro acuoso abierto en su centro. Este ensamblaje de conexinas, un conexón, se alinea con un conexón de la celula adyacente, formando un canal abierto entre ambos citoplasmas. Es una unión permanente.
Otro tipo de unión entre células llevado a cabo por proteínas canal son las uniones estrechas, típicas del tejido epitelial, como ya hemos descrito en la página 7. Las uniones estrechas separan los dominios apicales y basolaterales, y obligan a las moléculas a pasar a través de la celula, a diferencia que en el GAP.
Canales ionicos Las proteínas de canal mejor caracterizadas son los canales iónicos, que intervienen en el tránsito de iones a través de la membrana plasmática. Han sido bien estudiados en el nervio y en el músculo, donde su apertura y cierre regulados son los responsables de la transmisión de señales eléctricas. El transporte a través de los canales iónicos es extremadamente rápido, su velocidad de flujo es mil veces mayor que la de proteínas transportadoras. Son altamente selectivos y la mayoría de ellos no se encuentran permanentemente abiertos, sino que su apertura viene regulada por “puertas” que se abren de forma transitoria en respuesta a estímulos específicos.
Un ejemplo es el canal iónico de potasio (K+). Los iones se encuentran hidratados (asociados a moléculas de agua) cuando están en el medio acuoso, por lo tanto tienen que deshidratarse para reaccionar con los aminoácidos del canal proteico e interaccionar con los cuatro oxígenos de los carbonos. Estas interacciones con los cuatro oxígenos son las que provocan que el Potasio sea transportado. Por otro lado, el Na+2 es más pequeño, por lo que cuando intenta entrar por ese mismo canal solo puede reaccionar con dos de los cuatro carbonos y por lo tanto no puede entrar en el citoplasma. Queda así demostrado que cada canal es especifico y transporta un determinado tipo de iones.
Existen diferentes tipos de regulación de la apertura del canal. Algunos canales (denominados canales regulados por ligando) se abren en respuesta a la unión de neurotransmisores, otros (llamados canales regulados por voltaje) se abren en respuesta a variaciones en el potencial eléctrico a través de la membrana plasmática. Por último, algunos canales se regulan mecánicamente.
Regulados por voltaje Los canales regulados por voltaje (CRV) están formados por cuatro dominios, cuatro monómeros asociados, tal y como se muestra en la imagen. Cada uno de estos dominios está formado a su vez por seis hélices. Pondremos como ejemplo el canal de Na+, el cual se puede encontrar en tres estados: cerrado abierto e inactivo. La cuarta hélice de aminoácidos está cargada positivamente y por ello funciona como sensor del cambio en el voltaje. Cuando se produce un cambio de potencial en la membrana, el sensor se eleva por repulsión (dos cargas positivas se repelen) y se produce un cambio conformacional en la proteína de canal, que se abre.
Este tipo de canales son los responsables de generar potencial de acción gracias a una despolarización de la membrana, es decir, que la hacen menos negativa. En las células nerviosas y pertenecientes a sistemas motores, un estímulo puede llegar a despolarizar la membrana y provocar que los canales regulados por voltaje (CRV) de Na+ se abran, permitiendo que pequeñas cantidades de la sustancia entren al interior celular.
La entrada de partículas positivas provoca una mayor despolarización en la membrana (se hace aún menos negativa), lo que provoca que más Na+ pueda entrar. Pasados unos segundos, el canal se inactiva y se abren los CRV de K+. Los canales de Na+ tienen un mecanismo para inactivarse automáticamente aunque la membrana continúe despolarizada. Permanece en este estado sin poder abrirse hasta que la membrana retorna a su potencial inicial negativo. Los CRV de K+ ayudan a que el potencial descienda, abriéndose para que salga carga positiva en forma de K+ del interior de la celula, equilibrando así el anterior flujo de cargas positivas Na+.
Para que el canal inactivado pueda volver a abrirse tiene que primero cerrarse, es decir, tiene que volver la membrana a su estado original.
Regulados por ligando Los canales iónicos abren en respuesta a la unión de determinados neurotransmisores u otras moléculas. Este mecanismo de abertura es debido a la interacción de una substancia química (neurotransmisor u hormonas) con una parte del canal llamado receptor, que crea un cambio en la energía libre y cambia la conformación de la proteína abriendo el canal. Los ligandos regulan la apertura de canales de los receptores.
En el caso de los canales activados por ligando, el sensor es una región de la proteína canal que se encuentra expuesta ya sea al exterior o al interior de la membrana, que une con gran afinidad una molécula específica que lleva a la apertura o cierre al canal.
Regulados por impulso mecánico Ejemplo: estereocilos oído. Cuando hay sonido la membrana vibra y se mueven unas microvellosidades (estereocilos) en la superficie de las células auditivas. Los estereocilos están conectados unos con otros, y al moverse por el sonido se desplazan y abren el canal. Estos se encuentran en las células de los pelos de la oreja.
La entrada de Sodio crea un cambio en la polaridad de la membrana y esto crea un impulso nervioso que se traduce en sonido.
Sinapsis neuronal.
Las señales neuronales son trasmitidas de una celula a otra mediante localizaciones especiales de contacto llamadas sinapsis. Las células encargadas de transmitir la información son las neuronas. La información es recibida por las dendritas de la neurona y tiene que generar un impulso nervioso para que llegue a los terminales transportadores de la información. Dicho impulso se genera de la siguiente manera: 1) Los axones de las neuronas poseen una serie de canales iónicos regulados por voltaje de Na y K. Cuando llega un estímulo (potencial de acción, despolarización de la membrana) a un determinado canal de Na se abre y comienza la entrada masiva de Na.
2) La entrada masiva de iones Na provoca una despolarización de la membrana que se propaga, lo que ocasiona que los canales iónicos de Na de los costados se abran y permitan el paso de iones Na, y así sucesivamente propagándose el impulso nervioso por todo el axón.
3) Para que e impulso no retorne y pueda avanzar hacia los costados, los canales se van inactivando de forma progresiva, de manera que el impulso se propaga en una única dirección. Permanecen desactivado hasta que la membrana recupera su polaridad inicial, y es entonces cuando se cierran y pueden volver a recibir otro impulso que despolarice la membrana y abra el canal.
4) La entrada de iones Na invierte la polaridad de la membrana de manera que ahora el interior es positivo y el exterior negativo. Para recuperar el estado de reposo de la membrana, el canal iónico de K se abre y permite la fuga de iones.
5) Una vez se reestablece el potencial de membrana, los canales iónicos de Na se cierran, esperando por un nuevo estímulo y un cambio en el voltaje.
Sinapsis neuromuscular.
Se produce de la siguiente forma: 1) Un potencial de acción (impulso) provoca la apertura del canal iónico regulado por voltaje, lo cual permite la entrada de iones Ca+2. La concentración de Ca+2 en el interior de la membrana es muy bajo, por lo que estos iones entran rápidamente y activan una vesícula de acetilcolina que se fusiona con la membrana neuronal liberando al espacio sináptico su contenido.
2) La acetilcolina se une al canal iónico de Na regulado por ligando de la celula muscular contigua y provoca su apertura, permitiendo la entrada de iones Na+, lo cual provoca una despolarización local.
3) La entrada de iones incita una diferencia de potencial que provoca la apertura del canal iónico de Na+ regulado por voltaje, lo que permite que entre más sodio a la celula muscular. La despolarización se va propagando por toda la membrana celular.
4) La despolarización general de la membrana plasmática activa canales regulados por voltaje de Ca+2, localizados en regiones específicas. Por eso es importante que el potencial se transmita por toda la membrana, porque estos canales están situados en lugares a los que la primera despolarización (2) no puede llegar por si sola.
5) Existen canales regulados por ligando localizados en el retículo sarcoplasmático (RE liso de las células musculares) que reciben este Ca+2. Este canal se abre y libera el alto contenido de calcio del retículo sarcoplasmático al citosol en grandes cantidades.
6) Una vez el calcio se libera en el citosol de las células musculares, las miosinas serán capaces de caminar sobre los microfilamentos de actina, produciendo la contracción de la celula muscular.
Normalmente la actina tiene asociadas proteínas que encuentran los lugares de unión entre la miosina y la actina, pero el Ca se une a estas proteínas y las desplaza de manera que el lugar de unión queda visible.
Transporte activo El transporte activo de moléculas a través de la membrana celular se realiza en dirección ascendente o en contra de un gradiente de concentración o de potencial electroquímico, es decir, es el paso de sustancias desde un medio poco concentrado a un medio muy concentrado. Para desplazar estas sustancias contra corriente es necesario el aporte de energía procedente del ATP. Las proteínas portadoras del transporte activo poseen actividad ATPasa, que significa que pueden convertir el ATP en ADP con liberación de energía de los enlaces fosfato de alta energía. Comúnmente se observan tres tipos de transportadores:  Uniportadores: son proteínas que transportan una molécula en un solo sentido a través de la membrana.
 Antiportadores: incluyen proteínas que transportan una sustancia en un sentido mientras que simultáneamente transportan otra en sentido opuesto.
 Simportadores: son proteínas que transportan una sustancia junto con otra, frecuentemente un protón (H+).
Podemos diferenciar dos clases de transporte activo: primario y secundario.
Transporte activo primario Necesita ATP para poder realizar el transporte, que se lleva a cabo a través de las ATPasas o de bombas. Un ejemplo típico de este transporte es la bomba sodio/potasio. Se encuentra en todas las células del organismo, en cada ciclo consume una molécula de ATP y es la encargada de transportar 2 iones de potasio que logran ingresar a la célula, al mismo tiempo bombea 3 iones de sodio desde el interior hacia el exterior de la célula (exoplasma), ya que químicamente tanto el sodio como el potasio poseen cargas positivas. El resultado es ingreso de 2 iones de potasio (Ingreso de 2 cargas positivas) y egreso de 3 iones de sodio (Egreso de 3 cargas positivas), esto da como resultado una pérdida de la electropositividad interna de la célula, lo que convierte a su medio interno en un medio "electronegativo con respecto al medio extracelular". En caso particular de las neuronas en estado de reposo esta diferencia de cargas a ambos lados de la membrana se llama potencial de membrana o de reposo-descanso. Participa activamente en el impulso nervioso, ya que a través de ella se vuelve al estado de reposo.
Otros ejemplos de ATPasas son los siguientes.
Un sistema muy importante de ATPasas es el sistema ABC, propio de las células procariotas, ya que para que las moléculas lleguen al citosol de estas deben traspasar dos capas: la pared celular y la membrana citoplasmática. Se trata de un sistema de varios componentes, en el que existen proteínas periplásmicas que captan el sustrato con gran afinidad, y lo llevan hasta unas proteínas de membrana, las cuales acoplan el paso de dicho sustrato hasta el citoplasma (sin alterarlo químicamente) con la hidrólisis de ATP.
El estudio del sistema ABC es realmente importante. Por un lado son las proteínas encargadas de catalizar el movimiento flip-flop de una capa a otra para que la membrana pueda crecer. Por otro, algunos de estos sistemas como el MDR (multidrug resistance protein) juegan un papel importante a la hora de tratar el cáncer. Las células que posean muchos MDR (generalmente las células cancerígenas los tienen por mutación) serán inmunes al tratamiento, ya que estas proteínas bombean los agentes químicos administrados como tratamiento, provocando que la celula cancerígena se vuelva resistente a la terapia. Dichas células resistentes comienzan a reproducirse descontroladamente, provocando un cáncer de difícil tratamiento ya que está formado por células resistentes con multitud de MDR.
En el protista causante de la malaria, Plasmodium falciparum ocurre lo mismo. El microorganismo se hace resistente a la mayoría de los fármacos porque es capaz de expulsarlo de su interior celular gracias al sistema ABC.
En la fibrosis quística, un gen mutante provoca una malformación en el sistema ABC encargado de regular el paso de Cl- en la membrana plasmática de las células epiteliales, aunque se desconoce todavía como dicha proteína regula el cloro.
Transporte activo secundario Transporta dos o más moléculas, una de las cuales se mueve a favor de gradiente o de potencial electroquímico y la otra u otras en contra. La que se mueve a favor de gradiente o de potencial electroquímico suministra la energía (ATP) para transportar la otra u otras en contra del mismo. Las moléculas se pueden transportar en la misma dirección o en dirección contraria.
El uso de la célula de la difusión facilitada o transporte activo, depende de las necesidades específicas de la célula. Por ejemplo, la glucosa es transportada por transporte activo de los intestinos a las células epiteliales del mismo, pero por difusión a través de la membrana a los glóbulos rojos. ¿Por qué? Hay que considerar los tipos de medios que son.
Las células epiteliales que revisten el intestino, necesitan traer la glucosa aprovechable de la digestión dentro del cuerpo y deben prevenir el flujo inverso de la glucosa del cuerpo al intestino.
Se necesita un mecanismo que asegure que la glucosa también fluya dentro de las células intestinales y obtener el transporte dentro de la corriente sanguínea, no importa cuál sea la concentración de glucosa en el intestino. Si esto no sucediera y las células intestinales usasen los portadores de difusión facilitada para la glucosa, inmediatamente después de comer dulces u otro alimento rico en azúcar, la concentración de glucosa en los intestinos sería muy alta, y la glucosa fluiría hacia el interior de las células epiteliales. Pero una hora después, cuando los intestinos se vaciaran y la concentración de glucosa fuese más baja que la de la sangre y los tejidos, los portadores de difusión facilitada permitirían que la glucosa en la sangre y tejidos fluyese hacia el intestino. Esto rápidamente agotaría en poco tiempo las reservas de energía. Debido a que esta situación sería biológicamente un despilfarro y probablemente letal, vale la pena el costo de energía adicional del transporte activo, para asegurar el transporte de la glucosa en un proceso de un solo sentido.
Mientras que los intestinos experimentan una constante fluctuación de la concentración de glucosa, la cual puede ser alta o baja; la concentración en la sangre es cuidadosamente regulada. La glucosa es transportada a través de la membrana de los eritrocitos por un uniportador, un tipo de proteína de difusión facilitada. Tan pronto como la glucosa ingresa en la célula, se convierte en otras sustancias necesarias para la producción de energía de la célula o biosíntesis, por lo que la concentración intracelular de glucosa permanece más bajo que el nivel de glucosa de 5 mM que mantiene la sangre. En esta situación, la difusión asegura el constante flujo de glucosa dentro del eritrocito.
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