Membranas biologicas y difusión

Question 1

Difusión

Answer 1

–>Mecanismo de transporte mas simple
–>Todas las moleculas se mueven al azar
–>Al pasar el tiempo, el sistema se homogenizara
–>La Ley de Fick sirve para cuantificar el transporte por difusión
Δn/Δt/A (moles/s/m²) = -D*(Δc/Δx)
donde Δn; numero de moleculas que atraviesa el area, Δt; unidad de tiempo, A; area, D coeficiente de difusión, que depende de la sustancia a la que se le mida y de la temperatura
–>El signo menos se incluye dado que la relación Δc/Δx es negativa porque la concentración final es menor a la inicia
–La magnitud del flujo es proporcional al gradiente de concentración Δc/Δx. Cuando el gradiente es cero, el movimiento es cero –> no hay movimiento neto de moleculas a través del area

Question 2

Cinetica de difusión

Answer 2

–>Si el transporte de materia ocurre por difusión, el flujo de materia va a ser linealmente proporcional con la diferencia de concentración

Question 3

Datos de permeabilidad en membranas biologicas

Answer 3

–>A medida que aumenta la concentración el flujo aumenta de manera lineal, lo que indica que el transporte es mediante difusión
–>Permeabilidad; pendiente de las rectas. Por lo tanto, un soluto mas permeable tiene una pendiente mayor, con este valor se puede medir la facilidad con que el soluto atraviesa la membrana
–>Una molecula pequeña no necesariamente tiene mayor coeficiente de difusión, debido a que la difusión no depende solo del coeficiente de difusión

Question 4

Permeabilidad en membranas biologicas

Answer 4

–>Mientras mas solubles son los solutos tanto mas permeables son
–>Partición K; Relación de concentraciones entre la fase apolar y el agua. Es una escala logaritmica
1.-Cualquier molecula que sea apolar atravesara la membrana biologica
2.-Una molecula polar, como el agua, tambien puede pasar por la membrana biologica pero con menor probabilidad que una molecula apolar
3.-Sustancia muy polar, como el azucar, es practicamente no permeable
–>La permeabilidad P (valor de la pendiente) depende del coeficiente de difusión en la membrana (D) o polaridad del soluto (K) y el espesor de la membrana (Δx) que es constante
P= Dm*K/Δx

Question 5

Transporte por difusión en la bicapa

Answer 5

–>Resultado del movimiento al azar de una molecula que se mueve en un compartimento acuoso
–>En la fase intracelular el movimiento de la molecula sigue siendo azaroso
–>Consta de tres etapas; Difusión en la fase acuosa, difusión en la bicapa y difusión en el medio intracelular
–>La difusión mas lenta ocurre en la membrana

Question 6

¿Como se determina la relación entre flujo y concentración?

Answer 6

–>Experimento donde en el tiempo la concentración de soluto aumenta desde cero hasta el valor final que corresponde a la concentración externa (que no varia)
–>Este cambio es exponencial
–>El flujo (J) es la pendiente de la tangente al punto que queremos medir. La pendiente de la tangente entonces sera el flujo en ese instante de tiempo particular
–>A mayores concentraciones, se obtiene una concentración de equilibrio final mayor, por lo tanto, tambien una pendiente mayor
–>La relación matematica entre el flujo y concentración nos da información acerca de cual es el mecanismo mediante el cual el soluto esta atravesando la celula. Una relación lineal indica difusión

Question 7

Energetica de la difusión

Answer 7

–>Potencial quimico de un soluto; contribución que es el punto hacia la energia total de una solución en un punto e una solución. Esta energia incluye las energias cineticas de las moleculas y las energias potenciales de las interacciones entre moleculas
–>El potencial quimico de un soluto i (μi) en un punto determinado es igual a un valor de referencia (μoi) mas la constante de los gases por temperatura en kelvin (RT) multiplicado por logaritmo natural de la concentración del soluto i en el punto en el que estamos considerando (lnCi) a presión y temperatura constantes
μi=μoi+RT*ln(Ci) J/mol

Δμi=RT*ln (Cf/Ci)

Question 8

Potencial quimico y espontaneidad de la difusión

Answer 8

–>Se puede demostrar que siempre el transporte de un soluto sin carga electrica ocurre de mayor potencial quimico a menor potencial quimico

Question 9

Resumen

Answer 9

–>En difusión el flujo depende linealmente de la concentración
–>La permeabilidad depende del tamaño y forma de las moleculas (Dm) y de su apolaridad o solubilidad de la bicapa
–>Los iones y los solutos polares mayores (como azucares) son impermeables
–>La energia para la difusión de un soluto sin carga electrica viene de las diferencias en el potencial quimico del soluto

Question 10

Cineticas de saturación

Answer 10

–>Solutos que no pueden atravesar la bicapa; solutos ionicos o polares grandes, se encuentra que estos pueden atravesar igualmente mediante transportadores
–>En este caso, la relación entre concentración y flujo es de tipo hiperbolica. Es una curva de saturación
–>Llega un punto en que por mucho que uno aumente la concentración del soluto, el flujo no aumenta mas
–>Esto se debe a la presencia de una cantidad finita de especies transportadoras en la membranas. Estas corresponden a proteinas de transporte que poseen un sitio de unión que se expone a ambos lados de la membrana
–>La proteina esta formada por dos partes que pueden cambiar de conformación de tal forma que en un estado el soluto esta expuesto hacia un lado de la membrana y en otro estado el soluto esta expuesto hacia el otro lado de la membrana

Question 11

Jmax y Km

Answer 11

–>El hecho de que estas especies sean de una cantidad limitada genera una curva de saturación que se caracteriza por un flujo maximo (Jmax) y un Km que refleja la concentración de soluto que produce la mitad del flujo maximo
–>Jmax depende directamente del numero de moleculas de transportador en la membrana
–>Km refleja la afinidad del sitio de unión por el soluto (a mayor afinidad, menor Km)

Question 12

Transportador de glucosa: GLUT3

Answer 12

–>Los transportadores GLUT son una familia de transportadores
–>Se observa que las helices se agrupan en dos manojos o dos mitades (que son las subunidades de una misma proteina)

Question 13

Modelo de mecanismo de GLUT3

Answer 13

–>Los sistemas de transporte mediados siempre tienen cineticas saturables de flujo vs concentración
–>Esto significa que las moleculas estan presentes en una cantidad limitada y que tienen una afinidad determinada por el sitio de unión
–>El transporte mediado por proteinas es mucho mas lento que el transporte por difusión. Esto se debe a que el cambio conformacional de la proteina requiere de la ruptura y formación de muchos enlaces

Question 14

Energetica del transporte mediado

Answer 14

–>Debemos considerar los aspecto electricos
–>Por lo general la diferencia de potencial electrico entre los medios intra y extracelular es mayor en el externo
–>Potencial electrico; la energia potencial de una carga es igual al producto de la carga con el potencial electrico en ese punto U=qV
–>Cuando movemos una carga desde el medio extra al intracelular hay un cambio de energia potencial electrica que se debe considerar
–>q se expresa en coulumbs pero la Ue debe ser expresada en moles. Para resolver esto usamos la constante de Faraday (F) la cual vale 96500 C/mol
–Energia total de ion sodio seria la energia dada por su potencial quimico + su energia electrica. Cuando el soluto viaja desde el medio extra al intracelular, el soluto cambia su energia en esas magnitudes

Question 15

Importancia del potencial electroquimico

Answer 15

–>El soluto siempre viaja de mayor a menor potencial electroquimico (Δu) < . Esto puede implicaar que viaje de mayor a menor concentración o que viaje de menor potencial a mayor potencial
–>El equilibrio final se alcanza cuando los potenciales electroquimicos son igual en todas partes (Δu) = 0
–>Concentraciones finales pueden ser distintas

Question 16

Transporte activo (Cotransportador de Na+ y glucosa del epitelio intestinal)

Answer 16

–>Se encuentra en la membrana apical del epitelio intestinal
–>El transporte ocurre desde el lumen hacia la sangre
–>Al otro lado de la membrana encontramos a GLUT2
->El contransportador de Na+ y glucosa permite que la glucosa se acumule en el medio intracelular con una concentración bastante alta con respecto a la que hay en el lumen. Este transportador mueve glucosa en contra de su gradiente (de menor a mayor concentración) y a este transporte se acopla el Na+ (que va de mayor a menor concentración)
–>La concentración de sodio citoplasmatico es mucho menor que la externa, por lo tanto, el sodio ingresa espontaneamente
–>La entrada de la glucosa no es espontanea, por lo tanto, el potencial quimico aumenta cuando esta ingresa a la celula
–>Este transportador es una maquina molecular capaz de acoplar un flujo no espontaneo con un flujo espontaneo
–>La fuente de energia para la acumulación de glucosa es el gradiente electroquimico del sofio
–>El cotransportador es una maquina molecular que acopla ambos procesos de modo que ninguno ocurre sin el otro

Question 17

Estructura del cotransportador de galactosa

Answer 17

–>Es una proteina que puede oscilar entre dos conformaciones; en un sitio de unión se unen los iones sodio en otro la glucosa
–>Luego del cambio conformacional ambos iones ingresan o salen de la celula
–>Finalmente, el transportador vuelve a su conformacion inicial
–>El transportador cambia de conformación cuando esta totalmente desocupado o totalmente ocupado (con Na+ y glucosa). Esto asegura el acoplamineto entre los dos gradientes

Question 18

Energia del transporte mediado

Answer 18

–>Tipos de transportadores especificos
1.-Transporte dependiente de potenciales electroquimicos; transportadores (uniport), cotransportadores (symport) y contracotransportadores (antiport)
2.-Transportadores dependiente de reacciones quimicas (hidrolisis de ATP)

Question 19

Transporte dependiente de reacciones quimicas (P-ATPasas)

Answer 19

Gran familia de proteinas que incluye;
1.-Bomba sodio potasio
2.-Ca2+-ATPasa de reticulo endoplasmico
3.-Ca2+-ATPasa de membrana plasmatica
4.-H+-ATPasa de epitelio gastrico
–>Todas estas proteinas poseen una subunidad que tiene un dominio que atraviesa la membrana (formado por helices) mediante el cual se lleva a cabo el transporte
–>Ademas, hay un dominio citoplasmatico en donde ocurren las reacciones quimicas
–>Los eventos que ocurren en el dominio citoplasmatico se transfieren a los sitios de transporte por la conexión estructural que hay entre ambos
–>Esta conexión permite que la proteina se abra alternadamente hacia el citoplasma o hacia el medio extracelular

Question 20

¿Que hace la bomba Na+, K-ATPasa?

Answer 20

–>Mientras hidroliza el ATP en ADP+Pi, saca Na+ contra su gradiente electroquimico hacia el medio extracelular y entra K+ contra su gradiente de concentración y a favor de su potencial electrico (es mas facil entrar K que sacar Na)
–>La suma de los tres procesos da negativo, lo que significa que el proceso ocurre sin problemas
–>Los procesos que ocurren en ambas partes de la proteina estan acoplados;
1.-Se unen 3 sodios. El ATP ya esta unido a la bomba (alta concentración de ATP)
2.-La unión del sodio genera que el dominio de unión del ATP se acerque al sitio fosforilación permitiendo la transferencia de un Pi (del ATP) a un aminoacido aspartico de la proteina
3.-Se forma un intermediario fosforilado que esta ocluido
4.-Etapa de transporte en donde se abre el sitio de unión y se libera el sodio
5.-El potasio se une al sitio de unión
6.-La entrada de dos potasio es una señal que hace que el sitio de fosforilación sufra un cambio sutil que permite el ataque del agua al aspartil fosfato
7.-El fosfato es transferido al agua y finaliza la reacción
8.-Simultaneamente ocurre la oclusión de el potasio dentro de la proteina
9.-La proteina vuelve a su conformación original

Question 21

Canales selectivos

Answer 21

–>Un canal es un poro macromolecular que se extiende por todo el ancho de membrana
–>Esta simultaneamente abierto o accesible por ambos lados de la membrana
–>Los canales ionicos son proteunas cuya actividad se puede medir con tecnicas electricas. Por lo tanto, si insertamos un electrodo dentro de la celula y otro en el lado extracelular, es posible medir las corrientes que fluyen dado el potencial aplicado
–>El canal pasa alternadamente por dos estados: abierto y cerrado. La transición entre estos dos estados es aleatoria

Question 22

¿Cuantos iones atraviesan el canal por segundo?

Answer 22

–>Con 20mV a través de la membrana, la corriente en esta membrana es de alrededor de 5pA (canal abierto)
I= carga/tiempo = 5*10^-12 C/s

–>Como la carga de un ion monovalente es q=1,610^-19 C la corrinte expresada en iones en vez de coulombs es
I = (510^-12 C/s) / (1,610^-19 C/ion) = 310^7 iones/s

–>Corresponde a un flujo casi tan grande como el de la difusión del ion en el agua: el transporte de iones por canales es muy rapido

Question 23

¿Como transportan iones y los seleccionan a la vez?

Answer 23

–>Dilucidación de la estructura del canal del potasio. Esta esta organizada en 4 subunidades que se unen y colaboran para formar un poro muy estrecho que esta rodeado por atomos de oigeno de los grupos carbonilos de los enlaces esteres de las proteinas
–>El espacio que dejan estos atomos de oxigeno es el espacio exacto para ion potasio
–>Los iones potasion en agua se encuentran rodeados por moleculas de agua (union fuerte). El potasio solvatado (con moleculas de agua) entra por el vestibulo y se aproxima al poro
–>Los atomos de oxigeno del poro reemplazan a los oxigenos del agua, dejando al ion desprovisto de las moleculas de agua y rodeado por los atomos de oxigeno del canal
–>El paso de potasio del agua hacia el canal es isoenergetico (muy rapido y facil); no se debe vencer ninguna barrera energetica
–>Cuando el canal se abre y deja pasar una gran cantidad de iones, hay una importante repercusión en el potencial electrico de membrana el cual puede cambiar sustantivamente
–>Iones como el Na+ no pasan a travpes del canal porque tienen un tamaño diferente y no encajan bien en la zona de selección

Question 24

¿Como se regula la apertura y el cierre de los canales?

Answer 24

–>La probabilidad que los canales se abran (o cierren) se modula mediante varios mecanismos
1.-Los canales se abren o cierran por cambios en el potencial electrico de la membrana. A cierto potencial estan abiertos y a cierto potencial estan cerrados
2.-El canal es abierto por la unión de un ligando
3.-El canal es abierto por radiación quimica. La proteina que forma el canal es fosforilada en un grupo especifico. Como consecuencia se produce una transición conformacional que abre al canal
4.-Hay canales que sienten o perciben grados de estiramiento de las celulas. Por ejemplo, si una celula se hincha en un medio hipotonico, los canales se abren para regular el volumen celular

Question 25

1.-Canal controlado por potencial

Answer 25

–>Si reducimos el potencial la corriente que fluye por la membrana es menor (concuerda con la ley de ohm)
–>A menos potencial, el tiempo de apertura del canal es menor (los pulson son mas pequeños) y el tiempo de cierre es mas largos (las lineas de pausa son mas largas)
–>El potencial cambia la probabilidad de que el canal se abra o se cierre

Question 26

Sensor del potencial electrico

Answer 26

–>Estos canales tienen ciertas regiones o helices que tienen aminoacidos con carga positivas (argininas por ej)
–>Las helices estan dispuestas de manera que se orientan o se mueven hacia donde el potencial es menor
–>Si el potencial es menor adentro, se orientan hacia dentro (manteniendo el canal cerrado) y si el potencial es menor afuera (se vuelve mas positivo adentro), se orientan hacia afuera (abriendo el canal)
–>La apertura o cierre del canal se debe a la presencia de estos sensores de potencial

Question 27

2.-Canal de apertura de canales mediante unión de ligandos

Answer 27

–>Tomemos por ejemplo el receptor de acetilcolina, este es capaz de reconocer a la acetilcolina (neurotransmisor). Cuando el receptor esta sin su ligando el canal permanece cerrado y cuando la acetilcolina se une a su sitio de unión, el canal se abre y deja pasar iones positivos
–>Roles de los canales
1.-Canal de sodio; participación en el potencial de acción en celulas excitables
2.-Canal de potasio; regulación del potencial de membrana y participación en el potencial de membrana y participación en el potencial de membranas
3.-Canales de calcio; permiten el ingreso de iones calcio para comenzar muchos procesos celulares (contracción del ms cardiaco, secreción de hormonas, liberación de neurotransmisor)
4.-Canales de cloruro: control del potencial de membrana, regulación del volumen celular

Question 28

Energetica del transporte en canales

Answer 28

–>La energia que hace posible el transporte de iones mediante canales proviene del gradiente de concentración de los iones. El movimiento de los iones es pasivo; no requiere de fuente de energia externa

Question 29

Resumen

Answer 29

–>Los canales ionicos son especies moleculares, proteinas integrales de membrana, que estan expuestas hacia ambos lados de la membrana
–>Cuando se abren dejan pasar gran cantidad de iones, son altamente selectivos y son regulados fisiologicamente por una serie de mecanismos
–>El transporte de iones es pasivo