Mecanismos de transporte a traves de la membrana celular

1. TRANSPORTE A TRAVES DE
LAS MEMBRANAS
PLASMATICAS
Fisiología animal
M. en C. Raul Herrera Fragoso

2.  Los mecanismos que permiten a las sustancias
cruzar las membranas plasmáticas son esenciales
para la vida y la comunicación de las células. Para
ello, la célula dispone de dos tipos de procesos:
 Transporte pasivo: cuando no se requiere energía
para que la sustancia cruce la membrana plasmática
 Transporte activo: cuando la célula utiliza ATP como
fuente de energía para hacer atravesar la membrana a
una sustancia en particular

3. TRANSPORTE PASIVO
Los mecanismos de transporte pasivo son:
Difusión simple
Osmosis
Ultrafiltración
Difusión facilitada

4. DIFUSIÓN SIMPLE
 Las moléculas en solución están
dotadas de energía cinética y, por
tanto tienen movimientos que se
realizan al azar.
 La difusión consiste en la mezcla de
estas moléculas debido a su energía
cinética cuando existe un gradiente
de concentración, es decir cuando
en una parte de la solución la
concentración de las moléculas es
más elevada.
 La difusión tiene lugar hasta que la
concentración se iguala en todas las
partes y será tanto más rápida
cuanto mayor sea energía cinética
(que depende de la temperatura) y el
gradiente de concentración y cuanto
menor sea el tamaño de las
moléculas.

5. DIFUSIÓN SIMPLE
 Algunas sustancias como el agua, el oxígeno, dióxido de carbono,
esteroides, vitaminas liposolubles, urea, glicerina, alcoholes de
pequeño peso molecular atraviesan la membrana celular por
difusión, disolviéndose en la capa de fosfolípidos.
 Algunas sustancias iónicas también pueden cruzar la membrana
plasmática por difusión, pero empleando los canales constituidos
por proteínas integrales llenas de agua. Algunos ejemplos notables
son el Na+, K+, HCO3, Ca++, etc. Debido al tamaño pequeño de los
canales, la difusión a través de estos es mucho más lenta que a
través de la bicapa fosfolipídica

6. OSMOSIS
 Es otro proceso de transporte
pasivo, mediante el cual, un
disolvente - el agua en el caso de
los sistemas biológicos - pasa
selectivamente a través de una
membrana semipermeable.
 La membrana de las células es una
membrana semipermeable ya que
permite el paso del agua por
difusión pero no la de iones y otros
materiales.
 Si la concentración de agua es
mayor (o lo que es lo mismo la
concentración de solutos menor) de
un lado de la membrana es mayor
que la del otro lado, existe una
tendencia a que el agua pase al
lado donde su concentración es
menor.

7. OSMOSIS
o El movimiento del agua a través de la membrana semipermeable
genera un presión hidrostática llamada presión osmótica. La
presión osmótica es la presión necesaria para prevenir el
movimiento neto de agua a través de una membrana
semipermeable que separa dos soluciones de diferentes
concentraciones.

8. ULTRAFILTRACIÓN
 En este proceso de transporte pasivo, el
agua y algunos solutos pasan a través de
una membrana por efecto de una presión
hidrostática.
 El movimiento es siempre desde el área de
mayor presión al de menos presión. La
ultrafiltración tiene lugar en el cuerpo
humano en los riñones y es debida a la
presión arterial generada por el corazón.
 Esta presión hace que el agua y algunas
moléculas pequeñas (como la urea, la
creatinina, sales, etc) pasen a través de las
membranas de los capilares microscópicos
de los glomérulos para ser eliminadas en la
orina.
 Las proteínas y grandes moléculas como
hormonas, vitaminas, etc., no pasan a
través de las membranas de los capilares y
son retenidas en la sangre.

9. DIFUSIÓN FACILITADA
 Algunas moléculas son demasiado
grandes como para difundir a través de los
canales de la membrana y demasiado
insolubles en lípidos como para poder
difundir a través de la capa de fosfolípidos.
 Tal es el caso de la glucosa y algunos
otros monosacáridos.
 Esta sustancias, pueden sin embargo
cruzar la membrana plasmática mediante
el proceso de difusión facilitada, con la
ayuda de una proteína transportadora.
La difusión facilitada es mucho más rápida que
la difusión simple y depende:
 del gradiente de concentración de la sustancia a
ambos lados de la membrana
 del número de proteínas transportadoras existentes
en la membrana
 de la rapidez con que estas proteínas hacen su
trabajo

10. TRANSPORTE ACTIVO Y OTROS
PROCESOS ACTIVOS

11.  Algunas sustancias que son
necesarias en el interior de la célula
o que deben ser eliminadas de la
misma no pueden atravesar la
membrana celular por ser muy
grandes, llevar una carga eléctrica
o porque deben vencer un
gradiente de concentración.
 Para estos casos, la naturaleza ha
desarrollado el transporte activo,
un proceso que consume energía y
que requiere del concurso de
proteínas integrales que actúan
como "bombas" alimentadas por
ATP, para el caso de moléculas
pequeñas o iones y el transporte
grueso específico para moléculas
de gran tamaño como proteínas y
polisacáridos e incluso células
enteras como bacterias y hematíes
.

12. TRANSPORTE ACTIVO
 Por este mecanismo
pueden ser transportados
hacia el interior o exterior
de la célula los iones H+
(bomba de protones) Na+
y K+ (bomba de sodio-
potasio), Ca++ , Cl-, I,
aminoácidos y
monosacáridos. Hay dos
tipos de transporte
activo:
 Transporte activo primario
 Transporte activo
secundario
El complejo del poro nuclear esta compuesta de más de
100 proteínas diferentes, ordenadas con una simetría
octogonal. Las moléculas pequeñas (5 kDa o menos)
difunden en forma prácticamente libre, pero las proteínas
de gran tamaño necesitan contar con un señal de
localización nuclear, que generalmente consiste en una
corta secuencia de aminoácidos (de 4 a 8). El proceso de
entrada de una proteína destinada al núcleo necesita que
otra proteína citosólica ("receptor nuclear de importación")
llamada nucloporina se una a la señal de localización
nuclear y requiere además de la energía que proporciona
la hidrólisis de una molécula de trifosfato de guanidina
(GTP). Esto provoca la dilatación del poro y permite el
pasaje de la proteína.

13. TRANSPORTE ACTIVO PRIMARIO
 En este caso, la energía derivada del ATP empuja directamente a la sustancia
para que cruce la membrana, modificando la forma de las proteínas de
transporte (bomba) de la membrana plasmática. El ejemplo más característico es
la bomba de Na+/K+, que mantiene una baja concentración de Na+ en el citosol
extrayéndolo de la célula en contra de un gradiente de concentración. También
mueve los iones K+ desde el exterior hasta el interior de la célula pese a que la
concentración intracelular de potasio es superior a la extracelular. Esta bomba
debe funcionar constantemente ya que hay pérdidas de K+ y entradas de Na+
por los poros acuosos de la membrana.
 Esta bomba actúa como una enzima que rompe la molécula de ATP y también se
llama bomba Na+/K+-ATPasa. Todas las células poseen cientos de estas
bombas.

14. TRANSPORTE ACTIVO
 En el caso de la glucosa se une a la
proteína transportadora, y esta cambia
de forma, permitiendo el paso del
azúcar. Tan pronto como la glucosa
llega al citoplasma, una kinasa
(enzima que añade un grupo fosfato a
un azúcar) transforma la glucosa en
glucosa-6-fosfato.
 De esta forma, las concentraciones de
glucosa en el interior de la célula son
siempre muy bajas, y el gradiente de
concentración exterior --> interior
favorece la difusión de la glucosa.
La absorción de la glucosa en el epitelio intestinal implica el cotransporte de Na+ por el SGLT-1 y el
mantenimiento del gradiente de Na+ gracias a la bomba de Na+/K+. De forma secundaria y salida de Na+ al
espacio basolateral genera la suficiente fuerza osmótica para arrastrar y absorber agua hacia los capilares. la
fructosa se absorbe mediante otro tipo de transportador, el Glut-5, una proteína que atraviesa la membrana 12
veces. Finalmente, el paso de la glucosa y la fructosa hacia la sangre se lleva a cabo a través del Glut-2, un
transportador de baja afinidad y alta capacidad de transporte.

15. TRANSPORTADORES DE GLUCOSA
SGLT-1 (Sodium/Glucose Transporters) GLUT (Glucose Transporters)
El principal transportador de monosacáridos (glucosa,
galactosa y manosa) en el intestino delgado es el
SGLT-1 o Sodium-Glucose Transporter – 1. Esta es un
proteína que cotransporta 2 iones Na+ y una molécula
de glucosa a razón de unas 1.000 moléculas/segundo.
El SGLT-1 se organiza en forma de 14 alfa-hélices que
cruzan la membrana plasmática la misma cantidad de
veces.
La familia de los transportadores de glucosa GLUT´s
se divide en 3 clases, sin embargo todas comparten
ciertas características en común como 12 alfa-
hélices trasmembrana, varios dominios de
glicosilación y algunos dominios muy conservados
relacionados con la traslocación de la glucosa al
interior de la célula.

16. FUNCIÓN
 En este momento se conoce bastante bien el proceso de
absorción de la glucosa, galactosa y fructosa en el borde
en cepillo intestinal. De hecho, gracias a la aplicación de
técnicas de biología molecular y biofísica, así como por
modelaje por computadoras se ha obtenido información
valiosa que apoya la tesis de que la absorción de
monosacáridos ocurre en 4 fases:
 1. Unión de dos iones Na+ a la cara externa del
transportador, lo que produce un cambio conformacional
que permite el acoplamiento de 1 molécula de glucosa o
galactosa.
 2. Transferencia del Na+ y del monosacárido hacia la cara
citoplasmática del transportador gracias a un segundo
cambio conformacional ocasionado por la glucosa y que
involucra la rotación y el re-arreglo de la estructura α-
helicoidal del SGLT-1.
 3. Una vez en la cara interna del transportador, la glucosa
se disocia del mismo y pasa al citosol para luego expulsar
los 2 iones Na+, restituyendo al transportador a su forma
libre de ligando. La baja afinidad del sitio de unión
intracelular por la glucosa y el sodio, junto con la baja
concentración de intracelular de Na+ en comparación con
la extracelular y luminal (5-10 meq vs. 140-145 meq)
promueve esta disociación, permitiendo que el proceso de
transporte ocurra 1.000 veces por segundo a 37 ºC.
 4. Finalmente, ocurre un cambio de conformación que
permite la fijación de otra molécula de glucosa y 2 Na+ en
el lado extracelular

17. TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO
 La bomba de sodio/potasio
mantiene una importante
diferencia de concentración de
Na+ a través de la membrana.
Por consiguiente, estos iones
tienen tendencia a entrar de la
célula a través de los poros y
esta energía potencial es
aprovechada para que otras
moléculas, como la glucosa y los
aminoácidos, puedan cruzar la
membrana en contra de un
gradiente de concentración.
Cuando la glucosa cruza la
membrana en el mismo sentido
que el Na+, el proceso se llama
Symporte o cotransporte ;
cuando los hacen en sentido
contrario, el proceso se llama
Antiporte o contratransporte

18. Y…..DONDE ESTA LO ACTIVO?
 Básicamente, un gradiente de concentración de una molécula actúa
como una fuente de energía (una batería) para conducir el
movimiento de la otra.
Si no hubiera membrana, o si la membrana fuera completamente
permeable, esta batería no funcionaria.
 El bombeo de gradientes
Las membranas biológicas reales son semipermeables, por lo tanto
pueden ser utilizadas para almacenar y disponer de la energía. El
movimiento de moléculas diferentes a través de ellas es diferente,
debido a que las proteínas de transporte están presentes y activas.
 Sin la adición constante de energía, la energía almacenada en los
gradientes de concentración a través de una membrana se disipará
con el tiempo. Generar y mantener gradientes de concentración
requiere el gasto de energía.
Las moléculas que utilizan directamente la energía para generar o
mantener gradientes de concentración se conocen como bombas.
Estas son máquinas complejas de proteínas.

No toda esta energía se utiliza para modificar la estructura de la
proteína de la bomba, lo que conduce a un cambio en la estructura
de la proteína y el bombeo de moléculas a través de la membrana
(Ain a Aout).
El ciclo de los cambios impulsados por la energía en la estructura de
la proteína se junta con el proceso de mover moléculas a través de
la membrana. Parte de esta energía se libera cuando la proteína de
la bomba "se relaja" de nuevo a su estructura original.
 La diferencia entre las dos energías de enlace está disponible para
hacer el trabajo.

Si la energía que no se captura se pierde como calor. De hecho,
algunos organismos se mantienen calientes por "desgaste" de
energía, que hidroliza ATP (ATP + H2O → ADP + Pi) sin utilizar la
energía liberada.

19. TRANSPORTE GRUESO
Algunas sustancias más grandes como polisacáridos,
proteínas y otras células cruzan las membranas
plasmáticas mediante varios tipos de transporte
grueso

20. ENDOCITOSIS
 Es el proceso mediante el cual la sustancia es
transportada al interior de la célula a través de la
membrana. Se conocen tres tipos de endocitosis:
 Fagocitosis: en este proceso, la célula crea una
proyección de la membrana y el citosol llamadas
pseudopodos que rodean la partícula sólida. Una
vez rodeada, los pseudopodos se fusionan
formando una vesícula alrededor de la partícula
llamada vesícula fagocítica o fagosoma. El
material sólido dentro de la vesícula es
seguidamente digerido por enzimas liberadas por
los lisosomas. Los glóbulos blancos constituyen el
ejemplo más notable de células que fagocitan
bacterias y otras sustancias extrañas como
mecanismo de defensa
 Pinocitosis: en este proceso, la sustancia a
transportar es una gota o vesícula de líquido
extracelular. En este caso, no se forman
pseudópodos, sino que la membrana se repliega
creando una vesícula pinocítica. Una vez que el
contenido de la vesícula ha sido procesado, la
membrana de la vesícula vuelve a la superficie de
la célula.
De esta forma hay un tráfico constante de
membranas entre la superficie de la célula y su
interior.

21. ENDOCITOSIS MEDIANTE UN RECEPTOR
 Este es un proceso similar a la pinocitosis,
con la salvedad que la invaginación de la
membrana sólo tiene lugar cuando una
determinada molécula, llamada ligando, se
une al receptor existente en la membrana.
 Una vez formada la vesícula endocítica
está se une a otras vesículas para formar
una estructura mayor llamada endosoma.
Dentro del endosoma se produce la
separación del ligando y del receptor: Los
receptores son separados y devueltos a la
membrana, mientras que el ligando se
fusiona con un liposoma siendo digerido por
las enzimas de este último.
 Aunque este mecanismo es muy específico,
a veces moléculas extrañas utilizan los
receptores para penetrar en el interior de la
célula. Así, el HIV (virus de la
inmunodeficiencia adquirida) entra en las
células de los linfocitos uniéndose a unas
glicoproteínas llamadas CD4 que están
presentes en la membrana de los mismos.

22. FIJACIÓN DEL VIH A UNA CÉLULA CD4+
 El dominio externo de la gp120 se
une al antígeno CD4. Esto lleva a
un cambio conformacional en la
gp120 y así se expone un sitio de
unión de un coreceptor. Esta
región de la gp120 se une al
receptor de quimiocina. Esta unión
provoca otro cambio
conformacional de modo que las
regiones de la proteína gp41 del
VIH interactúe para formar un
dominio de fusión que permita que
las membranas viral y celular se
unan. Como resultado el núcleo
viral entra al citoplasma.

23. VESÍCULAS ENDOCÍTICAS
 Las vesículas endocíticas se originan en
dos áreas específicas de la membrana:
 Los "hoyos recubiertos" ("coated pits")
son invaginaciones de la membrana donde
se encuentran los receptores
 Los caveólos son invaginaciones
tapizadas por una proteína especializada
llamada caveolina, y parece que juegan
diversos papeles:
 La superficie de los cavéolos dispone de
receptores que pueden concentrar sustancias
del medio extracelular
 Se utilizan para transportar material desde el
exterior de la célula hasta el interior mediante
un proceso llamado transcitosis. Esto ocurre,
por ejemplo, en las células planas endoteliales
que tapizan los capilares sanguíneos.
 Están implicados en el proceso de envío de
señales intracelulares: la unión de un ligando
a los receptores de los caveólos pone en
marcha un mecanismo intracelular de envío
de señales

24. EXOCITOSIS
 Durante la exocitosis, la
membrana de la vesícula
secretora se fusiona con
la membrana celular
liberando el contenido de
la misma. Por este
mecanismo las células
liberan hormonas (p.ej. la
insulina), enzimas (p.ej.
las enzimas digestivas) o
neurotransmisores
imprescindibles para la
transmisión nerviosa.