Seccion 9ª

• Sistemas de transporte a través de

membranas

• Transducción intracelular de señales

Bioquímica I - Grado en Farmacia - Universidad de Salamanca

Emilio Fernández

Sistemas de transporte a

través de membranas

Soluto

hidratado

Transportador

Difusión simple

sin transportador

Difusión

simple

Difusión

con transportador

Perfil energético del paso de un

soluto hidrofílico a través

de una membrana biológica

Los trasportadores, como las

enzimas, actúan disminuyendo la

energía necesaria para atravesar las

membranas

Tipos de sistemas de transporte

DIFUSIÓN SIMPLE

(solo compuestos no polares

a favor de gradiente)

DIFUSIÓN FACILITADA

(a favor de gradiente

electroquímico)

TRANSPORTE ACTIVO PRIMARIO

(en contra de gradiente

electroquímico)

TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO

(en contra de gradiente

electroquímico, promovido por

Iones que se transportan a favor de gradiente)

CANAL IÓNICO

(a favor de gradiente

electroquímico)

TRANSPORTE IÓNICO FACILITADO

POR IONÓFORO

(a favor de gradiente

electroquímico)

Ionóforo

Difusión simple

A favor de gradiente hasta equilibrar concentraciones.

Sin ayuda de proteínas transportadoras.

No requiere energía.

No saturable por sustrato.

Transporte pasivo (=Difusión facilitada).

A favor de gradiente hasta equilibrar concentraciones.

Con ayuda de proteínas transportadoras.

No requiere energía.

Saturable por sustrato.

Canales iónicos.

A favor de gradiente hasta equilibrar concentraciones.

Con ayuda de proteínas transportadoras.

No requiere energía.

No saturable por sustrato.

Ejemplos:

Gases (O2, CO2, N2) y

sustancias liposolubles.

Ejemplo:

GLUT (transportador de glucosa).

Ejemplo:

Canal de Ca2+ en el retículo

endoplasmático,

Canal de Na+, canal de K+

Tipos de transporte de solutos a través de membranas

(contra gradiente de concentración)

Tipos de transporte de solutos a través de membranas

(contra gradiente de concentración)

Transporte activo.

En contra de gradiente de concentración.

Con ayuda de proteínas transportadoras.

Sí requiere energía.

Saturable por sustrato.

PRIMARIO: la energía la genera el propio transportador.

Ejemplos: Na+/K+-ATPasa,

Ca2+-ATPasa,

H+/K+-ATPasa

SECUNDARIO: aprovecha la energía generada por un transporte activo

primario.

Ejemplos: Transporte de glucosa Na+-dependiente (sólo en intestino),

Acuaporina (canal de agua H+-dep).

• Según el número de solutos transportados

- Simple = uniporte

- Co-transporte:

Simporte (paralelo, en el mismo sentido)

Antiporte (antiparalelo, en sentido opuesto)

• Según el carácter eléctrico

- Electroneutro: no hay acumulación de cargas en uno de los lados.

- Electrogénico: si hay acumulación de cargas en uno de los lados.

Uniporte Simporte Antiporte

Co-transporte

Transporte de glucosa por difusión facilitada

D-Glucosa D-Glucosa fuera

dentro

Tejido donde se expresa Transportador

Transportadores de glucosa en tejidos humanos

Función

UBICUO

HIGADO, PANCREAS E INTESTINO

NEURONAS

MUSCULO, TEJIDO ADIPOSO, CORAZÓN

INTESTINO, TESTÍCULO, RIÑÓN

Captación basal de glucosa

Hígado: retirar glucosa de la sangre

Páncreas: regular la liberación de insulina Captación basal de glucosa

DEPENDE DE INSULINA

Transporta fructosa

Regulación del transportador de glucosa Glut4 en corazón

Receptor

de insulina

Membrana

plasmática

Transportador

de glucosa

Fusión de las vesículas

pequeñas con un

endosoma

Porciones del endosoma enriquecidas

con los transportadores brotan formando

vesículas pequeñas preparadas para volver a la

superficie en cuanto la insulina actúe

Insulina

Cuando la insulina interacciona con su receptor, las

vesículas se desplazan hacia la superficie y fisionan

con la membrana plasmática, incrementando así el

número de transportadores en la membrana Cuando la concentración de

insulina baja, los

transportadores

de glucosa son endocitados,

formando pequeñas vesículas

Los transportadores de

glucosa están “almacenados”

en forma de vesículas intracelulares

Transporte ACTIVO gasta energía

PRIMARIO La energía química (p.ej. la

hidrólisis de ATP) se gasta en

la generación de un gradiente

electroquímico.

SECUNDARIO La energía acumulada en un

gradiente (el cual se ha producido

previamente mediante un transporte

activo primario) se gasta en generar

otro gradiente

Prototipos de transporte ACTIVO

Transporte Activo Primario

• Sodio-potasio ATPasa (“Bomba” de sodio; Na+-K+-ATPasa)

- Antiporte electrogénico

- Sensible a digitálicos y ouabaína

- Función: mantener el potencial electroquímico celular

• Bomba de protones (H+-K+-ATPasa)

- Antiporte electroneutro

- Sensible a cimetidina (antiácido)

- Función: mantener el pH ácido en el estómago

• Bomba de calcio (Ca2+-ATPasa)

- Uniporte electrogénico

- Sensible a tapsigarcina

- Función: expulsar Ca2+ del citosol

Transporte Activo Secundario

• Transportador de glucosa dependiente de sodio

Fluido extracelular

o plasma sanguíneo

Bomba de sodio

Transporte activo primario

encargado de mantener

el potencial de membrana

Citosol

Potencial de membrana

(-50 a -70 mV) Na + K+ ATPasa

Este tipo de transporte es un

antiporte electrogénico, con el

bombeo de una carga + neta al

exterior, lo que genera un

gradiente eléctrico.

Transporte de glucosa dependiente de sodio (Transporte activo secundario)

Lado apical Lado basal

Sangre Lumen

intestinal

Microvellosidades

Glucosa

Glucosa

Uniporte de glucosa

Glut2 (facilitado,

a favor de gradiente) Simporte de glucosa

dependiente de sodio

(impulsado por

el sodio extracelular)

Célula epitelial

Canales iónicos

De apertura dependiente de voltaje

De apertura dependiente de ligando

Importancia en la

NEUROTRANSMISIÓN

Canal de Na+

dependiente

de voltaje

Canal de K+

Dependiente de voltaje

Canal de Ca2+

dependiente

de voltaje

+

Espacio

sináptico

Axón de

neurona

presináptica

Potencial

de acción

Vesículas

secretoras

de acetilcolina

Cuerpo celular de

neurona

postsináptica

Potencial

de acción

Receptores de

acetilcolina

acoplados a

canales iónicos

Componentes de un

sistema de

transducción de

señales:

-Agonista

-Receptor

-Transductor

-Efector

SEÑAL

RECEPTOR

TRANSMISIÓN

(Transductor –

“Segundos” Mensajeros)

AMPLIFICACIÓN EN CASCADA

MODULACIÓN

POR OTROS

FACTORES

Regulación de

ruta

metabólica

Transducción intracelular

de señales

Regulación de

expresión

génica

Cambios

del

citoesqueleto

DIVERGENCIA

A VARIAS DIANAS

Características de la transducción de señales 1

a) Especificidad

Efecto

b) Amplificación

en cascada

Agonista

Enzima 1

Enzima 2

Enzima

3

2 2

Los agonistas encajan en sus sitios

complementarios del receptor mientras

que otras moléculas no encajan

Cuando unas enzimas activan a otras

enzimas el número de moléculas

afectadas se incrementa en

progresión geométrica generando

una “Cascada enzimática”

Características de la transducción de señales 2

c) Desensibilización

Agonista

La activación del receptor dispara un

mecanismo de retro-alimentación que

“apaga” el receptor o lo retira de la

superficie celular.

d) Integración Agonista 1 Agonista 2

Respuesta

Cuando dos agonistas tienen efectos

opuestos sobre una característica

metabólica, como la concentración de un

segundo mensajero (X) o el potencial de

membrana (Vm), la respuesta reguladora

se obtiene de la activación integrada de

ambos receptores

Respuesta

Enzima

Agonista

Tipos de receptores

La respuesta celular depende del tipo de receptor

• Receptores intracelulares

- El agonista es liposoluble (esteroide)

- La respuesta celular es lenta (transcripcional)

• Receptores de membrana

- El agonista es hidrosoluble (proteína o aminoácido)

- La respuesta puede ser muy rápida o lenta

Respuesta tras activación de

RECEPTORES

INTRACELULARES

Señalización por hormonas

esteroides y tiroideas,

retinoides

y vitamina D

Respuesta:

Lenta (0,5 - 2 horas)

Útil en situaciones de

adaptación a largo plazo

cortisol

Proteína

receptora

intracelular

Cambio

conformacional

que activa

el receptor

El complejo

receptor-esteroide

se traslada al núcleo

Membrana plasmática

citosol

núcleo

gen-diana activado

transcripción El complejo receptor-esteroide

se une a la región reguladora del

gen-diana y activa la transcripción

Respuesta tras activación de RECEPTORES DE

MEMBRANA

Tiene dos tipos de respuesta: rápida y lenta Agonista extracelular

Ruta de señalización

intracelular

Receptor en la

superficie celular

Función

proteica

alterada

RÁPIDA

(milisegundos)

LENTA

(minutos - horas)

EXPRESIÓN GÉNICA ALTERADA

MAQUINARIA CITOPLASMÁTICA ALTERADA

ALTERACIÓN DEL COMPORTAMIENTO CELULAR

• Receptores asociados a canales iónicos

• Receptores asociados a proteínas G

• Receptores con actividad enzimática (autocatalítica)

enzima proteína G proteína G

activa Enzima

activa

agonista

Agonista en forma

de dímero

Dominio catalítico

inactivo Dominio catalítico

activo

iones

agonista

Membrana

plasmática

Tipos de

RECEPTORES DE

MEMBRANA

• Neurotransmisor

(Acetilcolina, dopamina

glutamato, serotonina)

• Segundo mensajero

(inositol-trisfosfato)

Ejemplo 1 .- Señalización por receptor de membrana asociado a

proteína G: ACTIVACIÓN DE LA PROTEINA KINASA C (PKC)

Agonista

Receptor acoplado

a proteína G Fosfolipasa C

activada

Fosfatidil-inositol

Diacilglicerol

Proteína

kinasa C Proteína G (subunidad a)

activada Inositol-1,4,5-trisfosfato

(IP3)

Retículo

endoplasmático

Canal de Ca2+

abierto

Agonista

Receptor

Proteína G (subunidad a)

activada AMP cíclico (cAMP)

Proteína kinasa A

(activa) Proteína kinasa A

(inactiva)

Adenilato ciclasa

(activa)

Poro nuclear Proteína kinasa A

(activa)

Proteína génica reguladora

(factor de transcripción)

fosforilada y activada

Nueva proteína

Traducción

Transcripción

Gen-diana activado

citosol

núcleo

Ejemplo 2 de señalización por receptor de membrana asociado a

proteína G: ACTIVACIÓN DE LA PROTEINA KINASA A (PKA)

Respuesta rápida

Respuesta rápida

Respuesta lenta

MECANISMO DE LA REGULACIÓN DE LA PROTEINA KINASA A (PKA)

Un ejemplo de activación por efector alostérico positivo

Dominio

de dimerización

Motivo

inhibidor

Hendidura de unión

del sustrato

Subunidad

catalítica

Subunidad

reguladora

Hendidura de unión

del sustrato: libre y preparada

para recibir una molécula de sustrato

(Proteína de anclaje de la PKA)

PKA - Forma inactiva

PKA - Forma activa

Importancia de la Proteína Kinasa A

en metabolismo glucídico:

CASCADA DE AMPLIFICACIÓN

DE LA ADRENALINA

Y GLUCAGON

Por cada molécula de adrenalina

que activa su receptor se produce

la liberación de 10.000 moléculas

de glucosa a la sangre

Adrenalina Hepatocito

PKA inactiva PKA activa

AMP cíclico (cAMP)

Fosforilasa b

kinasa activa Fosforilasa b

kinasa inactiva

Glucógeno

Fosforilasa a activa

GLUCÓGENO Glucosa-1-fosfato

Glucosa

Glucosa en sangre

Adenilato

ciclasa

Glucógeno

Fosforilasa b

inactiva

Miocito

Contracción

Muscular

Glucolisis

a

a

a

a

a

a

a

Agonista en forma de dímero

Dominio

tirosina

kinasa

Receptor tirosina kinasa INACTIVO ACTIVO ACTIVO

Receptor tirosina kinasa Actividad kinásica

estimulada

Tirosinas

fosforiladas

Membrana

plasmática

TRANSMISIÓN DE LA

SEÑAL

Proteínas

Intracelulares

unidas a

las tirosinas

fosforiladas

citosol

Espacio

extracelular

Señalización por receptor con actividad autocatalítica

AUTOFOSFORILACIÓN DE RECEPTORES CON ACTIVIDAD TIROSINA KINASA (TKR)

Importancia en mecanismo de acción de la INSULINA

Ejemplo 1: activación por autofosforilación del receptor de la insulina REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA A TRAVÉS DE LA CASCADA DE LAS MAP KINASAS

Insulina El receptor de la insulina une insulina

y sufre autofosforilación en sus residuos

de Tyr de lo dominios intracelulares

El receptor de la insulina (activo)

fosforila a IRS-1 en sus residuos de Tyr

Formación de complejos:

1) Grb2 se une a un residuo fosforilado de Tyr de IRS-1.

2) Sos se une a Grb2, y después a Ras (una proteína G),

que libera GDP y une GTP (guanosina trifosfato), activándose

así Ras.

Ras (activo) une y activa a Raf-1

Raf-1 fosforila MEK y lo activa.

MEK fosforila ERK y lo activa.

ERK fosforilado se

internaliza en el

núcleo y fosforila

factores de

transcripción (Elk1),

activándolos Elk1 fosforilado se

une a SRF para

estimular la transcripción

y traducción de genes

necesarios para la

división celular

Nuevas proteínas

Citosol

Núcleo

Ejemplo 2: activación por autofosforilación del receptor de la insulina ACTIVACIÓN DE LA GLUCÓGENO SINTASA Y CAPTACIÓN DE GLUCOSA POR INSULINA

IRS-1, fosforilada por el receptor

de la insulina (ver anterior esquema),

activa PI-3-K (fosfatidilinositol-3-kinasa),

que convierte PIP2 en PIP3

La proteina kinasa B (PKB) se une a PIP3

y se fosforila por la proteína kinasa PDK1

(no mostrado). PKB fosforilada es activa

y fosforila la glucógeno sintasa kinasa-3 (GSK3),

inactivándola.

GSK3, inactivada por fosforilación,

ya no puede seguir fosforilando

(inactivando) a la glucógeno sintasa

(GS), por lo que GS queda ahora

activa.

Glucógeno

La síntesis de glucógeno

a partir de glucosa

se acelera

Glucosa

La PKB (fosforilada y activa) también

estimula la traslocación del transportador

de glucosa Glut4 desde las vesículas

Intracelulares hacia la membrana plasmática,

incrementando así la captación de glucosa

INACTIVA

ACTIVA

ACTIVA

INACTIVA

Otros sistemas de transducción intracelular de señales

• Óxido nítrico (•N=O)

-Sintetizado por la óxido nítrico sintasa (NOS):

Arginina —> Citrulina + •NO

-Es un “segundo mensajero”: activa la guanilato ciclasa soluble:

•NO + Guanilato ciclasa soluble —> GMP cíclico

-Funciones: relajación de músculo liso, hipotensor arterial,

neurotransmisión, defensa celular, etc

• Calcio-calmodulina kinasa (CAM kinasa o CAMK)

-Se activa por el complejo calcio-calmodulina

-Función: fosforila múltiples sustratos. Neurotransmisión.

• Proteína kinasa dependiente de AMP (AMP kinasa o AMPK)

-Sensor energético celular: se activa al aumentar [AMP]

-Fosforila enzimas metabólicas:

• Activa enzimas catabólicas (que producen energía)

• Inhibe enzimas anabólicas (que consumen energía)

-Función: compensar pérdida de carga energética celular