electrodifusion libre
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Electrodifusión libre
Canales iónicos
Electrodifusión libre- Transporte pasivo (a favor de gradiente electroquímico
- Especie transportada: pequeños iones inorgánicos (Na+, K+, Ca+
+, Cl-)
- A través de canales iónicos (gran mayoría: alta especificidad)
- Participan en múltiples funciones:
Excitabilidad Proliferación celular
Comunicación intercelular Fecundación
Acoplamientos excito-contractor y excito-secretor
Mantenimiento y regulación del volumen celular
Transducción sensorial Aprendizaje y memoria
Procesos de absorción y excreción Balance hidroelectrolítico
Secreción de hormonas
Energía de un soluto en solución tiene dos componentes: químico y eléctrico: Energía potencial química: Epq = RTlnC Energía potencial eléctrica: Epe = zFV Energía potencial total: Ept = Epq + Epe Condición de equilibrio para un soluto (en célula):
Epti = Epte
Epqi + Epei = Epqe + Epee
Leyes que rigen la Electrodifusión libre
Vi-Ve = RT/zF. ln (Ce/Ci) = Ex
Por propiedad logarítmica:
LEY DE NERNST (Ex: Potencial de equilibrio del ion X)
Epqi + Epei = Epqe + Epee
Sustituyo por sus componentes: RTlnCi + zFVi = RTlnCe + zFVe
Reordenando: zFVi - zFVe = RTlnCe - RTlnCi
Sacando factor común: zF (Vi-Ve) = RT (lnCe – lnCi)
Reordenando: Vi-Ve = RT/zF. (lnCe – lnCi)
Epqi + Epei = Epqe + Epee
Sustituyendo por sus componentes:
RTlnCi + zFVi = RTlnCe + zFVe
Operando y reordenando:
Vi-Ve = RT/zF. ln (Ce/Ci) = Ex
LEY DE NERNST
(Condición de equilibrio para un ion)
Dado que cada ion tiene sus propias condiciones de concentración y carga:
Concentración extracelular
Concentración intracelular
Na+ 145 mM 12 mM
K+ 4 mM 155 mM
Cl- 120 mM 3,8 mM
(Datos para iones más relevantes en fibra muscular esquelética)
(Utilizando: R = 8,3 J/mol.K; t = 25°C y F = 96500 C/mol)
ENa+ = +64 mV EK+ = -94mV ECl- = -89 mV
Condición de equilibrio para un ion: Vm = E, ¿En qué situación el ión poseerá cierta energía potencial electroquímica que le dé “tendencia al escape”?
I Xz = g X
z. (Vm – E Xz) LEY de OHM
para canales iónicos
I Na+
= g Na+ . (Vm – E Na
+)
I K+
= g K+
. (Vm – E K+)
Ó ¿Cuál será la fuerza impulsora para un ión?
I Cl- = g Cl
- . (Vm – E Cl
-)
Vm – E Xz
Cómo modifica al Vm, una corriente iónica transportada por...?
n catión (+) que ingresa a la célula?
que egresa de la célula?
n anión (-) que ingresa a la célula?
que egresa de la célula?n la gran mayoría de células, cuando la membrana está en reposo:
El Na+ tiende a ingresar y depolarizar la membrana
El K+ tiende a egresar e hipoerpolarizar la membrana
El Cl- está en equilibrio (no tiene tendencia al escape)
Vm
0
ENa
EK
Vr
I entrante de Na+
I saliente de K+
Vm
0
ENa
EK
Vr (2)
La técnica de fijación de voltaje permite modificar el Vm y eventualmente invertir las corrientes iónicas
Vr (1)
I saliente de Na+
I entrante de K+
Vr anterior
¿De qué otra forma se podría experimentalmente invertir una corriente iónica?
¿En qué condiciones la corriente iónica será nula?
Recordemos las ecuaciones de flujo pasivo que estudiamos y la ley general del transporte:
I Xz = g X
z. (Vm – E Xz) Ley de Ohm
para canales iónicos
J/á = - L. dY/dx Ley general del transporte
M = P. dC Primera ley de Fick
J = L. (∆P − σ∆π) Ecuación de flujo de agua
Ecuación de Goldmann-Hodking y Katz
Retomamos ley de Ohm para canales iónicos: I X
z = g X
z. (Vm – E Xz)
El voltaje de membrana es afectado por la conductancia (“permeabilidad”) a los diferentes
iones y sus correspondientes potenciales de equilibrio
Vreposo =R.TzF
lnPNa
+ .[Na]e + PK+ .[K]e
+ PCl - .[Cl-]i
PNa+ .[Na]i
+ PK+ .[K]i + PCl - .[Cl-]e
El voltaje de membrana de reposo se acerca al potencial de equilibrio del ión más
permeante
“Caso extremo”: la membrana es permisiva a un solo ion
Ej: al Na+:
Vreposo =R.TzF
lnPNa
+ .[Na]e + PK+ .[K]e
+ PCl - .[Cl-]i
PNa+ .[Na]i
+ PK+ .[K]i + PCl - .[Cl-]e
Vreposo =R.TzF
lnPNa
+ .[Na]e
PNa+ .[Na]i
= ENa
La bomba de sodio y potasio sólo es relevante en la determinación del potencial de membrana de reposo
indirectamente, manteniendo los gradientes electroquímicos de sodio y potasio
En la mayoría de las células la ecuación de GHK es apropiada para calcular el Vm de reposo. (Hay excepciones, ej: células del órgano de Corti).
El principal determinente del potencial de membrana de reposo es una alta permeabilidad al potasio, respecto al sodio: PK > PNa (cambios en K+e importantes efectos en Vm y actividad
eléctrica de células excitables)
También participa la diferente distribución iónica a ambos lados de la membrana celular
- Estructura proteica, pueden tener una sóla o más subunidades (forman: dímeros, trímeros, tetrámeros, pentámeros) ó seudounidades.
- Cada subunidad (o seudounidad) presenta varios segmentos transmembrana.
- Especificidad: “filtro de selectividad”
- Adoptan diferentes conformaciones: estados del canal
Canales iónicos
Clasificación de canales: - voltaje-dependientes - ligando-dependientes (ionotrópicos
y metabotrópicos) - mecanosensibles
Algunas variantes estructurales dependiendo del tipo de canal:
- Presencia de segmento S4 (sensor de voltaje): grupo aminoacídico cargado que se mueve dependiendo del voltaje de membrana.- Presencia de zonas de unión a ligandos.- Mecanosensibles: mecanismo no bien comprendido
Canales ligando-dependientes
Ejemplo: canales dependientes de receptores de acetilcolina (permiten el paso de sodio y potasio)
Nicotínicos: el receptor está en el propio canal (ionotrópico)
Muscarínicos: el receptor está en otra molécula proteica distinta del canal (metabotrópico)
Dentro de metabotrópicos hay: - dependientes de proteína G
y - dependientes de tirosinquinasa
“Caricatura” de canal iónico voltaje-dependiente
Proteínas “transportadoras”
- Acuaporinas (t. pasivo) (cinética lineal)
- Canales iónicos (t. pasivo) (cinética con saturación)
- Bombas (t. activo primario) (saturación)
- “Carriers” o “proteínas transportadoras” propiamente dichas (diversos tipos):
“simple”: transporta un único soluto (t.pasivo) (saturación) ; o
“transportes acoplados”: simporte (cotransporte) o antiporte (contratransporte) (t. activo secundario) (saturación)
Transporte de iones a través de proteínas de diversa naturaleza:
102 iones/seg
BOMBAS
CARRIER
<103 iones/seg
106 iones/seg
Todos ellos presentan cinéticas con saturación
(puede dificultar la diferenciación experimental entre un canal y un “carrier”)
Parámetros:
- Jmáx: flujo máximo
- Km: relación inversa con la afinidad “aparente” del transportador por el soluto
Función doble inversa permite estimación más precisa de parámetros.
[ ]
[ ]
J Jmax
1 / J
[soluto]
1 / [soluto]
Jmax
Jmax