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Electrodifusión libre Canales iónicos

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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