Tipos y estructura de las ATPasas 2.1. Tipos de ATPasas
Las ATPasas cumplen diferentes funciones dependiendo de la célula a la que pertenezcan, pertenezcan, pero esta función está determinada por la estrcutura de la ATPasa y sus componentes. Existen ATPasas que transportan protones y otras que transportan iones, siempre con consumo de ATP, pero se pueden dividir en tres grandes grupos: • • •
F-ATPasas V-ATPasas P-ATPAsas
1) F-ATPasas Son enzimas muy complejas con más de ocho subunidades distintas, que están encargadas de catalizar el paso reversible transmembrana de protones (exclusivamente), impulsado por la hidrólisis de ATP. Esta ATPasa juega un papel importante dentro de los cloroplastos y las mitocondrias, ya que el flujo de protones a favor del gradiente es acompañado por la síntesis de ATP. En este papel, la ATPasa tipo F se denomina de manera más correcta comomATPsintetasa. Este tipo de ATPasa no forma un intermediario fosforilado durante la hidrólisis del ATP, por lo cual no pueden ser inhibidas por el vanadato. 2) V-ATPasa Es responsable de la acidificación de compartimientos en muchos organismos, lo que permite el correcto funcionamiento de proteasa y otras enzimas hidrolíticas. hidrolíticas. Por ejemplo, dentro de las vacuolas de las plantas superiores y los hongos el pH se mantiene muy por debajo del del citoplasma circundante por acción de esta ATPasa (cuya denominación proviene de "vacuola"). Son también responsables de la acidificación de lisosomas, endosomas, complejo de Golgi y vesículas secretoras en células animales. No experimentan fosforilación ni desfosforilación, por locual tampoco son inhibidas por el vanadato. Aún no se conoce le mecanismo por el cual acoplan la hidrólisis del ATP al transporte de protones. 3) P-ATPasas La denominación de esta ATPasa se debe a que forma un intermediario fosforilado al obtener energía del ATP. Todas las ATPasas de tipo P comparten homología homología en la secuencia de aminoácidos y todas son sensibles a la inhibición pr el vanadato, que es similar al fosfato y toma su lugar en una de las fases del funcionamineto de la enzima. Este tipo es muy importante por su amplia distribución y son proteínas integrales. Por ejemplo, en las plantas hay una P-ATPasa que bombea protones al exterior de la célula, estableciendo una diferenciad e hasta 2 unidades de pH y 250 mV a través de la membrana plasmática, consumiendo un ATP por cada protón transportado. Un ejemplo en células animales es la P-ATPasa responsable en el bombeo de protones en la
y del bombeo de iones H+ y K+ a través de la membrana plasmática de células que recubren el estómago de los maíferos, acidificando su contenido.
neurospora
Aquí se presenta un cuadro con todos los tipos de ATPasas y sus respectivas funciones Ion(es) transportados Organismo
Tipo de membrana
Papel de la ATPasa
P-ATPasas
Na+K +
Eucariotas superiores
Plasmática
Mantiene baja [Na+] y alta [K +] en el interior de la célula. Crea potencial transmembrana
H+K +
Células secretoras de ácido en mamíferos
Plasmática
Acidifica el contenido del estómago
H+
Hongos ( Neurospora Neurospora)
Plasmática
H+
Plantas superiores
Plasmática
Eliminan protones hacia la matriz extracelular, aumentando el pH del interior
Ca2+
Eucariotas superiores
Plasmática
Ca2+
Células musculares en animales
Mantiene baja [Ca2+] en el citosol
Retículo Retículo sarcoplas sarcoplasmátic máticoo Secuestra Secuestra el Ca2+ intracelular manteniendo baja la [Ca2+]
V-ATPasas
H+
Animales
H+
Plantas superiores
Vacuolar
H+
Hongos
Vacuolar
Vesículas secretoras lisosómicas y endosómicas
Crea un bajo pH en el compartimiento activando proteasas y otras enzimas hidrolíticas.
F-ATPasas
H+
Eucariotas
H+
Plantas superiores
Tilacoides
H+
Procariotas
Pasmática
Mitocondrial interna
Cataliza la formación de ATP a partir de ADP + Pi
Dada la importancia de la P-ATPasa, la siguiente sección sobre la estructura de las ATPasas se centrará principalmente en esta enzima.
2.2. Estructura de las ATPasas
Las ATPasas son enzimas muy complejas, conformadas por cadenas de aminoácidos muy largas, que pueden ir desde los 600 a los 1200 aminoácidos. Estas cadenas de
aminoácidos se pliegan para formar la estrcutura tridimensional de la ATPasa, la cual va insertada en la membrana plasmática a manera de proteína integral. Pero el estudio de enzimas de mebrana es muy complicado, dad la dificultad para obtener muestras puras de estas proteínas. Por ejemplo, se ha conseguido resolver la estructura de dos proteínas de membrana bacterianas bacterianas (bacteriorrodopsina y centro de reacción de la fotosíntesis), pero no se conoce la estructura atómica de ninguna ATPasa. Para lograr encontra la estructura de las ATPasas, se están utilizando técnicas de difracción difracción de rayos X en cristales cristales tridimensionales de proteínas de membrana solubilizadas y la difracción de electrones en cristales bidimensionales en membranas con alta concentración de proteína. Estás técnicas proveerían en un futuro cercano la información estructural de las distintas conformaciones de las ATPasas. Para esto es necesario al estabilización de las ATPasas con ligandos específicos como el vanadato y el Ca2+. Actualmente la única información directa que se posee sobre la estructura de las ATPasas es la secuencia de la cadena de aminoácidos que las conforman, deducida de las secuencias de los genescorrespondientes a dichas proteínas.
Imagen de una ATPasa obtenida por difracción de rayos X
Pasaremos ahora a explicar la estructuar conocida de una P-ATPasa, la cual puede contener entre 920 a 950 aminoácidos. Esta cadena en su estado #in vivo" se pliega, dando como resultado una conformación muy compleja. Dentro de las secuencia de aminoácidos, se encuentran regiones hidrofóbicas, que por ende se ubican en la parte interior de la membrana, junto a las colas hidrofóbicas de los fosfolípidos. Estas regiones están compuestas por unos 17 a 24 residuos, que atraviesan la membrana en forma de α -hélice, que corresponde a una estrcutura proteínica proteínica secundaria. Se postula que de estas regiones, 6 a 12 interactúan directamente con la membrana.
Con respectoal plegamiento de la cadena de aminoácidos, se acepta que los extremos aminoterminales y carboxiterminales se encuentran en la parte intracelular, por lo cual las regiones transmembranosas dberían ser de número par. Existen entonces 4 dominios principales en la ATPasa, el dominio transmembranoso, ya explicado y los dominios kinasa, fosfatasa e inhibidor, que serpan tocados a continuación. Los dominios kinasa y fosfatasa son los responsables de la obtención de energía del ATP, cumpliendo funciones complementarias para el ciclo. El dominio kinasa se cree que es responsable de catalizar catalizar la formación del intermediario fosforilado, fosforilado, arrancando el último fosfato (gamma-fosfato) (gamma-fosfato) al ATP. La ATPasa entonces se fosforila y el papel del domini fosfatasa es hidrolizar este intermediario para obtener la energía necesaria para empujar a un protón en contra de la gradiente electroquímica. El dominio inhibidor es el extreo carboxiterminal de la ATPasa, que según su posición permite o impide la activación de la enzima. Cuando la enzima estpa activa, este autoinhibidor se desplaza impidiendo que un nuevo ATP sea usado para formar el intermedio intermedio fosforilado, hasta que se cumpla el ciclo. A continuación continuación se muestra una imagen esquemática de la P-ATPasa con sus dominios:
Transporte mediado por proteínas El agua y otras moléculas hidrofílicas § excluyen a los lípidos y a otras moléculas hidrofóbicas §. §. Las moléculas hidrofóbicas excluyen a las hidrofílicas. Este comportamiento de las moléculas, determinado determinado por la presencia o ausencia de regiones polares o cargadas, es de importancia fundamental en la capacidad de las membranas celulares para regular el pasaje de materiales hacia dentro y hacia fuera de las células y de las organelas. Las membranas celulares están formadas por una bicapa lipídica, en cuyo interior confluyen las colas hidrofóbicas de las moléculas de lípidos. Este mar lipídico interior es una barrera formidable para los iones § y la mayoría de las moléculas hidrofílicas, pero permite el pasaje fácil de moléculas hidrofóbicas, tales como las hormonas esteroides §. §. Así, la composición fisicoquímica de la membrana celular es la que determina qué moléculas pueden atravesarla libremente y qué moléculas no. Las moléculas no polares pequeñas atraviesan libremente una bicapa lipídica. Las moléculas polares relativamente grandes sin carga, o los pequeños iones (con carga) no pueden atravesar el interior hidrofóbico. El agua y otras moléculas polares pequeñas pequeñas y sin carga difunden a través de la bicapa. La mayoría de las moléculas orgánicas de importancia biológica tienen grupos funcionales polares polares y, por lo tanto, son hidrofílicas; a diferencia del dióxido de carbono, el oxígeno y el agua, ellas no
pueden atravesar libremente la barrera lipídica por difusión simple. De modo similar, los iones que son de importancia crucial en la vida de la célula no pueden difundir a través de la membrana. Aunque los iones individuales, como el sodio (Na+) y el cloruro (Cl-), son bastante pequeños, en solución acuosa se encuentran rodeados por moléculas de agua y, tanto el tamaño como las cargas de los agregado agregados s resultantes impiden que los iones se deslicen a través de las aberturas momentáneas que sí permiten el pasaje de las moléculas de agua. El transporte de estos agregados y de todas las moléculas hidrofílicas, excepto las muy pequeñas, depende de proteínas integrales de membrana que actúan como transportadores, transfiriendo a las moléculas hacia uno y otro lado de la membrana sin que entren en contacto con su interior hidrofóbico hidrofóbico..
Permeabilidad de una bicapa lipídica.
Se pueden distinguir dos tipos principales de proteínas de transporte: las llamadas proteínas transportadoras o "carrier" § y las proteínas
formadoras de canales § (canales iónicos). Las proteínas "carrier" que se encuentran en la membrana plasmática o en la membrana que rodea a las organelas § son altamente selectivas. Lo que determina qué moléculas puede transportar es la configuración de la proteína, o sea, su estructura terciaria o, en algunos casos, cuaternaria. Aunque en el curso del proceso del transporte la proteína sufre típicament típicamente e cambios en la configuración, esa alteración no es permanente. permane nte. Las proteínas "carrier" son muy similares a las enzimas §, §, que son también altamente selectivas en cuanto a las moléculas con las que interactúan y no se alteran permanentemente por esas interacciones. El modelo actual del mecanismo de transporte llevado a cabo por proteínas carrier sugiere que la proteína transportadora se une específicame específicamente nte a la molécula a transportar y sufre cambios temporales en su configuración provocados, en general, por la unión misma del soluto. Son estos cambios conformacionales los que permiten la transferencia del soluto a través de la membrana membrana..
La diálisis es un proceso por medio del cual se produce un filtrado artificial de la sangre. En éste, se retiran los elementos tóxicos del torrente sanguíneo cuando los riñones han perdido su capacidad. Este sistema suele utilizarse en pacientes que padecen de insuficiencia renal, pero también sirve para remover de manera más rápida las drogas o sustancias tóxicas en situaciones agudas. Cuando una persona ha perdido el 90 por ciento de la función renal, se le considera un enfermo de insuficiencia renal crónica. Para este caso existen dos tipos de diálisis: la hemodiálisis y la diálisis peritoneal. La diálisis peritoneal elimina las toxinas del organismo por medio de una membrana que recubre los órganos de la cavidad abdominal llamada peritoneo. En este tipo, se le infunden soluciones especiales que contribuyen con la eliminación de las toxinas, se mantienen ahí por un lapso de tiempo y luego son drenadas. Este tipo de diálisis puede hacerse desde la casa, pero debe realizarse todos los días. En la hemodiálisis, la sangre pasa a través de un aparato que realiza el filtrado. La mayoría de los pacientes se someten a hemodiálisis durante 3 sesiones cada semana y cada sesión dura de 3 a 4 horas. En cuanto a su efectividad, ambos sistemas son iguales, sin embargo los pacientes tienden a preferir este último. Antes de realizar una diálisis es f undamental undamental controlar: la presión sanguínea, la temperatura, la frecuencia cardíaca, la frecuencia respiratoria, el peso, hacer una evaluación del tórax y un examen del acceso venoso. Es importante tener en consideración que el proceso es bastante largo y tedioso. En el caso de los niños es especialmente necesario disponer de juegos o elementos que los distraigan como libros o programas de televisión.
Los riesgos inmediatos que implica la diálisis son: hipotensión, infecciones, desequilibrio de electrolitos, sangrado en el sitio del acceso, náuseas y vómitos, calambres, reacción al dializador, embolia embolia gaseosa, e isquemia o arritmia cardíaca (se refiere a los latidos cardíacos irregulares)
6. Osmosis y presión osmótica Se define ósmosis como una difusión pasiva, caracterizada por el paso del agua, disolvente, a través de la membrana semipermeable, desde la solución más diluida a la más concentrada.
Y entendemos por presión osmótica, a aquella que seria necesaria para detener el flujo de agua a través de la membrana semipermeable. Al considerar como semipermeable a la membrana plasmática, las células de los organismos pluricelulares deben permanecer en equilibrio osmótico con los líquidos tisulares que los bañan.
Si los líquidos extracelulares aumentan su concentración de solutos, se haría hipertónica respecto a las células, como consecuencia se originan pérdida de agua y deshidratación (plasmólisis) De igual forma, si los líquidos extracelulares se diluyen, se hacen hipotónicos respecto a las células. El agua tiende a pasar al protoplasma y las células se hinchan y se vuelven turgentes, pudiendo estallar (en el caso de células vegetales la pared de celulosa lo impediría), por un proceso de turgescencia.
En el caso de los eritrocitos sanguíneos la plasmólisis se denomina crenación y la turgescencia el de hemólisis.
Líquido "del" mosaico flúido
" de la disección " = movimiento soluble, constantemente que cambia. " mosaico " = integrado por una plétora de diversas macromoléculas (proteínas, phospholipids, phospholipids, y grasas del IE). Características Importantes 1.
selectivamente permeable Si fuera totalmente permeable, los productos hechos en la célula no podrían ser salvados en la célula, porque no podría mantener un específico interno ambiente. Las grasas no saturadas permiten más fluidez porque los ácidos grasos siguen separados y no enredados con los de otros phospholipids (que acerca los phospholipids phospholipids uno a uno). 1. crite criterio rioss para para la selecc selecció iónn
1. solubi ubilidad dad 2. talla 3. carga carga (compati (compatibili bilidad dad o atrac atracción ción entre entre la la membrana membrana y la molécula o el ion) 2. cargado 1. las membran membranas as tienen tienen siempre siempre una una carga carga y la carga carga cambia cambia siempr siempree
Este modelo básico fue desarrollado para substituir el Davson-Danielli modelo del emparedado. Problemas con el modelo del emparedado incluido
1. la general generalizac ización ión que todas todas las las membranas membranas de una célul célulaa eran iguale iguales. s. Fue desafiada (las membranas son diferentes en estructura y la función: las membranas de los mitochondria son 1-2 nanómetros -- nm -- de más pequeño que la membrana del plasma) 2. las proteí proteínas nas de la membrana membrana SON SON amphipath amphipathic. ic. Si las las proteínas proteínas fueran fueran acodadas en la superficie de la membrana (por lo tanto el " modelo conocido del emparedado"), las piezas hidrofóbicas serían expuestas a HOH y las partes hidrofílicas de los phospholipids no estarían en contacto con HOH.
DD=Davson-Danielli Qué afecta la " fluidez " de la membrana? (más Características) Características)
1. La membrana membrana es ligada ligada por por la interacc interacción ión hidrofó hidrofóbica bica (los (los ácidos ácidos grasos grasos y las piezas de la proteína) que es mucho más débil que la vinculación covalente. 2. Los lípidos lípidos mandil mandilan an lateralme lateralmente nte y el mover de un tirón-tira tirón-tirarse rse (aunque (aunque ocurre) ocurre) es raro porque los ' encadenamientos phobic del ácido graso tocarían HOH (y ellos resiste esto). Él movimientos lateralmente en 2 micrómetros por segundo. Algunas proteínas de la membrana mandile también, pero se aseguran más en la membrana. 3. la membrana sigue siendo flúida mientras que la temperatura baja hasta que (@ una temperatura crítica) solidifica. Si no solidifica en esta temperatura, entonces es rica en los phospholipids no saturados (razón: el unsat no pila de discos tan
cerca junto como lo hacen los encadenamientos sentados o rectos del hidrocarburo). 4. El Chole Cholesto storal ral Estero Esteroid idee 1. ayudas ayudas estabi estabili lice ce la la fluid fluidez. ez. 2. en la temperat temperatura ura del cuerpo, cuerpo, refrena refrena los movimien movimientos tos de phosphol phospholipi ipids ds porque obstaculiza el embalaje cercano junto por su presencia; 3. por lo tanto, tanto, levant levantaa la toleranc tolerancia ia de las membran membranas as de temperat temperaturas uras más frías. 5. Si solidi solidifica fica,, las proteí proteínas nas llega llegann a ser inacti inactivas. vas. 6. Una célula célula PUEDE PUEDE alterar alterar la composi composición ción de lípid lípidoo (sentada (sentada al unsat unsat y viceversa). ejemplo: trigo de invierno 1. es proteínas proteínas el consistir consistir en de una película película líquida líquida disueltas disueltas en un bilayer del lípido. 2. es alrede alrededor dor tan tan flúido flúido como como el acei aceite te de la la ensalada ensalada.. Qué constituye " mozaic"-ness?
1. muchas muchas diversas diversas proteína proteínass en el bil bilayer ayer las proteínas determinan funciones específicas 2. Tipo Tiposs de prot proteí eína nass 1. integral puede estar el trans-membrane o apenas hasta cierto punto 2. periférico no embutido en la membrana asociado a la superficie de la membrana; a veces a las proteínas integrales
" las caras interiores y exteriores " de membranas
1. diversas piezas de membranas membranas tienen tienen composición composición de lípido que diferencia diferencia 2. También dependiendo dependiendo de esta composición composición y de la proteína proteína sí mismo, la la proteína proteína tiene una orientación direccional. 3. los carbos carbos se restri restringen ngen al exter exterior ior de la membra membrana na 4. se determina determina esta esta distribución distribución asimétrica mientras que es la membrana membrana sintetiza sintetiza por ER
