Transporte de solutos y agua

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Transporte de solutos y agua

• Curso ME 2012
• Fisiología Humana
• Dra. Adriana Suárez , MSc.

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Temas de la clase

• Guía estudio objetivo, lecturas, laboratorio,
  ATP
• Importancia
• La membrana celular, compartimentalización,
  semipermeabilidad
• Clasificación de mecanismos de transporte
• Difusión simple
• Difusión facilitada
• Transporte activo primario, secundario

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Guía de estudio

• Objetivo Resolver problemas de transporte en
  los organismos vivientes que incluyan conceptos
  de difusión simple y facilitada, ósmosis,
  transporte activo primario, secundario y
  terciario, así como los sistemas de transporte
  masivo endocitosis, exocitosis y arrastre por
  solvente.
• Lectura Capítulo 5 Transport of solutes and
  water en Boron W.F. Boulpaep E.L. (2009).
  Medical physiology. 2nd ed. Philadelphia
  SAUNDERS.
• Laboratorios Difusión y Osmosis y
  Permeabilidad en el eritrocito.
• ATP Problemas y casos

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Importancia

• Cómo se mantiene el equilibrio osmótico entre
  los compartimientos del LEC y del LIC?
• Cómo se mantienen las concentración de Na y K
  intracelular en un estado estacionario 15 mM
  y 120 mM respectivamente?
• Cómo se regula la fluidez de las secreciones
  mucosas?
• Cómo regulan las células su volumen?

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Membranas están compuestas por lípidos
(fosfolípidos principalmente) y proteínas y
pequeña cantidad de carbohidratos. Modelo del
Mosaico fluido. Espesor 5-8nm. Son
semipermeables.
Figure 3-4
6
Figure 5-4
7
Transporte pasivo no acoplado a través de una
membrana soluto se mueve siguiendo su
gradiente electroquímico

• Es pasiva. Utiliza la energía cinética de los
  movimientos moleculares.
• El flujo neto se da a favor de un gradiente
  electroquímico.
• Se da hasta llegar al equilibrio donde el flujo
  neto es de cero.
• Se da rápidamente en cortas distancias
• Se relaciona en forma directa a la temperatura
• Se relaciona en forma inversa al tamaño molecular
  y a la viscosidad del medio
• El soluto (sin carga, hidrofóbico) puede
  atravesar la bicapa lipídica. La membrana es
  permeable a ese soluto.

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Ley de Fick simplificada (aplica para partículas
sin carga eléctrica) Jx (mol/cm2 . s) Px
(Xo - Xi) (cm/s)(mol/cm3)
Px (coeficiente de permeabilidad de X) incluye
1. Coeficiente de partición liposolubilidad
del soluto 2. Coeficiente de difusión del
soluto (D) tamaño molecular (r),
temperatura (T), energía térmica de la
molécula, viscosidad del medio (?) 3. Grosor y
área de la membrana
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Transporte mediado

• Proteínas integrales de membrana median y regulan
  transporte de solutos polares (no liposolubles)
  poros, canales, acarreadores ó transportadores,
  bombas.
• 1/6 parte de los genes del genoma humano
  codifican para proteínas acarreadoras ó
  transportadoras.
• Puede ser pasivo (difusión facilitada) o activo
  (primario, secundario).

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• Transporte pasivo a través de proteínas
  integrales de membrana poros, canales iónicos,
  acarreadores
• Poros Siempre están abiertos.
• Canales Alternan entre un estado cerrado,
  abierto e inactivo. Tienen compuertas (gating).
  Selectividad para iones es variable.
• Acarreadores Compuertas nunca abiertas al mismo
  tiempo. Transportan solutos como la glucosa y
  la urea (difusión facilitada). Sustancia
  transportada queda ocluida en algún momento
  dentro del acarreador.
• Transporte se da a favor de gradiente
  electroquímico

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Poros

• Ejemplos
• Porinas en bacterias gram negativas y en
  membrana externa de mitocondria.
• Perforinas liberadas por linfocitos T
  citotóxicos. Se insertan en membrana de la
  célula blanco.
• Complejo de poros nucleares en la membrana
  nuclear. Formados por hasta 30 diferentes
  proteinas.
• Aquaporinas En membranas celulares de
  diferentes tipos de células.

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Acuaporinas

• Permeabilidad de las membranas al agua depende
  de la densidad de acuaporinas.
• Hay 11 diferentes descritas (2002)
• Hay acuaporinas constitutivas (AQP1,AQP3, AQP4) y
  reguladas (AQP2, túbulo colector, ADH).
• Se dividen en
• 1. Grupo de las acuaporinas AQP1, 2, 4, 5, 6,
  8.
• 2. Acuagliceroporinas por ellas puede pasar
  agua, glicerol, urea.

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Acuaporinas (AQPs)
AQP1 28 kDa. Tetrámero. Cada monómero tiene
269 aa con 6 dominios TM. AQP 1 Poro mide 2.8
Å, Radio del agua 2.8 Å. Poro interacciona
mediante enlaces de hidrógeno con agua.
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ADH y acuaporinas (AQP2) en membrana apical del
epitelio del túbulo colector
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Difusión facilitada Transporte pasivo mediado
por acarreador ó transportador. A favor de
gradiente electroquímico
Cambios conformacionales reversibles.
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Superfamilia de acarreadores de solutos (SLC)

• Incluye a todos los acarreadores que no
  hidrolizan ATP directamente y no se relacionan
  con una cadena de transporte de electrones.
• Hay 43 familias
• En cada familia hay entre (1 y 27) variantes con
  diversos grados de homología.
• Difieren en mecanismo de transporte (difusión
  facilitada, cotransportadores, intercambiadores),
  cinética (afinidad y especificidad), mecanismos
  de regulación, localización, cuando se expresan
  en el desarrollo.

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Table 5-4. Some Families in the SLC Superfamily
of Solute Carriers
Family Description Examples
SLC1 (7) Glutamate transporters EAAT1
SLC2 (14) Facilitated transport of hexoses GLUT1, GLUT4
SLC3 (2) Heavy subunits of heterodimeric amino acid transporters (with SLC7)  
SLC4 (10) bicarbonate exchangers and cotransporters AE1 (Cl-HCO3 exchanger)NBCe1 (electrogenic Na/HCO3 cotransporter)NBCn1 (electroneutral Na/HCO3 cotransporter)NDCBE (Na-driven Cl-HCO3 exchanger)
SLC5 (8) Na/glucose cotransporters SGLT1 to 5 (glucose)
SLC6 (16) Na- and Cl--coupled cotransport of "neurotransmitters" B0AT1 (Na-coupled amino acid)GAT1-3, GBT1 (Na- and Cl--coupled GABA)ATB0 (Na- and Cl--coupled amino acids)
SLC7 (14) Transporter subunits of heterodimeric amino acid transporters (with SLC3)  
SLC8 (3) Na-Ca exchangers NCX1 to 3
SLC9 (9) Na-H exchangers NHE1 to 8
SLC10 (6) Na/bile salt cotransporters  
SLC11 (2) H-driven metal ion cotransporters DMT1
SLC12 (9) Cation-coupled Cl- cotransporters NKCC1, NKCC2 (Na/K/Cl cotransporter)NCC (Na/Cl cotransporter)KCC1 (K/Cl cotransporter)
SLC13 (5) Na-coupled sulfate and carboxylate cotransporters NaDC1 (mono-, di-, and tricarboxylates) NaSi (sulfate)
SLC14 (2) Facilitated transport of urea UT
SLC15 (4) H-driven oligopeptide cotransporters PepT1
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Table 5-4. Some Families in the SLC Superfamily
of Solute Carriers
SLC16 (14) Monocarboxylate transporters MCT1 (H-coupled monocarboxylate cotransporter)TAT1 (facilitated diffusion of aromatic amino acids)
SLC17 (8) Type I Na/phosphate cotransporters and vesicular Glu transporters NaPi-I
SLC18 (3) Vesicular amine transporters  
SLC19 (3) Folate/thiamine transporters  
SLC20 (2) Type III Na/phosphate cotransporters NaPi-III
SLC21 (11) Organic anion transporters OATPPGT
SLC22 (18) Organic cations, anions, zwitterions OCT1 to 3 (facilitated diffusion or organic cations)OAT1 to 5 (exchange or facilitated diffusion of organic anions)URAT (urate exchanger)
SLC23 (4) Na/ascorbic acid transporters  
SLC26 (10) Multifunctional anion exchangers DRA (Cl-HCO3 exchanger)Pendrin (exchanges bicarbonate, Cl-, or I-)CFEX (exchanges Cl-, bicarbonate, oxalate, formate)
SLC28 (3) Na/nucleoside transporters  
SLC34 (3) Type II Na/phosphate cotransporters NaPi-IIa, NaPi-IIc
SLC36 (4) H-coupled amino acid cotransporters PAT1
SLC38 (6) Na-driven neutral amino acids (system A and N) SNAT3 (cotransports amino acids with Na in exchange for H)System N (cotransports amino acids with Na in exchange for H)SNAT1, 2, 4 (system A cotransports amino acids with Na)
SLC39 (14) Metal ion transporters ZIP1 (uptake of Zn2)
SLC40 (1) Basolateral Fe transporter Ferroportin (MTP1, Fe2)
SLC42 (3) NH3 channels RhAG
Facilitated diffusion.
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No se satura Tasa de transporte depende de X
El flujo máximo (Jmax) se da cuando el sistema se
satura. Sistema es específico Sistema se puede
inhibir competitivo/no competitivo Acarreador
tiene Km (menor Km, mayor afinidad)
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Clasificación de los más conocidos
transportadores o acarreadores de glucosa (GLUTs,
SLC2). Son selectivos, uniportadores
Transportador Localización Características
GLUT 1 Mayoría de tejidos del cuerpo eritrocitos, glia, endotelio, BHE Glucosa y otras hexosas Constitutivo
GLUT 2 Hígado y páncreas, intestino y riñón Glucosa y otras hexosas Alta Km (poca afinidad)
GLUT 3 Neuronas Glucosa y otras hexosas. Baja Km (alta afinidad)
GLUT 4 Tejido adiposo y músculo esquelético Regulado por insulina. En membrana de vesículas.
GLUT 5 Intestino, espermatozoides, Riñones. Transporta fructosa. Poca afinidad para glucosa.
GLUT 6 Secuencia que no codifica
GLUT 7 Intestino delgado y colon. Testículos y próstata. Transporta glucosa y fructosa.
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Estructura propuesta para los GLUT
PM 46 000 12 dominios transmembrana
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Transporte mediado por acarreadores puede ser
regulado GluT4 e insulina
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Transportadores de urea (SLC14 (2) UT)

• Urea O C (NH2) 2, PM 60, radio 2 Å, polar,
  baja solubilidad en lípidos, baja permeabilidad
  por bicapa lipídica.
• UT-B glóbulos rojos Antígeno Kidd vasos
  rectos renales.
• UT-A1 en epitelio túbulo colector medular.
  Expresión regulada por ADH (mem. Apical)
• UT-A2 DDAH (delgada descendente asa Henle)
• Proteinas altamente reguladas pueden
  fosforilarse PKA, PKC, TK, glicosilarse.

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Comparación entre poros, canales y acarreadores
Acarreadores, canales y poros tienen estructura
física similar tienen dominios transmembrana
que rodean zona por donde pasa el soluto.
Algunos acarreadores también tienen canales
incorporados. En algunos canales hay zonas de
interacción del soluto con el canal. Pueden
saturarse.
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• Transporte Activo
• Contra gradiente electroquímico, requiere de
  energía. (ATP ó gradiente de concentración).
• Primario (directo) utiliza energía liberada al
  hidrolizar el ATP. Se les llama bombas.
• Secundario (indirecto) utiliza la energía
  potencial de un gradiente. Se acopla el
  movimiento de un soluto a favor de gradiente con
  el movimiento de otro en contra de gradiente.
• Crea estado de desequilibrio
• Proteína transportadora requiere energía para
  cambios de conformación.

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Transporte activo primario (bombas) ATPasas de
transporte

• P ATPasas (E1-E2) forman intermediarios
  fosforilados estables que se pueden aislar. Ej.
  Na /K ATPasa bombas Ca2 ó Ca2 ATPasas
  bombas H-K
• V ATP asas vacuolares H-ATPasas
• F ATPasas mitocondrias (F1-F0)
• Además los Transportadores tipo ABC

27
(No Transcript)
28

• cotransporte activo primario
• Ubicua.
• Electrogénica.
• P-ATPasa.
• 1alfa, 1 beta, 1 gamma
• Subunidad alfa (4 isoformas) tiene actividad
  catalítica
• Subunidad beta (3 isoformas) inserción de
  subunidad alfa a membrana.
• Subunidad ? proteína FXYD2 modula afinidad
  por K, Na y ATP
• Generalmente en memb. basolateral

NaK ATPasa (bomba de Na-K)
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E2 sitios de unión para iones abiertos hacia
afuera de la célula.
E2-P Se bloquea con glicósidos cardíacos
ouabaina, digoxina. Hipocalemia potencia
toxicidad.
E1 sitios de unión de iones abiertos hacia el
lado intracelular
30
(No Transcript)
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HK ATPasa (HKA) P2c-ATPasa Células parietales
de glándulas gástricas, riñón, intestino.
Estequiometría 2H2K1ATP. Electroneutra.
Tiene una subunidad alfa y una beta (con
similitud a subunidades de Na K ATPasa).
Inhibida por omeprazole.
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Otras P-ATPasas Ca2 ATPasas

• SERCA S/ER Ca2 ATPasa ATPasa tipo P2A.
  1ATP 2 Ca2 2 H . Hay 3 isoformas Musc.
  Esq. Rápido SERCA1 Musc. Esq. Lento y corazón
  SERCA 2a Musc. Liso SERCA2b. Tapsigargina
  inhibidor específico de las SERCA.
• PMCA Plasma membrane Ca2 ATPasa. P2B. Por lo
  menos 4 isoformas. 1H/1Ca2/1ATP. Funciona en
  paralelo con el intercambiador NCX Es 10x más
  lento que el intercambiador. Tiene mayor
  afinidad por el calcio que el intercambiador.

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(No Transcript)
34
PMCA
Codificada por 4 genes PMCA 1-4. 1ATP 1 Ca2
1 H Afinidad por calcio aumenta al unirse con
complejo Ca2 -CAM. Su Km disminuye. PL sitio
de unión a fosfolípidos P sitio de
fosforilación. Aumenta actividad al
fosforilarse. Se inhibe con lantano y vanadato.
SERCA no.
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SERCA
Con cuatro dominios citoplasmáticos cuello,
cuerda beta, unión del nucleótido,
fosforilación. Hay 3 isoformas clonadas SERCA1
músc. Esquelético rápido. SERCA 2a corazón,
músc. Esquelético lento. SERCA 2b músc.Liso,
tej. no musc. Tapsigargina inhibidor
específico. Fosfolamban regula SERCA en
músculos. Desfosforilado inhibe la SERCA.
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ATPasas tipo V H ATPasas vesículas
(lisosomas, endosomas, ves secreción), borde
apical epitelios riñón, intestino.
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Transportadores tipo ABC (ATP binding cassette)

• Tienen un motivo que liga nucleótidos (NBD1 y
  NBD2).
• Pueden actuar como bombas, canales ó reguladores
  de canales y de acarreadores.
• Son 7 subfamilias (ABCA-ABCG) con 49 miembros

38
(No Transcript)
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Subfamilia ABCB (11) MDR (multidrug resistance
transporters)

• Son ATPasas (transporte activo primario)
• MDR1 es una glicoproteína saca metabolitos
  catiónicos y drogas de las células.
• Se ven en el hígado, riñón y TGI.
• Contribuye a que células cancerosas se hagan
  resistentes a quimioterapia al sacar de la célula
  a éstas drogas.

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CFRT (ABCC) (cystic fibrosis transmembrane
regulator)
41
ABCC(13) ABCC7 CFRT (cystic fibrosis
transmembrane regulator)

• Sufre mutación en la fibrosis quística.
• Es una glicoproteína (170 kDa) en membrana apical
  y basolateral de muchos epitelios
• Es un canal de Cl- y un regulador de otros
  canales Iónicos (ej. ENaC).
• ATP regula el canal de dos formas
  fosforilación, interacciones con NBD.
• CFTR fosforilado se activa. Luego depende del
  ATP para el gating apertura o cierre del
  canal.

42
Transporte activo secundario mayoría son
cotransportadores (sinporter), intercambiadores
(antiporter)
NO utiliza ATP directamente. Lo más frecuente es
aprovechar el gradiente del Na para transportar
otros solutos en contra de gradiente
electroquímico.
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Transporte activo secundario y la Na- K ATPasa
Bomba mantiene el gradiente de sodio. El
gradiente de sodio se utiliza en formar un
gradiente de otro soluto.
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• Cotransportadores
• Ambos solutos se mueven en la misma dirección.
• Na dependiente El sodio puede ser
  cotransportado con muchos solutos glucosa
  (SLC5), aa (SLC6 y SLC38), mono,di,tricarboxilatos
  (SLC13), aniones inorgánicos (fosfatos
  NaPi,sulfatos, bicarbonato NBC), iones
  (Na/K/2Cl- NKCC Na/Cl NCC K/Cl- KCC)
• H dependiente Acoplado a gradiente de H
  H/oligopéptidos (SLC15), H/monocarboxilato
  (SLC16), H/cationes divalentes (SLC11) (hierro,
  Cd,Pb)

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SGLUT (SLC5 (8))

• Na y D-glucosa ó galactosa se unen al
  transportador desde el mismo lado de la membrana
• Se ven en epitelio intestinal y renal
• SGLT2 y SGLT3 1 Na 1 glucosa
• SGLT1 2 Na 1 glucosa
• Es electrogénico, es saturable
• Tienen 14 TM

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Capacidad de concentración para la glucosa con el
SGLT2 1 Na 1 glucosa

• glucosai/ glucosao Nao/ NaI x 10
  Vm/(60mV)
• Si afuera de la célula hay 10x más sodio que
  adentro, y la célula tiene un Vm de -60mv
  entonces
• 10x101 100 Esto quiere decir que la glucosa
  logrará estar hasta 100 x más concentrada adentro
  que afuera.
• ATP Calcular lo mismo para el SGLT1 2 Na
  1 glucosa

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• Na/HCO3- cotransportador, NBC, familia SLC4
• En membrana basolateral de epitelios está el NBC
  electrogénico (NBCe1/e2). Estequiometría 1Na/3
  HCO3- Se da salida de HCO3- hacia el LEC.
• En otras células puede funcionar 1Na/2 HCO3- .
  Entra bicarbonato a la célula.
• NBCn1/n2 electroneutro. Estequiometría 1Na/1
  HCO3-

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• Transporte de Cl- acoplado a cationes SLC12
  (9)
• 1. Variantes de NKCC
• NKCC1 (SLC12A2) en células no epiteliales y en
  membrana basolateral de células epiteliales.
• NKCC2 (SLC12A1) en membrana apical de células
  de la RAGAH. Inhibido por furosemida y
  bumetanida (diuréticos de asa)
• NCC En membrana apical del túbulo contorneado
  distal. Se bloquea por diuréticos tiazidas.
• KCC Saca cloruro y potasio de la célula a favor
  de gradientes electroquímicos.

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Intercambiadores (antiporters)

• Solutos transportados van en direcciones
  opuestas.

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Intercambiador Na/Ca2 (NCX, SLC8 (3))

• Saca calcio usando gradiente del sodio.
• Hay 3 isoformas NCX 1-3.
• NCX 1 En músculo cardíaco. Con 9 TM.
  Transporta
• 3 Na/ 1Ca2. Permite mantener el calcio 10
  000 x más concentrado en LEC. Es electrogénico.
• Se puede regular por fosforilación.

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Intercambiador Na/H, NHE, SLC9(9)

• Es un contratransporte.
• Es no electrogénico 1 Na/ 1 H
• Presente en casi todas las células. 9 isoformas.
• Importante en la reg. del pH intracelular.
• En riñones es imp. en reabsorción de sodio y
  excreción renal de H
• Los H intracelulares regulan el transportador en
  un sitio diferente al usado para el transporte.
• Puede hacer que el pH intracel. suba hasta 8.4
• Normalmente pH intracel. está alrededor de 7.2

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Intercambiadores aniónicos, AE1-AE3 (HCO3/ Cl-),
SLC4 ó SLC 26

• Importantes en eritrocitos (AE1)
• No electrogénico. Estequiometría 11
• Importante en secreción de bicarbonato y en
  regulación del pH intracelular y volumen celular.

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Bomba Na-K Mantiene gradientes de sodio y
potasio contribuye con el potencial de membrana
de reposo contribuye con la regulación del
volumen celular importante en la absorción de
nutrientes mantiene excitabilidad de
células. Calcio adentro hay 10 000x menos que
en el LEC. Su fuerza electromotriz es muy grande
hacia adentro de la célula. Puede entrar por
canales voltaje dep. Es sacado activamente por
bombas. A concentraciones fisiológicas sale por
PMCA.
54
Cloruro en mayoría de células tiende a salir en
forma pasiva. No se encuentra en equilibrio ya
que entra activamente por medio de NKCC y AE.
Por medio del K-Cl- KCC1 (SLC12) tiende a
salir. Los H entran en forma pasiva a la
célula y el HCO3- sale en forma pasiva de la
célula. No están en equilibrio ya que los H son
sacados por los NHE (SLC9) y el bicarbonato es
metido por el NDCBE (SLC4) (sodium driven
Cl-bicarb. Exchanger).