Transporte de membrana

En biología celular, el transporte de membrana se refiere al conjunto de mecanismos que regulan el paso de solutos, como iones y moléculas pequeñas, a través de las membranas biológicas, que son bicapas lipídicas que contienen proteínas incrustadas en ellas. La regulación del paso a través de la membrana se debe a la permeabilidad selectiva de la membrana, una característica de las membranas biológicas que les permite separar sustancias de distinta naturaleza química. En otras palabras, pueden ser permeables a ciertas sustancias pero no a otras.

Los movimientos de la mayoría de los solutos a través de la membrana están mediados por proteínas de transporte de membrana que se especializan en diversos grados en el transporte de moléculas específicas. Como la diversidad y fisiología de las distintas células está muy relacionada con sus capacidades para atraer diferentes elementos externos, se postula que existe un grupo de proteínas transportadoras específicas para cada tipo celular y para cada etapa fisiológica específica. Esta expresión diferencial se regula a través de la transcripción diferencial de los genes que codifican para estas proteínas y su traducción, por ejemplo, a través de mecanismos genético-moleculares, pero también a nivel de biología celular: la producción de estas proteínas puede ser activada por vías de señalización celular, a nivel bioquímico, o incluso por estar situados en vesículas citoplasmáticas.

Fondo

Termodinámicamente, el flujo de sustancias de un compartimento a otro puede ocurrir en la dirección de un gradiente de concentración o electroquímico o en contra. Si el intercambio de sustancias se produce en la dirección del gradiente, es decir, en la dirección del potencial decreciente, no se requiere un aporte de energía desde el exterior del sistema; si, por el contrario, el transporte es contra gradiente, requerirá el aporte de energía, energía metabólica en este caso. Por ejemplo, un mecanismo químico clásico para la separación que no requiere la adición de energía externa es la diálisis. En este sistema una membrana semipermeable separa dos soluciones de diferente concentración del mismo soluto. Si la membrana permite el paso del agua pero no del soluto, el agua se desplazará hacia el compartimento con mayor concentración de soluto para establecer un equilibrio en el que la energía del sistema sea mínima. Esto ocurre porque el agua se mueve de una concentración alta de solvente a una baja (en términos de soluto, ocurre lo contrario) y porque el agua se mueve a lo largo de un gradiente, no hay necesidad de una entrada externa de energía.

La naturaleza de las membranas biológicas, especialmente la de sus lípidos, es anfifílica, ya que forman bicapas que contienen una capa hidrofóbica interna y una capa hidrofílica externa. Esta estructura hace posible el transporte por difusión simple o pasiva, que consiste en la difusión de sustancias a través de la membrana sin gasto de energía metabólica y sin la ayuda de proteínas de transporte. Si la sustancia transportada tiene una carga eléctrica neta, se moverá no solo en respuesta a un gradiente de concentración, sino también a un gradiente electroquímico debido al potencial de membrana.

tipo de sustancia	Ejemplos	Comportamiento
gases	CO2 , N2, O2 _	Permeable
Pequeñas moléculas polares sin carga	Urea, agua, etanol	Permeable, total o parcialmente
Moléculas polares grandes sin carga	glucosa, fructosa	no permeable
iones	K, Na, Cl, HCO 3	no permeable
Moléculas polares cargadas	ATP, aminoácidos, glucosa-6-fosfato	no permeable

Como pocas moléculas pueden difundirse a través de una membrana lipídica, la mayoría de los procesos de transporte involucran proteínas de transporte. Estas proteínas transmembrana poseen un gran número de hélices alfa inmersas en la matriz lipídica. En las bacterias, estas proteínas están presentes en forma de lámina beta. Esta estructura probablemente implica un conducto a través de entornos proteicos hidrofílicos que provocan una alteración en el medio altamente hidrofóbico formado por los lípidos. Estas proteínas pueden participar en el transporte de varias formas: actúan como bombas impulsadas por ATP, es decir, por energía metabólica, o como canales de difusión facilitada.

Termodinámica

Un proceso fisiológico solo puede tener lugar si cumple con los principios termodinámicos básicos. El transporte de membrana obedece a leyes físicas que definen sus capacidades y por tanto su utilidad biológica.
Un principio general de la termodinámica que gobierna la transferencia de sustancias a través de membranas y otras superficies es que el intercambio de energía libre, Δ G, para el transporte de un mol de una sustancia de concentración C ₁ en un compartimento a otro compartimento donde está presente en C ₂ es:{displaystyle Delta G=RTlog {frac {C_{2}}{C_{1}}}}

Cuando C ₂ es menor que C ₁, Δ G es negativo y el proceso es termodinámicamente favorable. A medida que la energía se transfiere de un compartimento a otro, salvo que intervengan otros factores, se alcanzará un equilibrio donde C ₂ =C ₁, y donde Δ G = 0. Sin embargo, hay tres circunstancias en las que no se alcanzará este equilibrio, circunstancias que son vitales para el funcionamiento in vivo de las membranas biológicas:

• Las macromoléculas de un lado de la membrana pueden unirse preferentemente a un determinado componente de la membrana o modificarlo químicamente. De esta forma, aunque la concentración del soluto pueda ser diferente en ambos lados de la membrana, la disponibilidad del soluto se reduce en uno de los compartimentos hasta tal punto que, a efectos prácticos, no existe un gradiente que impulse el transporte.
• Puede existir un potencial eléctrico de membrana que puede influir en la distribución de iones. Por ejemplo, para el transporte de iones del exterior al interior, es posible que:

{displaystyle Delta G=RTlog {frac {C_{dentro}}{C_{fuera}}}+ZFDelta P}

Donde F es la constante de Faraday y Δ P el potencial de membrana en voltios. Si ΔP es negativo y Z positivo, la contribución del término ZFΔP a ΔG será negativa, es decir, favorecerá el transporte de cationes desde el interior de la célula . Entonces, si se mantiene la diferencia de potencial, el estado de equilibrio Δ G = 0 no corresponderá a una concentración equimolar de iones en ambos lados de la membrana.

• Si un proceso con un ΔG negativo se acopla al proceso de transporte, entonces se modificará el ΔG global. Esta situación es común en el transporte activo y se describe así:

{displaystyle Delta G=RTlog {frac {C_{text{dentro}}}{C_{text{fuera}}}}+Delta G^{b}}

Donde Δ G corresponde a una reacción termodinámica favorable, como la hidrólisis de ATP, o el cotransporte de un compuesto que se desplaza en la dirección de su gradiente.

Tipos de transporte

Difusión pasiva y difusión activa

Como se mencionó anteriormente, la difusión pasiva es un fenómeno espontáneo que aumenta la entropía de un sistema y disminuye la energía libre. El proceso de transporte está influenciado por las características de la sustancia de transporte y la naturaleza de la bicapa. La velocidad de difusión de una membrana de fosfolípidos puros dependerá de:

• gradiente de concentración,
• hidrofobicidad,
• Talla,
• carga, si la molécula tiene una carga neta.
• temperatura

Activo y cotransporte

En el transporte activo, un soluto se mueve en contra de un gradiente de concentración o electroquímico; al hacerlo, las proteínas de transporte involucradas consumen energía metabólica, generalmente ATP. En el transporte activo primario, la hidrólisis del proveedor de energía (por ejemplo, ATP) tiene lugar directamente para transportar el soluto en cuestión, por ejemplo, cuando las proteínas de transporte son enzimas ATPasa. Cuando la hidrólisis del proveedor de energía es indirecta, como es el caso del transporte activo secundario, se aprovecha la energía almacenada en un gradiente electroquímico. Por ejemplo, en el cotransporte se hace uso de los gradientes de ciertos solutos para transportar un compuesto objetivo contra su gradiente, provocando la disipación del gradiente de soluto. Puede parecer que, en este ejemplo, no hay uso de energía, pero se requiere la hidrólisis del proveedor de energía para establecer el gradiente del soluto transportado junto con el compuesto objetivo. El gradiente del soluto cotransportado se generará mediante el uso de ciertos tipos de proteínas llamadas bombas bioquímicas.

El descubrimiento de la existencia de este tipo de proteína transportadora provino del estudio de la cinética del transporte de moléculas a través de la membrana. Para ciertos solutos, se observó que la velocidad de transporte alcanzó una meseta a una concentración particular por encima de la cual no hubo un aumento significativo en la tasa de absorción, lo que indica una respuesta de tipo de curva logarítmica. Esto se interpretó como que mostraba que el transporte estaba mediado por la formación de un complejo sustrato-transportador, que es conceptualmente el mismo que el complejo enzima-sustrato de la cinética enzimática. Por lo tanto, cada proteína de transporte tiene una constante de afinidad por un soluto que es igual a la concentración del soluto cuando la velocidad de transporte es la mitad de su valor máximo. Esto es equivalente en el caso de una enzima a la constante de Michaelis-Menten.

Algunas características importantes del transporte activo además de su capacidad de intervenir incluso contra un gradiente, su cinética y el uso de ATP, son su alta selectividad y facilidad de inhibición farmacológica selectiva.

Proteínas transportadoras activas secundarias

Las proteínas transportadoras activas secundarias mueven dos moléculas al mismo tiempo: una contra un gradiente y la otra con su gradiente. Se distinguen según la direccionalidad de las dos moléculas:

• antiportador (también llamado intercambiador o contratransportador): mueve una molécula en contra de su gradiente y al mismo tiempo desplaza uno o más iones a lo largo de su gradiente. Las moléculas se mueven en direcciones opuestas.
• simportador: mueve una molécula contra su gradiente mientras desplaza uno o más iones diferentes a lo largo de su gradiente. Las moléculas se mueven en la misma dirección.

Ambos pueden denominarse cotransportadores.

Zapatillas

Una bomba es una proteína que hidroliza ATP para transportar un soluto particular a través de una membrana y, al hacerlo, genera un potencial de membrana de gradiente electroquímico. Este gradiente tiene interés como indicador del estado de la celda a través de parámetros como el potencial de Nernst. En términos de transporte de membrana, el gradiente es de interés ya que contribuye a la disminución de la entropía del sistema en el cotransporte de sustancias contra su gradiente. Una de las bombas más importantes en las células animales es la bomba de sodio y potasio, que opera a través del siguiente mecanismo:

1. unión de tres iones de Na a sus sitios activos en la bomba que están unidos a ATP.
2. El ATP se hidroliza, lo que conduce a la fosforilación del lado citoplasmático de la bomba, lo que induce un cambio de estructura en la proteína. La fosforilación se produce por la transferencia del grupo terminal de ATP a un residuo de aspartato en la proteína transportadora y la subsiguiente liberación de ADP.
3. el cambio de estructura en la bomba expone el Na al exterior. La forma fosforilada de la bomba tiene poca afinidad por los iones de Na por lo que estos son liberados.
4. una vez que se liberan los iones de Na, la bomba une dos moléculas de K a sus respectivos sitios de unión en la cara extracelular de la proteína de transporte. Esto provoca la desfosforilación de la bomba, revirtiéndola a su estado conformacional previo, transportando los iones K al interior de la célula.
5. La forma no fosforilada de la bomba tiene una mayor afinidad por los iones Na que por los iones K, por lo que los dos iones K unidos se liberan al citosol. El ATP se une y el proceso comienza de nuevo.

Selectividad de membrana

Dado que la principal característica del transporte a través de una membrana biológica es su selectividad y su posterior comportamiento como barrera para determinadas sustancias, la fisiología subyacente al fenómeno ha sido ampliamente estudiada. La investigación sobre la selectividad de la membrana se ha dividido clásicamente en aquellas relacionadas con electrolitos y no electrolitos.

Selectividad de electrolitos

Los canales iónicos definen un diámetro interno que permite el paso de pequeños iones que está relacionado con varias características de los iones que potencialmente podrían ser transportados. Como el tamaño del ion está relacionado con su especie química, se podría suponer a priori que un canal cuyo diámetro de poro fuera suficiente para permitir el paso de un ion también permitiría la transferencia de otros de menor tamaño, sin embargo, esto no es así. ocurren en la mayoría de los casos. Hay dos características junto con el tamaño que son importantes en la determinación de la selectividad de los poros de la membrana: la facilidad para la deshidratación y la interacción del ion con las cargas internas del poro.
Para que un ion atraviese un poro debe disociarse de las moléculas de agua que lo recubren en sucesivas capas de solvatación. La tendencia a deshidratarse, o la facilidad para hacerlo, está relacionada con el tamaño del ion: los iones más grandes pueden hacerlo más fácilmente que los iones más pequeños, por lo que un poro con centros polares débiles permitirá preferentemente el paso de iones más grandes sobre el los más pequeños. Cuando el interior del canal está compuesto por grupos polares de las cadenas laterales de los aminoácidos componentes,la interacción de un ion deshidratado con estos centros puede ser más importante que la facilidad de deshidratación para conferir la especificidad del canal. Por ejemplo, un canal formado por histidinas y argininas, con grupos cargados positivamente, repelerá selectivamente los iones de la misma polaridad, pero facilitará el paso de los iones cargados negativamente. Además, en este caso, los iones más pequeños podrán interactuar más estrechamente debido a la disposición espacial de la molécula (estericidad), lo que aumenta mucho las interacciones carga-carga y, por lo tanto, exagera el efecto.

Selectividad no electrolítica

Los no electrolitos, sustancias generalmente hidrófobas y lipofílicas, suelen atravesar la membrana por disolución en la bicapa lipídica y, por tanto, por difusión pasiva. Para aquellos no electrolitos cuyo transporte a través de la membrana está mediado por una proteína transportadora, la capacidad de difusión depende, generalmente, del coeficiente de partición K. Los no electrolitos parcialmente cargados, que son más o menos polares, como el etanol, el metanol o urea, son capaces de atravesar la membrana a través de canales acuosos sumergidos en la membrana. No existe un mecanismo de regulación eficaz que limite este transporte, lo que indica una vulnerabilidad intrínseca de las células a la penetración de estas moléculas.

Creación de proteínas de transporte de membrana

Hay varias bases de datos que intentan construir árboles filogenéticos que detallan la creación de proteínas transportadoras. Uno de esos recursos es la base de datos de clasificación de transportadores.