TRANSPORTES DE SOLUTOS A TRAVÉS DE MEMBRANAS

PROTEÍNAS DE MEMBRANA FACILITAN EL TRANSPORTE PASIVO Cuando dos compartimientos acuosos que contienen diferentes concentraciones de un componente soluble o un ión están separados por una división permeable (membrana), el soluto se desplaza por Difusión Simple desde la región de más concentración a la de menos, es decir, a favor de gradiente. Cuando iones de cargas opuestas están separados por una membrana permeable, se crea un gradiente eléctrico transmembrana, un potencial de membrana, Vm. Así la dirección en que se desplazará espontáneamente el soluto depende del gradiente eléctrico y químico. Juntos estos dos factores se conocen como gradiente electroquímico o potencial electroquímico. Las moléculas tienden a adoptar espontáneamente una distribución de máxima aleatoriedad y mínima energía. Las proteínas de membrana disminuyen la energía de activación para el transporte de compuestos polares e iones proporcionando una ruta alternativa a través de la bicapa para solutos específicos. Las proteínas que llevan a acabo esta difusión facilitada o transporte pasivo no son enzimas en el sentido habitual; sus “sustratos” se desplazan de un compartimiento a otro, pero no son alterados químicamente. Las proteínas de membrana que aceleran el movimiento de un soluto a través de una membrana facilitando la difusión se conocen como transportadores o permeasas. TRANSPORTADORES Existen dos amplias categorías de transportadores: Los portadores (transportadores) unen sus sustratos con estereoespecificidad elevada, catalizan el transporte a velocidades que están muy por debajo de los límites de la difusión libre y son saturables en el mismo sentido que lo son los enzimas: hay una concentración de sustrato por encima de la cual un aumento no se traduce en un mayor grado de actividad.

• Transportadores de compuerta única: simplemente facilitan la difusión a favor de un gradiente de concentración

• Transportadores activos: pueden impeler sustratos a través de la membrana contra un gradiente de concentración. Este tipo de transporte está desafavorecido termodinámicamente (endergónico) y se da solamente cuando está acoplada a un proceso exergónico tal como la absorción de luz solar, una reacción de oxidación, la rotura del ATP o el flujo concomitante de otra especie química a favor de su gradiente electroquímico.

o Transportadores activos primarios: utilizan la energía de una reacción química. La acumulación de soluto está acoplada directamente a una reacción química exergónica tal como la conversión de ATP en ADP + Pi.

o Transportadores activos secundarios: acoplan el transporte contra gradiente de un sustrato con el transporte a favor de gradiente del otro. Tiene lugar cuando el trasporte endergónico de un soluto está acoplado al flujo exergónico de un soluto diferente que ha

sido bombeado originariamente cuesta arriba mediante un transporte activo primario.

Importante: Cuando un soluto es un ion, su movimiento sin un contraión correspondiente da ligar a la separación endergónica de cargas positivas y negativas, produciendo un potencial eléctrico; un proceso de transporte de este tipo se dice que es electrogénico

Los canales permite el desplazamiento transmembrana a velocidades que son varios órdenes de magnitud superiores a las típicas de los transportadores, velocidades que se aproximan al límite de la difusión no entorpecida. Usualmente los canales son proteínas oligoméricas. EL INTERCAMBIADOR DE CLORURO-BICARBONATO CATALIZA EL COTRANSPORTE ELECTRO NEUTOR DE ANIONES A TRAVÉS DE LA MEMBRANA. El intercambiador de cloruro-bicarbonato, también llamado intercambiador de aniones (AE), aumenta la permeabilidad de la membrana del eritrocito al HCO3- en un factor de + de un millón. Al igual que el transportador de glucosa, es una proteína integral de membrana que la abarca al menos 12 veces. Esta pro facilita el movimiento simultáneo de 2 aniones por cada ión de HCO3- que se traslada en una dirección, se traslada un ión Cl- en la dirección opuesta sin trasferencia de carga, el intercambio es electroneutro. A partir de este ejemplo hallamos otra parte de teoría… Tres clases generales de sistemas de transporte:

• Transporte único: transportadores que solo llevan un sustrato en una dirección.

• Cotransporte paralelo: 2 sustratos se trasladan a la vez en una misma dirección.

• Cotransporte antiparalelo: 2 sustratos se trasladan a la vez en contrarias direcciones.

LAS ATPASAS TIPO P EXPERIMENTAN FOSFORILACIÓN DURANTE SUS CICLOS CATALÍTICOS. Son transportadores de cationes impulsados por ATP que se fosforilan reversiblemente por acción del ATP durante el ciclo de transporte; la fosforilación obliga a un cambio de conformación que es crucial para el transporte del catión a través de la membrana. Todas las ATPasas transportadoras tipo P presentan similitudes en la secuencia de aminoácidos especialmente cerca del residuo de Asp que experimenta fosforilación, u todas son sensibles a la inhibición por el análogo del fosfato vanadato. Por cada molécula convertida de ATP ADP + Pi, el ATPasa mueve dos K+ hacia el interior y 3 Na+ hacia el exterior. La ATPasa oscila entre dos formas, una forma fosforilada con alta afinidad por el K+ y baja afinidad por el Na+, y una forma desfosforilada con alta afinidad por el Na+ y baja afinidad por el K+.

Las bombas de Ca2+ tipo P mantienen una baja concentración del calcio en el citosol. La bomba de Ca2+ de la membrana plasmática y las bombas SERCA (bombas de calcio del retículo sarcoplasmático y del retículo endoplasmático) son proteínas integrales que oscilan entre una conformación fosforilada y una desfosforilada en una mecanismo similar al de la Na+K+ ATPasa. La fosforilación favorece una conformación con un sitio de fijación de Ca2+ de alta afinidad expuesto al lado citoplasmático mientras que la desfosforilación favorece una conformación con un sitio de unión de Ca2+ a baja afinidad en el lado luminar. Con este mecanismo, la energía liberada por hidrólisis del ATP durante un ciclo de fosforilación-desfosforilación impulsa el Ca2+ a través de la membrana contra un gran gradiente electroquímico. LAS ATPASAS TIPO F SON BOMBAS DE PROTONES REVERSIBLES IMPULSADAS POR EL ATP Las ATPasas tipo F catalizan el paso transmembrana a contracorriente de protones impulsado por la hidrólisis del ATP. El complejo de la proteína integral de membrana Fo proporciona un poro transmembrana para protones y la proteína periférica F1 es una máquina molecular que utiliza la energía del ATP para impulsar protones cuesta arriba. La reacción catalizada por las ATPasas tipo F es reversible, por lo que un gradiente de protones puede suministrar la energía para impulsar la reacción inversa, la síntesis de ATP. Cuando funcionan en esta dirección, las ATPasas tipo F se llaman apropiadamente ATP sintasas. Las ATPasas son de importancia crucial en la producción de ATP en las mitocondrias durante la fosforilación oxidativa y en los cloroplastos durante la fotofosforilación. LAS ATPASAS TIPO V ATPasas transportadoras de protones relacionadas estructuralmente, son responsables de la acidificación de los compartimientos intracelulares en muchos organismos. Todas las ATPasas tipo V tienen una estructura compleja similar, con un dominio integral (transmembrana) que actúa como un canal de protones y un dominio periférico que contiene el sitio de unión de ATP y la actividad ATPasa. El mecanismo por el que las ATPasas tipo V acoplan la hidrólisis del ATP al transporte cuesta arriba de protones no se conoce en detalle.

Nota: Las acuaporinas forman canales transmembrana hidrofílicos para el transporte rápido de moléculas de agua.

LOS CANALES SELECTIVOS DE IONES PERMITEN EL MOVIMIENTO RÁPIDO DE IONES A TRAVÉS DE LAS MEMBRANAS. Los canales selectivos de iones proporcionan otro mecanismo para transportar iones inorgánicos a través de las membranas. Los canales iónicos, junto con las bombas de iones tales como la Na+K+ ATPasa, determinan la permeabilidad de una membrana plasmática a iones específicos y regulan la concentración citosólica de iones así como el potencial de membrana. Los canales iónicos se distinguen de los transportadores de iones en al menos tres cosas:

1. La velocidad del flujo a través de los canales puede ser varios órdenes de magnitud mayor que el número de recambio de un transportador.

2. Los canales iónicos no se saturan; sus velocidades no se acercan a un máximo a una concentración elevada.

3. Son “compuertas”, abiertas o cerradas en respuesta a algún proceso celular. Existen 2 tipos de compuertas…

• Los canales de compuerta regulada por ligando (que son generalmente oligoméricos), la unión de una molécula extracelular o intracelular pequeña, fuerza una transición alostérica de la proteína, que abre o cierra el canal.

Ejemplo: El receptor de acetilcolina es un canal iónico de compuerta regulada por ligando. Receptor nicotínico de acetilcolina, que es esencial para el paso de una señal eléctrica de una neurona motora a una fibra muscular en la unión neuromuscular (señala al músculo para que se contraiga). La acetilcolina liberada por la neurona motora difunde unos pocos micrómetros hacia la membrana plasmática de un miocito, donde se une al receptor de acetilcolina. Esto fuerza a un cambio conformacional en el receptor, provocando la abertura de su canal iónico. El movimiento resultante de las cargas positivas hacia el interior despolariza la membrana plasmática desencadenando la contracción. El receptor de acetilcolina permite que Na+, Ca2+ y K+ entren con igual facilidad, pero impide el paso a otros cationes y a cualquier anión. El movimiento de Na+ a través del canal iónico del receptor de acetilcolina es insaturable (su velocidad es lineal con respecto a la concentración extracelular de Na+) y muy rápido. La base de la abertura del canal nicotínico de acetilcolina son los cambios conformacionales.

• Los canales iónicos de compuerta regulada por voltaje, un dominio de la proteína cargada se mueve con relación a la membrana como respuesta a un cambio de potencial eléctrico transmembrana (Vm), abriendo o cerrando el canal iónico. Los dos tipos de compuerta pueden ser muy rápidos. Un canal típico se abre en una fracción de milisegundo y puede permanecer abierto sólo milisegundos, haciendo que estos dispositivos moleculares sean efectivos para una transmisión muy rápida de seña en el sistema nervioso.

Ejemplo: El canal de Na+ neuronal es un canal iónico de compuerta regulada por voltaje. Los canales del ion Na+ de la membrana plasmática de las neuronas y de los miocitos del corazón y músculo esquelético detectan gradientes eléctricos a través de la membrana y responden abriéndose y cerrándose. Estos canales de compuerta regulada por voltaje son típicamente muy selectivos para Na+ con respecto a otros cationes monovalentes o divalentes y tiene una velocidad de flujo muy alta. Normalmente (en estado de reposo) en la conformación cerrada, los canales de Na+ se abren (activan) por una reducción del potencial eléctrico transmembrana y a continuación experimentan una inactivación muy rápida. La activación seguida de la inactivación de los canales de Na+ es la base de la señalización por las neuronas.

RESUMEN FINAL:

• El movimiento de iones y de compuestos polares a través de las membranas biológicas requiere transportadores proteicos. Algunos sólo facilitan la difusión pasiva a través de la membrana desde el lado de mayor concentración al de menor. Otros realizan el transporte activo de solutos en contra de un gradiente electroquímico; este transporte ha de estar acoplado a una fuente de energía metabólica.

• Los transportadores presentan saturación y estereoespecificidad para sus sustratos. El transporte a través de estos sistemas puede ser pasivo o activo. El activo primario está impulsado por ATP o reacciones de transferencia electrónica; el activo secundario, por el flujo acoplado de dos solutos, uno de los cuales (H+ o Na+) fluye a favor de su gradiente electroquímico al tiempo que el otro es impulsado en contra de su gradiente.

• Los transportadores GLUT, tales como GLUT1 de los eritrocitos, transportan glucosa al interior de las células por difusión facilitada. Estos transportadores son transportadores sencillos o uniport y acarrean un solo sustrato. Los cotransportadores paralelos o simport permiten el paso simultáneo de dos sustancias en la misma dirección; el transportador de lactosa de E. Coli y el transportador de glucosa de las células epiteliales del intestino, impulsado por un gradiente de Na+ son ejemplos de cotransportadores paralelos. Los cotransportadores antiparalelos (antiport) facilitan el paso simultáneo de dos sustancias en direcciones opuestas; ejemplos son el intercambiador de cloruro-bicarbonato de los eritrocitos y la NA+K+ ATPasa que es ubicua.

• En las células animales, la Na+K+ ATPasa mantiene las diferencias entra las concentraciones citosólica y extracelular de Na+ y K+. El gradiente de Na+ resultante se usa como fuente de energía para diversos procesos de transporte activo secundarios.

• La Na+K+ ATPasa de la membrana plasmática y los transportadores de Ca2+ de los retículos sarcoplasmático y endoplasmático (las bombas SERCA) son ejemplos de ATPasas tipo P; experimentan fosforilación reversible durante su ciclo catalítico y son inhibidas por el vanadato, que es un análogo del fosfato. Las bombas de protones tipo F (ATP sintasas) son fundamentales para los mecanismos de conservación de energía en mitocondrias y cloroplastos. Las ATPasas tipo V producen gradientes de protones a través de diversas membranas intracelulares.

• Los ionóforos son moléculas liposolubles que unen iones específicos y los transportan pasivamente a través de las membranas, disipando la energía de gradientes iónicos electroquímicos.

• El agua se transporta a través de las membranas mediante acuaporinas. • Los canales iónicos proporcionan poros hidrofílicos a través de los cuales

pueden difundir iones seleccionados, a favor de sus gradientes eléctricos o de concentración química. Tiene como característica su insaturabilidad así como niveles de flujo muy elevados. Muchos canales iónicos son sumamente específicos para un ion y la mayoría presenta un mecanismo de compuerta regulada por voltaje o por ligando. En los canales de K+ bacterianos, un filtro de selectividad proporciona ligandos que tienen la geometría correcta para poder reemplazar el agua de hidratación de un ion K+ cuando cruza la membrana. Algunos canales de K+ están regulados por voltaje. El receptor/canal de acetilcolina está regulado por la acetilcolina, la cual desencadena cambios de conformación sutiles que abren y cierran el paso transmembrana.