domingo, 27 de junio de 2021

Transporte activo

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Mi profesora, Barbara Zimmerman una vez nos preguntó, ¿Están los seres vivos en equilibrio con su ambiente externo?, y de entre alrededor de 20 estudiantes, solo dos no contestamos de manera afirmativa. Por lo general el discurso ecológico nos lleva a pesar en esto, sin embargo, el equilibrio ecológico es completamente diferente al equilibrio químico. Piense por ejemplo en su piel, hacia el interior se encuentra una gran cantidad de fluidos, está líquido, mientras que hacia el exterior de su piel solo existe aire seco, tal fue mi razonamiento, y estaba en lo correcto.

Figura 29 Transporte activo. Las sustancias fluyen desde la región de menor concentración a la de mayor concentración con gasto de energía gracias a una proteína, la energía generalmente se da por hidrólisis de ATP aunque existen otras opciones (YouTube).

Los seres vivos se encuentran fundamentalmente en desequilibrio con sus ambientes externos en términos químicos, ellos almacenan cantidades masivas de compuestos químicos complejos al interior de sus barreras, mientras que se mueven en un ambiente relativamente pobre en nutrientes. Es decir, almacenan sustancias en contra de los gradientes de concentración. A nivel molecular sería algo así como ir en contra de la corriente, o aparentemente en contra de la segunda ley de la termodinámica. En este caso una proteína haría fluir sustancias de la zona de menor concentración a la de mayor concentración.

Sin embargo, este milagro entrópico no es tal ya que viene a un costo, la disipación energética, mientras que una zona del sistema se hace menos probable “el incremento de la diferencia de concentraciones” otra región del sistema se hace más probable “la dispersión energética”. Esto se debe a que las proteínas de este tipo de transporte gastan energía para cambiar de forma. Pero su eficiencia no es absoluta, y la mayor parte de la energía empleada se disipa al universo en forma de calor inútil. En otras palabras, el transporte pasivo es el flujo de sustancias en contra del gradiente de concentración con un costo de energía. Y sin él, la vida misma seria teóricamente inviable.

El transporte activo primario, también llamado transporte activo directo, utiliza energía metabólica en forma directa para transportar moléculas a través de la membrana. La mayor parte de las enzimas que llevan a cabo este tipo de transporte son ATPasas transmembrana. Una ATPasa primaria y universal para todas las formas de vida animales es la bomba de sodio y potasio, la cual ayuda a mantener el potencial de membrana celular. Otras fuentes de energía para el transporte activo primario son las reacciones redox y la energía entregada por fotones de la luz. Un ejemplo de transporte activo primario que hace uso de energía proveniente de reacciones redox es la cadena de transporte electrónico mitocondrial, la cual utiliza la energía proveniente del NADH para mover protones a través de la membrana mitocondrial interna en contra de su gradiente de concentración. Un ejemplo de transporte activo primario que hace uso de la energía de la luz son las proteínas involucradas en la fotosíntesis las cuales utilizan la energía de los fotones para crear un gradiente de protones a través de la membrana tilacoide y poder reductor en la forma de NADPH.

Uno de los principales mecanismos empleados por la célula neuronal para crear una diferencia de cargas a ambos lados de la membrana es mediante la bomba de sodio y potasio. Junto con otras proteínas de transporte transmembranal, la bomba de sodio y potasio contribuye a que la célula se encuentre en un estado de desequilibrio eléctrico y de concentraciones con respecto al medio circundante, esto genera fuerzas que pueden ser empleadas para diversos propósitos.

Un ejemplo relacionado es el uso que hace la célula de gradientes electroquímicos en base al ion protio(1+) con el cual es capaz de mover mecánicamente proteínas tipo F para la síntesis de energía. En este caso, sin embargo, la célula mantiene un estado de desequilibrio estable, o lo que llamaríamos en física clásica, un estado de equilibrio muy inestable, el sistema en apariencia se encuentra en un estado inactivo, pero a cualquier estímulo la inestabilidad se manifiesta con una energía mucho mayor de la empleada para haber realizado el estímulo. A esto lo denominaremos estado de estabilidad.

Figura 30. Ciclo de acción de la bomba de sodio y potasio. Se trata de una proteína de translocación que saca a las malas 3 iones sodio(1+), permitiendo el ingreso de 2 iones potasio(1+), el flujo neto permite extraer una carga positiva por cada ciclo (YouTube).

Normalmente las concentraciones intracelulares del ion sodio(1+) “10 milimol por litro en una célula muscular” es mucho más baja que la concentración extracelular “140 milimol por litro”, en consecuencia hay una presión osmótica sobre la célula para que ingrese el ion sodio(1+) pero existe un mecanismo que lo extrae con mayor eficacia. La entrada del ion sodio(1+) es permitida por canales iónicos sin cisternas, lo cual implica que siempre se encuentran abiertos. La salida se encuentra mediada por una proteína de transporte transmembranario conocida comúnmente como la bomba de sodio y potasio.

La bomba de sodio y potasio tiene tres dominios de acople principal: El primer dominio acopla tres unidades del ion sodio (1+) en el interior de la célula, el segundo dominio acopla dos unidades del ion potasio(1+) en el exterior de la célula, y el tercer dominio acopla ATP, la unidad portadora de energía de la célula. La bomba de sodio y potasio se emplea para transportar sodio al exterior y potasio al interior de forma selectiva creando un gradiente de concentraciones químico y eléctrico. Químico porque cada ion genera una presión osmótica contra la membrana para intentar igualar sus concentraciones individuales. El funcionamiento de la bomba de sodio y potasio es cíclico.

El ciclo inicia con el acople de 3 iones sodio(1+) en el interior de la célula. Posteriormente se acopla una unidad de ATP. En este punto la proteína hidroliza el ATP transfiriendo la energía a su estructura, lo cual genera un cambio en la estructura de la bomba de sodio y potasio.  Al cambiar de forma los iones sodio (1+) se transfieren al exterior de la célula y expone los dominios de acople para dos iones potasio(1+). Cuando la energía se libera por calor, la bomba regresa a su estado de descanso cambiando de forma y liberando los iones potasio(1+) al interior de la célula. Cada ciclo aumenta en una carga positiva el exterior de la célula y disminuye una carga positiva el interior, creando una corriente eléctrica neta.

Aunque la carga de ambos iones es la misma, la cantidad de iones que se mueve es desigual, hacia un lado de la membrana se transportan más cargas positivas, lo cual con el tiempo contribuye a una diferencia de cargas. Como mencionamos antes, la generación de un diferencial de cargas “potencial eléctrico” puede definirse como una corriente eléctrica a través de la membrana, y el aumento del diferencial de cargas incrementa el voltaje o potencial eléctrico de la membrana.

El motor del flagelo bacteriano consiste en solo dos proteínas (MotA y MotB) lo cuales son homólogos a energizadores de los receptores de la membrana externa que concentran grandes moléculas como la vitamina B12 o complejos de hierro en el espacio periplasmático de las bacterias gram negativas o a la f1f0 ATP sintetaza (YouTube).   Estas proteínas comprimen canales transmembranales de iones protio(1+), lo que implica que el conjunto Mot AB emergió como un simple canal iónico, permitiendo un paso a través de la membrana de protones a través de un canal, disipando la concentración de los protones y estabilizando el pH del citoplasma con un evidente gasto energético en forma de ATP. Una vez que estos canales existen, estos pueden ser reclutados para otras funciones más complejas como la motilidad o la energización del transporte a la membrana externa. Sin embargo, este es solo un motor de muchos el cual permite un movimiento giratorio de derecha o de izquierda. Otros motores permiten otros tipos de movimiento, así como un ajuste de velocidades.

Básicamente funciona como una f1f0 ATP sintetaza inversa, La hidrólisis de ATP se utiliza para transportar iones hidrógeno contra su gradiente electroquímico (de una zona de baja concentración a una de alta concentración del ion). La fosforilación de la proteína transportadora y la unión de un ion hidrógeno induce un cambio conformacional que impulsa el transporte de iones hidrógeno en contra de su gradiente electroquímico. La hidrólisis del grupo fosfato unido y la liberación del hidrógeno restablece al transportador a su conformación original.

En el transporte activo secundario, también llamado transporte acoplado o cotransporte, se utiliza energía para transportar moléculas a través de una membrana, sin embargo, en contraste con el transporte activo primario, no existe un acoplamiento directo con el proceso generador de energía, ya sea la hidrólisis de ATP una reacción redox o una reacción impulsada por luz. En cambio, el proceso extrae la energía necesaria de un potencial electroquímico creado por bombas de iones que bombean iones hacia el interior o exterior de la célula. Estos transportadores permiten que un ion o molécula se mueva "cayendo" a favor de su potencial electroquímico, pero arrastrando consigo a otra sustancia contra su gradiente de concentración. El movimiento de un ion desde donde se encuentra más concentrado hacia donde se encuentra menos concentrado aumenta la entropía y puede ser utilizado como fuente de energía para el metabolismo (por ejemplo, la ATP sintasa).

En agosto de 1960, en Praga, Robert K. Crane presentó por primera vez su descubrimiento del cotransporte de sodio-glucosa como mecanismo para la absorción intestinal de glucosa. El descubrimiento del cotransporte de Crane fue la primera propuesta jamás hecha para un flujo acoplado en biología. Los cotransportadores pueden ser clasificados en simportadores o antiportadores dependiendo de si las sustancias se mueven en la misma o en diferentes direcciones.

En un mecanismo de antiporte dos especies de iones u otras clases de soluto son bombeados en direcciones opuestas a través de la membrana. A una de estas especies se le permite fluir desde una zona de alta concentración a una de baja concentración lo cual provee la energía entrópica necesaria para impulsar el transporte de otros solutos desde una región de baja concentración a otra de alta. Un ejemplo de este tipo de transportadores es el intercambiador o antiportador de sodio-calcio, que permite el ingreso de tres iones sodio al interior de la célula, bombeando simultáneamente un ion calcio hacia afuera.

Muchas células además poseen una calcio ATPasa (YouTube), la cual puede operar a bajas concentraciones intracelulares de calcio y restablece las concentraciones normales en reposo de este importante segundo mensajero. Sin embargo, la ATPasa exporta iones calcio mucho más lentamente: solo 30 por segundo contra 2000 por segundo que es capaz de movilizar el intercambiador. El intercambiador entra en funcionamiento cuando las concentraciones de calcio aumentan bruscamente y permite una rápida recuperación. Esto muestra que un único tipo de ion puede ser transportado por varias enzimas, las cuales no necesariamente tienen que estar activas todo el tiempo (constitutivamente); sino que pueden actuar para suplir necesidades intermitentes específicas.

Figura 31.  Acople de transporte activo. El transporte activo simple implica la entrada o salida de una sola sustancia, el simporte implica que dos moléculas ingresa, y el antiporte  o cambalache implica que una sustancia ingresa y otra sale.

El mecanismo de simporte hace uso del movimiento a favor de gradiente de un soluto, desde una zona de alta concentración hacia una zona de baja concentración, para mover otra molécula desde una zona de baja concentración hacia una de alta concentración (contra su gradiente de concentración). Ambas moléculas son transportadas en la misma dirección.

Un ejemplo de este tipo de mecanismo es el simportador de glucosa, las proteínas de transporte de sodio y glucosa SGLT1, las cuales cotransportan una molécula de glucosa (o galactosa) hacia el interior de la célula mientras que simultáneamente transporta dos iones sodio hacia el interior de la célula. Este simportador se encuentra localizado en el intestino delgado, tráquea, corazón, cerebro, testículos y próstata. También se encuentran localizados en el segmento S3 del túbulo proximal de cada nefrona en el riñón. Su mecanismo se explota en la terapia de rehidratación con glucosa y los defectos en el SGLT1 previenen la reabsorción efectiva de glucosa, causando la glucosuria familiar renal.

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