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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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