(Ciencias de Joseleg)(Biología)(Introducción y biología
celular)(La
membrana celular) (Introducción)(Historia)(Funciones
de las membranas biológicas)(La
grasa de las membranas biológicas)(Azúcares
y proteínas de las membranas biológicas) (Fluidez
de la membrana biológica)(Transporte
de sustancias a través de membrana)(Transporte
pasivo)(Transporte
pasivo facilitado)(Transporte
activo)(Transporte
vesicular)(Referencias
bibliográficas)(Versión
documento Word)
(Ciencias de Joseleg)(Biología)(Introducción y biología celular)(La membrana celular) (Introducción)(Historia)(Funciones de las membranas biológicas)(La grasa de las membranas biológicas)(Azúcares y proteínas de las membranas biológicas) (Fluidez de la membrana biológica)(Transporte de sustancias a través de membrana)(Transporte pasivo)(Transporte pasivo facilitado)(Transporte activo)(Transporte vesicular)(Referencias bibliográficas)(Versión documento Word)
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Aunque este es un subtema del sistema de membranas internas de la célula, la aplicación es bastante alta al interior de muchos sistemas, en especial del sistema nervioso y de cualquier tejido con función glandular. El transporte de sustancias a través de una membrana permite a la célula realizar procesos de selección, poro no soluciona el asunto del transporte. ¿Cómo transportar una enzima peligrosa desde el punto A hasta el punto B sin autodestruirse? Las células eucariotas dependen de bolsas de transporte que se mueven entre los organelos y la membrana celular para transportar sustancias importantes y/o peligrosas para estar en el citoplasma. A estas estructuras las denominamos vesículas o somas.
Figura 32. Las vesículas son segmentos de membrana que
transportan sustancias.
Las vesículas de transporte membranario son bolsas creadas por membranas biológicas empleadas para transportar sustancias o para realizar procesos bioquímicos en su interior. En la siguiente serie de artículos analizaremos algunos detalles de este sistema de transporte intermembranario.
Figura 33. Transporte vesicular. Las vesículas
transportan sustancias desde un organelo, como el retículo endoplásmico a otro
organelo como el aparato de Golgi.
La imagen clásica de una vesícula es la de una burbuja
formada por una membrana biológica, sin embargo, esto es incompleto. Las
membranas de las vesículas poseen todo tipo de proteínas integrales de
membrana, así como un andamio formado por proteínas periféricas. Las rutas
biosintéticas de las células eucarióticas se encuentran altamente dependientes
de una serie de organelos rodeados por membranas, son las membranas mismas las
responsables de muchas de las reacciones bioquímicas al anclar la mayor parte
de la batería bioquímica, por ejemplo, en la cadena de transporte de electrones
de la respiración celular aeróbica. Adicionalmente, las sustancias formadas
deben poder ser enviadas entre los diferentes organelos o hacia la membrana
externa y de regreso en concentraciones relevantes y en periodos de tiempo
eficaces.
La mayoría de los materiales son transportados entre los
organelos y las membranas externas por secciones más pequeñas de los organelos
que las producen, es decir por membranas biológicas internas, al ser más
pequeñas sus formas tienden a ser esféricas y en consecuencia reciben el nombre
genérico de vesículas de transporte o “somas” que significa cuerpos.
Dependiendo de la función cada soma recibe un prefijo específico, por ejemplo,
si el soma transporta peróxidos oxidantes se lo llama peroxisoma, si el soma se
produjo para digerir un material se llama fagosoma.
A pesar de lo anterior emplearemos de aquí en adelante el
término de vesícula, ya que la expresión soma no solo se aplica a estas,
también es un nombre genérico recurrente para otras estructuras biológicas como
la parte central de una neurona, lo cual genera confusiones. El sistema
membranario del cual nace una vesícula se denomina membrana donante, y el
sistema que lo recibe se llama membrana receptora. El interior de la vesícula
se denomina lumen al igual que el interior de los organelos como los retículos
endoplasmáticos o el aparato de Golgi, mientras que la parte externa de la
vesícula da al citoplasma celular. Finalmente, las vesículas no solo
transportan sustancias, también transportan superficie de membrana, por lo que
los organelos y la membrana externa se encuentran en un equilibrio dinámico de
brotes de vesículas y fusión con vesículas para mantener sus superficies de
membrana constantes.
Figura 34. Formación de una vesícula La formación de una
vesícula no es algo arbitrario, existen lugares prefijados de la membrana,
marcados con proteínas receptoras de la sustancia, que al conectarse con esta
inician la formación de la vesícula por medio de interacciones con el
citoesqueleto.
Cuando la vesícula esta por formarse un polímero de homólogo de dinamina se forma estrangulando el puente entre la vesícula y la membrana donante. Estos procesos son dependientes de GTP y por lo tanto agotan energéticamente a la célula.
Figura 35. Importancia de las
vesículas. Las úlceras pancreáticas se generan por la mala señalización de
las vesículas de transporte de las proteínas líticas encargadas de finalizar la
digestión de los nutrientes, liberadas cuando no hay alimento en el duodeno
dichas enzimas digieren el duodeno rompiendo su pared.
Las vesículas no se forman espontáneamente como las bombas
de jabón, por el contrario, su formación se encuentra altamente regulada por
proteínas integrales de membrana y por proteínas periféricas de membrana que
forman andamios, las proteínas individuales se encuentran disueltas en el
citoplasma, y por la acción de algunas señales de proteínas integrales de la
membrana “proteínas de tipo G” se polimeriza el andamio externo o cota. Las proteínas
tipo G generalmente requieren energía en forma de GTP para activarse.
La cota de proteínas extrae el fragmento de membrana
vesicular brotándola a partir de la membrana donante, a medida que la esfera va
tomando forma más cota proteínica se forma creando una estructura con forma
esférica, es decir la vesícula madura. Las proteínas de la cota de una vesícula
poseen dos funciones básicas: (1) actúan mecánicamente para que la membrana se
curve y forme el brote,, básicamente son un molde; (2) actúan como un mecanismo
para elegir cual es la sección de la membrana donante que será extraída, sería
un problema extraer una vesícula sin contenido de importancia. Los componentes
que se encuentran al interior de las vesículas pueden ser: (1) proteínas
líticas, ácidos, mucosas, hormonas, biomoléculas de diverso orden, iones
inorgánicos entre otras sustancias, las cuales se emplean para descargar en
otros organelos o en el exterior de las células (2) las proteínas integrales de
la membrana con dos dominios, el dominio receptor y el dominio efector.
El dominio receptor atrapa los materiales a ser
transportados como si fueran cinturones de seguridad, cuando se forma el par
sustancia-receptor el domino efector se activa formando la cota al otro lado de
la membrana.
Dejando de lado la discusión sobre el transporte y formación
de un soma o vesícula al interior de la célula, hay que examinar algunos
detalles sobre el modo en que las proteínas sintetizadas en un sistema de
membranas internas hacia su destino particular. Muchas de las sustancias
producidas por las células son dependientes de su blanco, es decir solo actúan
bien si llegan al blanco concreto donde son requeridas, de lo contrario hay dos
opciones generales:
1- No funcionan, perdiendo por lo tanto toda su actividad,
así como la energía que empleó la célula para formarlas, sin embargo, esto es
el menor de los problemas si se compara con la otra posibilidad.
2- Alteración funcional, las sustancias actúan en otro lugar
causando una consecuencia diferente de la original, esto generalmente es muy
malo, por ejemplo, en las enzimas pancreáticas que van al duodeno, si su blanco
es equivocado ya sea en lugar o en ritmo provoca serias úlceras. En algunas
ocasiones estos errores pueden acusar algunas novedades evolutivas, por
ejemplo, las hipótesis para la formación de la cascada de coagulación dependen
de este tipo de errores. La correcta señalización y envío a un blanco de
vesícula se logra mediante una serie de proteínas cuyas estructuras básicas se
encuentran relacionadas con el músculo, sin embargo, eso lo veremos en el
siguiente artículo.
Una vez liberada la vesícula su movimiento hacia el blanco
no es estocástico “al azar”, sin embargo, para entender esto debemos alterar
fundamentalmente el modo en que imaginamos el citoplasma de la célula.
Normalmente lo visualizamos como un gel acuoso con materiales disueltos y
flotando. Esto no es del todo cierto, el citoesqueleto no solo se encuentra dándole
forma a la membrana, también se extiende hacia el interior de la célula,
formando autopistas de transporte. Dichas autopistas están formadas por
carriles de actina, la misma proteína del sarcómero. Al ser actina posee
dominios para insertarse a una proteína con dos cabezas móviles como manos, en
el transporte esta proteína es la familia dineina o quinesina, homólogas a la
miosina del sarcómero.
La dineina y sus homólogas operan bajo el mismo principio de
la miosina "por eso son homólogas", es una proteína dependiente de la
energía suministrada por el ATP. La dineina posee un dominio que se ancla a la
cota o lo que quede de la cota alrededor de la vesícula y como si fuera una
grúa o un globo la mueve de un organelo a otro. Las células que presentan la mejor
de estas autopistas y sistemas de transporte son las neuronas, en estas células
los organelos de síntesis como el aparato de Golgi se encuentra a centímetros
de distancia de las puntas de sus citoplasma llamados dendritas, distancias que
para una célula son enormes.
Cuando la vesícula se acerca a la membrana receptora las
proteínas de la superficie de ambas membranas deben acoplarse entre sí, una vez
hecho esto se genera una fuerza de acercamiento entre las superficies de
lípidos, al ser estos fluidos y vibrantes se fusionan sin mayor esfuerzo,
permitiendo la fusión de membranas y la descarga de materiales.
Son moléculas que anclan las vesículas al citoesqueleto, son
típicas en el sentido de que el dominio que genera el movimiento es semejante a
dos piernas que caminan.
La dineína es, junto con la kinesina, la proteína motora más
importante asociada a los microtúbulos. Proteína enorme, 9 a 10 cabezas
grandes, globulares, generadoras de fuerza. La dineína se mueve hacia el
"extremo menos" (Minus End) del microtúbulo (movimiento retrógrado).
La dineína es clave en el transporte retrógrado de sustancias en la célula.
Este hecho reviste gran importancia en el axón neuronal, y en el movimiento de
cilios y flagelos. Generador de fuerza para el movimiento del cromosoma durante
la mitosis.
Típicamente ha sido estudiado en fragmentos celulares ricos
en microtúbulos y con un transporte vesicular altamente ordenado y frecuente:
esto es, en los axónes de neuronas, más frecuentemente en el calamar gigante.
Las técnicas más empleadas para su estudio han sido: las puramente
morfológicas, como la microscopía electrónica de barrido o de transmisión; las
bioquímicas, como la electroforesis; las biofísicas, como la trampa óptica; las
de inmunomarcaje por fluorescencia o enzimas; y las genéticas, por deleción de
dominios proteicos o mediante animales knockout.
La dineína es una molécula de estructura similar a la
kinesina: consta de dos cadenas pesadas idénticas que conforman dos cabezas
globulares y de un número variable de cadenas intermedias y de cadenas ligeras.
Se sugiere que la actividad de hidrólisis de ATP, fuente de energía de la
célula, se encuentra en las cabezas globulares. La dineína transporta vesículas
y orgánulos, por lo que debe interaccionar con sus membranas, y, para
interactuar con ellas, requiere de un complejo proteico, de cuyos elementos
cabe destacar la dinactina. Además de las dineínas citoplasmáticas antes
descritas, las dineínas axonémicas son cruciales en el mantenimiento de la estructura
y funcionalidad de los flagelos. Estructuralmente, las dineínas del axonema son
más complejas que las citoplasmáticas.
La importancia de la dineína radica en su relación directa
con el movimiento de los cilios y los flagelos. Encontramos la parte basal de
la dineína unida a un microtúbulo, y la cabeza unida a otro microtúbulo que
conforma el par adyacente. En este caso el movimiento de la dineína axonémica
se ve frustrado pues los pares de microtúbulos que conforman el axonema están
anclados mediante una proteína denominada nexina. De este modo un par de
microtúbulos se desliza sobre el otro provocando que toda la estructura del
axonema se doble. La regulación del movimiento coordinado de cilios y flagelos
es todavía un terreno desconocido.
Las kinesinas, quinesinas o cinesinas (YouTube) son una familia de proteínas
motoras que median el transporte intracelular anterógrado sobre los
microtúbulos, que son componentes del citoesqueleto. La palabra kinesina
etimológicamente proviene del griego kinetos que significa móvil. Típicamente
ha sido estudiado en fragmentos celulares ricos en microtúbulos y con un
transporte vesicular altamente ordenado y frecuente: esto es, en los axones de
neuronas, más frecuentemente en el calamar gigante. Las técnicas más empleadas
para su estudio han sido: las puramente morfológicas, como la microscopía
electrónica de barrido o de transmisión; las bioquímicas, como la
electroforesis; las biofísicas, como la trampa óptica; las de inmunomarcaje por
fluorescencia o enzimas; y las genéticas, por deleción de dominios proteicos o
mediante animales knockout.
La kinesina I es un dímero de dos cadenas pesadas, cada una
de las cuales está asociada a una cadena liviana, con un peso molecular total
de 380.000 Da. Consta de dos dominios cabeza, globulares, un tallo central y un
par de dominios cola, también globulares pero más pequeños. El dominio cabeza
posee la actividad ATPasa y une los microtúbulos, y el dominio cola reconoce a
la membrana lipídica de las vesículas a transportar, probablemente por
mediación de las cadenas ligeras.
La mayoría de las kinesinas intervienen en el transporte
anterógrado de vesículas, es decir, que implican un movimiento hacia la parte
más distal de la célula o la neurita, hacia el extremo (+) de los microtúbulos,
sobre los que se desplazan. Por el contrario, otra familia de proteínas
motoras, las dineínas, emplean los mismos rieles, pero dirigen las vesículas a
la parte más proximal de la célula, por lo que su transporte es retrógrado. En
neuronas los extremos positivos de los microtúbulos se dirigen hacia las
terminales sinápticas.
La endocitosis es el proceso por el cual una célula cuya
membrana externa es flexible rodea a otra partícula, puede ser otra célula u
sustancia química, cuando termina de rodearla genera una vesícula interna
llamada endosoma. La endocitosis puede dividirse en dos categorías principales,
la endocitosis no específica y la endocitosis específica. La endocitosis no específica
también denominada pinocitosis engloba fluidos y todo material que se encuentre
diluido en este.
La endocitosis específica también se denomina endocitosis mediada por receptores. En este caso la célula o partícula debe tener una serie de proteínas en si membrana que sirven como marcadores de reconocimiento. La célula que va a realizar la endocitosis también tiene otras proteínas que sirven como reconocedores. Cuando ambos marcadores entran en contacto íntimo activan a la célula que realiza la endocitosis para iniciar el proceso.
Figura 36. Endocitocis. Izquierda,
endocitocisis no específica o pinocitosis; derecha, endocitosis específica
mediada por receptores que interactúan con el citoesqueleto.
Independientemente del tipo de endocitosis, el resultado
final es un endosoma, es decir una vesícula del sistema de membranas internas
de la célula eucariota. Esta vesícula y su contenido pueden sufrir diferentes
destinos dependiendo del contexto, ya sea en el sistema inmune, en la digestión
celular o como una manipulación de endoparásitos para atacar a la célula.
Figura 37. Fagocitosis. La fagocitosis
involucra la endocitosis de sustancias en una vesícula o endosoma que luego se
fusiona con otras vesículas portadoras de enzimas digestivas, la absorción de
los componentes de interés y la exocitosis de los desechos.
La fagocitosis se puede definir literalmente como un tipo de
digestión interna por parte de una célula, y probablemente sea la primera
digestión interna que existió. La fagocitosis es un proceso más complejo que la
endocitosis, aunque muchas veces empleamos estos dos términos de manera
indiferenciada. Sin embargo, la diferencia está en el tratamiento que recibe el
material endocitado, en la fagocitosis en endosoma “llamado en este caso
fagosoma” recibe un tratamiento más complejo, poco después de que el fagosoma
ingresa a la célula este se fusiona con otra vesícula llamada lisosoma. Los
lisosomas son vesículas que contienen las enzimas digestivas y otras sustancias
químicas que degradan a la víctima.
Cuando el fagosoma se fusiona con el lisosoma se forma un
fagolisosoma, las enzimas digestivas y las otras sustancias químicas oxidantes
empiezan a degradar a la víctima transformándola en sus componentes básicos.
Una vez se han degradado, los componentes básicos que se extraen de allí serán
absorbidos por los mecanismos de transporte a través de membrana dependiendo de
la naturaleza del nutriente liberado. Este modo de alimentación es muy común en
los eucariortes de vida libre unicelulares como las amebas. En los eucariotes
multicelulares, especialmente en los animales la fagocitosis cumple una función
inmune más que de nutrición.
Muchas células del sistema inmune como los monocitos activados
pueden fagocitar activamente a otras células para mantener seguro al organismo.
Sin embargo, a pesar de esta pequeña escala, la fagocitosis nos muestra todos
los pasos que intervienen en una digestión interna: (1) captura de la presa en
un compartimiento especializado; (2) digestión de la presa por parte de enzimas
líticas y otras sustancias químicas oxidantes; (3) absorción de los nutrientes
y procesamiento de estos integradolos a alguna ruta metabólica o bioquímica;
(4) eliminación de los desechos que no fueron absorbidos. Aunque ya hemos
hablado fuertemente de los puntos (2) enzimas líticas, (3) absorción y
someramente del (1) captura “del cual se hablará más específicamente en
ecología”. Aún no hemos hablado del (4) eliminación.
La eliminación es el proceso en el cual se desechan
compuestos que no fueron absorbidos y que nunca fueron parte de las rutas
metabólicas del ser vivo. Otro proceso parecido es el de excreción en el cual
se desechan compuestos químicos que hicieron parte de las redes metabólicas y
que potencialmente podrían detenerlas de mantenerse en el cuerpo.
La fusión de una vesícula de transporte con la membrana
externa y la subsecuente descarga de su contenido se denomina exocitosis. La
exocitosis probablemente ocurre de forma continua en la mayoría de las células,
especialmente las que poseen una función glandular. Sin embargo, el caso que
más se ha estudiado de la exocitosis ha sido la descarga de los
neurotransmisores en la sinápsis neuronal, la cual de hecho puede ser señalada
como una función glandular paracrina. En las neuronas la grúa molecular
compuesta por dineina o quinesina se para antes de llegar a la membrana
plasmática en la punta de la dendrita, justo en la sinapsis neuronal. Esto
permite acumular muchas vesículas a la espera de una señal que les permita
reiniciar su recorrido hasta la fusión de membranas.
La señal por lo general es la liberación de iones
calcio(2+), estos iones permiten que miosina cambie a su posición activa, como
si fuera un semáforo o una bandera de arranque los iones calcio(2+) permiten
que la grúa molecular continúe avanzando hacia la membrana. Es probable que la
exocitosis en otras glándulas ocurra por mecanismos análogos, sinembargo la
neurona simplemente es el caso más estudiado. Una vez allí las proteínas
restantes de la cota se acoplan con los receptores internos de la membrana
plasmática fusionando las membranas. En algunos casos cuando la vesícula abre
hacia el medio externo retrocede después de descargar sus materiales, pero n la
mayoría de los casos la vesícula se fusiona totalmente con la membrana externa.
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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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