En biología celular , el transporte activo es el movimiento de moléculas o iones a través de una membrana celular desde una región de menor concentración a una región de mayor concentración , contra el gradiente de concentración . El transporte activo requiere energía celular para lograr este movimiento. Hay dos tipos de transporte activo: el transporte activo primario que utiliza trifosfato de adenosina (ATP) y el transporte activo secundario que utiliza un gradiente electroquímico . Este proceso contrasta con el transporte pasivo , que permite que las moléculas o iones se muevan a favor de su gradiente de concentración, desde un área de alta concentración a un área de baja concentración, sin energía.
El transporte activo es esencial para diversos procesos fisiológicos, como la absorción de nutrientes, la secreción hormonal y la transmisión de impulsos nerviosos. Por ejemplo, la bomba de sodio-potasio utiliza ATP para bombear iones de sodio fuera de la célula e iones de potasio hacia el interior de la célula, manteniendo un gradiente de concentración esencial para la función celular. El transporte activo es altamente selectivo y regulado, con diferentes transportadores específicos para diferentes moléculas o iones. La desregulación del transporte activo puede provocar diversos trastornos, incluida la fibrosis quística, causada por un mal funcionamiento del canal de cloruro, y la diabetes, resultante de defectos en el transporte de glucosa hacia las células.
A diferencia del transporte pasivo , que utiliza la energía cinética y la entropía natural de las moléculas que se mueven a favor de un gradiente, el transporte activo utiliza energía celular para moverlas contra un gradiente, una repulsión polar u otra resistencia. El transporte activo suele estar asociado a la acumulación de altas concentraciones de moléculas que la célula necesita, como iones , glucosa y aminoácidos . Ejemplos de transporte activo incluyen la absorción de glucosa en los intestinos de los seres humanos y la absorción de iones minerales en las células ciliadas de las raíces de las plantas. [1]
En 1848, el fisiólogo alemán Emil du Bois-Reymond sugirió la posibilidad del transporte activo de sustancias a través de las membranas. [2]
En 1926, Dennis Robert Hoagland investigó la capacidad de las plantas para absorber sales contra un gradiente de concentración y descubrió la dependencia de la absorción y translocación de nutrientes de la energía metabólica utilizando sistemas modelo innovadores en condiciones experimentales controladas. [3]
Rosenberg (1948) formuló el concepto de transporte activo basándose en consideraciones energéticas, [4] pero posteriormente sería redefinido.
En 1997, Jens Christian Skou , médico danés [5] recibió el Premio Nobel de Química por su investigación sobre la bomba de sodio-potasio . [5]
Una categoría de cotransportadores que es especialmente prominente en la investigación sobre el tratamiento de la diabetes [6] son los cotransportadores de sodio-glucosa. Estos transportadores fueron descubiertos por científicos del Instituto Nacional de Salud. [7] Estos científicos habían notado una discrepancia en la absorción de glucosa en diferentes puntos del túbulo renal de una rata. Luego se descubrió el gen de la proteína transportadora de glucosa intestinal y se vinculó a estos sistemas de cotransporte de glucosa y sodio de membrana. La primera de estas proteínas de transporte de membrana se denominó SGLT1, seguida del descubrimiento de SGLT2 . [7] Robert Krane también jugó un papel destacado en este campo.
Las proteínas transmembrana especializadas reconocen la sustancia y le permiten moverse a través de la membrana cuando de otro modo no lo haría, ya sea porque la bicapa de fosfolípidos de la membrana es impermeable a la sustancia que se mueve o porque la sustancia se mueve en contra de la dirección de su gradiente de concentración . [8] Hay dos formas de transporte activo, el transporte activo primario y el transporte activo secundario. En el transporte activo primario, las proteínas implicadas son bombas que normalmente utilizan energía química en forma de ATP. El transporte activo secundario, sin embargo, utiliza energía potencial, que generalmente se obtiene mediante la explotación de un gradiente electroquímico . La energía creada por un ion que se mueve a favor de su gradiente electroquímico se utiliza para impulsar el transporte de otro ion que se mueve en contra de su gradiente electroquímico. [9] Esto involucra proteínas formadoras de poros que forman canales a través de la membrana celular . La diferencia entre transporte pasivo y transporte activo es que el transporte activo requiere energía y mueve sustancias contra su respectivo gradiente de concentración, mientras que el transporte pasivo no requiere energía celular y mueve sustancias en la dirección de su respectivo gradiente de concentración. [10]
En un antiportador , un sustrato se transporta en una dirección a través de la membrana mientras que otro se cotransporta en la dirección opuesta. En un transportador simultáneo , dos sustratos se transportan en la misma dirección a través de la membrana. Los procesos de antiportación y simportación están asociados con el transporte activo secundario , lo que significa que una de las dos sustancias se transporta en contra de su gradiente de concentración, utilizando la energía derivada del transporte de otro ion (principalmente iones Na + , K + o H + ) hacia abajo de su concentración. degradado.
Si las moléculas de sustrato se mueven desde áreas de menor concentración a áreas de mayor concentración [11] (es decir, en dirección opuesta o en contra del gradiente de concentración), se requieren proteínas transportadoras transmembrana específicas. Estas proteínas tienen receptores que se unen a moléculas específicas (p. ej., glucosa ) y las transportan a través de la membrana celular. Debido a que en este proceso se requiere energía, se lo conoce como transporte "activo". Ejemplos de transporte activo incluyen el transporte de sodio fuera de la célula y de potasio hacia el interior de la célula mediante la bomba de sodio-potasio. El transporte activo suele tener lugar en el revestimiento interno del intestino delgado .
Las plantas necesitan absorber sales minerales del suelo u otras fuentes, pero estas sales existen en soluciones muy diluidas . El transporte activo permite a estas células absorber sales de esta solución diluida en contra de la dirección del gradiente de concentración . Por ejemplo, los iones cloruro (Cl − ) y nitrato (NO 3 − ) existen en el citosol de las células vegetales y necesitan ser transportados a la vacuola. Si bien la vacuola tiene canales para estos iones, su transporte se realiza en contra del gradiente de concentración y, por lo tanto, el movimiento de estos iones es impulsado por bombas de hidrógeno o bombas de protones. [9]
El transporte activo primario, también llamado transporte activo directo, utiliza directamente energía metabólica para transportar moléculas a través de una membrana. [12] Las sustancias que se transportan a través de la membrana celular mediante transporte activo primario incluyen iones metálicos, como Na + , K + , Mg 2+ y Ca 2+ . Estas partículas cargadas requieren bombas de iones o canales de iones para cruzar las membranas y distribuirse por el cuerpo.
La mayoría de las enzimas que realizan este tipo de transporte son ATPasas transmembrana . Una ATPasa primaria universal para toda la vida animal es la bomba de sodio-potasio , que ayuda a mantener el potencial celular . La bomba de sodio-potasio mantiene el potencial de membrana sacando tres iones Na + de la célula por cada dos [13] iones K + que ingresan a la célula. Otras fuentes de energía para el transporte activo primario son la energía redox y la energía fotónica ( luz ). Un ejemplo de transporte activo primario que utiliza energía redox es la cadena de transporte de electrones mitocondrial que utiliza la energía de reducción 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 utiliza energía luminosa son las proteínas involucradas en la fotosíntesis que utilizan la energía de los fotones para crear un gradiente de protones a través de la membrana tilacoide y también para crear poder de reducción en forma de NADPH .
La hidrólisis de ATP se utiliza para transportar iones de hidrógeno contra el gradiente electroquímico (de baja a alta concentración de iones de hidrógeno). La fosforilación de la proteína transportadora y la unión de un ion hidrógeno inducen un cambio conformacional (de forma) que impulsa a los iones de hidrógeno a transportarse contra el gradiente electroquímico. La hidrólisis del grupo fosfato unido y la liberación del ion hidrógeno restauran el portador a su conformación original. [14]
Los transportadores de casete de unión a trifosfato de adenosina ( transportadores ABC ) comprenden una familia de proteínas grande y diversa, que a menudo funcionan como bombas impulsadas por ATP. Por lo general, hay varios dominios involucrados en la estructura general de la proteína transportadora, incluidos dos dominios de unión a nucleótidos que constituyen el motivo de unión a ATP y dos dominios transmembrana hidrofóbicos que crean el componente "poro". En términos generales, los transportadores ABC participan en la importación o exportación de moléculas a través de la membrana celular; sin embargo, dentro de la familia de las proteínas existe una amplia gama de funciones. [15]
En las plantas, los transportadores ABC se encuentran a menudo dentro de las membranas celulares y de orgánulos, como las mitocondrias, el cloroplasto y la membrana plasmática. Existe evidencia que respalda que los transportadores ABC de las plantas desempeñan un papel directo en la respuesta a patógenos, el transporte de fitohormonas y la desintoxicación. [15] Además, ciertos transportadores ABC de plantas pueden funcionar exportando activamente compuestos volátiles [16] y metabolitos antimicrobianos. [17]
En las flores de petunia ( Petunia hybrida ), el transportador ABC PhABCG1 participa en el transporte activo de compuestos orgánicos volátiles. PhABCG1 se expresa en los pétalos de flores abiertas. En general, los compuestos volátiles pueden promover la atracción de organismos dispersores de semillas y polinizadores, así como ayudar en la defensa, señalización, alelopatía y protección. Para estudiar la proteína PhABCG1, se crearon líneas de interferencia de ARN de petunia transgénica con niveles de expresión de PhABCG1 disminuidos . En estas líneas transgénicas se observó una disminución en la emisión de compuestos volátiles. Por tanto, es probable que PhABCG1 participe en la exportación de compuestos volátiles. Los experimentos posteriores implicaron la incubación de líneas transgénicas y de control que expresaban PhABCG1 para probar la actividad de transporte que involucraba diferentes sustratos. En última instancia, PhABCG1 es responsable del transporte mediado por proteínas de compuestos orgánicos volátiles, como el alcohol bencílico y el metilbenzoato, a través de la membrana plasmática. [dieciséis]
Además, en las plantas, los transportadores ABC pueden estar involucrados en el transporte de metabolitos celulares. Se supone que los transportadores ABC de resistencia a los medicamentos pleiotrópicos participan en la respuesta al estrés y exportan metabolitos antimicrobianos. Un ejemplo de este tipo de transportador ABC es la proteína NtPDR1. Este transportador ABC único se encuentra en las células BY2 de Nicotiana tabacum y se expresa en presencia de inductores microbianos. NtPDR1 se localiza en la epidermis de la raíz y los tricomas aéreos de la planta. Los experimentos que utilizaron anticuerpos dirigidos específicamente a NtPDR1 seguidos de transferencia Western permitieron esta determinación de la localización. Además, es probable que la proteína NtPDR1 transporte activamente moléculas de diterpenos antimicrobianos, que son tóxicas para las células en niveles elevados. [17]
En el transporte activo secundario, también conocido como cotransporte o transporte acoplado , se utiliza energía para transportar moléculas a través de una membrana; sin embargo, a diferencia del transporte activo primario , no existe un acoplamiento directo de ATP . En cambio, se basa en la diferencia de potencial electroquímico creada al bombear iones dentro y fuera de la celda. [18] Permitir que un ion o molécula se mueva hacia abajo en un gradiente electroquímico, pero posiblemente contra el gradiente de concentración donde está más concentrado hacia aquel donde está menos concentrado, aumenta la entropía y puede servir como fuente de energía para el metabolismo (por ejemplo, en ATP sintasa ). La energía derivada del bombeo de protones a través de la membrana celular se utiliza frecuentemente como fuente de energía en el transporte activo secundario. En los seres humanos, el sodio (Na + ) es un ion comúnmente cotransportado a través de la membrana plasmática, cuyo gradiente electroquímico se utiliza luego para impulsar el transporte activo de un segundo ion o molécula contra su gradiente. [19] En bacterias y pequeñas células de levadura, un ion comúnmente cotransportado es el hidrógeno. [19] Las bombas de hidrógeno también se utilizan para crear un gradiente electroquímico para llevar a cabo procesos dentro de las células, como en la cadena de transporte de electrones , una función importante de la respiración celular que ocurre en la mitocondria de la célula. [20]
En agosto de 1960, en Praga, Robert K. Crane presentó por primera vez su descubrimiento del cotransporte sodio-glucosa como mecanismo de absorción intestinal de glucosa. [21] El descubrimiento del cotransporte por parte de Crane fue la primera propuesta de acoplamiento de flujo en biología. [22] [23]
Los cotransportadores se pueden clasificar en simportadores y antiportadores dependiendo de si las sustancias se mueven en la misma dirección o en direcciones opuestas.
En un antiportador se bombean dos especies de iones u otros solutos en direcciones opuestas a través de una membrana. A una de estas especies se le permite fluir de alta a baja concentración, lo que produce la energía entrópica para impulsar el transporte del otro soluto desde una región de baja concentración a una de alta.
Un ejemplo es el intercambiador o antiportador de sodio-calcio , que permite que tres iones de sodio entren en la célula para transportar un calcio hacia afuera. [24] Este mecanismo antiportador es importante dentro de las membranas de las células del músculo cardíaco para mantener baja la concentración de calcio en el citoplasma. [9] Muchas células también poseen ATPasas de calcio , que pueden operar a concentraciones intracelulares más bajas de calcio y establecen la concentración normal o en reposo de este importante segundo mensajero . [25] Pero la ATPasa exporta iones de calcio más lentamente: sólo 30 por segundo frente a 2000 por segundo por el intercambiador. El intercambiador entra en servicio cuando la concentración de calcio aumenta bruscamente o "picos" y permite una recuperación rápida. [26] Esto muestra que un solo tipo de ion puede ser transportado por varias enzimas, que no necesitan estar activas todo el tiempo (constitutivamente), pero pueden existir para satisfacer necesidades específicas e intermitentes.
Un transportador simultáneo utiliza el movimiento cuesta abajo de una especie de soluto desde una concentración alta a una concentración baja para mover otra molécula cuesta arriba desde una concentración baja a una concentración alta (contra su gradiente de concentración ). Ambas moléculas se transportan en la misma dirección.
Un ejemplo es el transportador de glucosa SGLT1 , que cotransporta una molécula de glucosa (o galactosa ) al interior de la célula por cada dos iones de sodio que importa a la célula. [27] Este simportador se encuentra en el intestino delgado, [28] el corazón, [29] y el cerebro. [30] También se encuentra en el segmento S3 del túbulo proximal en cada nefrona de los riñones . [31] Su mecanismo se explota en la terapia de rehidratación de glucosa. [32] Este mecanismo utiliza la absorción de azúcar a través de las paredes del intestino para atraer agua junto con él. [32] Los defectos en SGLT2 impiden la reabsorción eficaz de glucosa, lo que provoca glucosuria renal familiar . [33]
La endocitosis y la exocitosis son formas de transporte masivo que mueven materiales dentro y fuera de las células, respectivamente, a través de vesículas . [34] En el caso de la endocitosis, la membrana celular se pliega alrededor de los materiales deseados fuera de la célula. [35] La partícula ingerida queda atrapada dentro de una bolsa, conocida como vesícula, dentro del citoplasma . A menudo, las enzimas de los lisosomas se utilizan para digerir las moléculas absorbidas en este proceso. Las sustancias que ingresan a la célula a través de electrólisis mediada por señales incluyen proteínas, hormonas y factores de crecimiento y estabilización. [36] Los virus ingresan a las células a través de una forma de endocitosis que implica que su membrana externa se fusione con la membrana de la célula. Esto fuerza al ADN viral a ingresar a la célula huésped. [37]
Los biólogos distinguen dos tipos principales de endocitosis: pinocitosis y fagocitosis . [38]
La exocitosis implica la eliminación de sustancias mediante la fusión de la membrana celular externa y una membrana vesicular. [41] Un ejemplo de exocitosis sería la transmisión de neurotransmisores a través de una sinapsis entre células cerebrales.
Crane
en 1961 fue el primero en formular el concepto de cotransporte para explicar el transporte activo [7]. Específicamente, propuso que la acumulación de glucosa en el epitelio intestinal a través de la membrana del borde en cepillo estaba acoplada a la disminución
del Na.
+
el transporte cruza la frontera. Esta hipótesis fue rápidamente probada, refinada y ampliada [para] abarcar el transporte activo de una amplia gama de moléculas e iones en prácticamente todos los tipos de células.
La idea de esta época que permanece en todos los libros de texto actuales es la noción de
Robert Crane
publicada originalmente como apéndice de un artículo de un simposio publicado en 1960 (
Crane
et al. 1960). El punto clave aquí fue el "acoplamiento de flujo", el cotransporte de sodio y glucosa en la membrana apical de la célula epitelial del intestino delgado. Medio siglo después, esta idea se ha convertido en una de las proteínas transportadoras más estudiadas (SGLT1), el cotransportador de sodio-glucosa.
Medios relacionados con el transporte activo en Wikimedia Commons