En biología, un transportador de iones es una proteína transmembrana que mueve iones (u otras moléculas pequeñas) a través de una membrana biológica para llevar a cabo muchas funciones biológicas diferentes, incluida la comunicación celular, el mantenimiento de la homeostasis, la producción de energía, etc. [1] Existen diferentes tipos de transportadores, incluidos los transportadores de bombas, los transportadores unitransportadores, los transportadores antitransportadores y los transportadores simportadores. Los transportadores activos o bombas de iones son transportadores que convierten la energía de varias fuentes (incluido el trifosfato de adenosina (ATP), la luz solar y otras reacciones redox ) en energía potencial al bombear un ion a favor de su gradiente de concentración. [2] Esta energía potencial podría luego ser utilizada por transportadores secundarios, incluidos los transportadores de iones y los canales iónicos, para impulsar procesos celulares vitales, como la síntesis de ATP . [3]
Esta página se centra principalmente en los transportadores de iones que actúan como bombas, pero los transportadores también pueden funcionar para mover moléculas a través de la difusión facilitada . La difusión facilitada no requiere ATP y permite que las moléculas, que no pueden difundirse rápidamente a través de la membrana ( difusión pasiva ), se difundan a favor de su gradiente de concentración a través de estos transportadores de proteínas. [4]
Los transportadores de iones son esenciales para el funcionamiento adecuado de las células y, por lo tanto, están muy regulados por ellas y los investigadores los estudian mediante diversos métodos. Se darán algunos ejemplos de regulaciones celulares y métodos de investigación.
Los transportadores de iones se clasifican como una superfamilia de transportadores que contiene 12 familias de transportadores. [5] Estas familias son parte del sistema de Clasificación de Transporte (TC) que utiliza la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular (IUBMB) y se agrupan según características como los sustratos que se transportan, el mecanismo de transporte, la fuente de energía utilizada y también comparando las secuencias de ADN que componen cada proteína. El factor unificador más importante es la naturaleza cargada del sustrato que indica el transporte de un ion y no de una especie neutra. [5] Los transportadores de iones difieren significativamente de los canales iónicos . Los canales son poros que recorren la membrana, mientras que los transportes son proteínas que deben cambiar de forma para cambiar de lado de la membrana al que están abiertos. Debido a esto, los transportadores son mucho más lentos al mover moléculas que los canales.
Un gradiente electroquímico o gradiente de concentración es una diferencia en la concentración de una molécula química o ion en dos áreas separadas. [6] En equilibrio, las concentraciones del ion en ambas áreas serán iguales, por lo que si hay una diferencia en la concentración, los iones buscarán fluir "hacia abajo" del gradiente de concentración o desde una concentración alta a una concentración baja. Los canales iónicos permiten que los iones específicos que encajarán en el canal fluyan hacia abajo de su gradiente de concentración, igualando las concentraciones en ambos lados de la membrana celular. Los canales iónicos y los transportadores de iones logran esto a través de la difusión facilitada , que es un tipo de transporte pasivo . Sin embargo, solo los transportadores de iones también pueden realizar el transporte activo, que implica mover iones en contra de su gradiente de concentración. [7] Usando fuentes de energía como el ATP, los transportadores de iones pueden mover iones en contra de su gradiente de concentración que luego pueden ser utilizados por transportadores secundarios u otras proteínas como fuente de energía. [6]
Los transportadores primarios utilizan energía para transportar iones como Na + , K + y Ca2 + a través de la membrana celular y pueden crear gradientes de concentración. [6] Este transporte puede utilizar ATP como fuente de energía o puede utilizarse para generar ATP a través de métodos como la cadena de transporte de electrones en las plantas. [7] [6]
Los transportadores activos utilizan ATP para convertir la energía del ATP en energía potencial en forma de gradiente de concentración. Utilizan el ATP para transportar un ion desde una concentración baja a una concentración más alta. Ejemplos de proteínas que utilizan ATP son las ATPasas de tipo P que transfieren iones Na + , K + y Ca2 + por fosforilación, las ATPasas de tipo A que transfieren aniones y los transportadores ABC (transportadores de casete de unión a ATP) que transportan un amplio conjunto de moléculas. [6] Ejemplos de la ATPasa de tipo P incluyen Na + /K + -ATPasa [7] [8] [9] que está regulada por la Janus Kinase-2 [10] así como la ATPasa de Ca2 + que exhibe sensibilidad a las concentraciones de ADP y ATP [3] La glicoproteína P es un ejemplo de una proteína de unión al transporte ABC en el cuerpo humano.
Los transportadores productores de ATP funcionan en la dirección opuesta a los transportadores que utilizan ATP. Estas proteínas transportan iones de alta a baja concentración con el gradiente, pero en el proceso se forma ATP. La energía potencial en forma de gradiente de concentración se utiliza para generar ATP. [6] En los animales, esta síntesis de ATP tiene lugar en las mitocondrias utilizando la ATPasa de tipo F, también conocida como ATP sintasa . Este proceso utiliza la cadena de transporte de electrones en un proceso llamado fosforilación oxidativa . [11] [2] La ATPasa de tipo V cumple la función opuesta a la ATPasa de tipo F y se utiliza en las plantas para hidrolizar el ATP para crear un gradiente de protones. Ejemplos de esto son los lisosomas que utilizan la ATPasa de tipo V para acidificar vesículas o vacuolas de plantas durante el proceso de fotosíntesis en los cloroplastos. [7] Este proceso se puede regular a través de varios métodos, como el pH. [12]
Los transportadores secundarios también transportan iones (o moléculas pequeñas) contra el gradiente de concentración (de baja concentración a alta concentración), pero a diferencia de los transportadores primarios que utilizan ATP para crear un gradiente de concentración, los transportadores secundarios utilizan la energía potencial del gradiente de concentración creado por los transportadores primarios para transportar iones. [6] Por ejemplo, el transportador de glucosa dependiente de sodio que se encuentra en el intestino delgado y el riñón utiliza el gradiente de sodio creado en la célula por la bomba de sodio y potasio (como se mencionó anteriormente) para ayudar a transportar glucosa a la célula. [13] Esto sucede cuando el sodio fluye a favor de su gradiente de concentración, lo que proporciona suficiente energía para empujar la glucosa hacia arriba de su gradiente de concentración de regreso a la célula. Esto es importante en el intestino delgado y el riñón para evitar que pierdan glucosa. Los simportadores, como el simportador de sodio y glucosa, transportan un ion con su gradiente de concentración y acoplan el transporte de una segunda molécula en la misma dirección. Los antiportadores también utilizan el gradiente de concentración de una molécula para mover otra hacia arriba de su gradiente de concentración, pero la molécula acoplada se transporta en la dirección opuesta. [6]
Los transportadores de iones pueden regularse de diversas formas, como por ejemplo mediante fosforilación, inhibición o activación alostérica y sensibilidad a la concentración de iones. El uso de proteínas quinasas para añadir un grupo fosfato o de fosfatasas para desfosforilar la proteína puede modificar la actividad del transportador. [14] La activación o inhibición de la proteína con la adición del grupo fosfato depende de la proteína específica. Con la inhibición alostérica, el ligando regulador puede unirse al sitio regulador e inhibir o activar el transportador. Los transportadores de iones también pueden regularse mediante la concentración de un ion (no necesariamente el ion que transfiere) en solución. Por ejemplo, la cadena de transporte de electrones está regulada por la presencia de iones H + (pH) en solución. [6]
La técnica de fijación de parches es una técnica electrofisiológica que se utiliza para estudiar los canales y transportadores de las células mediante el seguimiento de la corriente que circula por ellos. Esta técnica fue perfeccionada por Hodgkin y Huxley antes de que se conociera la existencia de los canales y transportadores. [11] [15] Además de su trabajo pionero inicial, el legado de la fijación de parches continúa y los investigadores todavía la utilizan habitualmente para estudiar los transportadores de iones y cómo los entornos y los ligandos afectan la función del transportador. [1] [16]
La cristalografía de rayos X es una herramienta increíble que permite visualizar la estructura de las proteínas; sin embargo, es solo una instantánea de la conformación de una proteína. La estructura de las proteínas de transporte permite a los investigadores comprender mejor cómo y qué hace el transportador para mover las moléculas a través de la membrana. [17] [18]
La recuperación de fluorescencia después del fotoblanqueo (FRAP) es una técnica que se utiliza para rastrear la difusión de lípidos o proteínas en una membrana. Esta técnica se utiliza para comprender mejor la movilidad de los transportadores en la célula y sus interacciones con los dominios lipídicos y las balsas lipídicas en la membrana celular.
La transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET) es una técnica que utiliza la fluorescencia para rastrear la proximidad entre dos proteínas. Esto se ha utilizado para estudiar los transportadores y ver cómo interactúan con otras proteínas celulares. [1]
