Un antitransportador (también llamado intercambiador o contratransportador ) es una proteína de membrana integral que utiliza el transporte activo secundario para mover dos o más moléculas en direcciones opuestas a través de una membrana de fosfolípidos . Es un tipo de cotransportador , lo que significa que utiliza el movimiento energéticamente favorable de una molécula a favor de su gradiente electroquímico para impulsar el movimiento energéticamente desfavorable de otra molécula a favor de su gradiente electroquímico. Esto contrasta con los simportadores , que son otro tipo de cotransportador que mueve dos o más iones en la misma dirección, y el transporte activo primario , que es impulsado directamente por ATP . [2]
El transporte puede implicar uno o más de cada tipo de soluto. Por ejemplo, el intercambiador Na + /Ca2 + , que se encuentra en la membrana plasmática de muchas células, mueve tres iones de sodio en una dirección y un ion de calcio en la otra. Al igual que con el sodio en este ejemplo, los antiportadores dependen de un gradiente establecido que hace que la entrada de un ion sea energéticamente favorable para forzar el movimiento desfavorable de una segunda molécula en la dirección opuesta. [4] A través de sus diversas funciones, los antiportadores están involucrados en varios procesos fisiológicos importantes, como la regulación de la fuerza de la contracción del músculo cardíaco, el transporte de dióxido de carbono por los eritrocitos , la regulación del pH citosólico y la acumulación de sacarosa en las vacuolas de las plantas . [2]
Los cotransportadores se encuentran en todos los organismos [2] y caen dentro de la categoría más amplia de proteínas de transporte , un grupo diverso de proteínas transmembrana que incluye uniportadores, simportadores y antiportadores. Cada uno de ellos es responsable de proporcionar un medio de movimiento para moléculas solubles en agua que de otra manera no podrían pasar a través de la membrana plasmática basada en lípidos. Los más simples de estos son los uniportadores , que facilitan el movimiento de un tipo de molécula en la dirección que sigue su gradiente de concentración . [5] En los mamíferos, son los más comúnmente responsables de llevar glucosa y aminoácidos a las células. [6]
Los simportadores y antiportadores son más complejos porque mueven más de un ion y el movimiento de uno de esos iones es en una dirección energéticamente desfavorable. Como intervienen múltiples moléculas, deben ocurrir múltiples procesos de unión a medida que el transportador experimenta un ciclo de cambios conformacionales para moverlas de un lado de la membrana al otro. [7] El mecanismo utilizado por estos transportadores limita su funcionamiento a mover solo unas pocas moléculas a la vez. Como resultado, los simportadores y antiportadores se caracterizan por una velocidad de transporte más lenta, moviendo entre 10 2 y 10 4 moléculas por segundo. Compárese esto con los canales iónicos que proporcionan un medio para que se produzca la difusión facilitada y permiten que entre 10 7 y 10 8 iones pasen a través de la membrana plasmática por segundo. [2]
Aunque las bombas impulsadas por ATP también mueven moléculas en una dirección energéticamente desfavorable y experimentan cambios conformacionales para hacerlo, caen dentro de una categoría diferente de proteínas de membrana porque acoplan la energía derivada de la hidrólisis del ATP para transportar sus respectivos iones. Estas bombas de iones son muy selectivas, y consisten en un sistema de doble compuerta donde al menos una de las compuertas siempre está cerrada. El ion puede entrar por un lado de la membrana mientras una de las compuertas está abierta, después de lo cual se cerrará. Solo entonces se abrirá la segunda compuerta para permitir que el ion salga por el lado opuesto de la membrana. El tiempo entre la apertura alterna de la compuerta se conoce como estado ocluido, donde los iones están unidos y ambas compuertas están cerradas. [8] Estas reacciones de compuerta limitan la velocidad de estas bombas, lo que hace que funcionen incluso más lento que las proteínas de transporte, moviendo entre 10 0 y 10 3 iones por segundo. [2]
Para funcionar en el transporte activo, una proteína de membrana debe cumplir ciertos requisitos. El primero de ellos es que el interior de la proteína debe contener una cavidad que sea capaz de contener su molécula o ion correspondiente. A continuación, la proteína debe ser capaz de asumir al menos dos conformaciones diferentes , una con su cavidad abierta al espacio extracelular y la otra con su cavidad abierta al citosol . Esto es crucial para el movimiento de moléculas de un lado a otro de la membrana. Finalmente, la cavidad de la proteína debe contener sitios de unión para sus ligandos , y estos sitios de unión deben tener una afinidad diferente por el ligando en cada una de las conformaciones de la proteína. Sin esto, el ligando no podrá unirse al transportador en un lado de la membrana plasmática y liberarse de él en el otro lado. [9] Como transportadores, los antiportadores tienen todas estas características.
Debido a que los antiportadores son muy diversos, su estructura puede variar ampliamente dependiendo del tipo de moléculas que se transporten y su ubicación en la célula. Sin embargo, hay algunas características comunes que todos los antiportadores comparten. Una de ellas es la presencia de múltiples regiones transmembrana que abarcan la bicapa lipídica de la membrana plasmática y forman un canal a través del cual pueden pasar las moléculas hidrófilas . Estas regiones transmembrana suelen estar estructuradas a partir de hélices alfa y están conectadas por bucles tanto en el espacio extracelular como en el citosol. Estos bucles son los que contienen los sitios de unión para las moléculas asociadas con el antiportador. [7]
Estas características de los antiportadores les permiten llevar a cabo su función de mantener la homeostasis celular . Proporcionan un espacio donde una molécula hidrófila puede pasar a través de la bicapa lipídica hidrófoba, lo que les permite eludir las interacciones hidrófobas de la membrana plasmática. Esto permite el movimiento eficiente de las moléculas necesarias para el entorno de la célula, como en la acidificación de los orgánulos. [2] La afinidad variable del antiportador por cada ion o molécula en cada lado de la membrana plasmática le permite unirse y liberar sus ligandos en el lado apropiado de la membrana de acuerdo con el gradiente electroquímico del ion que se está aprovechando para su concentración energéticamente favorable. [9]
El mecanismo de transporte del antiportador implica varios pasos clave y una serie de cambios conformacionales que están dictados por el elemento estructural descrito anteriormente: [7]
Los antiportadores se descubrieron cuando los científicos estaban explorando los mecanismos de transporte de iones a través de las membranas biológicas. Los primeros estudios se llevaron a cabo a mediados del siglo XX y se centraron en los mecanismos que transportaban iones como el sodio, el potasio y el calcio a través de la membrana plasmática. Los investigadores observaron que estos iones se movían en direcciones opuestas y plantearon la hipótesis de la existencia de proteínas de membrana que podrían facilitar este tipo de transporte. [12]
En la década de 1960, el bioquímico Efraim Racker hizo un gran avance en el descubrimiento de los antiportadores. A través de la purificación de mitocondrias de corazón bovino, Racker y sus colegas encontraron una proteína mitocondrial que podía intercambiar fosfato inorgánico por iones hidróxido. La proteína se encuentra en la membrana mitocondrial interna y transporta iones de fosfato para su uso en la fosforilación oxidativa . Se la conoció como antiportador de fosfato-hidróxido o proteína transportadora de fosfato mitocondrial , y fue el primer ejemplo de un antiportador identificado en células vivas. [13] [14]
Con el tiempo, los investigadores descubrieron otros antiportadores en diferentes membranas y en varios organismos. Entre ellos se encuentra el intercambiador de sodio y calcio (NCX), otro antiportador crucial que regula los niveles intracelulares de calcio mediante el intercambio de iones de sodio por iones de calcio a través de la membrana plasmática. Fue descubierto en la década de 1970 y ahora es un antiportador bien caracterizado que se encuentra en muchos tipos diferentes de células. [15]
Los avances en los campos de la bioquímica y la biología molecular han permitido la identificación y caracterización de una amplia gama de antiportadores. La comprensión de los procesos de transporte de diversas moléculas e iones ha proporcionado información sobre los mecanismos de transporte celular, así como sobre el papel de los antiportadores en diversas funciones fisiológicas y en el mantenimiento de la homeostasis.
El intercambiador de sodio-calcio , también conocido como intercambiador Na + /Ca2 + o NCX, es un antiportador responsable de eliminar el calcio de las células. Este título abarca una clase de transportadores de iones que se encuentran comúnmente en el corazón, los riñones y el cerebro. Utilizan la energía almacenada en el gradiente electroquímico de sodio para intercambiar el flujo de tres iones de sodio hacia la célula por la exportación de un ion de calcio. [4] Aunque este intercambiador es más común en las membranas de las mitocondrias y el retículo endoplasmático de las células excitables , se puede encontrar en muchos tipos de células diferentes en varias especies. [16]
Aunque el intercambiador de sodio-calcio tiene una baja afinidad por los iones de calcio, puede transportar una gran cantidad de iones en un corto período de tiempo. Debido a estas propiedades, es útil en situaciones en las que existe una necesidad urgente de exportar grandes cantidades de calcio, como después de que se ha producido un potencial de acción . [17] Sus características también permiten que NCX trabaje con otras proteínas que tienen una mayor afinidad por los iones de calcio sin interferir con sus funciones. NCX trabaja con estas proteínas para llevar a cabo funciones como la relajación del músculo cardíaco, el acoplamiento excitación-contracción y la actividad de los fotorreceptores . También mantienen la concentración de iones de calcio en el retículo sarcoplásmico de las células cardíacas, el retículo endoplasmático de las células excitables y no excitables y las mitocondrias. [18]
Otra característica clave de este antiportador es su reversibilidad. Esto significa que si la célula está lo suficientemente despolarizada , el nivel de sodio extracelular es lo suficientemente bajo o el nivel de sodio intracelular es lo suficientemente alto, el NCX funcionará en la dirección inversa y comenzará a llevar calcio a la célula. [4] [19] Por ejemplo, cuando el NCX funciona durante la excitotoxicidad , esta característica le permite tener un efecto protector porque el aumento acompañante en los niveles de calcio intracelular permite que el intercambiador funcione en su dirección normal independientemente de la concentración de sodio. [4] Otro ejemplo es la despolarización de las células del músculo cardíaco, que se acompaña de un gran aumento en la concentración de sodio intracelular que hace que el NCX funcione en sentido inverso. Debido a que la concentración de calcio se regula cuidadosamente durante el potencial de acción cardíaco, este es solo un efecto temporal ya que el calcio se bombea fuera de la célula. [20]
El intercambiador de sodio-calcio desempeña un papel importante en el mantenimiento de la homeostasis del calcio en las células del músculo cardíaco, lo que le permite ayudar a relajar el músculo cardíaco a medida que exporta calcio durante la diástole . Por lo tanto, su disfunción puede provocar un movimiento anormal del calcio y el desarrollo de diversas enfermedades cardíacas. Los niveles de calcio intracelular anormalmente altos pueden obstaculizar la diástole y causar una sístole anormal y arritmias . [21] Las arritmias pueden ocurrir cuando el calcio no es exportado adecuadamente por el NCX, lo que causa posdespolarizaciones tardías y desencadena una actividad anormal que posiblemente pueda conducir a fibrilación auricular y taquicardia ventricular . [22]
Si el corazón experimenta isquemia , el suministro inadecuado de oxígeno puede alterar la homeostasis iónica. Cuando el cuerpo intenta estabilizarla devolviendo sangre a la zona, se produce una lesión por isquemia-reperfusión , un tipo de estrés oxidativo. Si el NCX es disfuncional, puede exacerbar el aumento de calcio que acompaña a la reperfusión , causando muerte celular y daño tisular. [23] De manera similar, se ha descubierto que la disfunción del NCX está involucrada en los accidentes cerebrovasculares isquémicos . Su actividad se regula al alza, lo que provoca un aumento del nivel de calcio citosólico, que puede conducir a la muerte de células neuronales. [24]
El intercambiador Na + /Ca2 + también se ha visto implicado en trastornos neurológicos como la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Parkinson . Su disfunción puede provocar estrés oxidativo y muerte de células neuronales, contribuyendo al deterioro cognitivo que caracteriza a la enfermedad de Alzheimer. Se ha descubierto que la desregulación de la homeostasis del calcio es una parte clave de la muerte neuronal y la patogénesis del Alzheimer . Por ejemplo, las neuronas que tienen ovillos neurofibrilares contienen altos niveles de calcio y muestran hiperactivación de proteínas dependientes del calcio. [25] El manejo anormal del calcio de la función atípica del NCX también puede causar la disfunción mitocondrial, el estrés oxidativo y la muerte de células neuronales que caracterizan al Parkinson. En este caso, si las neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra se ven afectadas, puede contribuir a la aparición y desarrollo de la enfermedad de Parkinson. [26] Aunque el mecanismo no se entiende por completo, los modelos de enfermedad han demostrado un vínculo entre el NCX y el Parkinson y que los inhibidores del NCX pueden prevenir la muerte de neuronas dopaminérgicas. [27] [28]
El antiportador de sodio-hidrógeno , también conocido como intercambiador de sodio-protón, intercambiador de Na+/H+ o NHE, es un antiportador responsable de transportar sodio dentro de la célula e hidrógeno fuera de la célula. Como tal, es importante en la regulación del pH celular y los niveles de sodio. [29] Existen diferencias entre los tipos de familias de antiportadores NHE presentes en eucariotas y procariotas. Las 9 isoformas de este transportador que se encuentran en el genoma humano pertenecen a varias familias, incluidos los antiportadores de cationes y protones ( CPA 1 , CPA 2 y CPA 3 ) y la descarboxilasa de ácido carboxílico transportadora de sodio (NaT-DC). [30] Los organismos procariotas contienen las familias de antiportadores Na+/H+ NhaA , NhaB , NhaC , NhaD y NhaE . [31]
Debido a que las enzimas solo pueden funcionar en ciertos rangos de pH, es fundamental que las células regulen estrictamente el pH citosólico . Cuando el pH de una célula está fuera del rango óptimo, el antiportador de sodio-hidrógeno lo detecta y se activa para transportar iones como un mecanismo homeostático para restablecer el equilibrio del pH. [32] Dado que el flujo de iones se puede revertir en las células de mamíferos, el NHE también se puede utilizar para transportar sodio fuera de la célula para evitar que el exceso de sodio se acumule y cause toxicidad . [33]
Como lo sugieren sus funciones, este antiportador se encuentra en el riñón para regular la reabsorción de sodio y en el corazón para regular el pH intracelular y la contractilidad . El NHE desempeña un papel importante en la nefrona del riñón, especialmente en las células del túbulo contorneado proximal y el conducto colector . La función del antiportador de sodio-hidrógeno es regulada positivamente por la angiotensina II en el túbulo contorneado proximal cuando el cuerpo necesita reabsorber sodio y excretar hidrógeno. [34]
Las plantas son sensibles a las altas cantidades de sal, lo que puede detener ciertas funciones necesarias del organismo eucariota, incluida la fotosíntesis . [31] Para que los organismos mantengan la homeostasis y lleven a cabo funciones cruciales, se utilizan antiportadores Na+/H+ para eliminar el exceso de sodio del citoplasma bombeando Na+ fuera de la célula. [31] Estos antiportadores también pueden cerrar su canal para evitar que el sodio entre en la célula, además de permitir que el exceso de sodio dentro de la célula entre en una vacuola . [31]
La desregulación de la actividad del antiportador de sodio-hidrógeno se ha relacionado con enfermedades cardiovasculares, trastornos renales y afecciones neurológicas [29] Se están desarrollando inhibidores de NHE para tratar estos problemas. [35] Una de las isoformas del antiportador, NHE1, es esencial para la función del miocardio de los mamíferos . NHE está involucrado en el caso de hipertrofia y cuando se produce daño al músculo cardíaco, como durante la isquemia y la reperfusión . Los estudios han demostrado que NHE1 es más activo en modelos animales que experimentan infarto de miocardio e hipertrofia ventricular izquierda . [35] Durante estos eventos cardíacos, la función del antiportador de sodio-hidrógeno provoca un aumento en los niveles de sodio de las células del músculo cardíaco . A su vez, el trabajo del antiportador de sodio-calcio conduce a que se introduzca más calcio en la célula, que es lo que provoca daño al miocardio. [35]
En las células epiteliales del riñón se encuentran cinco isoformas de NHE. La más estudiada es la NHE3, que se encuentra principalmente en los túbulos proximales del riñón y desempeña un papel clave en la homeostasis ácido-base. Los problemas con la NHE3 alteran la reabsorción de sodio y la secreción de hidrógeno. [34] Las principales afecciones que puede causar la desregulación de la NHE3 son la hipertensión y la acidosis tubular renal (ATR). La hipertensión puede ocurrir cuando se reabsorbe más sodio en los riñones porque el agua seguirá a los iones de sodio y creará un volumen sanguíneo elevado. Esto, a su vez, conduce a una presión arterial elevada. [34] La ATR se caracteriza por la incapacidad de los riñones para acidificar la orina debido a la hipoactividad de la NHE3 y la secreción reducida de iones de hidrógeno, lo que resulta en acidosis metabólica . Por otro lado, la hiperactividad de la NHE3 puede conducir a un exceso de secreción de iones de hidrógeno y alcalosis metabólica , donde la sangre es demasiado alcalina. [34]
La NHE también puede estar relacionada con la neurodegeneración . La desregulación o pérdida de la isoforma NHE6 puede conducir a cambios patológicos en las proteínas tau de las neuronas humanas , lo que puede tener enormes consecuencias. [36] Por ejemplo, el síndrome de Christianson (SC) es un trastorno ligado al cromosoma X causado por una mutación de pérdida de función en NHE6, que conduce a la acidificación excesiva de los endosomas . [37] En estudios realizados en cerebros post mortem de individuos con SC, una menor función de NHE6 se relacionó con niveles más altos de deposición de tau. También se encontró que el nivel de fosforilación de tau estaba elevado, lo que conduce a la formación de ovillos insolubles que pueden causar daño neuronal y muerte. [36] Las proteínas tau también están implicadas en otras enfermedades neurodegenerativas, como las enfermedades de Alzheimer y Parkinson.
El antiportador de cloruro-bicarbonato es crucial para mantener el pH y el equilibrio de líquidos a través de su función de intercambiar iones de bicarbonato y cloruro a través de las membranas celulares. Este intercambio ocurre en muchos tipos diferentes de células corporales. [38] En las fibras de Purkinje cardíacas y las células musculares lisas de los uréteres , este antiportador es el principal mecanismo de transporte de cloruro a las células. Las células epiteliales , como las del riñón, utilizan el intercambio de cloruro-bicarbonato para regular su volumen, pH intracelular y pH extracelular. Las células parietales gástricas , los osteoclastos y otras células secretoras de ácido tienen antiportadores de cloruro-bicarbonato que funcionan en la membrana basolateral para eliminar el exceso de bicarbonato dejado por la función de la anhidrasa carbónica y las bombas de protones apicales. Sin embargo, las células secretoras de bases exhiben intercambio de cloruro-bicarbonato apical y bombas de protones basolaterales. [38]
Un ejemplo de un antiportador de cloruro-bicarbonato es el intercambiador de aniones de cloruro , también conocido como proteína regulada a la baja en el adenoma (DRA). Se encuentra en la mucosa intestinal , especialmente en el epitelio columnar y las células caliciformes de la superficie apical de la membrana, donde lleva a cabo la función de intercambio de cloruro y bicarbonato. [39] La recaptación de cloruro por parte de la proteína DRA es fundamental para crear un gradiente osmótico que permita que el intestino reabsorba agua. [40]
Otro antiportador de cloruro-bicarbonato bien estudiado es el intercambiador de aniones 1 (AE1), que también se conoce como proteína de transporte de aniones de banda 3 o miembro 1 de la familia 4 de transportadores de solutos (SLC4A1). Este intercambiador se encuentra en los glóbulos rojos , donde ayuda a transportar bicarbonato y dióxido de carbono entre los pulmones y los tejidos para mantener la homeostasis ácido-base. [38] AE1 también se expresa en el lado basolateral de las células de los túbulos renales. Es crucial en el conducto colector de la nefrona, que es donde se encuentran sus células intercaladas α secretoras de ácido . Estas células utilizan dióxido de carbono y agua para generar iones de hidrógeno y bicarbonato, que son catalizados por la anhidrasa carbónica. El hidrógeno se intercambia a través de la membrana hacia el lumen del conducto colector y, por lo tanto, el ácido se excreta en la orina. [41]
Debido a su importancia para la reabsorción de agua en el intestino, las mutaciones en la proteína DRA causan una afección llamada diarrea congénita por cloruro (CCD). [42] Este trastorno es causado por una mutación autosómica recesiva en el gen DRA en el cromosoma 7. [43] Los síntomas de CCD en los recién nacidos son diarrea crónica con retraso del crecimiento, y el trastorno se caracteriza por diarrea que causa alcalosis metabólica .
Las mutaciones del gen AE1 del riñón pueden provocar acidosis tubular renal distal , un trastorno caracterizado por la incapacidad de secretar ácido en la orina. Esto provoca acidosis metabólica , en la que la sangre es demasiado ácida. Un estado crónico de acidosis metabólica puede afectar a la salud de los huesos, los riñones, los músculos y el sistema cardiovascular. [41] Las mutaciones del gen AE1 del eritrocito provocan alteraciones de su función, lo que lleva a cambios en la morfología y la función de los glóbulos rojos . Esto puede tener graves consecuencias porque la forma de los glóbulos rojos está estrechamente ligada a su función de intercambio de gases en los pulmones y los tejidos. Una de estas afecciones es la esferocitosis hereditaria , un trastorno genético caracterizado por glóbulos rojos esféricos. Otra es la ovalocitosis del sudeste asiático , en la que una deleción en el gen AE1 genera eritrocitos de forma ovalada. [44] Por último, la estomatocitosis hereditaria sobrehidratada es un trastorno genético poco común en el que los glóbulos rojos tienen un volumen anormalmente alto, lo que lleva a cambios en el estado de hidratación. [45]
La función adecuada de AE2, una isoforma de AE1, es importante en la secreción gástrica, la diferenciación y función de los osteoclastos y la síntesis del esmalte . La secreción de ácido clorhídrico en la superficie apical de las células parietales gástricas y los osteoclastos depende del intercambio de cloruro-bicarbonato en la superficie basolateral. [46] [47] Los estudios encontraron que los ratones con AE2 no funcional no secretaban ácido clorhídrico , y se concluyó que el intercambiador es necesario para la carga de ácido clorhídrico en las células parietales. [46] Cuando se suprimió la expresión de AE2 en un modelo animal, las líneas celulares no pudieron diferenciarse en osteoclastos y realizar sus funciones. Además, las células que tenían marcadores de osteoclastos pero eran deficientes en AE2 eran anormales en comparación con las células de tipo salvaje y no pudieron reabsorber tejido mineralizado. Esto demuestra la importancia de AE2 en la función de los osteoclastos. [47] Finalmente, a medida que se forman los cristales de hidroxiapatita del esmalte, se produce una gran cantidad de hidrógeno, que debe neutralizarse para que pueda continuar la mineralización. Los ratones con AE2 inactivado no tenían dientes y sufrían una maduración incompleta del esmalte. [46]
El antiportador cloruro-hidrógeno facilita el intercambio de iones cloruro por iones hidrógeno a través de las membranas plasmáticas, desempeñando así un papel fundamental en el mantenimiento del equilibrio ácido-base y la homeostasis del cloruro. Se encuentra en varios tejidos, incluido el tracto gastrointestinal, los riñones y el páncreas . [48] Los antiportadores cloruro-hidrógeno bien conocidos pertenecen a la familia CLC, que tiene isoformas desde CLC-1 hasta CLC-7, cada una con una distribución tisular distinta. Su estructura implica que dos proteínas CLC se unen para formar un homodímero o un heterodímero donde ambos monómeros contienen una vía de translocación de iones. Las proteínas CLC pueden ser canales iónicos o intercambiadores anión-protón, por lo que CLC-1 y CLC-2 son canales de cloruro de membrana, mientras que CLC-3 a CLC-7 son intercambiadores cloruro-hidrógeno. [48]
El CLC-4 es un miembro de la familia CLC que se encuentra principalmente en el cerebro, pero también se encuentra en el hígado, los riñones, el corazón, el músculo esquelético y el intestino. Es probable que resida en los endosomas y participe en su acidificación, pero también puede expresarse en el retículo endoplasmático y la membrana plasmática. Sus funciones no están del todo claras, pero se ha descubierto que el CLC-4 posiblemente participe en la acidificación endosómica, el tráfico de transferrina , la endocitosis renal y la vía secretora hepática . [48]
CLC-5 es uno de los miembros mejor estudiados de esta familia de proteínas. Comparte el 80% de su secuencia de aminoácidos con CLC-3 y CLC-4, pero se encuentra principalmente en el riñón, especialmente en el túbulo proximal , conducto colector y rama ascendente del asa de Henle . Su función es transportar sustancias a través de la membrana endosómica, por lo que es crucial para la pinocitosis , la endocitosis mediada por receptores y la endocitosis de las proteínas de la membrana plasmática desde la superficie apical. [48]
La CLC-7 es otro ejemplo de una proteína de la familia CLC. Se expresa de forma ubicua como el antiportador de cloruro-hidrógeno en los lisosomas y en el borde ondulado de los osteoclastos. La CLC-7 puede ser importante para regular la concentración de cloruro en los lisosomas. Está asociada con una proteína llamada Ostm1, formando un complejo que permite que la CLC-7 lleve a cabo sus funciones. Por ejemplo, estas proteínas son cruciales para el proceso de acidificación de la laguna de resorción, lo que permite que se produzca la remodelación ósea . [48]
El CLC-4 se ha relacionado con el retraso mental que incluye trastornos convulsivos , anomalías faciales y trastornos de conducta. Los estudios encontraron mutaciones de cambio de marco y de sentido erróneo en pacientes que presentaban estos síntomas. Debido a que estos síntomas se manifestaron principalmente en hombres, con una patología menos grave en mujeres, es probable que esté ligado al cromosoma X. Los estudios realizados en modelos animales también han demostrado la posibilidad de una conexión entre el CLC-4 no funcional y la ramificación neuronal alterada de las neuronas del hipocampo. [48]
Se ha demostrado que los defectos en el gen CLC-5 son la causa del 60% de los casos de enfermedad de Dent , que se caracteriza por proteinuria tubular , formación de cálculos renales , exceso de calcio en la orina, nefrocalcinosis e insuficiencia renal crónica . Esto es causado por anomalías que ocurren en el proceso de endocitosis cuando el CLC-5 está mutado. [48] [49] La propia enfermedad de Dent es una de las causas del síndrome de Fanconi , que se produce cuando los túbulos contorneados proximales del riñón no realizan un nivel adecuado de reabsorción. Provoca que las moléculas producidas por vías metabólicas, como los aminoácidos, la glucosa y el ácido úrico , se excreten en la orina en lugar de reabsorberse. El resultado es poliuria , deshidratación , raquitismo en niños, osteomalacia en adultos, acidosis e hipocalemia . [50]
El papel de CLC-7 en la función de los osteoclastos fue revelado por estudios en ratones knockout que desarrollaron osteopetrosis severa . Estos ratones eran más pequeños, tenían huesos largos acortados, estructura trabecular desorganizada , una cavidad medular faltante y sus dientes no erupcionaron. Se descubrió que esto era causado por mutaciones de deleción , mutaciones sin sentido y mutaciones de ganancia de función que aceleraron la activación de CLC-7. [48] [51] CLC-7 se expresa en casi todos los tipos de células neuronales y su pérdida provocó una neurodegeneración generalizada en ratones, especialmente en el hipocampo. En modelos de vida más larga, la corteza y el hipocampo habían desaparecido casi por completo después de 1,5 años. [48] Finalmente, debido a su importancia en los lisosomas, la expresión alterada de CLC-7 puede provocar trastornos de almacenamiento lisosomal . Los ratones con una mutación introducida en el gen CLC-7 desarrollaron enfermedad de almacenamiento lisosomal y degeneración de la retina . [48]
La proteína transportadora de folato reducido (RFC) es una proteína transmembrana responsable del transporte de folato , o vitamina B9 , a las células. Utiliza el gran gradiente de fosfato orgánico para mover el folato a la célula en contra de su gradiente de concentración. La proteína RFC puede transportar folatos, folatos reducidos, los derivados del folato reducido y el fármaco metotrexato . El transportador está codificado por el gen SLC19A1 y se expresa de forma ubicua en las células humanas. Su actividad máxima se produce a un pH de 7,4, sin actividad por debajo de un pH de 6,4. [52] La proteína RFC es fundamental porque los folatos toman la forma de aniones hidrófilos a pH fisiológico, por lo que no se difunden de forma natural a través de las membranas biológicas. El folato es esencial para procesos como la síntesis , reparación y metilación del ADN , y sin la entrada en las células, estos no podrían ocurrir. [53]
Dado que los folatos son esenciales para diversos procesos vitales, una deficiencia de esta molécula puede provocar anomalías fetales, trastornos neurológicos, enfermedades cardiovasculares y cáncer. Los folatos no pueden sintetizarse en el cuerpo, por lo que deben ingerirse a través de la dieta y trasladarse a las células. Sin la proteína RFC, que facilita este movimiento, no pueden producirse procesos como el desarrollo embrionario y la reparación del ADN. [53]
Se requieren niveles adecuados de folato para el desarrollo del tubo neural en el feto. La deficiencia de folato durante el embarazo aumenta el riesgo de defectos como la espina bífida y la anencefalia . [54] En modelos de ratón, la inactivación de ambos alelos del gen de la proteína FRC causa la muerte del embrión. Incluso si se suplementa con folato durante la gestación, los ratones murieron dentro de las dos semanas posteriores al nacimiento debido a la falla de los tejidos hematopoyéticos. [53]
La función alterada de la proteína RFC puede aumentar la deficiencia de folato, lo que favorece la aparición de enfermedades cardiovasculares, enfermedades neurodegenerativas y cáncer. En términos de problemas cardiovasculares, el folato contribuye al metabolismo de la homocisteína . Los niveles bajos de folato dan lugar a niveles elevados de homocisteína, que es un factor de riesgo para las enfermedades cardiovasculares. [53] [55] En términos de cáncer, la deficiencia de folato está relacionada con un mayor riesgo, especialmente el de cánceres colorrectales. En modelos de ratón con expresión alterada de la proteína RFC se observó un aumento de las transcripciones de genes relacionados con el cáncer de colon y una mayor proliferación de colonocitos. [53] El riesgo de cáncer está probablemente relacionado con el papel de la proteína FRC en la síntesis de ADN porque los niveles inadecuados de folato pueden provocar daños en el ADN y una metilación aberrante del ADN. [56]
Los antiportadores de neurotransmisores vesiculares son responsables de empaquetar los neurotransmisores en vesículas en las neuronas. Utilizan el gradiente electroquímico de protones de hidrógeno a través de las membranas de las vesículas sinápticas para mover los neurotransmisores hacia ellas. Esto es esencial para el proceso de transmisión sináptica , que requiere que los neurotransmisores se liberen en la sinapsis para unirse a los receptores en la siguiente neurona. [57]
Uno de los antiportadores mejor caracterizados es el transportador vesicular de monoaminas (VMAT). Es responsable del almacenamiento, clasificación y liberación de neurotransmisores, así como de protegerlos de la autooxidación. Las funciones de transporte del VMAT dependen del gradiente electroquímico creado por una ATPasa de protones de hidrógeno vesicular. [57] VMAT1 y VMAT2 son dos isoformas que pueden transportar monoaminas como serotonina , noradrenalina y dopamina de manera dependiente de protones. VMAT1 se puede encontrar en células neuroendocrinas , mientras que VMAT2 se puede encontrar en las neuronas de los sistemas nerviosos central y periférico, así como en las células cromafines suprarrenales . [58]
Otro importante transportador anti-neurotransmisor vesicular es el transportador vesicular de glutamato (VGLUT). Esta familia de proteínas incluye tres isoformas, VGLUT1 , VGLUT2 y VGLUT3 , que son responsables de empaquetar el glutamato (el neurotransmisor excitatorio más abundante en el cerebro) en vesículas sinápticas. [59] Estos anti-transportadores varían según la ubicación. VGLUT1 se encuentra en áreas del cerebro relacionadas con funciones cognitivas superiores, como el neocórtex . VGLUT2 trabaja para regular funciones fisiológicas básicas y se expresa en regiones subcorticales como el tronco encefálico y el hipotálamo . Finalmente, VGLUT3 se puede ver en neuronas que también expresan otros neurotransmisores. [59] [60]
Se ha descubierto que el VMAT2 contribuye a enfermedades neurológicas como los trastornos del estado de ánimo y la enfermedad de Parkinson. Estudios realizados en un modelo animal de depresión clínica mostraron que las alteraciones funcionales del VMAT2 estaban asociadas con la depresión. Se descubrió que el núcleo accumbens , la pars compacta de la sustancia negra y el área tegmental ventral (todas subregiones del cerebro involucradas en la depresión clínica) tenían niveles más bajos de VMAT2. [61] La causa probable de esto es la relación del VMAT con la serotonina y la noradrenalina, neurotransmisores relacionados con la depresión. La disfunción del VMAT puede contribuir a los niveles alterados de estos neurotransmisores que ocurren en los trastornos del estado de ánimo. [62]
Se encontró que una menor expresión de VMAT2 se correlacionaba con una mayor susceptibilidad a la enfermedad de Parkinson y el ARNm del antiportador se encontró en todos los grupos de células dañadas por el Parkinson. [63] Esto probablemente se debe a que la disfunción de VMAT2 puede conducir a una disminución en el empaquetamiento de dopamina en vesículas, lo que explica el agotamiento de dopamina que caracteriza a la enfermedad. [64] Por esta razón, el antiportador ha sido identificado como un factor protector que podría ser el objetivo para la prevención del Parkinson. [63]
Debido a que las alteraciones en la liberación de glutamato se han relacionado con la generación de convulsiones en la epilepsia , las alteraciones en la función de VGLUT pueden estar implicadas. [65] Se realizó un estudio en el que se inactivó el gen VGLUT1 en los astrocitos y neuronas de un modelo animal. Cuando se inactivó el gen en los astrocitos, hubo una pérdida del 80% en la propia proteína antiportadora y, a su vez, una reducción en la captación de glutamato. Los ratones en esta condición experimentaron convulsiones, menor masa corporal y mayores tasas de mortalidad. Los investigadores concluyeron que la función de VGLUT1 en los astrocitos es, por lo tanto, fundamental para la resistencia a la epilepsia y el aumento de peso normal. [65]
Hay muchas pruebas de que el sistema de glutamato desempeña un papel en el crecimiento celular a largo plazo y la plasticidad sináptica . Las alteraciones de estos procesos se han relacionado con la patología de los trastornos del estado de ánimo. El vínculo entre la función del sistema de neurotransmisores glutamatérgicos y los trastornos del estado de ánimo convierte al VGLUT en uno de los objetivos del tratamiento. [66]
molécula en una dirección, simportadores: dos moléculas en una dirección o antiportadores: dos moléculas en direcciones opuestas.
triángulo amarillo muestra el gradiente de concentración de los círculos amarillos, mientras que el triángulo azul muestra el gradiente de concentración de los círculos azules y las barras moradas son el haz de proteínas de transporte. Los círculos azules se mueven en contra de su gradiente de concentración a través de una proteína de transporte que requiere energía, mientras que los círculos amarillos se mueven a favor de su gradiente de concentración, lo que libera energía. Los círculos amarillos producen más energía a través de la quimiosmosis que la que se requiere para mover los círculos azules, por lo que el movimiento está acoplado y se cancela algo de energía. Un ejemplo es el intercambiador de sodio-protón que permite que los protones bajen su gradiente de concentración hacia la célula mientras bombean sodio fuera de la célula.