En biología celular , el transporte de membrana se refiere al conjunto de mecanismos que regulan el paso de solutos como iones y moléculas pequeñas a través de las membranas biológicas , que son bicapas lipídicas que contienen proteínas embebidas en ellas. La regulación del paso a través de la membrana se debe a la permeabilidad selectiva de la membrana, una característica de las membranas biológicas que les permite separar sustancias de distinta naturaleza química. En otras palabras, pueden ser permeables a ciertas sustancias pero no a otras. [1]
Los movimientos de la mayoría de los solutos a través de la membrana están mediados por proteínas de transporte de membrana que están especializadas en diversos grados en el transporte de moléculas específicas. Como la diversidad y fisiología de las distintas células está altamente relacionada con sus capacidades para atraer diferentes elementos externos, se postula que existe un grupo de proteínas de transporte específicas para cada tipo celular y para cada etapa fisiológica específica. [1] Esta expresión diferencial está regulada a través de la transcripción diferencial de los genes que codifican para estas proteínas y su traducción, por ejemplo, a través de mecanismos genético-moleculares, pero también a nivel de biología celular: la producción de estas proteínas puede ser activada por vías de señalización celular , a nivel bioquímico , o incluso por estar situadas en vesículas citoplasmáticas . La membrana celular regula el transporte de materiales que entran y salen de la célula. [2]
Termodinámicamente el flujo de sustancias de un compartimento a otro puede ocurrir en la dirección de un gradiente de concentración o electroquímico o en contra de él. Si el intercambio de sustancias ocurre en la dirección del gradiente, es decir, en la dirección del potencial decreciente, no hay necesidad de un aporte de energía desde fuera del sistema; si, en cambio, el transporte es en contra del gradiente, requerirá el aporte de energía, en este caso metabólica. [3] Por ejemplo, un mecanismo químico clásico de separación que no requiere la adición de energía externa es la diálisis. En este sistema una membrana semipermeable separa dos soluciones de diferente concentración del mismo soluto. Si la membrana permite el paso del agua pero no del soluto, el agua se moverá hacia el compartimento con mayor concentración de soluto para establecer un equilibrio en el que la energía del sistema sea mínima. Esto ocurre porque el agua se mueve desde una concentración alta de disolvente a una baja (en términos del soluto, ocurre lo contrario) y como el agua se mueve a lo largo de un gradiente no hay necesidad de un aporte externo de energía.
La naturaleza de las membranas biológicas, especialmente la de sus lípidos, es anfifílica , pues forman bicapas que contienen una capa interna hidrófoba y otra externa hidrófila . Esta estructura hace posible el transporte por difusión simple o pasiva , que consiste en la difusión de sustancias a través de la membrana sin gastar energía metabólica y sin la ayuda de proteínas transportadoras. Si la sustancia transportada tiene una carga eléctrica neta , se moverá no solo en respuesta a un gradiente de concentración, sino también a un gradiente electroquímico debido al potencial de membrana .
Como pocas moléculas son capaces de difundirse a través de una membrana lipídica, la mayoría de los procesos de transporte involucran proteínas transportadoras. Estas proteínas transmembrana poseen un gran número de hélices alfa inmersas en la matriz lipídica. En las bacterias, estas proteínas están presentes en forma de lámina beta. [4] Esta estructura probablemente involucra un conducto a través de entornos proteicos hidrofílicos que causan una disrupción en el medio altamente hidrofóbico formado por los lípidos. [1] Estas proteínas pueden estar involucradas en el transporte de varias maneras: actúan como bombas impulsadas por ATP , es decir, por energía metabólica, o como canales de difusión facilitada.
Un proceso fisiológico sólo puede tener lugar si cumple con los principios básicos de la termodinámica . El transporte por membranas obedece a leyes físicas que definen sus capacidades y, por lo tanto, su utilidad biológica.
Un principio general de la termodinámica que rige la transferencia de sustancias a través de membranas y otras superficies es que el intercambio de energía libre , Δ G , para el transporte de un mol de una sustancia de concentración C 1 en un compartimento a otro compartimento donde está presente en C 2 es: [5]
Cuando C 2 es menor que C 1 , Δ G es negativo y el proceso es termodinámicamente favorable. A medida que la energía se transfiere de un compartimento a otro, salvo que intervengan otros factores, se alcanzará un equilibrio donde C 2 = C 1 , y donde Δ G = 0. Sin embargo, existen tres circunstancias en las que no se alcanzará este equilibrio, circunstancias que son vitales para el funcionamiento in vivo de las membranas biológicas: [5]
Donde F es la constante de Faraday y Δ P el potencial de membrana en voltios . Si Δ P es negativo y Z es positivo, la contribución del término ZFΔP a Δ G será negativa, es decir, favorecerá el transporte de cationes desde el interior de la célula. Por lo que, si la diferencia de potencial se mantiene, el estado de equilibrio Δ G = 0 no corresponderá a una concentración equimolar de iones a ambos lados de la membrana.
Donde Δ G b corresponde a una reacción termodinámica favorable, como la hidrólisis de ATP, o el cotransporte de un compuesto que se mueve en la dirección de su gradiente.
Como se mencionó anteriormente, la difusión pasiva es un fenómeno espontáneo que aumenta la entropía de un sistema y disminuye la energía libre. [5] El proceso de transporte está influenciado por las características de la sustancia de transporte y la naturaleza de la bicapa. La velocidad de difusión de una membrana de fosfolípidos puros dependerá de:
En el transporte activo, un soluto se mueve contra un gradiente de concentración o electroquímico; al hacerlo, las proteínas de transporte involucradas consumen energía metabólica, generalmente ATP. En el transporte activo primario, la hidrólisis del proveedor de energía (por ejemplo, ATP) tiene lugar directamente para transportar el soluto en cuestión, por ejemplo, cuando las proteínas de transporte son enzimas ATPasa . Cuando la hidrólisis del proveedor de energía es indirecta, como es el caso del transporte activo secundario , se hace uso de la energía almacenada en un gradiente electroquímico. Por ejemplo, en el cotransporte se hacen usos de los gradientes de ciertos solutos para transportar un compuesto objetivo contra su gradiente, causando la disipación del gradiente de soluto. Puede parecer que, en este ejemplo, no hay uso de energía, pero se requiere la hidrólisis del proveedor de energía para establecer el gradiente del soluto transportado junto con el compuesto objetivo. El gradiente del soluto cotransportado se generará mediante el uso de ciertos tipos de proteínas llamadas bombas bioquímicas. [2]
El descubrimiento de la existencia de este tipo de proteína transportadora surgió del estudio de la cinética del transporte de moléculas a través de la membrana. Para ciertos solutos se observó que la velocidad de transporte alcanzaba una meseta a una concentración particular por encima de la cual no había un aumento significativo en la tasa de captación, lo que indicaba una respuesta de tipo curva logarítmica. Esto se interpretó como una demostración de que el transporte estaba mediado por la formación de un complejo sustrato-transportador, que conceptualmente es el mismo que el complejo enzima-sustrato de la cinética enzimática . Por lo tanto, cada proteína transportadora tiene una constante de afinidad por un soluto que es igual a la concentración del soluto cuando la velocidad de transporte es la mitad de su valor máximo. Esto es equivalente en el caso de una enzima a la constante de Michaelis-Menten . [7] [8]
Algunas características importantes del transporte activo además de su capacidad de intervenir incluso contra un gradiente, su cinética y el uso de ATP, son su alta selectividad y facilidad de inhibición farmacológica selectiva [7].
Las proteínas transportadoras activas secundarias desplazan dos moléculas al mismo tiempo: una contra un gradiente y la otra a favor de su gradiente. Se distinguen según la direccionalidad de las dos moléculas:
Ambos pueden denominarse cotransportadores .
Una bomba es una proteína que hidroliza ATP para transportar un soluto particular a través de una membrana y, al hacerlo, genera un potencial de membrana de gradiente electroquímico . Este gradiente es de interés como indicador del estado de la célula a través de parámetros como el potencial de Nernst . En términos de transporte de membrana, el gradiente es de interés ya que contribuye a la disminución de la entropía del sistema en el cotransporte de sustancias en contra de su gradiente. Una de las bombas más importantes en las células animales es la bomba de sodio y potasio , que funciona a través del siguiente mecanismo: [9]
Como la característica principal del transporte a través de una membrana biológica es su selectividad y su consiguiente comportamiento como barrera para determinadas sustancias, la fisiología subyacente del fenómeno ha sido ampliamente estudiada. Las investigaciones sobre la selectividad de la membrana se han dividido tradicionalmente en aquellas relacionadas con los electrolitos y los no electrolitos.
Los canales iónicos definen un diámetro interno que permite el paso de iones pequeños que está relacionado con diversas características de los iones que potencialmente podrían ser transportados. Como el tamaño del ion está relacionado con su especie química, se podría suponer a priori que un canal cuyo diámetro de poro fuera suficiente para permitir el paso de un ion también permitiría el paso de otros de menor tamaño, sin embargo, esto no ocurre en la mayoría de los casos. Hay dos características junto al tamaño que son importantes en la determinación de la selectividad de los poros de la membrana: la facilidad para la deshidratación y la interacción del ion con las cargas internas del poro. [7]
Para que un ion pueda pasar a través de un poro debe disociarse de las moléculas de agua que lo recubren en capas sucesivas de solvatación . La tendencia a deshidratarse, o la facilidad para hacerlo, está relacionada con el tamaño del ion: los iones de mayor tamaño pueden hacerlo con mayor facilidad que los iones de menor tamaño, de modo que un poro con centros polares débiles permitirá preferentemente el paso de iones de mayor tamaño sobre los de menor tamaño. [7]
Cuando el interior del canal está compuesto por grupos polares provenientes de las cadenas laterales de los aminoácidos componentes, [9] la interacción de un ion deshidratado con estos centros puede ser más importante que la facilidad para la deshidratación a la hora de conferir la especificidad del canal. Por ejemplo, un canal formado por histidinas y argininas, con grupos cargados positivamente, repelerá selectivamente a los iones de la misma polaridad, pero facilitará el paso de iones cargados negativamente. Además, en este caso, los iones más pequeños podrán interactuar más estrechamente debido a la disposición espacial de la molécula (estericidad), lo que aumenta en gran medida las interacciones carga-carga y, por lo tanto, exagera el efecto. [7]
Los no electrolitos, sustancias que generalmente son hidrofóbicas y lipofílicas, suelen atravesar la membrana por disolución en la bicapa lipídica, y por tanto, por difusión pasiva. Para aquellos no electrolitos cuyo transporte a través de la membrana está mediado por una proteína transportadora la capacidad de difusión es, generalmente, dependiente del coeficiente de reparto K . Los no electrolitos parcialmente cargados, que son más o menos polares, como el etanol, el metanol o la urea, son capaces de atravesar la membrana a través de canales acuosos inmersos en la membrana. No existe ningún mecanismo de regulación eficaz que limite este transporte, lo que indica una vulnerabilidad intrínseca de las células a la penetración de estas moléculas. [7]
Existen varias bases de datos que intentan construir árboles filogenéticos que detallan la creación de proteínas transportadoras. Uno de estos recursos es la base de datos de clasificación de transportadores [10].
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