En biología, un transportador de iones es una proteína transmembrana que mueve iones (u otras moléculas pequeñas) a través de una membrana biológica para realizar muchas funciones biológicas diferentes, incluida la comunicación celular, el mantenimiento de la homeostasis, la producción de energía, etc. [1] Existen diferentes tipos de transportadores que incluyen bombas, uniportadores, antiportadores y simportadores. Los transportadores activos o bombas de iones son transportadores que convierten la energía de diversas fuentes, incluido el trifosfato de adenosina (ATP), la luz solar y otras reacciones redox , en energía potencial bombeando un ion hacia arriba en su gradiente de concentración. [2] Esta energía potencial podría ser utilizada por transportadores secundarios, incluidos portadores de iones y 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 mediante 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 celular adecuado y, por lo tanto, están altamente regulados por la célula y los investigadores los estudian utilizando una variedad de 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 forman 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. utilizados, 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 se diferencian significativamente de los canales de iones . Los canales son poros que atraviesan la membrana, mientras que los transportes son proteínas que deben cambiar de forma para cambiar a qué lado de la membrana están abiertos, debido a esto, los transportadores son mucho más lentos para mover moléculas que los canales.
Un gradiente electroquímico o gradiente de concentración es una diferencia en la concentración de una molécula o ion químico en dos áreas separadas. [6] En el 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 a favor de su gradiente de concentración, igualando las concentraciones a ambos lados de la membrana celular. Los canales iónicos y los transportadores de iones logran esto mediante difusión facilitada , que es un tipo de transporte pasivo . Sin embargo, sólo los transportadores de iones pueden realizar también transporte activo, lo que implica mover iones en contra de su gradiente de concentración. [7] Utilizando fuentes de energía como el ATP, los transportadores de iones pueden mover iones contra 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 Ca 2+ a través de la membrana celular y pueden crear gradientes de concentración. [6] Este transporte puede utilizar ATP como fuente de energía o puede usarse 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 + mediante fosforilación, las ATPasas de tipo A que transfieren aniones y los transportadores ABC (transportadores de casete de unión de ATP) que transportan un amplio conjunto de moléculas. [6] Los ejemplos de ATPasa tipo P incluyen Na + /K + -ATPasa [7] [8] [9] que está regulada por Janus Kinase-2 [10] así como Ca 2+ ATPasa que exhibe sensibilidad al ADP. y concentraciones de ATP [3] La glicoproteína P es un ejemplo de una proteína de unión al transporte ABC en el cuerpo humano.
Los transportadores que producen ATP corren en 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 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 tipo V cumple la función opuesta a la ATPasa tipo F y se utiliza en plantas para hidrolizar ATP y crear un gradiente de protones. Ejemplos de esto son los lisosomas que utilizan ATPasa tipo V para acidificar vesículas o vacuolas de plantas durante el proceso de fotosíntesis en los cloroplastos. [7] Este proceso se puede regular mediante 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 hacia abajo en su gradiente de concentración, lo que proporciona suficiente energía para empujar la glucosa hacia arriba en su gradiente de concentración nuevamente hacia la célula. Esto es importante en el intestino delgado y el riñón para evitar que pierdan glucosa. Los simportadores , como el simportador de sodio-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 en su gradiente de concentración, pero la molécula acoplada se transporta en la dirección opuesta. [6]
Los transportadores de iones se pueden regular de diversas formas, como la fosforilación, la inhibición o activación alostérica y la sensibilidad a la concentración de iones. El uso de proteínas quinasas para agregar un grupo fosfato o fosfatasas para desfosforilar la proteína puede cambiar la actividad del transportador. [14] Si la proteína se activa o inhibe 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 ión (no necesariamente el ión que transfiere) en solución. Por ejemplo, la cadena de transporte de electrones está regulada por la presencia de iones H + (pH) en solución. [6]
Una pinza de parche es una técnica de electrofisiología que se utiliza para estudiar canales y transportadores en las células mediante el seguimiento de la corriente que los atraviesa. Esta técnica fue perfeccionada por Hodgkin y Huxley antes de que se conociera la existencia de canales y transportadores. [11] [15] Además de su trabajo innovador en las primeras etapas del legado de sujeción con parches, el legado continúa y los investigadores todavía lo utilizan comúnmente para estudiar los transportadores de iones y cómo los entornos y 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 transportadoras permite a los investigadores comprender mejor cómo y qué hace el transportador para mover moléculas a través de la membrana. [17] [18]
La recuperación de fluorescencia después del fotoblanqueo (FRAP) es una técnica utilizada 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 fluorescencia para rastrear qué tan cerca están dos proteínas entre sí. Esto se ha utilizado en el estudio de los transportadores para ver cómo interactúan con otras proteínas celulares. [1]
