En biología celular , el transporte de membrana se refiere al conjunto de mecanismos que regulan el paso de solutos como iones y pequeñas moléculas a través de las membranas biológicas , que son bicapas lipídicas que contienen proteínas incrustadas 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. Es decir, pueden ser permeables a determinadas 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 se regula mediante la transcripción diferencial de los genes que codifican estas proteínas y su traducción, por ejemplo, mediante mecanismos genético-moleculares, pero también a nivel de biología celular: la producción de estas proteínas puede ser activada por mecanismos celulares . vías de señalización , a nivel bioquímico , o incluso situándose 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 se produce en la dirección del gradiente, es decir, en la dirección del potencial decreciente, no se requiere ningún aporte de energía desde fuera del sistema; Sin embargo, si el transporte es en contra del gradiente, será necesario el aporte de energía, en este caso energía metabólica. [3] Por ejemplo, un mecanismo químico clásico para la 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 al compartimento con mayor concentración de soluto para establecer un equilibrio en el que la energía del sistema sea mínima. Esto ocurre porque el agua pasa de una concentración alta de solvente a una baja (en términos de soluto, ocurre lo contrario) y debido a que 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 hidrofóbica interna y una capa hidrofílica externa . Esta estructura posibilita 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 ayuda de proteínas de transporte. Si la sustancia transportada tiene una carga eléctrica neta , se moverá no sólo en respuesta a un gradiente de concentración, sino también a un gradiente electroquímico debido al potencial de membrana .
Como pocas moléculas pueden difundir a través de una membrana lipídica, la mayoría de los procesos de transporte implican proteínas de transporte. Estas proteínas transmembrana poseen una gran cantidad de hélices alfa inmersas en la matriz lipídica. En las bacterias, estas proteínas están presentes en forma de lámina beta. [4] Esta estructura probablemente implica un conducto a través de ambientes proteicos hidrofílicos que causan una alteración en el medio altamente hidrofóbico formado por los lípidos. [1] Estas proteínas pueden participar 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 principios termodinámicos básicos . El transporte de membranas obedece a leyes físicas que definen sus capacidades y por tanto su utilidad biológica.
Un principio general de la termodinámica que gobierna 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. Entonces, si se mantiene la diferencia de potencial, el estado de equilibrio Δ G = 0 no corresponderá a una concentración equimolar de iones en 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 transportada 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 implicadas consumen energía metabólica, normalmente ATP. En el transporte activo primario, la hidrólisis del proveedor de energía (p. ej. ATP) tiene lugar directamente para transportar el soluto en cuestión, por ejemplo cuando las proteínas transportadoras son enzimas ATPasa . Cuando la hidrólisis del proveedor de energía es indirecta como es el caso del transporte activo secundario , se aprovecha la energía almacenada en un gradiente electroquímico. Por ejemplo, en el cotransporte se utilizan los gradientes de ciertos solutos para transportar un compuesto objetivo contra su gradiente, provocando 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 provino del estudio de la cinética del transporte de moléculas a través de membrana. Para ciertos solutos se observó que la velocidad de transporte alcanzó una meseta en una concentración particular por encima de la cual no hubo un aumento significativo en la tasa de absorción, lo que indica una respuesta de tipo curva logarítmica. Se interpretó que esto demostraba que el transporte estaba mediado por la formación de un complejo sustrato-transportador, que es conceptualmente el mismo que el complejo enzima-sustrato de la cinética enzimática . Por 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 para 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 mueven dos moléculas al mismo tiempo: una en contra de un gradiente y la otra en contra 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 gradiente electroquímico de potencial de membrana . Este gradiente resulta 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 una disminución de la entropía del sistema en el cotransporte de sustancias contra su gradiente. Una de las bombas más importantes de las células animales es la bomba de sodio y potasio , que opera mediante el siguiente mecanismo: [9]
Como la principal característica del transporte a través de una membrana biológica es su selectividad y su posterior comportamiento como barrera para determinadas sustancias, la fisiología subyacente del fenómeno ha sido ampliamente estudiada. Las investigaciones sobre la selectividad de las membranas se han dividido clásicamente en aquellas relacionadas con electrolitos y no electrolitos.
Los canales iónicos definen un diámetro interno que permite el paso de pequeños iones 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 la transferencia de otros de menor tamaño, sin embargo, esto no ocurren en la mayoría de los casos. Hay dos características además del tamaño que son importantes en la determinación de la selectividad de los poros de la membrana: la facilidad de deshidratación y la interacción del ion con las cargas internas del poro. [7]
Para que un ion pueda atravesar un poro debe disociarse de las moléculas de agua que lo recubren en sucesivas capas de solvatación . La tendencia a deshidratarse, o la facilidad para hacerlo, está relacionada con el tamaño del ion: los iones más grandes pueden hacerlo más fácilmente que los iones más pequeños, de modo que un poro con centros polares débiles permitirá preferentemente el paso de iones más grandes a través de la superficie. los más pequeños. [7]
Cuando el interior del canal está compuesto por grupos polares 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 de deshidratación para conferir la especificidad de el canal. Por ejemplo, un canal formado por histidinas y argininas, con grupos cargados positivamente, repelerá selectivamente 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 considerablemente las interacciones carga-carga y, por tanto, exagera el efecto. [7]
Los no electrolitos, sustancias que generalmente son hidrofóbicas y lipófilas, 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 de transporte, la capacidad de difusión depende, generalmente, del coeficiente de partición K. Los no electrolitos parcialmente cargados, que son más o menos polares, como el etanol, el metanol o la urea, pueden atravesar la membrana a través de canales acuosos sumergidos 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 esos recursos es la base de datos de Clasificación de Transporter [10].
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