Membranas biolgicas y transporte Las membranas, flexibles, autosellantes y selectivamente permeables a solutos polares, delimitan las clulas y regulan el trfico molecular desde y hacia ellas. En su composicin, las membranas albergan un conjunto de protenas especializadas. En la superficie celular, los transportadores mueven solutos orgnicos y iones inorgnicos a travs de la membrana, los receptores captan seales externas e inducen cambios en la clula y las molculas de adhesin mantienen unidas clulas contiguas. Dentro de la clula, las membranas dividen el espacio en compartimentos que separan procesos y componentes. Las membranas estn compuestas por dos capas de molculas y pueden considerarse como bidimensionales. La eficiencia de ciertas reacciones catalizadas enzimticamente es mucho mayor dentro de estas membranas bidimensionales.

Composicin y arquitectura de las membranas Las protenas y lpidos polares constituyen casi la totalidad de la masa de las membranas biolgicas.

Algunos carbohidratos estn presentes como parte de glucoprotenas y glucolpidos.

Cada tipo de membrana presenta una composicin de protenas y lpidos diferente Las proporciones de protena y lpido varan con cada tipo de membrana. Ciertas neuronas poseen una

vaina de mielina, una membrana externa compuesta principalmente de lpidos que acta como aislante elctrico. Las membranas bacterianas y mitocondriales son escenario de muchos procesos metablicos catalizados enzimticamente y, en cambio, contienen ms protena que lpido.

La composicin de los lpidos de la membrana es caracterstica de cada especie, tejido y tipo celular, y es

diferente tambin en los diferentes organelos de una misma clula. La composicin proteica de las membranas vara an ms que su composicin lipdica, lo que refleja su

especializacin funcional. Algunas protenas de membrana se unen covalentemente a conjuntos de carbohidratos. Las porciones

glucdicas de las glucoprotenas influyen en el plegamiento de las protenas, en su estabilidad y en el destino intracelular. Adems, participan en la unin especfica de ligandos a los receptores glucoproteicos de superficie.

Otras protenas de membrana se unen covalentemente a uno o ms lpidos, que las fijan a la membrana.

Todas las membranas biolgicas comparten ciertas propiedades fundamentales Las membranas son impermeables a la mayora de solutos polares o cargados, pero son permeables a los

compuestos apolares. De acuerdo al modelo del mosaico fluido, los fosfolpidos forman una bicapa cuyas regiones apolares se encuentran en el centro de la misma, exponiendo las cabezas polares de las molculas lipdicas al exterior. Las protenas globulares estn incrustadas en esta bicapa y se fijan mediante interacciones hidrofbicas entre los lpidos de la membrana y los dominios proteicos hidrofbicos. Algunas protenas sobresalen a un solo lado de la membrana; otras tienen dominios expuestos a ambos lados. La orientacin de las protenas es asimtrica, confiriendo lateralidad a la membrana. Los lpidos individuales y las unidades proteicas forman un mosaico fluido que cambia constantemente. La membrana puede moverse porque la mayora de las interacciones son no covalentes.

El elemento bsico estructural de las membranas es una bicapa lipdica

Los glicerofosfolpidos, esfingolpidos y esteroles son prcticamente insolubles en agua. Al mezclarse con ella, forman agregados cuyas partes hidrofbicas se mantienen en contacto mientras que sus grupos hidroflicos interactan con el agua circundante. Las interacciones hidrofbicas entre las molculas lipdicas proporcionan la fuerza termodinmica para la formacin y mantenimiento de estos agregados.

Existen tres tipos de agregados lipdicos. Las micelas son esferas de molculas anfipticas con sus regiones hidrofbicas interiorizadas y sus grupos de cabeza hidroflicos en contacto con el agua. Las micelas se forman cuando el rea de la seccin transversal del grupo de cabeza es mayor que la de las cadenas laterales acilo (como en los cidos grasos libres).

En una bicapa, las dos capas de lpidos forman una hoja bidimensional. Las bicapas se forman cuando la seccin transversal del grupo de cabeza y las cadenas laterales acilo son similares (como en los glicerofosfolpidos y esfingolpidos). Las porciones hidrofbicas interaccionan entre s. Los grupos de cabeza hidroflicos interaccionan con el agua. Dado que las regiones hidrofbicas de los extremos estn en contacto con el agua, la bicapa es relativamente inestable; se repliega sobre s misma y forma una esfera vaca llamada liposoma. Los liposomas encierran agua y crean un compartimento acuoso separado.

Los lpidos de la membrana plasmtica estn distribuidos entre las dos caras de la bicapa con relativa asimetra. Los cambios en la distribucin de lpidos entre las hojas de la membrana plasmtica tienen consecuencias biolgicas.

Las protenas perifricas de membrana se solubilizan fcilmente Las protenas de membrana pueden dividirse en dos grupos. Las protenas integrales estn firmemente

unidas a la membrana y slo pueden liberarse con agentes que rompen las interacciones hidrofbicas, como detergentes, disolventes o desnaturalizantes. Las protenas perifricas se unen a la membrana gracias a interacciones electrostticas y puentes de hidrgeno, y pueden liberarse con tratamientos suaves que interfieren en las interacciones electrostticas o rompen los puentes de hidrgeno. Las protenas perifricas pueden regular enzimas unidas a membrana o limitar la movilidad de las protenas integrales.

Muchas protenas abarcan la bicapa lipdica En el eritrocito, la glucoprotena glucoforina abarca toda la membrana plasmtica. Su dominio amino-

terminal (portador de cadenas glucdicas) se encuentra en la superficie externo, y el extremo carboxilo-terminal sobresale hacia el interior. Los dominios amino y carboxilo-terminal contienen abundantes residuos polares y son bastante hidroflicos. En el centro de la protena, en cambio, predominan los residuos hidrofbicos. Otras protenas de membrana muestran orientaciones especficas en la bicapa. Una protena transmembrana posee un dominio orientado hacia el exterior y uno dirigido hacia el interior de la membrana. Todas las glucoprotenas de la membrana plasmtica dirigen sus residuos glucdicos hacia la superficie externa de la clula. El ordenamiento asimtrico de las protenas de membrana les confiere asimetra funcional.

Las protenas integrales son sostenidas en la membrana por interacciones hidrofbicas con lpidos

La unin de las protenas integrales a las membranas se debe a las interacciones hidrofbicas entre los

lpidos membranales y los dominios hidrofbicos de la protena. Algunas protenas poseen una sola secuencia hidrofbica, en tanto que otras tienen mltiples secuencias para interactuar con la membrana.

Puede predecirse la topologa de una protena integral de membrana a partir de su secuencia Determinar la estructura tridimensional de una protena de membrana, o su topologa, suele ser ms

difcil que determinar su secuencia aminocida. La presencia de secuencias continuas de ms de 20 aminocidos hidrofbicos sugiere que tales secuencias atraviesan la bicapa lipdica, actuando como anclas hidrofbicas o formando canales transmembrana. Virtualmente todas las protenas integrales tienen al menos una de estas secuencias.

La polaridad relativa de cada aminocido se determina midiendo la variacin de energa libre producida

cuando la cadena lateral del residuo pasa de un disolvente apolar al agua. Los residuos muy polares muestran una variacin de energa libre muy exergnica, en tanto que los residuos apolares tienen variaciones de energa libre muy endergnicas. La hidrofobicidad global de una secuencia, el ndice hidroptico de una regin, se estima sumando las energas libres de transferencia de cada uno de sus residuos. Para localizar secuencias con potencial para atravesar las membranas, se calculan los ndices hidropticos de segmentos sucesivos (llamados ventanas) con entre 7 y 20 aminocidos. Una regin con ms de 20 residuos con un alto ndice hidroptico es, presumiblemente, un segmento transmembrana.

Muchas protenas transmembrana poseen residuos de Tyr y Trp en la interfase entre lpido y agua. Las cadenas laterales de estos residuos pueden interactuar simultneamente con la fase lipdica central y con las fases acuosas a ambos lados de la membrana.

Lpidos unidos covalentemente anclan algunas protenas de membrana Algunas protenas de membrana contienen uno o ms lpidos unidos covalentemente. El lpido unido

proporciona un anclaje hidrofbico que se inserta en la bicapa lipdica y mantiene la protena en la superficie de la membrana. Otras interacciones, como atracciones inicas entre residuos cargados positivamente y los grupos de cabezas polares de lpidos cargados negativamente, contribuyen a estabilizar la unin. La asociacin con la membrana de estas protenas unidas a lpidos es ms dbil que la unin de las protenas integrales y, a veces, es reversible. El lpido unido a una protena de membrana puede, tambin, tener funciones especficas.

Dinmica de las membranas Todas las membranas biolgicas son flexibles y pueden cambiar de forma sin perder su integridad ni

dejar salir sus contenidos. La flexibilidad de las membranas se debe al carcter no covalente de las interacciones entre los lpidos de la bicapa.

Los grupos acilo del interior de la bicapa estn ordenados en grados diferentes

Pese a la estabilidad de la bicapa lipdica, las molculas individuales

de fosfolpidos y esteroles tienen una gran libertad de movimiento. La estructura y flexibilidad de la membrana dependen de la temperatura y de los tipos de lpidos presentes. A temperaturas bajas, los lpidos forman una fase de gel semislida, paracristalina. A temperaturas elevadas, las cadenas hidrocarbonadas de los cidos grasos se mueven constantemente. En este estado lquido, o estado fluido, el interior de la bicapa es ms fluido que slido y la bicapa est en constante movimiento. A temperaturas intermedias, los lpidos se encuentran en un estado lquido ordenado; hay menos movimiento de las cadenas acilo de la membrana pero contina el movimiento lateral en el plano de la bicapa. Las membranas biolgicas, que contienen muchos lpidos diferentes, muestran cambios de fase abruptos con la temperatura.

A temperaturas fisiolgicas (entre 20 y 40 C) los cidos grasos

saturados de cadena larga se empaquetan en una disposicin lquida ordenada, pero los giros de los cidos grasos insaturados favorecen el estado lquido desordenado. Los grupos acilo graso de cadena corta tienen el mismo efecto.

El contenido de esteroles de una membrana tambin determina el estado lipdico. La rigidez del ncleo

esteroideo reduce la libertad de movimiento de las cadenas acilo graso vecinas, forzndolas a adoptar su conformacin totalmente extendida. Los esteroles, por tanto, reducen la fluidez en el centro de la bicapa, favoreciendo la fase lquida ordenada e incrementando el grosor de la hoja lipdica.

Las clulas regulan su composicin lipdica para mantener una fluidez constante en diversas condiciones.

El movimiento de lpidos transbicapa requiere catlisis A temperatura fisiolgica, la difusin transbicapa, o flip-flop, de una molcula desde una cara a otra de

la bicapa, cuando ocurre, es muy lenta. El movimiento transbicapa, un proceso altamente endergnico, requiere que un grupo de cabeza polar se

traslade al interior hidrofbico de la bicapa. Tal movimiento puede resultar esencial para la clula. Las flipasas, que facilitan la difusin flip-flop, proporcionan un paso transmembrana energticamente ms favorable que la difusin no catalizada.

Lpidos y protenas difunden lateralmente en la bicapa

Las molculas de lpido pueden moverse

lateralmente, intercambiando su sitio con molculas vecinas. Esta difusin lateral ocurre con rapidez y hace que la posicin de las molculas se vuelva aleatoria. Algunos lpidos de membrana difunden a una velocidad de hasta 1 m/s.

Muchas protenas de membrana tambin pueden

difundir lateralmente y estn en constante movimiento. Algunas se asocian en grandes agregados (parches) en la superficie de la clula u organelo. Otras protenas estn ancladas a estructuras internas que evitan su libre difusin. En la membrana de los eritrocitos, por ejemplo, la glucoforina y el intercambiador de bicarbonato y cloruro estn ligado a la espectrina, una protena del citoesqueleto.

Los esfingolpidos y el colesterol se agrupan conjuntamente en balsas de membrana Dentro de una misma hoja de la membrana, la distribucin de lpidos no es aleatoria. Los

glucoesfingolpidos (cerebrsidos y ganglisidos) forman agrupaciones transitorias en la hoja externa que excluyen los glicerofosfolpidos. Los grupos acilo de los esfingolpidos pueden formar asociaciones ms compactas y estables con el colesterol que los fosfolpidos. Tales microdominios, ligeramente ms gruesos y ms ordenados que los microdominios de fosfolpidos, no se disuelven tan fcilmente y actan como balsas de estructura lquida ordenada en un mar de fosfolpidos de estructura lquida desordenada. Los dominios balsa y mar de la membrana plasmtica no estn completamente separados; las protenas de membrana pueden desplazarse entre unos y otros en segundos.

Las balsas pueden representar hasta el 50% de la superficie celular. Cada balsa comprende unos cuantos

miles de esfingolpidos y de 10 a 50 protenas de membrana, probablemente pertenecientes a un solo grupo de protenas, cuya segregacin tiene importancia biolgica.

Las caveolinas definen una clase especial de balsas de membrana La caveolina es una protena integral de membrana anclada a la hoja citoplasmtica de la membrana. La

caveolina une colesterol en la membrana y fuerza a la bicapa lipdica a curvarse hacia dentro, formando caveolas en la superficie celular. Las caveolas intervienen en diversas funciones celulares, como en el transporte transmembranal y en la transduccin de seales.

Ciertas protenas integrales favorecen las interacciones intercelulares y la adhesin Varias protenas integrales de membrana permiten el anclaje entre clulas y entre una clula y protenas

de la matriz extracelular. Las integrinas, formadas por subunidades y , se anclan a la membrana plasmtica y a protenas extracelulares como la colgena y la fibronectina.

La integrinas, adems, actan como receptores y transductores de seales en ambas direcciones. Las

integrinas regulan muchos procesos, como la agregacin plaquetaria en una herida, la reparacin tisular, la actividad de clulas inmunitarias y la invasin de un tejido por un tumor. La mutacin de un gen de la integrina causa la deficiencia de adhesin leucocitaria, una enfermedad en la que los leucocitos son incapaces de atravesar los vasos sanguneos para alcanzar el sitio de la infeccin. Los nios con esta enfermedad suelen morir a causa de infecciones en los dos primeros aos de vida.

Las caderinas interaccionan con caderinas idnticas en clulas adyacentes. Las protenas tipo

inmunoglobulinas pueden interaccionar con sus copias idnticas de otra clula o con una integrina de una clula vecina. Las selectinas, en presencia de Ca2+, unen polisacridos especficos de la superficie de una clula contigua. Estas protenas se encuentran en diversas clulas sanguneas y en el endotelio vascular, y son esenciales para la coagulacin de la sangre.

Las protenas integrales intervienen en otros procesos. Actan como transportadores y canales inicos y

como receptores de hormonas, neurotransmisores y factores de crecimiento. Son esenciales en la fosforilacin oxidativa y en el reconocimiento clula-clula y antgeno-clula del sistema inmunitario. Las protenas integrales tambin participan e la fusin de membranas asociada a la exocitosis, la endocitosis y la entrada de muchos virus a las clulas anfitrionas.

La fusin de las membranas es crucial en muchos procesos biolgicos Las membranas biolgicas pueden fusionarse con otras membranas sin perder su continuidad. Dentro de

la clula, los compartimentos membranosos se reorganizan constantemente. Pequeas vesculas que brotan del retculo endoplasmtico llevan lpidos y protenas recin sintetizados a los otros organelos y a la membrana plasmtica. La exocitosis, endocitosis, divisin celular, fusin de gametos y la entrada de un virus dentro de la clula implican la fusin de dos segmentos membranosos.

La fusin de dos membranas requiere que stas se

reconozcan entre s, que sus superficies estn muy cerca, que se fusionen sus hojas externas (hemifusin) y que sus bicapas se fusionen formando una sola. Las protenas de fusin favorecen estos procesos.

El virus de la gripe, cubierto por una membrana,

contiene, entre otras protenas, hemaglutinina (HA). Despus de entrar en una clula por endocitosis, el pptido de fusin de la HA favorece la unin de las membranas vrica y endosmica, liberando el contenido vrico en el citoplasma de la clula husped.

Los neurotransmisores se liberan en las sinapsis cuando

las vesculas que los contienen se fusionan con la membrana plasmtica, un proceso posibilitado por las protenas SNARE (las protenas v-SNARE, ubicadas en las vesculas, y las t-SNARE, situadas en las membranas diana), SNAP25 y NSF. Las protenas v-SNARE y t-SNARE interaccionan por sus extremos y se produce en ellas un cambio conformacional que pone en contacto las dos membranas, promoviendo su fusin.

Transporte de solutos a travs de membranas Unos cuantos compuestos apolares pueden difundirse a travs de las membranas sin mediacin alguna,

pero los compuestos polares o cargados, y los iones, precisan de una protena transportadora para su transporte transmembrana. Estas protenas pueden facilitar la difusin de un soluto a favor de su gradiente de concentracin, aunque generalmente el transporte ocurre contra un gradiente de concentracin, carga elctrica o ambos. En estos casos, los solutos deben bombearse en un proceso activo. La energa puede provenir de la hidrlisis del ATP o puede emplearse la energa producida por el movimiento de otro soluto a favor de su gradiente electroqumico. Los iones pueden transportarse por canales inicos o por ionforos, molculas que enmascaran la carga inica y permiten la difusin transmembrana de los iones.

Protenas de membrana facilitan el transporte pasivo La difusin simple permite el desplazamiento transmembrana de un soluto desde una regin con una

alta concentracin del mismo hasta una regin en la que su concentracin es menor, en un proceso que termina cuando ambos compartimentos tienen las mismas concentraciones. Cuando iones de cargas opuestas estn separados por una membrana permeable, se crea un gradiente elctrico, un potencial de membrana, Vm. Este potencial produce una fuerza que se opone al movimiento de los iones que aumentan Vm e impulsa el movimiento de los iones que reducen Vm. Por tanto, la direccin en la que un soluto cargado se desplaza a travs de una membrana depende del gradiente qumico (la diferencia de concentraciones) y del gradiente elctrico (Vm). Ambos factores constituyen el gradiente electroqumico o potencial electroqumico.

Para traspasar la membrana, un soluto polar o cargado debe dejar de interactuar con el agua circundante

y difundir a travs de un disolvente (lpido) en el que es poco soluble. La energa utilizada para esto es recuperada cuando la molcula abandona la membrana del otro lado y se rehidrata. No obstante, el estado intermedio del paso transmembrana es un estado de alta energa al cual se llega tras superar una barrera de activacin. La energa de activacin (G) para la translocacin de un soluto polar es tan grande que las membranas son prcticamente impermeables a las especies polares y cargadas.

Las protenas de membrana disminuyen la energa de activacin para el transporte de compuestos

polares e iones proporcionando una ruta alternativa para solutos especficos. Las protenas que promueven esta difusin facilitada o transporte pasivo, llamadas transportadores o permeasas, son una suerte de enzimas no convencionales cuyos sustratos no son alterados qumicamente.

Los transportadores unen sus sustratos con especificidad gracias a mltiples interacciones dbiles no

covalentes. La variacin de energa libre negativa de estas interacciones, Gunin, contrarresta la variacin de energa libre positiva inherente a la deshidratacin del sustrato, Gdeshidratacin, disminuyendo la G del paso transmembrana. Los transportadores abarcan la membrana formando un canal que constituye una ruta alternativa para que un sustrato especfico atraviese la bicapa sin tener que disolverse en ella, disminuyendo an ms la G

para la difusin transmembrana.

Los transportadores pueden agruparse en superfamilias segn sus estructuras Como en otras protenas, en los transportadores existen

similitudes que permiten su clasificacin en categoras y superfamilias. Los portadores (transportadores) unen sustratos con especificidad elevada, catalizan el transporta a velocidades por debajo de los lmites de la difusin libre y su actividad puede saturarse. Los canales permiten el desplazamiento transmembrana a velocidades superiores a las de los transportadores, aunque generalmente son menos especficos y no suelen saturarse. La mayora de los canales son complejos oligomricos, mientras que muchos transportadores son protenas monomricas. Dentro de cada una de estas categoras existen diversas superfamilias.

El transportador de glucosa de los eritrocitos facilita el transporte pasivo El metabolismo del eritrocito depende de un suministro constante de glucosa. La glucosa penetra en el

eritrocito por difusin facilitada, gracias a un transportador especfico, el GLUT1. El transporte a travs del GLUT1 muestra una

cintica similar a la de otras enzimas. Como lo establece la ecuacin de Michaelis-Menten, hay una concentracin de sustrato a la cual el transporte ocurre a la mitad de la velocidad mxima. No obstante, la concentracin de glucosa en sangre oscila entre 4.5 y 5 mM, un valor muy por encima de la Km de muchos transportadores GLUT. Esto asegura que GLUT1 est casi saturado y funciona cerca de la Vmx.

El proceso de entrada de glucosa es totalmente reversible. Cuando las concentraciones de glucosa dentro

y fuera de la clula se acercan, las velocidades de entrada y salida se igualan. La clula, por tanto, no puede acumular glucosa a concentraciones superiores a las del medio circundante.

En el genoma humano hay doce transportadores de glucosa, cada uno con propiedades cinticas,

distribuciones y funciones diferentes. En el hgado, GLUT2 transporta glucosa fuera de los hepatocitos cuando se degrada el glucgeno heptico para reponer la glucosa sangunea. GLUT2 tiene una Km elevada, por lo que responde a niveles elevados de glucosa intracelular (debidos a la glucogenlisis) incrementando el transporte hacia el exterior. El msculo esqueltico y el tejido adiposo poseen el transportador GLUT4, insulinodependiente. La actividad de GLUT4 aumenta cuando la liberacin de insulina indica una elevada concentracin de glucosa en sangre, incrementando la captacin de glucosa por el msculo y el tejido adiposo.

Transportadores de glucosa en el humano

Transportador Ubicacin tisular Funcin

GLUT 1

Ubicuo

Captacin basal de glucosa

GLUT 2

Hgado, islotes pancreticos, intestino

En el hgado, eliminacin de exceso de glucosa de la sangre; en el pncreas, regulacin de la liberacin de insulina

GLUT 3

Cerebro (neuronal)

Captacin basal de glucosa

GLUT 4

Msculo, tejido adiposo, corazn

Actividad incrementada por la insulina

GLUT 5

Intestino, testculos, rin, semen

Transporte de fructosa

El intercambiador de cloruro-bicarbonato cataliza el cotransporte electroneutro de aniones a travs de la membrana eritrocitaria

El eritrocito contiene otro sistema de difusin facilitada, un intercambiador de aniones, que es esencial

para el transporte de CO2 desde los tejidos hacia los pulmones. El CO2 liberado por los tejidos entra en el eritrocito y es convertido en bicarbonato (HCO3-) por la anhidrasa carbnica. El HCO3- regresa al plasma sanguneo para ser transportado a los pulmones. El bicarbonato es mucho ms soluble en el plasma que el CO2, por lo que representa una mejor ruta para transportar CO2 desde los tejidos a los pulmones. En los pulmones, el HCO3- vuelve a entrar en el eritrocito y se convierte en CO2 para ser finalmente exhalado. Esta lanzadera requiere una rpida difusin de HCO3- a travs de la membrana eritrocitaria.

El intercambiador de cloruro-bicarbonato, o protena intercambiadora de aniones (AE), aumenta

la permeabilidad de la membrana eritrocitaria al HCO3-, y facilita el movimiento simultneo de dos aniones. Por cada ion HCO3- transportado en una direccin, se traslada un ion Cl- en la direccin opuesta, sin transferencia neta de carga; el intercambio es electroneutro. El acoplamiento de cloruro y bicarbonato es obligado; en ausencia de Cl-, se detiene el transporte de HCO3-.

El intercambiador de aniones, como sistema de cotransporte, traslada simultneamente dos solutos a travs de la membrana, y lo hace en direcciones opuestas, en un proceso es antiparalelo (antiporte). En el cotransporte paralelo (simporte), los dos sustratos se mueven simultneamente en la misma direccin. Los transportadores que trasladan un solo sustrato, como los diferentes GLUT, son sistemas de transporte nico (uniporte).

El genoma humano codifica tres intercambiadores de cloruro-bicarbonato. Los eritrocitos poseen el

transportador AE1, el AE2 predomina en el hgado y el AE3 se encuentra en la membrana plasmtica del cerebro, corazn y retina.

El transporte activo da lugar al movimiento de soluto contra un gradiente de concentracin o gradiente electroqumico

En el transporte pasivo, la especie transportada se mueve a favor del gradiente electroqumico y no se

acumula por encima de la concentracin de equilibrio. El transporte activo permite la acumulacin por encima del punto de equilibrio y est termodinmicamente desfavorecido; adems, solo ocurre cuando est acoplado, directa o indirectamente, a un proceso exergnico, como la hidrlisis del ATP o el flujo concomitante de otro compuesto a favor de su gradiente electroqumico. En el transporte activo primario, la energa proviene de una reaccin qumica exergnica, como la hidrlisis del ATP. El transporte activo secundario ocurre cuando el transporte endergnico de un soluto est acoplado al flujo exergnico de un soluto diferente que ha sido bombeado mediante un transporte activo primario.

Las ATPasas tipo P experimentan fosforilacin durante sus ciclos catalticos Las ATPasas tipo P son transportadores de cationes impulsados por ATP que se fosforilan

reversiblemente por accin del ATP durante el transporte; la fosforilacin fuerza un cambio conformacional esencial para el transporte transmembrana. Todas las ATPasas tipo P presentan similitudes en la secuencia de aminocidos y son inhibidas por el vanadato, un anlogo del fosfato.

La Na+-K+ ATPasa y la Ca2+ ATPasa son ATPasas tipo P ubicuas que mantienen diferencias en la

composicin inica del citosol y el medio extracelular. Las clulas parietales del estmago poseen una ATPasa tipo P que bombea H+ y K+ a travs de la membrana plasmtica, acidificando el contenido estomacal. Las bacterias emplean ATPasas tipo P para bombear al exterior iones de metales pesados txicos, como Cd2+ y Cu2+.

Las concentraciones de Na+ (menor en la clula que en el medio exterior) y K+ (mayor en el medio

intracelular que fuera de la clula) se mantienen gracias a la Na+-K+ ATPasa, que acopla la hidrlisis del ATP y el antiporte de sodio y potasio en contra de sus gradientes electroqumicos. Por cada molcula de ATP hidrolizada, el transportador mueve dos iones K+ hacia el interior y tres iones Na+ hacia el exterior de la membrana plasmtica.

Debido a que se expulsan tres iones Na+ por cada dos iones K+ que se interiorizan, el proceso,

electrognico, crea un potencial transmembrana de -50 a -70 mV (con el interior negativo con respecto al exterior) caracterstico de la mayora de las clulas y esencial en la conduccin de potenciales de accin en las neuronas. Casi el 25% del consumo basal de energa corresponde a la energa invertida en la accin de la Na+-K+ ATPasa.

El derivado esteroide ouabana es un inhibidor potente y especfico de la Na+-K+ ATPasa que impide

los cambios de conformacin necesarios para el transporte. La paliotoxina tambin acta sobre la Na+-K+ ATPasa al dejar permanentemente accesibles los sitios de unin de los iones, lo que permite la salida de K+ de las clulas y hace desaparecer el gradiente inico esencial.

La ouabana y la digitoxigenina, otro derivado esteroideo, son los ingredientes activos de la digitalina,

un frmaco usado para tratar ataques congestivos de corazn que refuerza las contracciones del msculo cardaco sin aumentar la frecuencia cardaca, aumentando as la eficiencia del corazn. La digitalina inhibe la salida de Na+, con lo que aumenta la concentracin intracelular de Na+ lo suficiente como para activar el antiporte de Na+-Ca2+ en el msculo cardaco. Este antiporte produce elevados niveles de Ca2+ citoslicos, que refuerzan las contracciones del msculo cardaco.

Las bombas de Ca2+ tipo P mantienen una baja concentracin de calcio en el citosol La concentracin citoslica de Ca2+ libre, generalmente 100 nM o menos, est mucho menor que la del

medio extracelular. Los iones calcio son bombeados fuera del citosol por la bomba de Ca2+ de la membrana plasmtica, una ATPasa tipo P. Otra bomba de Ca2+ de tipo P del retculo endoplasmtico transporta calcio dentro de la luz del RE. En los miocitos, el Ca2+ se secuestra en el retculo sarcoplasmtico. Las bombas de calcio del retculo sarcoplasmtico y del retculo endoplasmtico (SERCA), estructuralmente relacionadas, son inhibidas por el agente promotor de tumores tapsigardina.

La bomba de Ca2+ de la membrana plasmtica y las bombas SERCA son protenas que oscilan entre una

conformacin fosforilada y una desfosforilada. La fosforilacin incrementa la afinidad por Ca2+ en el lado citoplasmtico, en tanto que la desfosforilacin disminuye la afinidad por Ca2+ en el lado luminal. As, la energa de hidrlisis del ATP impulsa el transporte de Ca2+ contra un gran gradiente electroqumico.

Las ATPasas tipo F son bombas de protones reversibles impulsadas por el ATP

Las ATPasas tipo F son transportadores activos esenciales en las reacciones de conservacin de energa. Estas ATPasas catalizan el paso transmembrana a contracorriente de protones impulsado por la hidrlisis del ATP. El complejo Fo (que se inhibe por la oligomicina) proporciona un poro para el paso de protones, y la protena perifrica F1 emplea la energa del ATP para impulsar protones cuesta arriba (a una regin de mayor concentracin de H+).

La reaccin catalizada por las ATPasas tipo F es reversible, por lo que un gradiente de protones puede suministra la energa para impulsar la reaccin inversa, la sntesis de ATP. Las ATP sintasas intervienen en la produccin mitocondrial de ATP durante la fosforilacin oxidativa. El gradiente de protones necesario para impulsar la sntesis de ATP se establece por otro tipo de bombas de protones cuyo poder proviene de la oxidacin de sustratos.

Las ATPasas tipo V transportan protones y acidifican diversos compartimentos intracelulares, como los lisosomas, endosomas, complejo de Golgi y vesculas secretoras.

Los transportadores ABC utilizan ATP para impulsar el transporte activo de una amplia gama de sustratos

Los transportadores ABC, dependientes de ATP, bombean aminocidos, pptidos, protenas, iones

metlicos, diversos lpidos, sales biliares y muchos compuestos hidrofbicos, incluido medicamentos, fuera de las clulas contra un gradiente de concentracin. El transportador multifrmacos (MDR1) brinda resistencia a ciertos tumores contra algunos frmacos antitumorales generalmente efectivos (adriamicina, doxorrubicina, vinblastina, etc.).

Todos los transportadores ABC tienen dos dominios de unin de nucletidos (NDB) y dos dominios

transmembrana. La mayora de transportadores ABC actan como bombas, aunque algunos actan como canales inicos que se abren y cierran por hidrlisis del ATP.

Cuando los NDB estn acoplados a una bomba, el motor impulsado por ATP transporta solutos contra

un gradiente de concentracin; cuando estn acoplados a un canal inico, el motor abre y cierra el canal empleando la energa del ATP.

El genoma humano contiene al menos 49 genes que codifican transportadores ABC. Mutaciones en

estos genes propician la aparicin de enfermedades genticas como la fibrosis qustica, la enfermedad de Tangier, la degeneracin de la retina, la anemia y el fallo heptico.

La presencia de transportadores ABC puede conferir resistencia a antibiticos en microbios patgenos,

por lo que estos transportadores son dianas en el diseo de medicamentos.

Los gradientes de iones proporcionan la energa para el transporte activo secundario Los gradientes inicos pueden proporcionar la energa necesaria para el cotransporte de otros solutos.

Muchas sistemas celulares de transporte acoplan el flujo cuesta debajo de ciertos iones con el bombeo cuesta arriba de otro ion, azcar o aminocido.

En el epitelio intestinal, la glucosa y ciertos aminocidos se acumulan por cotransporte paralelo con Na+,

a favor del gradiente de sodio establecido por la Na+-K+ ATPasa de la membrana plasmtica. Los cotransportadores paralelos de Na+-glucosa de la membrana plasmtica apical captan glucosa del intestino en un proceso impulsado por el flujo cuesta abajo de Na+.

2+ + 2

+ + La energa requerida por este proceso proviene de la mayor concentracin de Na+ afuera (potencial

qumico) y del potencial transmembrana (potencial elctrico), que es negativo en el interior y facilita, por tanto, la entrada de Na+.

La energa disponible por el reingreso de dos

iones Na+ es suficiente para bombear glucosa contra un alto gradiente de concentracin. El cotransportador puede bombear glucosa hacia dentro hasta que su concentracin intracelular supera 9,000 veces la del intestino. Conforme la glucosa ingresa a la clula en su superficie apical, es exportada a la sangre por transporte pasivo a travs del transportador GLUT2 de su superficie basal. Los sistemas de transporte paralelo y antiparalelo dependientes de Na+ requieren un bombeo continuo de Na+ hacia el exterior para mantener el gradiente de Na+ transmembrana.

Debido al papel esencial de los gradientes

inicos, los compuestos que disipan estos gradientes, llamados ionforos, son venenos eficaces que, si actan nica y especficamente sobre microorganismos infecciosos, pueden servir como antibiticos.

Las acuaporinas forman canales transmembrana hidroflicos para el paso de agua Las acuaporinas (AQP) proporcionan canales para el transporte rpido de agua a travs de las

membranas plasmticas. El hombre posee diez acuaporinas diferentes con funciones especializadas. En las nefronas, las clulas de los tbulos proximales poseen cinco tipos diferentes de acuaporinas. Estas clulas reabsorben agua durante la formacin de la orina.

El agua se mueve a travs de las acuaporinas en una corriente continua siguiendo un gradiente osmtico.

Las acuaporinas, adems, son extremadamente selectivas y no permiten el paso de protones, que colapsaran los potenciales electroqumicos de las membranas.

Los canales selectivos de iones permiten el movimiento rpido de iones a travs de las membranas

Los canales selectivos de iones transportan iones inorgnicos a travs de las membranas y, junto con

las bombas de iones, determinan la permeabilidad de las membranas a iones especficos y regulan la concentracin citoslica de iones y el potencial de membrana. En las neuronas, cambios muy rpidos en la actividad de los canales inicos provocan cambios en el potencial de membrana (los potenciales de accin) que transportan seales nerviosas. En lo miocitos, la apertura rpida de los canales de Ca2+ en el retculo sarcoplasmtico libera el Ca2+ que desencadena la contraccin muscular.

Los canales inicos difieren de los transportadores de iones en ciertos aspectos. Los canales inicos no

se saturan y permiten un flujo a travs de ellos a velocidades mayores que las que permiten los transportadores. Adems, los canales son compuertas que se abren o cierran en respuesta a algn proceso celular. En los canales de compuerta regulada por ligando, la unin de una molcula pequea fuerza una transicin alostrica de la protena que abre o cierra el canal. En los canales inicos de compuerta regulada por voltaje, un dominio de una protena cargada se mueve con relacin a la membrana en respuesta a cambios en el potencial elctrico transmembrana (Vm), abriendo o cerrando el canal.

La estructura de un canal de K+ muestra las bases de su especificidad Los canales de K+, que permiten el paso K+ 10,000 veces ms fcilmente que el de Na+, estn formados

por cuatro subunidades idnticas que forman dos conos (uno dentro de otro) en la membrana plasmtica, con sus extremos anchos orientados hacia el espacio extracelular. El cono interior rodea al canal inico y contiene el filtro de selectividad de ion.

Al pasar el K+ por el canal, desde el orificio exterior (ms ancho) hasta la abertura interior (ms angosta),

pierde su esfera de hidratacin e interacciona con los tomos de oxgeno del grupo carbonilo de la cadena principal del filtro de selectividad, formando una va perfecta para el movimiento del ion. Estas interacciones no son posibles para el Na+, que es muy pequeo para establecer todas las interacciones con oxgeno potenciales.

La funcin del canal inico se mide elctricamente Debido a que los canales inicos permanecen abiertos durante pocos milisegundos, el flujo de iones a

travs de ellos debe medirse elctricamente, como cambios en Vm o como corrientes elctricas I. Los estudios de patch-clamping, una tcnica que mide corrientes muy pequeas, han revelado que hasta 104 iones pueden fluir a travs de un solo canal en un milisegundo. Este flujo inico representa una enorme amplificacin de la seal inicial; para el receptor de acetilcolina, por ejemplo, dos molculas de acetilcolina bastan para abrir un canal receptor de acetilcolina.

El canal de Na+ neuronal es un canal inico de compuerta regulada por voltaje Los canales de sodio de la membrana plasmtica de neuronas y miocitos cardiacos y

musculoesquelticos responden a gradientes elctricos a travs de la membrana abrindose y cerrndose. Normalmente (en estado de reposo) en la conformacin cerrada, los canales de Na+ se abren cuando el potencial elctrico transmembrana se reduce y se inactivan rpidamente. Milisegundos despus de su abertura, el canal se cierra y permanece inactivo durante muchos milisegundos. La activacin seguida de la inactivacin de los canales de Na+ es la base de la sealizacin neuronal.

El canal de Na+ es un polipptido con cuatro dominios agrupados en torno a un canal central. Las

hlices 4 de cada dominio se mueven en respuesta a cambios en el voltaje transmembrana, desde el potencial de reposo de unos -60 mV (negativo dentro) a unos +30 mV. El movimiento de las hlices 4 provoca la abertura del canal. Un dominio de la protena del canal de Na+ bloquea el canal cuando este se abre.

El receptor de acetilcolina es un canal inico de compuerta regulada por ligando El receptor nicotnico de acetilcolina es esencial para la transmisin de seales elctricas desde una

neurona motora hasta una fibra muscular en la unin neuromuscular. La acetilcolina liberada por la neurona difunde hacia la membrana plasmtica del miocito, donde se une al receptor de acetilcolina. Esta unin fuerza un cambio conformacional en el receptor, provocando la apertura de su canal inico. El movimiento resultante de las cargas positivas hacia el interior despolariza la membrana plasmtica, desencadenando la contraccin. El receptor de acetilcolina permita nicamente la entrada de Na+, Ca+ y K+.

La seal de acetilcolina es transitoria, lo que es una caracterstica de la conduccin de seales elctricas. Los canales receptores que responden al cido -aminobutrico (GABA), glicina y serotonina, forman

parte de la superfamilia del receptor de acetilcolina. Todos ellos comparten probablemente los mismos mecanismos de compuerta. Los receptores GABA y de glicina son canales aninicos especficos para Cl- y HCO3-. El receptor de serotonina, como el de acetilcolina, es especfico para cationes.

Una segunda clase de canales inicos de compuerta regulada por ligando responde a ligandos

intracelulares: el GMPc en el ojo, AMPc y GMPc en neuronas olfativas, y ATP e inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) en muchas clulas.

Canales inicos defectuosos pueden tener consecuencias fisiolgicas adversas Las mutaciones en protenas de canales inicos especficos tienen importantes efectos fisiolgicos.

Defectos genticos en el canal de Na+ de compuerta regulada por voltaje del miocito, por ejemplo, causan enfermedades en las que los msculos se paralizan peridicamente o se vuelven rgidos.

Muchas toxinas actan sobre canales inicos. La tetrodoxina (producida por el pez soplador) y la

saxitoxina (producida por el Gonyaulax, causante de las mareas rojas) se unen a los canales de Na+ de compuerta regulada por voltaje de las neuronas e impiden los potenciales de accin normales. La dendrotoxina, contenida en el veneno de la serpiente mamba negra, interfiere en el canal de K+ de compuerta regulada por voltaje. La tubocurarina y otras dos toxinas ofdicas, cobrotoxina y bugarotoxina, bloquean el receptor de acetilcolina o impiden la apertura de su canal inico. Al bloquear las seales desde los nervios a los msculos, estas toxinas provocan parlisis y posiblemente la muerte.

Membranas biolgicas y transporteComposicin y arquitectura de las membranasCada tipo de membrana presenta una composicin de protenas y lpidos diferenteTodas las membranas biolgicas comparten ciertas propiedades fundamentalesEl elemento bsico estructural de las membranas es una bicapa lipdicaLas protenas perifricas de membrana se solubilizan fcilmenteMuchas protenas abarcan la bicapa lipdicaLas protenas integrales son sostenidas en la membrana por interacciones hidrofbicas con lpidosPuede predecirse la topologa de una protena integral de membrana a partir de su secuenciaLpidos unidos covalentemente anclan algunas protenas de membrana

Dinmica de las membranasLos grupos acilo del interior de la bicapa estn ordenados en grados diferentesEl movimiento de lpidos transbicapa requiere catlisisLpidos y protenas difunden lateralmente en la bicapaLos esfingolpidos y el colesterol se agrupan conjuntamente en balsas de membranaLas caveolinas definen una clase especial de balsas de membranaCiertas protenas integrales favorecen las interacciones intercelulares y la adhesinLa fusin de las membranas es crucial en muchos procesos biolgicos

Transporte de solutos a travs de membranasProtenas de membrana facilitan el transporte pasivoLos transportadores pueden agruparse en superfamilias segn sus estructurasEl transportador de glucosa de los eritrocitos facilita el transporte pasivoEl intercambiador de cloruro-bicarbonato cataliza el cotransporte electroneutro de aniones a travs de la membrana eritrocitariaEl transporte activo da lugar al movimiento de soluto contra un gradiente de concentracin o gradiente electroqumicoLas ATPasas tipo P experimentan fosforilacin durante sus ciclos catalticosLas bombas de Ca2+ tipo P mantienen una baja concentracin de calcio en el citosolLas ATPasas tipo F son bombas de protones reversibles impulsadas por el ATPLos transportadores ABC utilizan ATP para impulsar el transporte activo de una amplia gama de sustratosLos gradientes de iones proporcionan la energa para el transporte activo secundarioLas acuaporinas forman canales transmembrana hidroflicos para el paso de aguaLos canales selectivos de iones permiten el movimiento rpido de iones a travs de las membranasLa estructura de un canal de K+ muestra las bases de su especificidadLa funcin del canal inico se mide elctricamenteEl canal de Na+ neuronal es un canal inico de compuerta regulada por voltajeEl receptor de acetilcolina es un canal inico de compuerta regulada por ligandoCanales inicos defectuosos pueden tener consecuencias fisiolgicas adversas