TRANSPORTE A TRAVES DE LAS MEMBRANAS PLASMATICASFisiología animal

M. en C. Raul Herrera Fragoso

Los mecanismos que permiten a las sustancias cruzar las membranas plasmáticas son esenciales para la vida y la comunicación de las células. Para ello, la célula dispone de dos tipos de procesos: 

Transporte pasivo: cuando no se requiere energía para que la sustancia cruce la membrana plasmática 

Transporte activo: cuando la célula utiliza ATP como fuente de energía para hacer atravesar la membrana a una sustancia en particular 

TRANSPORTE PASIVOLos mecanismos de transporte pasivo son:

Difusión simple  Osmosis  Ultrafiltración  Difusión facilitada 

DIFUSIÓN SIMPLE

Las moléculas en solución están dotadas de energía cinética y, por tanto tienen movimientos que se realizan al azar.

La difusión consiste en la mezcla de estas moléculas debido a su energía cinética cuando existe un gradiente de concentración, es decir cuando en una parte de la solución la concentración de las moléculas es más elevada.

La difusión tiene lugar hasta que la concentración se iguala en todas las partes y será tanto más rápida cuanto mayor sea energía cinética (que depende de la temperatura) y el gradiente de concentración y cuanto menor sea el tamaño de las moléculas. 

DIFUSIÓN SIMPLE

Algunas sustancias como el agua, el oxígeno, dióxido de carbono, esteroides, vitaminas liposolubles, urea, glicerina, alcoholes de pequeño peso molecular atraviesan la membrana celular por difusión, disolviéndose en la capa de fosfolípidos. 

Algunas sustancias iónicas también pueden cruzar la membrana plasmática por difusión, pero empleando los canales constituidos por proteínas integrales llenas de agua. Algunos ejemplos notables son el Na+, K+, HCO3, Ca++, etc. Debido al tamaño pequeño de los canales, la difusión a través de estos es mucho más lenta que a través de la bicapa fosfolipídica

OSMOSIS Es otro proceso de transporte

pasivo, mediante el cual, un disolvente - el agua en el caso de los sistemas biológicos - pasa selectivamente a través de una membrana semipermeable.

La membrana de las células es una membrana semipermeable ya que permite el paso del agua por difusión pero no la de iones y otros materiales.

Si la concentración de agua es mayor (o lo que es lo mismo la concentración de solutos menor) de un lado de la membrana es mayor que la del otro lado, existe una tendencia a que el agua pase al lado donde su concentración es menor. 

OSMOSIS o El movimiento del agua a través de la membrana

semipermeable genera un presión hidrostática llamada presión osmótica. La presión osmótica es la presión necesaria para prevenir el movimiento neto de agua a través de una membrana semipermeable que separa dos soluciones de diferentes concentraciones.

ULTRAFILTRACIÓN En este proceso de transporte pasivo,

el agua y algunos solutos pasan a través de una membrana por efecto de una presión hidrostática.

El movimiento es siempre desde el área de mayor presión al de menos presión. La ultrafiltración tiene lugar en el cuerpo humano en los riñones y es debida a la presión arterial generada por el corazón.

Esta presión hace que el agua y algunas moléculas pequeñas (como la urea, la creatinina, sales, etc) pasen a través de las membranas de los capilares microscópicos de los glomérulos para ser eliminadas en la orina.

Las proteínas y grandes moléculas como hormonas, vitaminas, etc., no pasan a través de las membranas de los capilares y son retenidas en la sangre. 

DIFUSIÓN FACILITADA Algunas moléculas son demasiado

grandes como para difundir a través de los canales de la membrana y demasiado insolubles en lípidos como para poder difundir a través de la capa de fosfolípidos.

Tal es el caso de la glucosa y algunos otros monosacáridos.

Esta sustancias, pueden sin embargo cruzar la membrana plasmática mediante el proceso de difusión facilitada, con la ayuda de una proteína transportadora.  La difusión facilitada es mucho más rápida que la difusión simple y depende: 

del gradiente de concentración de la sustancia a ambos lados de la membrana 

del número de proteínas transportadoras existentes en la membrana 

de la rapidez con que estas proteínas hacen su trabajo 

TRANSPORTE ACTIVO Y OTROS PROCESOS ACTIVOS

Algunas sustancias que son necesarias en el interior de la célula o que deben ser eliminadas de la misma no pueden atravesar la membrana celular por ser muy grandes, llevar una carga eléctrica o porque deben vencer un gradiente de concentración.

Para estos casos, la naturaleza ha desarrollado el transporte activo, un proceso que consume energía y que requiere del concurso de proteínas integrales que actúan como "bombas" alimentadas por ATP, para el caso de moléculas pequeñas o iones y el transporte grueso específico para moléculas de gran tamaño como proteínas y polisacáridos e incluso células enteras como bacterias y hematíes .

TRANSPORTE ACTIVO Por este mecanismo

pueden ser transportados hacia el interior o exterior de la célula los iones H+ (bomba de protones) Na+ y K+ (bomba de sodio-potasio), Ca++ , Cl-, I, aminoácidos y monosacáridos. Hay dos tipos de transporte activo: Transporte activo primario Transporte activo

secundario

El complejo del poro nuclear esta compuesta de más de 100 proteínas diferentes, ordenadas con una simetría octogonal. Las moléculas pequeñas (5 kDa o menos) difunden en forma prácticamente libre, pero las proteínas de gran tamaño necesitan contar con un señal de localización nuclear, que generalmente consiste en una corta secuencia de aminoácidos (de 4 a 8). El proceso de entrada de una proteína destinada al núcleo necesita que otra proteína citosólica ("receptor nuclear de importación") llamada nucloporina se una a la señal de localización nuclear y requiere además de la energía que proporciona la hidrólisis de una molécula de trifosfato de guanidina (GTP). Esto provoca la dilatación del poro y permite el pasaje de la proteína.

TRANSPORTE ACTIVO PRIMARIO En este caso, la energía derivada del ATP empuja directamente a la sustancia para

que cruce la membrana, modificando la forma de las proteínas de transporte (bomba) de la membrana plasmática. El ejemplo más característico es la bomba de Na+/K+, que mantiene una baja concentración de Na+ en el citosol extrayéndolo de la célula en contra de un gradiente de concentración. También mueve los iones K+ desde el exterior hasta el interior de la célula pese a que la concentración intracelular de potasio es superior a la extracelular. Esta bomba debe funcionar constantemente ya que hay pérdidas de K+ y entradas de Na+ por los poros acuosos de la membrana.

Esta bomba actúa como una enzima que rompe la molécula de ATP y también se llama bomba Na+/K+-ATPasa. Todas las células poseen cientos de estas bombas.

TRANSPORTE ACTIVO En el caso de la glucosa se une a

la proteína transportadora, y esta cambia de forma, permitiendo el paso del azúcar. Tan pronto como la glucosa llega al citoplasma, una kinasa (enzima que añade un grupo fosfato a un azúcar) transforma la glucosa en glucosa-6-fosfato.

De esta forma, las concentraciones de glucosa en el interior de la célula son siempre muy bajas, y el gradiente de concentración exterior --> interior favorece la difusión de la glucosa.

 

La absorción de la glucosa en el epitelio intestinal implica el cotransporte de Na+ por el SGLT-1 y el mantenimiento del gradiente de Na+ gracias a la bomba de Na+/K+. De forma secundaria y salida de Na+ al espacio basolateral genera la suficiente fuerza osmótica para arrastrar y absorber agua hacia los capilares. la fructosa se absorbe mediante otro tipo de transportador, el Glut-5, una proteína que atraviesa la membrana 12 veces. Finalmente, el paso de la glucosa y la fructosa hacia la sangre se lleva a cabo a través del Glut-2, un transportador de baja afinidad y alta capacidad de transporte.

TRANSPORTADORES DE GLUCOSA

SGLT-1 (Sodium/Glucose Transporters)

GLUT (Glucose Transporters)

El principal transportador de monosacáridos (glucosa, galactosa y manosa) en el intestino delgado es el SGLT-1 o Sodium-Glucose Transporter – 1. Esta es un proteína que cotransporta 2 iones Na+ y una molécula de glucosa a razón de unas 1.000 moléculas/segundo. El SGLT-1 se organiza en forma de 14 alfa-hélices que cruzan la membrana plasmática la misma cantidad de veces.

La familia de los transportadores de glucosa GLUT´s se divide en 3 clases, sin embargo todas comparten ciertas características en común como 12 alfa-hélices trasmembrana, varios dominios de glicosilación y algunos dominios muy conservados relacionados con la traslocación de la glucosa al interior de la célula.

FUNCIÓN En este momento se conoce bastante bien el

proceso de absorción de la glucosa, galactosa y fructosa en el borde en cepillo intestinal. De hecho, gracias a la aplicación de técnicas de biología molecular y biofísica, así como por modelaje por computadoras se ha obtenido información valiosa que apoya la tesis de que la absorción de monosacáridos ocurre en 4 fases:

1. Unión de dos iones Na+ a la cara externa del transportador, lo que produce un cambio conformacional que permite el acoplamiento de 1 molécula de glucosa o galactosa.

2. Transferencia del Na+ y del monosacárido hacia la cara citoplasmática del transportador gracias a un segundo cambio conformacional ocasionado por la glucosa y que involucra la rotación y el re-arreglo de la estructura α-helicoidal del SGLT-1.

3. Una vez en la cara interna del transportador, la glucosa se disocia del mismo y pasa al citosol para luego expulsar los 2 iones Na+, restituyendo al transportador a su forma libre de ligando. La baja afinidad del sitio de unión intracelular por la glucosa y el sodio, junto con la baja concentración de intracelular de Na+ en comparación con la extracelular y luminal (5-10 meq vs. 140-145 meq) promueve esta disociación, permitiendo que el proceso de transporte ocurra 1.000 veces por segundo a 37 ºC.

4. Finalmente, ocurre un cambio de conformación que permite la fijación de otra molécula de glucosa y 2 Na+ en el lado extracelular

TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO La bomba de sodio/potasio

mantiene una importante diferencia de concentración de Na+ a través de la membrana. Por consiguiente, estos iones tienen tendencia a entrar de la célula a través de los poros y esta energía potencial es aprovechada para que otras moléculas, como la glucosa y los aminoácidos, puedan cruzar la membrana en contra de un gradiente de concentración. Cuando la glucosa cruza la membrana en el mismo sentido que el Na+, el proceso se llama Symporte o cotransporte ; cuando los hacen en sentido contrario, el proceso se llama Antiporte o contratransporte

Y…..DONDE ESTA LO ACTIVO? Básicamente, un gradiente de concentración de una molécula

actúa como una fuente de energía (una batería) para conducir el movimiento de la otra.

Si no hubiera membrana, o si la membrana fuera completamente permeable, esta batería no funcionaria.

El bombeo de gradientes

Las membranas biológicas reales son semipermeables, por lo tanto pueden ser utilizadas para almacenar y disponer de la energía. El movimiento de moléculas diferentes a través de ellas es diferente, debido a que las proteínas de transporte están presentes y activas.

Sin la adición constante de energía, la energía almacenada en los gradientes de concentración a través de una membrana se disipará con el tiempo. Generar y mantener gradientes de concentración requiere el gasto de energía.

Las moléculas que utilizan directamente la energía para generar o mantener gradientes de concentración se conocen como bombas. Estas son máquinas complejas de proteínas. 

No toda esta energía se utiliza para modificar la estructura de la proteína de la bomba, lo que conduce a un cambio en la estructura de la proteína y el bombeo de moléculas a través de la membrana (Ain a Aout).    El ciclo de los cambios impulsados por la energía en la estructura de la proteína se junta con el proceso de mover moléculas a través de la membrana. Parte de esta energía se libera cuando la proteína de la bomba "se relaja" de nuevo a su estructura original.

La diferencia entre las dos energías de enlace está disponible para hacer el trabajo.

Si la energía que no se captura se pierde como calor. De hecho, algunos organismos se mantienen calientes por "desgaste" de energía, que hidroliza ATP (ATP + H2O → ADP + Pi) sin utilizar la energía liberada.

TRANSPORTE GRUESOAlgunas sustancias más grandes como polisacáridos, proteínas y otras células cruzan las membranas plasmáticas mediante varios tipos de transporte grueso

ENDOCITOSIS Es el proceso mediante el cual la sustancia es

transportada al interior de la célula a través de la membrana. Se conocen tres tipos de endocitosis:

Fagocitosis: en este proceso, la célula crea una proyección de la membrana y el citosol llamadas pseudopodos que rodean la partícula sólida. Una vez rodeada, los pseudopodos se fusionan formando una vesícula alrededor de la partícula llamada vesícula fagocítica o fagosoma. El material sólido dentro de la vesícula es seguidamente digerido por enzimas liberadas por los lisosomas. Los glóbulos blancos constituyen el ejemplo más notable de células que fagocitan bacterias y otras sustancias extrañas como mecanismo de defensa

Pinocitosis: en este proceso, la sustancia a transportar es una gota o vesícula de líquido extracelular. En este caso, no se forman pseudópodos, sino que la membrana se repliega creando una vesícula pinocítica. Una vez que el contenido de la vesícula ha sido procesado, la membrana de la vesícula vuelve a la superficie de la célula.De esta forma hay un tráfico constante de membranas entre la superficie de la célula y su interior.

ENDOCITOSIS MEDIANTE UN RECEPTOR

Este es un proceso similar a la pinocitosis, con la salvedad que la invaginación de la membrana sólo tiene lugar cuando una determinada molécula, llamada ligando, se une al receptor existente en la membrana.

Una vez formada la vesícula endocítica está se une a otras vesículas para formar una estructura mayor llamada endosoma. Dentro del endosoma se produce la separación del ligando y del receptor: Los receptores son separados y devueltos a la membrana, mientras que el ligando se fusiona con un liposoma siendo digerido por las enzimas de este último.

Aunque este mecanismo es muy específico, a veces moléculas extrañas utilizan los receptores para penetrar en el interior de la célula. Así, el HIV (virus de la inmunodeficiencia adquirida) entra en las células de los linfocitos uniéndose a unas glicoproteínas llamadas CD4 que están presentes en la membrana de los mismos.

FIJACIÓN DEL VIH A UNA CÉLULA CD4+ El dominio externo de la gp120

se une al antígeno CD4. Esto lleva a un cambio conformacional en la gp120 y así se expone un sitio de unión de un coreceptor. Esta región de la gp120 se une al receptor de quimiocina. Esta unión provoca otro cambio conformacional de modo que las regiones de la proteína gp41 del VIH interactúe para formar un dominio de fusión que permita que las membranas viral y celular se unan. Como resultado el núcleo viral entra al citoplasma.

VESÍCULAS ENDOCÍTICAS Las vesículas endocíticas se originan

en dos áreas específicas de la membrana: Los "hoyos recubiertos" ("coated

pits") son invaginaciones de la membrana donde se encuentran los receptores

Los caveólos son invaginaciones tapizadas por una proteína especializada llamada caveolina, y parece que juegan diversos papeles:

La superficie de los cavéolos dispone de receptores que pueden concentrar sustancias del medio extracelular

Se utilizan para transportar material desde el exterior de la célula hasta el interior mediante un proceso llamado transcitosis. Esto ocurre, por ejemplo, en las células planas endoteliales que tapizan los capilares sanguíneos.

Están implicados en el proceso de envío de señales intracelulares: la unión de un ligando a los receptores de los caveólos pone en marcha un mecanismo intracelular de envío de señales

EXOCITOSIS

Durante la exocitosis, la membrana de la vesícula secretora se fusiona con la membrana celular liberando el contenido de la misma. Por este mecanismo las células liberan hormonas (p.ej. la insulina), enzimas (p.ej. las enzimas digestivas) o neurotransmisores imprescindibles para la transmisión nerviosa.