3) TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANA
La membrana celular, lejos de aislar a la
célula, tiene como una de sus funciones más importantes comunicarla con el
exterior. Y gracias a esta comunicación pueden entrar y salir moléculas de la
célula a través de la membrana; de esta forma la célula puede alimentarse, mantener
su equilibrio osmótico y captar o enviar señales, entre otras cosas. Para que pueda darse un tránsito de moléculas,
es requisito imprescindible que la célula cuente con mecanismos de transporte,
no solo en la membrana plasmática sino también en las membranas que delimitan
los orgánulos. En este apartado describiremos los distintos mecanismos.
Para establecer nuestra clasificación de las
distintas formas de realizar el transporte a través de la membrana, atendemos a
dos aspectos: El requerimiento de energía y la mediación de proteínas
transportadoras.
En cuanto a la intervención de proteínas
transportadoras, podemos hablar de "difusión simple" o de
"difusión facilitada ": Hay algunas moléculas lo suficientemente
pequeñas como para atravesar la bicapa lipídica sin necesidad de la mediación
de ninguna proteína transportadora, de ahí que este tipo de transporte se
denomine difusión simple. Esto se cumple para las pequeñas moléculas no
cargadas, moléculas hidrofóbicas pequeñas (como el benceno), los gases (como el
CO2 y el O2) y moléculas polares de pequeño tamaño como el H2O y el etanol. Por
el contrario, las moléculas polares de mayor tamaño como la glucosa o los
aminoácidos, y todas las moléculas cargadas e iones (por nombrar algunos de
mayor importancia, K, Na, Ca, Cl, o protones) no pueden atravesar la membrana
de la misma forma: Para que estas moléculas atraviesen la membrana se requiere
de la mediación de proteínas de transporte, proteínas que impiden la
interacción directa entre dichas moléculas y la bicapa lipídica. Este tipo de
transporte se denomina "difusión facilitada", en el cual intervienen
distintos tipos de proteínas de membrana, a saber permeasas, bombas y canales
iónicos, cuyas diferencias explicaremos más adelante. Pero como hemos dicho, el
otro aspecto del transporte de membrana al que debemos atender es el
requerimiento de energía: Para que determinadas moléculas atraviesen la bicapa
es necesario proporcionar una energía, mientras que otras pueden difundir por la
membrana sin necesidad de ella. Así distinguimos entre transporte activo, que
es con gasto de energía, y transporte pasivo, aquel que no necesita de energía
para llevarse a cabo puesto que es a favor de gradiente.
Las pequeñas moléculas que atraviesan la
membrana por difusión simple lo hacen por transporte pasivo, sin gasto de
energía; sencillamente lo que hacen es disolverse en la bicapa lipídica,
difundir a través de ella y así pasar al otro lado, disolviéndose en el medio
acuoso que está al otro lado. No es
necesario aportar ninguna energía no solo porque las moléculas sean de pequeño
tamaño, sino principalmente porque dicho transporte es a favor del gradiente de
concentración, esto es, las moléculas atraviesan la bicapa desde el lado más
concentrado al menos concentrado, por ósmosis, a fin de igualar las
concentraciones a ambos lados.
Por otra parte, para el transporte pasivo de
las moléculas cargadas como iones y protones, las membranas cuentan con un tipo
de complejos proteicos especiales, los canales iónicos. Estos complejos, que
son un tipo de proteínas en canal (el otro son las acuoporinas) son necesarios
para que las moléculas cargadas puedan ser transportadas, ya que de otra forma,
a pesar de ser moléculas de pequeño tamaño, dado que presentan carga no podrían
atravesar la membrana por difusión simple, debido a las interacciones que se
generan. Los canales iónicos tienen
varias regiones. Aunque el número de dominios transmembranosos varíe según el
tipo de canal, todos se caracterizan por tener dos o más proteínas en
estructura de α hélice y un canal por el que
discurren los iones a gran velocidad, dándose un transporte pasivo (sin gasto
de energía) por difusión facilitada (ya que interviene una proteína de membrana
para transportar los iones) Todos los canales iónicos se caracterizan también
por su especifidad: Cada canal es exclusivo de un único ión. En su defecto,
pueden dejar pasar a su través algún ión parecido; por ejemplo, el canal del Na
puede ser atravesado por litio, que es un ión de igual carga y tamaño parecido
al sodio. Los canales iónicos no siempre dejan pasar a los iones. Esto se debe
a que los canales son regulados por ciertos mecanismos para funcionar cuando
sea necesario y estar cerrados cuando tengan que estarlo (para ello tienen como
una especie de tapadera). Dependiendo de qué canal se trate, estará regulado
por uno u otro mecanismo. De esta forma podemos clasificar los canales iónicos,
en función de cuál sea el mecanismo que los regule. Así tenemos canales
regulados por ligando, por estrés mecánico, o regulados por voltaje:
·
En los canales regulados por ligando la apertura y el cierre de éstos
depende de la unión de una determinada molécula a cierta región del canal. En
unos casos dicha molécula proviene de un lado de la membrana y en otros es
recibida desde el otro lado. Un ejemplo
de ligando es el glutamato, que se une al canal de sodio para que los iones de Na
puedan atravesar dicho canal, y se retira cuando el canal debe cerrarse,
impidiendo el paso a los iones. En muchos casos los ligandos son
neurotransmisores.
·
En los canales regulados por estrés mecánico, un ejemplo de fuerza
mecánica que los regula es el sonido, en los canales de las membranas de los
estereocitos del oído, que hace que se abran los canales de K y Na y pueda así
enviarse una onda al cerebro.
·
Los canales regulados por voltaje se abren y cierran según las
variaciones de iones a un lado y a otro de la membrana de la cual forman parte.
Estos canales se encuentran en células eléctricamente excitables. Un ejemplo
son las células musculares.
Un tipo especial de canales proteicos son las
acuoporinas. Estos canales, que dejan pasar agua a su través, son clasificados
en 13 tipos, nombrados del 0 al 12(Ej.: AQP 8, AQP9…), que únicamente se
diferencian en su localización tisular, ya que en cuanto a su estructura todas
son semejantes: Un tetrámero, del cual cada subunidad está formada por 6
proteínas en α-hélice, y un bucle de selectividad.
Por poner algunos ejemplos, la AQP0 se descubrió en el ojo, y la AQP2 se
encontró en el riñón.
También hay permeasas que transportan moléculas por
transporte pasivo (a favor de gradiente y sin gasto de energía).
El transporte de moléculas mediante proteínas
en canal, tanto con los canales iónicos como para las acuoporinas, es bastante
rápido. A través de un canal pueden pasar 5x10^8 moléculas por segundo.
Hay permeasas que realizan el transporte
pasivo (sin gasto de energía y a favor de gradiente). Las permeasas o proteínas
transportadoras funcionan de la siguiente manera: Tienen dos conformaciones
distintas, la primera es llamada E1, la segunda E2. En un principio la permeasa
se encuentra en E1, y cuando se le une la molécula que va a transportar sufre
un cambio conformacional y pasa a E2. La molécula que se le une lo hace por
complementariedad estérica, esto es, la permeasa tiene un punto de unión que
encaja con una determinada molécula, y por tanto es específica, porque sólo
pueden unirse determinadas moléculas. Tras esta unión, la permeasa
"flipa" (cambio conformacional) y el punto de unión de la molécula en
cuestión pasa al otro lado. Después, orientada ya al otro lado, la permeasa
libera la molécula. Así, la molécula ha pasado de un lado a otro de la
membrana. Ahora bien, este funcionamiento es el mismo tanto si se trata de una
permeasa que funciona por transporte activo utilizando el gradiente que genera
una segunda molécula, como si la permeasa funciona por transporte pasivo sin
gasto de energía. Y es que hay permeasas que funcionan por transporte pasivo,
pero también las hay que realizan un transporte activo. Un ejemplo de permeasa
que funcione sin necesidad de energía es el transportador pasivo de la glucosa.
El transporte activo es el que tiene lugar
mediante algunas proteínas transportadoras o permeasas (carriers, en inglés) y
las bombas, utilizando al energía de una reacción acoplada. Obviamente, el
transporte activo siempre es por difusión facilitada, ya que para obtener la
energía necesaria para trasladar las moléculas de un lado a otro de la membrana
es necesario la intervención de proteínas especializadas para ello. El
requerimiento de energía se debe a que las moléculas van a transportarse en
contra de su gradiente, lo cual no puede suceder si no es con un aporte de energía.
Las moléculas tienden a atravesar una membrana en la dirección energéticamente
favorable, desde donde estén más concentradas hacia donde menos. Para que
suceda lo contrario, habrá que suministrar una energía que compense ese
gradiente desfavorable. Y como decíamos, dicha energía puede obtenerse de dos
maneras distintas: Mediante la hidrólisis del ATP, que es lo que hacen las
bombas, o aprovechando el gradiente generado por una segunda molécula, cosa que
hacen algunas permeasas. Según esto, establecemos dos denominaciones: Si la
proteína de membrana funciona con ATP, se trata de transporte activo
"primario", mientras que el otro caso es transporte activo
"secundario". A continuación explicamos ambos procesos con más
detalle:
Las permeasas que funcionan por transporte
activo, como ya hemos indicado antes, son de estructura y funcionamiento
similar al de las que transportan moléculas pasivamente, con la salvedad de que
estas últimas no utilizan energía y las que realizan transporte activo recogen
la energía generada por el paso de una segunda molécula para poder cambiar su
conformación. El transporte activo que realizan las permeasas utilizando esta
energía se denomina "transporte activo secundario"
Podemos clasificar las permeasas en función
de si transportan un único tipo de molécula o varias; es en el segundo caso cuando se trata de
transporte activo, que pueden hacerlo en la misma dirección o transportar cada
una en una dirección, dependiendo del tipo de permeasa.
·
Si la permeasa sólo se encarga de transportar un único tipo de
molécula se dice que es uniporte, y por ello tiene un único punto de unión, que
sólo puede dar cabida a la molécula correspondiente, por complementariedad
estérica. Un ejemplo es el ya nombrado transportador pasivo de la glucosa.
·
Si la proteína transportadora tiene distintos puntos de unión es
porque es utilizada para transportar dos tipos distintos de moléculas. Este
tipo de transporte se denomina cotransporte, y se trata de transporte activo. A
su vez, el cotransporte puede ser de dos tipos: Si las dos moléculas son
recogidas a un mismo lado de la membrana y trasladadas al otro, se trata de
"simporte". Si en cambio las dos moléculas son trasladadas en sentido
contrario, es decir, una entra y otra sale, hablamos de "antiporte".
Por ejemplo: La glucosa no sólo se transporta pasivamente, sino que también
puede ser transportada en contra de su gradiente de concentración, como sucede
en las células epiteliales del intestino. Estas proteínas transportadoras
introducen glucosa al interior celular mediante cotransporte simporte: Al mismo
tiempo que transportan sodio al interior celular a favor de gradiente,
introducen 1 molécula de glucosa aprovechando el tránsito de 2 moléculas de Na.
Por el contrario, el antiporte consiste en el transporte de una molécula en
contra del gradiente en una dirección aprovechando el paso de otra molécula a
favor de gradiente en dirección contraria. Dos ejemplos de permeasas que
funcione por cotransporte antiporte son la proteína de intercambio Na-H, que
exporta el exceso de protones producidos por el metabolismo al exterior
(evitando así la acidificación del citoplasma) e introduce Na al interior; y
también la permeasa simporte de Na -Ca, que transporta Na al interior y Ca al
exterior. En estos dos casos, el Na se transporta en la dirección
energéticamente favorable, y aprovechando este tránsito de Na, se expulsa H y
Ca (respectivamente) en contra del gradiente.
Las bombas, como ya hemos dicho, son un tipo
de proteínas de membrana que funcionan con ATP. Son mal llamadas
"ATPasas", puesto que no son ellas mismas las que hidrolizan ATP. Hay
varios tipos, en la mayoría de los cuales el ATP desempeña el papel de fuente
de energía; pero hay un tipo de bombas que no consumen ATP sino que lo
sintetizan. Estos son los tipos de bombas:
·
Bombas tipo P. Su estructura cuenta con 2
subunidades α catalíticas y 2 β reguladoras. La energía desprendida de la
hidrólisis de ATP se emplea para el transporte de moléculas. Para ilustrar este
mecanismo pondremos el ejemplo de la bomba sodio-potasio: Esta bomba introduce
al interior celular moléculas de K y expulsa fuera iones de Na. Ambas moléculas
se transportan en contra de sus gradientes, ya que el exterior celular es de
por sí más concentrado en Na que el citoplasma, y el interior celular es más
concentrado en K. Estructuralmente la bomba es similar a una permeasa
antiporte, con la salvedad de que tiene un punto de unión al ATP. En primer
lugar, 3 moléculas de Na se unen a los puntos de unión de la bomba que les
corresponden, y esta interacción entre la bomba y las moléculas de Na estimula
la hidrólisis de una molécula de ATP que se une a la bomba por el punto de
unión al ATP. La energía liberada de esta reacción es empleada por la bomba
para cambiar su configuración y flipar (tal como haría una proteína
transportadora o permeasa, solo que la permeasa flipa sin utilizar energía,
porque está transportando a favor de gradiente), de forma que ahora los puntos
de unión de los Na, junto con los propios Na, quedan expuestos al exterior
celular. Este cambio conformacional hace que las 3 moléculas de Na pierdan
afinidad por sus puntos de unión y por tanto se suelten y queden liberadas al
exterior. Además de los 3 puntos de unión al Na, también los dos puntos de
unión de K han quedado expuestos al exterior. Entonces, cuando llegan dos
moléculas de K y se unen a los puntos de unión correspondientes, esta unión
estimula la hidrólisis del grupo fosfato que había quedado unido a la bomba
tras la hidrólisis del ATP, y esto hace que la bomba vuelva a cambiar su
conformación y exponga los puntos de unión con los K al citosol. Tras este
segundo cambio conformacional con el que se retorna a la posición inicial, los
puntos de unión al K pierden afinidad por las dos moléculas y entonces los 2
potasios quedan liberados al interior celular. Así, para realizar todo este
proceso, la bomba a consumido una molécula de ATP.
·
Bombas tipo V. Se encuentran en las membranas
del compartimento endosomal, y su función es transportar protones al interior
de dicho compartimento para que éste tenga un PH ácido y pueda cumplir con sus
funciones de degradación. Las bombas V cuentan con una región V0 que actúa de
canal a través del cual transitan los protones hacia el interior del endosoma,
y un dominio citoplasmático V1 en el que se encuentra el punto de unión al ATP
y que cuenta con 8 subunidades. El ATP, que viene del citoplasma, se une al
punto de unión en el dominio V1 y es hidrolizado, y la energía que se obtiene
se emplea para bombear protones hacia el interior del endosoma contra
gradiente, hasta que se consigue el PH deseado en el interior. Este tipo de
bombas se encuentran también en las vacuolas.
·
Bombas tipo F. Estas bombas basan su
funcionamiento en el mismo principio que hace funcionar a las de tipo V, solo
que actúan de forma contraria. Mientras que las V se sirven del ATP para
generar un gradiente de protones, las de tipo F aprovechan un flujo de protones
para generar ATP con la energía desprendida en ese tránsito. Se encuentran en
la membrana interna de mitocondrias y cloroplastos. En cuanto a su estructura
cuentan con una subunidad F0 que es la zona transmembrana y sirve de canal, y un
dominio F1 en el que se sintetiza ATP a partir de ADP.
·
Transportadores ABC. Este tipo de transportadores,
que cuentan con 2 dominios citosólicos y 2 dominios transmembranosos, componen
la familia más amplia de transportadores de membrana. Mientras que en bacterias
la mayoría se utilizan para incluir al interior celular numerosas moléculas
necesarias para la nutrición de la célula, en eucariotas se utilizan únicamente
para expulsar sustancias extrañas fuera de la célula. En ambos casos su
funcionamiento se basa en la hidrólisis del ATP: La molécula que va a ser
expulsada es enviada a la membrana y, una vez allí, difunde hasta la cámara del
transportador. Es entonces cuando el transportador utiliza la energía para
traspasar la molécula al otro lado de la membrana, donde es liberada. Un
ejemplo de transportador ABC es el MDR (Multidrogue resistence). Este
transportador es el responsable de que en muchos casos los tratamientos médicos
no sean efectivos, porque las drogas lipofílicas son continuamente expulsadas
de las células por este transportador, que expulsa todo tipo de sustancias
lipofílicas. Para solucionar dicho problema y conseguir que la quimioterapia
funcione (aunque no siempre se consigue) se suministra un conjunto de numerosos
medicamentos juntos para que, al reaccionar entre ellos, el transportador ABC
no les expulse.
Otros
conceptos:
Equilibrio hosmótico: La célula tienen mayor
concentración que el medio que la rodea. Por ello, el agua tiende a entrar en
la célula por ósmosis, y si no hubiese nada que compensase, la célula se
llenaría de agua hasta explotar. Por ello es necesario compensarlo de alguna
forma. La solución es crear un gradiente, una diferencia de potencial a los dos
lados de la membrana plasmática, lo cual se consigue logrando distinta
concentración de iones a un lado u a otro: Utilizando las bombas, mediante el
transporte activo, se transportan distintos iones en contra del gradiente, de
forma que al exterior celular resulte una mayor concentración de Cl y de Na
respecto del citosol, mientras que en el interior celular hay mayor
concentración de K. Esta diferencia de concentración de iones, conseguida
gracias a la bomba sodio-potasio y a la bomba de cloro, se traduce en una
diferencia de potencial en la membrana que hace que el medio acuoso que rodea
la célula no entre por ósmosis.
Hasta ahora hemos hablado del transporte de
pequeñas moléculas, tanto en la membrana plasmática como a nivel de membranas de orgánulos. Pero también se da un transporte
de macromoléculas, a través de la membrana plasmática tanto hacia el interior
celular como desde el citoplasma hacia el exterior. Cuando las macromoléculas
son introducidas desde fuera hacia el citoplasma hablamos de endocitosis,
mientras que en el caso de que las macromoléculas sean enviadas al exterior se
trata de exocitosis:
La endocitosis puede ser de 3 tipos:
Fagocitosis, pinocitosis y endocitosis mediada por receptor.
·
En procariotas la fagocitosis es el mecanismo que utilizan para
alimentarse, mientras que en animales superiores es utilizada como método de
defensa frente a moléculas tóxicas, bacterias y otros microorganismos, pero
también para deshacerse de células infectadas, muertas o degeneradas. Las
células encargadas de realizarlo son células específicas sanguíneas tales como
neutrófilos, monocitos y eosinófilos, y también por macrófagos, células
fagocíticas que tienen su origen en la sangre y que han emigrado a los tejidos.
La fagocitosis se lleva a cabo de la siguiente manera: Cuando la molécula que
va a ser fagocitada entra en contacto con la membrana de la célula fagocítica,
ésta dispara la extensión de seudópodos (proyecciones citoplasmáticas) que
rodean a la macromolécula y que se cierran sobre ella formando una vesícula
denominada "fagosoma", la cual contiene ahora la macromolécula
fagocitada y puede dirigirse a un lisosoma y fusionarse con él, dando lugar a
un fagolisosoma, que se encargará luego de degradar la macromolécula en
cuestión.
·
La pinocitosis es como la acción de "beber" para las
células. Es un proceso constitutivo (esto es, realizado por todas las células y
durante toda su vida) por el cual la célula incluye mediante pequeñas vesículas
pequeños sólidos y líquidos a su citoplasma.
·
La endocitosis mediada por receptor también es constitutiva, pero se
da únicamente en las zonas de la membrana plasmática en las que haya un
revestimiento de clatrina (por la cara citosólica). La clatrina está compuesta
por 36 trisqueliones, monómeros formados por 3 cadenas pesadas y 3 ligeras. Para
explicar este procedimiento, tomaremos como ejemplo el proceso de endocitosis
de moléculas LDL (low density lipoprotein) que es la forma en la que el
colesterol se encuentra disuelto en sangre: En primer lugar, llegan las partículas
LDL a una zona de la membrana con revestimiento de clatrina y se unen a los
receptores de membrana que allí se encuentran. Dichos receptores son proteínas
intermembranosas. Cuando esto sucede, llegan unas proteínas adaptadoras, las
AP2, que se unen a los receptores, los cuales están ahora unidos cada uno a un
ligando, refiriéndonos por "ligando" a cualquier partícula que se une
a un receptor, que en nuestro caso se trata de una partícula LDL. Las proteínas
adaptadoras son necesarias puesto que la clatrina no es capaz de reconocer la
carga que debe llevar. El siguiente paso
es la formación de la vesícula: La membrana se invagina por la zona en la que
está teniendo lugar el proceso, y para que la vesícula termine de escindirse y
liberarse de la membrana, interviene entonces la dinamina, proteína de unión a
GTP que polimeriza alrededor del anillo (la zona que une la vesícula en
formación con la membrana plasmática) y entonces provoca la escisión de la
vesícula mediante la estrangulación. La vesícula ya liberada al citosol se
dirige al compartimento endosomal. Antes de fusionarse con la membrana del
endosoma tardío, pierde el revestimiento de clatrina durante el trayecto.
Cuando se fusiona la vesícula con la membrana del endosoma tardío, habiendo perdido
previamente el revestimiento de clatrina durante el trayecto y quedando desnuda,
el contenido de la vesícula es tratado por las enzimas del endosoma. De esta
forma los ligandos y los receptores, que se encontraban unidos, ahora se
separan. Los receptores se envían de regreso a la membrana plasmática para su
reciclaje, mientras que los ligandos se quedan en el endosoma. Cuando el
endosoma tardío pasa a lisosoma, las hidrolasas ácidas degradarán las LDL en ácidos
grasos y colesterol, el cual ya puede ser utilizado por la célula.
La exocitosis consiste en la expulsión de
macromoléculas desde el citosol hacia el exterior de la célula mediante
vesículas. Es pues el proceso inverso a la endocitosis: La macromolécula es
transportada hasta la membrana plasmática en el interior de una vesícula, la
cual se fusiona con la membrana plasmática y la macromolécula queda así
liberada al exterior.
Hay exocitosis constitutiva, pero también la
hay regulada. En el caso de la exocitosis regulada determinadas sustancias son
secretadas únicamente cuando la célula recibe la orden para ello, tratándose
entonces de células especializadas, secretoras.
