3) Transporte a través de la membrana

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.