En los canales de compuerta de nucleótido, como su nombre los indica la molécula de señal es un nucleótido (p. ej., AMP cíclico en los receptores olfatorios y GMP cíclico en los bastoncillos de la retina) que se fija en un sitio de la compuerta y, al alterar la configuración del complejo proteínico de ésta, permite el flujo de un ion particular a través del canal iónico.
CANALES DE COMPUERTA MECANICA. En los canales de compuerta mecánica se requiere una manipulación física real para abrir la compuerta. Un ejemplo es el de las células ciliadas del oído interno. Estas células, localizadas sobre la membrana basilar, poseen estereocilios embebidos en una matriz que se conoce como membrana tectorial. El movimiento de la membrana basilar hace que cambie las posiciones de la superficie de las células ciliadas, y como consecuencia se doblan los estereocilios. Esta deformación física abre a los canales de compuerta mecánica de los estereocilios localizados en el oído interno, y permite la entrada de cationes en la célula, con lo que se despolariza. Este acontecimiento genera impulsos que el cerebro interpreta como sonidos.
CANALES IONICOS DE COMPUERTA DE PROTEINA G. Ciertos canales iónicos de compuerta (p. ej., receptores muscarínicos de acetilcolina de las células de músculo cardiaco) requieren de la interacción entre una molécula receptora y un complejo de proteína G (que se describe en la pág. 20) con activación resultante de esta última proteína. La proteína G activada entra en seguida en interacción con la compuerta del canal iónico, y la abre para que estos últimos puedan lograr acceso al canal y atravesarlo.
CANALES SIN COMPUERTA. La forma más frecuente de canal sin compuerta es el canal de fuga K+, que permite el paso de K+ y es de importancia enorme para la creación de una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre los dos lados de la membrana celular. Como este canal no tiene compuerta, el tránsito de iones K+ no se encuentran bajo el control de la célula; más bien la dirección del movimiento de los iones refleja su concentración en ambos lados de la membrana.
Proteínas transportadoras
Las proteínas transportadoras son proteínas de transporte de paso múltiple por la membrana que posee sitios de fijación para iones o moléculas específicos en ambos lados de la bicapa lipídica. Cuando un soluto se integra en su sitio de fijación, la proteína transportadora experimenta cambios de configuración reversibles; al descargarse la molécula sobre el lado de la membrana, la proteína transportadora recupera su configuración previa. Como se señaló con anterioridad, el transporte de estas proteínas puede ser pasivo, a lo largo de un gradiente de concentración electroquímico, o activo, contra un gradiente. El transporte puede ser uniporte, o sea que pasa una sola molécula en una dirección, o acoplado, lo que significa que se mueven en la misma dirección (simporte) o en la opuesta (antiporte) dos moléculas diferentes (fig. 2-11e). Los transportadores acoplados conducen a los solutos de manera simultánea o de manera secuencial.
TRANSPORTE ACTIVO PRIMARIO POR LA BOMBA SODIO/POTASIO. En condiciones normales, la concentración de Na+ es mucho mayor fuera de la célula que en el interior, y la concentración de K+ es mucho mayor en el interior que en el exterior de la célula. La célula conserva esta concentración diferencial al gastar ATP para impulsar a una proteína transportadora antiporte acoplada, conocida comobomba de Na+/K+. Esta bomba transporta iones de K+ hacia el interior de la célula y iones de Na+ hacia el exterior, en cada caso contra un gradiente de concentración muy pronunciado. Como este diferencial de concentración es esencial para la supervivencia y el funcionamiento normal de prácticamente todas las células animales, la membrana plasmática de todas estas células posee un gran número de estas bombas.
La bomba de Na+/K+ posee dos sitios de fijación para el K+ en su posición externa, y tres sitios de fijación para el Na+ sobre su superficie citoplásmica; por tanto, por cada dos iones de K+ que se introducen en la célula, se transportan hacia el exterior tres de sodio.
Se ha demostrado que la ATPasa de Na+/K+ está relacionada con la bomba de Na+/K+. Cuando se fijan sobre la superficie citosólica de la bomba tres iones de Na+, el ATP se hidroliza hasta ADP y el ion fosfato descargado se emplea para fosforilar a la ATPasa, lo que da por resultado alteración de la configuración de la bomba, con transferencia consecuente de iones de Na+ hacia el exterior de la célula. La fijación de dos iones de K+ sobre la porción externa de la bomba produce desfosforilación de la ATPasa con retorno consecuente de la proteína transportadora a su configuración previa, lo que da por resultado transferencia de los iones de K+ hacia el interior de la célula.
La operación constante de esta bomba produce la concentración intracelular de iones que da por resultado disminución de la presión osmótica intracelular. Si la presión osmótica dentro de la célula no se redujera por la acción de la bomba de Na+/K+, entraría el agua en ella en grandes cantidades, lo que la haría hincharse y, por último, sucumbir a la lisis osmótica (es decir, estallaría). De aquí que, por medio de la operación de esta bomba, la célula sea capaz de regular su osmolaridad y, en consecuencia, su volumen. De esta manera adicional, esta bomba ayuda a los canales de fuga de K+ en la conservación del potencial de la membrana celular.
Como los sitios de fijación situados sobre la porción externa de la bomba fijan no sólo al K+ sino también al glucósico ouabaína, este glucósido inhibe a la bomba de sodio potasio.
Dentro de la familia de proteínas transportadoras presentes en el plasma sanguíneo se encuentran la albúmina, la alfa-fetoproteína, la proteína de unión a vitamina D y la afamina. La prealbúmina también tiene capacidad de transportar otras sustancias. La alfa-fetoproteína (AFP), también conocida como alfa-fetoglobulina, es una proteína plasmática fetal que une diversos cationes, ácidos grasos y bilirrubina. La proteína de unión a vitamina D (VDB), que también recibe el nombre de Gc-globulina, une vitamina D y sus metabolitos, así como ácidos grasos. La Afamina (o alfa-albúmina) es una proteína cuyo papel bioquímico todavía no está bien caracterizado.
CANALES DE COMPUERTA MECANICA. En los canales de compuerta mecánica se requiere una manipulación física real para abrir la compuerta. Un ejemplo es el de las células ciliadas del oído interno. Estas células, localizadas sobre la membrana basilar, poseen estereocilios embebidos en una matriz que se conoce como membrana tectorial. El movimiento de la membrana basilar hace que cambie las posiciones de la superficie de las células ciliadas, y como consecuencia se doblan los estereocilios. Esta deformación física abre a los canales de compuerta mecánica de los estereocilios localizados en el oído interno, y permite la entrada de cationes en la célula, con lo que se despolariza. Este acontecimiento genera impulsos que el cerebro interpreta como sonidos.
CANALES IONICOS DE COMPUERTA DE PROTEINA G. Ciertos canales iónicos de compuerta (p. ej., receptores muscarínicos de acetilcolina de las células de músculo cardiaco) requieren de la interacción entre una molécula receptora y un complejo de proteína G (que se describe en la pág. 20) con activación resultante de esta última proteína. La proteína G activada entra en seguida en interacción con la compuerta del canal iónico, y la abre para que estos últimos puedan lograr acceso al canal y atravesarlo.
CANALES SIN COMPUERTA. La forma más frecuente de canal sin compuerta es el canal de fuga K+, que permite el paso de K+ y es de importancia enorme para la creación de una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre los dos lados de la membrana celular. Como este canal no tiene compuerta, el tránsito de iones K+ no se encuentran bajo el control de la célula; más bien la dirección del movimiento de los iones refleja su concentración en ambos lados de la membrana.
Proteínas transportadoras
Las proteínas transportadoras son proteínas de transporte de paso múltiple por la membrana que posee sitios de fijación para iones o moléculas específicos en ambos lados de la bicapa lipídica. Cuando un soluto se integra en su sitio de fijación, la proteína transportadora experimenta cambios de configuración reversibles; al descargarse la molécula sobre el lado de la membrana, la proteína transportadora recupera su configuración previa. Como se señaló con anterioridad, el transporte de estas proteínas puede ser pasivo, a lo largo de un gradiente de concentración electroquímico, o activo, contra un gradiente. El transporte puede ser uniporte, o sea que pasa una sola molécula en una dirección, o acoplado, lo que significa que se mueven en la misma dirección (simporte) o en la opuesta (antiporte) dos moléculas diferentes (fig. 2-11e). Los transportadores acoplados conducen a los solutos de manera simultánea o de manera secuencial.
TRANSPORTE ACTIVO PRIMARIO POR LA BOMBA SODIO/POTASIO. En condiciones normales, la concentración de Na+ es mucho mayor fuera de la célula que en el interior, y la concentración de K+ es mucho mayor en el interior que en el exterior de la célula. La célula conserva esta concentración diferencial al gastar ATP para impulsar a una proteína transportadora antiporte acoplada, conocida comobomba de Na+/K+. Esta bomba transporta iones de K+ hacia el interior de la célula y iones de Na+ hacia el exterior, en cada caso contra un gradiente de concentración muy pronunciado. Como este diferencial de concentración es esencial para la supervivencia y el funcionamiento normal de prácticamente todas las células animales, la membrana plasmática de todas estas células posee un gran número de estas bombas.
La bomba de Na+/K+ posee dos sitios de fijación para el K+ en su posición externa, y tres sitios de fijación para el Na+ sobre su superficie citoplásmica; por tanto, por cada dos iones de K+ que se introducen en la célula, se transportan hacia el exterior tres de sodio.
Se ha demostrado que la ATPasa de Na+/K+ está relacionada con la bomba de Na+/K+. Cuando se fijan sobre la superficie citosólica de la bomba tres iones de Na+, el ATP se hidroliza hasta ADP y el ion fosfato descargado se emplea para fosforilar a la ATPasa, lo que da por resultado alteración de la configuración de la bomba, con transferencia consecuente de iones de Na+ hacia el exterior de la célula. La fijación de dos iones de K+ sobre la porción externa de la bomba produce desfosforilación de la ATPasa con retorno consecuente de la proteína transportadora a su configuración previa, lo que da por resultado transferencia de los iones de K+ hacia el interior de la célula.
La operación constante de esta bomba produce la concentración intracelular de iones que da por resultado disminución de la presión osmótica intracelular. Si la presión osmótica dentro de la célula no se redujera por la acción de la bomba de Na+/K+, entraría el agua en ella en grandes cantidades, lo que la haría hincharse y, por último, sucumbir a la lisis osmótica (es decir, estallaría). De aquí que, por medio de la operación de esta bomba, la célula sea capaz de regular su osmolaridad y, en consecuencia, su volumen. De esta manera adicional, esta bomba ayuda a los canales de fuga de K+ en la conservación del potencial de la membrana celular.
Como los sitios de fijación situados sobre la porción externa de la bomba fijan no sólo al K+ sino también al glucósico ouabaína, este glucósido inhibe a la bomba de sodio potasio.
Proteínas transportadoras de la sangre
Dentro de la familia de proteínas transportadoras presentes en el plasma sanguíneo se encuentran la albúmina, la alfa-fetoproteína, la proteína de unión a vitamina D y la afamina. La prealbúmina también tiene capacidad de transportar otras sustancias. La alfa-fetoproteína (AFP), también conocida como alfa-fetoglobulina, es una proteína plasmática fetal que une diversos cationes, ácidos grasos y bilirrubina. La proteína de unión a vitamina D (VDB), que también recibe el nombre de Gc-globulina, une vitamina D y sus metabolitos, así como ácidos grasos. La Afamina (o alfa-albúmina) es una proteína cuyo papel bioquímico todavía no está bien caracterizado.
Transportadoras de la Ósmosis: son proteínas que cambian de forma para dar paso a determinados productos, los mecanismos que permiten a las sustancias cruzar las membranas plasmáticas y son esenciales para la vida y la comunicación de las células.
La célula viviente es la unidad fundamental de la cual están constituidos todos los organismos vivos. A pesar de que esta afirmación parece trivial, hace menos de 200 años que se tiene este conocimiento. Concretamente, en 1839 Theodor Schwann y Matthias Jakob Schleiden fueron los primeros en lanzar la teoría celular. A partir de 1900, los investigadores de la célula enfocaron sus trabajos en dos direcciones fundamentalmente distintas:Célula viviente
- - Los biólogos celulares, dotados de microscopios cada vez más potentes procedieron a describir la anatomía de la célula. Con la llegada del microscopio electrónico, se consiguió adentrarse cada vez en la estructura fina de la célula hasta llegar a discernir las estructuras moleculares.
- - Los bioquímicos, cuyos estudios se dirigieron a dilucidar los caminos por los cuales la célula lleva a cabo las reacciones bioquímicas que sustentan los procesos de la vida, incluyendo la fabricación de los materiales que constituyen la misma célula
Ambas direcciones han convergido hoy día, de tal forma que para el estudio de la estructura celular y de su función se aplican tanto técnicas bioquímicas como de biología molecular. Aunque existen muchos cientos de tipos de células, todas ellas tienen una serie de características comunes que corresponderían al de una célula prototipo.
Tipos de transportadores
Estos sufren un cambio de conformación (B) en manera tal que permite a las moléculas fijadas, atravesar la membrana plasmática. Se conocen tres tipos de transportadores:
- - "Uniport" llevan una soluto por vez.
- - "Symport" transportan el soluto y co-transportan otro diferente al mismo tiempo y en la misma dirección.
- - "Antiport" transportan soluto hacia el interior (o exterior) y co-transportan soluto en la dirección opuesta. Uno entra y el otro sale o vice-versa.
Transporte pasivo y activo
Transporte pasivo
Para el transporte pasivo no se requiere que la célula gaste energía. Entre los ejemplos de este tipo de transporte se incluyen la difusión de oxígeno yanhídrido carbónico, la ósmosis del agua y la difusión facilitada.
Transporte activo
El transporte activo, en cambio, requiere por parte de la célula un gasto de energía que usualmente se da en la forma de consumo de ATP. Ejemplos del mismo son el transporte de moléculas de gran tamaño (no solubles en lípidos) y la bomba sodio-potasio.
Difusión facilitada
La difusión facilitada se realiza tanto por medio de las proteínas canal como por los "uniport". Permite que moléculas que de otra manera no podrían atravesar la membrana, difundan libremente hacia afuera y adentro de la célula. Este proceso permite el paso de iones pequeños tales como K+, Na+, Cl-, monosacáridos, aminoácidos y otras moléculas. Al igual que en la difusión simple el movimiento es a favor del gradiente de concentración de las moléculas. Sin embargo su velocidad de transporte es mayor que el se pronostica con la ley de Fick, ya que no entran en contacto con el centro hidrofóbico de la bicapa. El transporte es específico, transportándose un tipo de moléculas o un grupo de ellas estrechamente relacionados.
Velocidad de transporte
La velocidad de transporte en la difusión facilitado esta limitada por el número de canales disponibles en la membrana. La velocidad de transporte se satura cuando todos los transportadores están funcionando a su máxima capacidad (ver que la curva indica una "saturación") mientras que en la difusión simple la velocidad de depende solo del gradiente de concentración.
La glucosa entra en la mayor parte de las células por difusión facilitada. Parece existir un número limitado de proteínas transportadoras de glucosa. El rápido consumo de la glucosa por la célula (por la tan conocida glicólisis) mantiene el gradiente de concentración. Sin embargo, cuando la concentración externa de glucosa aumenta, la velocidad de transporte no excede cierto límite, sugiriendo una limitación en el transporte.
Categorías de transporte
Son de interés dos grandes categorías de transporte activo: primario y secundario.
Transporte activo primario
Usa energía (generalmente obtenida de la hidrólisis de ATP), a nivel de la misma proteína de membrana produciendo un cambio conformacional que resulta en el transporte de una molécula a través de la proteína.
El ejemplo mas conocido es la bomba de Na+/K+. La bomba de Na+/K+ realiza un contratransporte (usando un "antyport"). Transporta K+ al interior de la célula y Na+ al exterior de la misma, al mismo tiempo, gastando en el proceso ATP.
En el caso del transporte activo, las proteínas transportadoras deben mover moléculas contra un gradiente de concentración. Por ejemplo en la bomba de sodio-potasio de las células nerviosas el Na+ es mantenido a bajas concentraciones en el interior de las células y el K+ a altas concentraciones Las concentraciones están invertidas en el exterior de las células.
El valor del potencial eléctrico generado por la diferencia de permeabilidad de los iones y su distribución a ambos lados de la membrana es de -70 mV, resultando el interior de la célula negativo con respecto al exterior. Una idea de la magnitud de este voltaje lo da el hecho que, si consideramos que la membrana tiene un espesor de alrededor de 3,5 nm, el gradiente de voltaje a través de le membrana sería de 0,07 V/ 3,5 x 10 -7cm o sea 200.000 V/cm.
Las bombas iónicas activadas por ATP generan y mantienen gradientes iónicos a través de la membrana plasmática.
Cuando se propaga un mensaje nervioso los iones pasan a través de la membrana (sale el potasio y entra el sodio) transmitiendo el mensaje. Luego de este proceso, los iones deben ser transportados activamente a la "posición de partida" a lo largo de la membrana. Cerca de un tercio del ATP utilizado por un animal en reposo se consume para mantener la bomba Na+/K+.
Tipos de bombas
Existen cuatro tipos de "bombas" que utilizan ATP para mover solutos contra gradientes de concentración.
- - Las bombas de clase P (compuestas por dos polipéptidos diferentes: alfa y beta) intervienen en el transporte de H+, Na+, K+ y Ca++, se las encuentra en las membranas plasmáticas de vegetales, hongos y bacterias, Donde
- - En las membranas plasmáticas de eucariotas actúan como bombas de Na+/ K+ y H+/K+ (células gástricas) y este tipo se lo encuentra además como bombas de Ca++ en dichas células (y en el retículo sarcoplásmico de células musculares)
- - La bombas clase F
- - Las bombas de clase V (múltiples subunidades de membrana y citosólicas) intervienen en el transporte de H+ de membranas de vacuolas de vegetales y hongos, en los endosomas y lisosomas de células animales y en ciertas células animales secretoras de ácidos (p.ej. osteoclastos) Las bombas de clase ABC (del inglés ATP Binding Cassete, con dos dominios de trasmembrana y dos citosólicos) intervienen en el transporte de iones y moléculas pequeñas. Se encuentran en membranas plasmáticas bacterianas como permeasas asociadas al transporte de aminoácidos y monosacáridos.
En retículo endoplásmico de células de mamíferos asociadas al transporte de péptidos relacionados con la presentación de antígenos por las proteínas de CHM, y en membrana plasmática de mamíferos asociadas al transporte de moléculas pequeñas, fosfolípidos y fármacos lipidosímiles pequeños. Esta superfamilia incluye a la MDR1(del inglés MultiDrug Resistence) que exporta un gran número de fármacos y es factor clave de la resistencia de las células cancerosas a los quimioterápicos y a la proteína CFTR (proteína reguladora transmembrana de la fibrosis quística), un canal para el Cl- que es defectuosa en la fibrosis quistica.
Transporte activo secundario
Utiliza la energía para establecer un gradiente a través de la membrana celular, y luego utiliza ese gradiente para transportar una molécula de interés contra su gradiente de concentración. Un ejemplo de ese mecanismo es el siguiente: Escherichia coli establece un gradiente de protones (H+) entre ambos lados de la membrana utilizando energía para bombear protones hacia afuera de la célula. Luego estos protones se acoplan a la lactosa (un azúcar que sirve de nutriente al microorganismo) a nivel de la lactosa-permeasa (otra proteína de transmembrana), la lactosa permeasa usa la energía del protón moviéndose a favor de su gradiente de concentración para transportar la lactosa dentro de la célula.
Este transporte acoplado en la misma dirección a través de la membrana celular se denomina cotransporte (utiliza las proteínas "symport"). Escherichia coli utiliza este tipo de mecanismo para transportar otros azucares tales como ribosa y arabinosa, como así también numerosos aminoácidos.
Mecanismo de transporte secundario
El mecanismo de transporte secundario Na+-glucosa Es otro sistema de transporte secundario usa la bomba de Sodio/Potasio en una primera etapa, genera así un fuerte gradiente de Sodio a través de la membrana. Luego la proteína "simport" para el sistema Sodio-Glucosa usa la energía del gradiente de Sodio para transportar Glucosa al interior de la célula.
Este sistema se usa de manera original en las células epiteliales del intestino. Estas células toman glucosa y sodio del intestino y lo transportan al torrente sanguíneo utilizando la acción concertada de los "simport" para Sodio/Glucosa, la glucosa permeasa (una proteína canal de difusión facilitada para la glucosa) y las bombas de Sodio/Potasio.
Se debe hacer notar que las células del intestino se encuentran unidas entre sí por "uniones oclusivas" que impiden que nada proveniente del intestino pase al torrente sanguíneo sin ser primero filtradas por las células epiteliales.
Este mecanismo es la base de la formulación de las "sales de rehidratación oral" que contiene glucosa y electrolitos, utilizada para combatir los efectos de la diarrea provocada por el cólera y otras bacterias patógenas. La cura implica no solamente el uso de antibióticos sino además la reposición del agua que se pierde por acción de las toxinas microbianas. La administración oral de glucosa y sales, que se absorben coordinadamente a nivel del intestino delgado, genera un gradiente osmótico que arrastra el agua desde la luz del intestino hacia la sangre.
Transporte mediado por vesículas
Las vesículas y vacuolas que se fusionan con la membrana celular pueden utilizarse para el transporte y liberación de productos químicos hacia el exterior de la célula o para permitir que los mismos entren en la célula. Se aplica el término exocitosis cuando el transporte es hacia fuera de la célula.
Tipos de endocitosis
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 llamada 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 gotita 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.
- - En la endocitosis las partículas hacen que la membrana celular se invagine y luego forme una vesícula que se dirige al interior.
Endocitosis mediada por 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 . Las "fositas recubiertas" ("coated pits") son invaginaciones de la membrana donde se encuentran los receptores.
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