1.5 Transporte activo
Regulación de las concentraciones iónicas intracelulares: CL, HCO3, H+
- Por otro lado, esta figura muestra que en la mayoría de las células, el ion cloro está levemente por encima del equilibrio porque obtiene cloro del intercambiador Cl-HCO3 y el cotransportador Na/k/Cl equilibra pasivamente el flujo de cloro a través de los canales. - Además, el intercambiador sodio-hidrógeno y el intercambiador de transporte de ion sodio, Cl-HCO3, consiguen mantener el ph intracelular y la concentración de bicarbonato por encima de sus niveles de equilibrio.
Etapas del ciclo de la bomba Na+ - K+
1.- Conformación E1 con una molécula de ATP unida, por lo que los sitios de unión están expuestos al medio intracelular. 2.- Tres iones Na+ intracelulares se unen a los sitios de unión. 3.- El ATP se hidroliza, la unidad α es fosforilada y encierra los iones de Na+ en su interior. 4.- La conformación de la bomba cambia al estado E2, por lo que se abre al medio extracelular y libera los iones de Na+ 5.- Quedan expuestos al exterior los sitios de unión del K+ 6.- Dos iones de K+ extracelulares se colocan en los sitios de unión 7.- El fósforo inorgánico (Pi) se libera y los iones K+ quedan en su interior. 8.- Se une nuevamente ATP y cambia la conformación de la bomba pasando al estado E1. El K+ se libera en el medio intracelular.
1. Mantenimiento del potencial de membrana
Al ser esta bomba electrogénica y mantener la diferencia de carga a través de la membrana, genera un potencial eléctrico en la misma, proporcionando a las células la excitabilidad necesaria para captar estímulos y generar respuestas. Por eso esta bomba juega un papel fundamental, tanto en la producción y la transmisión de los impulsos nerviosos, como en la contracción de las fibras musculares y otros procesos celulares. En las neuronas, por ejemplo, cuando la membrana alcanza un valor determinado de potencial se dice que la neurona se encuentra en potencial de membrana en reposo, este potencial es el necesario para que la neurona reciba el impulso nervioso. Este gradiente electroquímico generado mediante el transporte activo primario de la bomba de sodio - potasio también es aprovechado indirectamente por las proteínas transportadoras (cotransportadores e intercambiadores) que participan en el mecanismo de transporte activo secundario.
Intercambiadores
Dentro de los transportadores activos secundarios también podemos encontrar a los intercambiadores o contratransportadores. Se trata de proteínas intrínsecas de membrana que mueven un soluto a favor de gradiente y otro en el sentido contrario en contra de gradiente. En general, este grupo de transportadores intercambian cationes por cationes y aniones por aniones. En el caso de los iones sodio, estos intentan una vez más difundir hacia el interior de la célula debido a su gran gradiente de concentración. Sin embargo, esta vez la sustancia que se va a transportar está en el interior de la célula y se debe transportar hacia el exterior. Por tanto, el ion sodio se une a la proteína transportadora en el punto en el que se proyecta hacia la superficie exterior de la membrana, mientras que la sustancia que se va a contratransportar se une a la proyección interna de la proteína transportadora. Una vez que ambos se han unido se produce un cambio conformacional y la energía que libera el ion sodio hacia el interior hace que la otra sustancia se mueva hacia el exterior. - dos mecanismos de contratransporte especialmente importantes; el intercambiador sodio-calcio y el intercambiador sodio- hidrógeno:
SGLT2
El cotransportador podrá seguir acumulando la glucosa mientras que el gradiente electroquímico del sodio sea mayor que el de la glucosa. Cuando ambos gradientes sean iguales ya no se podrá almacenar más glucosa y se alcanzará el equilibrio. Δµtotal =ΔµNa+ ΔµGlucosa ΔµNa+ ΔµGlucosa= 0 Se igualan las diferencias de energía potencial de sodio y glucosa. El sodio está determinado por la concentración y el potencial eléctrico, mientras que la glucosa solo por las diferencias de concentración al ser una molécula neutra. En el equilibrio el resultado de ambas ha de ser cero.
Cotransportador de glucosa y aminoácidos junto con iones sodio
El cotransporte con sodio de la glucosa y de los aminoácidos se produce especialmente a través de las células epiteliales del tubo digestivo y de los túbulos renales para favorecer la absorción de estas sustancias hacia la sangre. De ellos el de Sodio-Glucosa es uno de los de mayor importancia fisiológica. El cotransportador de glucosa acopla el movimiento de sodio a favor de gradiente con el movimiento de glucosa en contra de gradiente. Para ello tiene dos sitios de unión específicos extracelulares: uno para el sodio y otro para la glucosa. Una vez unidas ambas moléculas se produce un cambio conformocional en la proteína transportadora y ambos, el sodio y la glucosa, son transportados juntos al interior de la célula. El cotransporte con sodio de los aminoácidos se produce de la misma manera que para la glucosa, excepto porque utiliza un grupo diferente de proteínas transportadoras. Se han identificado cinco proteínas transportadoras de aminoácidos, cada una de las cuales es responsable de transportar un grupo de aminoácidos con características moleculares específicas.
Energética del intercambiador sodio-calcio
El intercambiador sodio-calcio tiene una estequiometría 3:1 (3 iones sodio entran a la célula y se expulsa un ión calcio). Se trata de un mecanismo electrogénico ya que se produce la transferencia de un carga neta positiva hacia el interior de la célula . La capacidad de concentrar calcio hacia el exterior celular respecto al interior celular se puede calcular de modo análogo a los cotransportadores de glucosa. La condición de equilibrio viene dada por esta expresión: ΔµCa = 3ΔµNa Si sustituimos las correspondientes expresiones de la diferencia de energía potencial electroquímica para el calcio y el sodio obtenemos la siguiente expresión:
El intercambio sodio-calcio
El intercambio sodio-calcio se produce a través de casi todas las membranas celulares, de modo que los iones sodio se mueven hacia el interior y los iones calcio hacia el exterior, ambos unidos a la misma proteína transportadora en un modo de contratransporte. Esto se produce además del transporte activo primario de calcio que tiene lugar en algunas células y es uno de los mecanismos (al igual que la Bomba calcio) que permite mantener el calcio intracelular a concentraciones muy bajas.
El intercambio sodio-hidrógeno
El intercambio sodio-hidrógeno se produce en varios tejidos. Un ejemplo especialmente importante se produce en los túbulos proximales de los riñones, en los que los iones sodio se desplazan desde la luz del túbulo hacia el interior de la célula tubular, mientras que los iones hidrógeno son contratransportados hacia la luz tubular. Como mecanismo para concentrar los iones hidrógeno, el contratransporte no es tan eficaz como el transporte activo primario de los iones hidrógeno que se produce en los túbulos renales más distales, aunque puede transportar cantidades muy grandes de iones hidrógeno, lo que hace que sea clave para el control del ion hidrógeno en los líquidos corporales.
2. Control del volumen celular
En el interior de la célula hay grandes cantidades de proteínas y de otras moléculas orgánicas que no pueden escapar de la célula. La mayor parte de ellas tiene carga negativa y, por tanto, atrae grandes cantidades de potasio, sodio y también de otros iones positivos. Todas estas moléculas e iones producen ósmosis de agua hacia el interior de la célula. Salvo que este proceso se detenga, la célula se hinchará indefinidamente hasta que explote. El mecanismo normal para impedirlo es la bomba sodio-potasio. Si una célula comienza a hincharse por cualquier motivo, esto automáticamente activa la bomba sodio-potasio, moviendo aún más iones hacia el exterior y transportando agua con ellos. Por tanto, la bomba sodio-potasio realiza una función continua de vigilancia para mantener el volumen celular normal, propiciando también la osmosis de agua hacia el exterior.
SGLT1
En este caso al tener una estequiometria 2:1 la condición de equilibrio será distinta. Δµtotal =2ΔµNa+ ΔµGlucosa 2ΔµNa+ ΔµGlucosa= 0 2ΔµNa = - ΔµGlucosa Una vez establecido el equilibrio la deducción será parecida a la anterior. Con esto podemos ver que a diferencia de SGLT2, la concentración de sodio queda elevado a 2, es decir que con las mismas concentraciones de sodio y el mismo Vm, con el SGLT1 conseguiremos introducir glucosa en la célula 100 veces más que con SGLT2. Por tanto, observamos que en unas diferencias aparentemente insignificantes pueden tener consecuencias fisiológicas destacables.
Cotransportadores Na/ Glucosa SGLT1 SGLT2
Hay varios cotransportadores Na/Glucosa entre los que podemos destacar SGLT1 y SGLT2. Estas siglas hacen referencia precisamente a su función Sodio Glucosa Transportador. Ambos cotransportadores difieren en la capacidad para la concentración de glucosa. Mientras que el SGLT2 puede concentrar hasta 70 veces, es decir hasta tener una concentración 70 veces mayor que el medio extracelular, el SGLT1 es capaz de captar glucosa hasta 5000 veces. Esta diferencia es fundamental debido a su localización. El SGLT2 se sitúa al principio del túbulo proximal del riñón donde hay grandes concentraciones de glucosa. En cambio el SGLT1 tiene que funcionar en un segmento de la nefrona donde hay cantidades mínimas de glucosa (2%) y por lo tanto necesita más potencia para poder llevar a cabo su función. Además difieren también en la estequiometria. El SGLT2 transportará 1 molécula de sodio por 1 molécula de glucosa (1:1), en cambio la SGLT1 transportará 1 molécula de glucosa por cada 2 iones sodio que entren en la célula (2:1). Esta diferencia tiene unas consecuencias energéticas.
Bomba de Na+ - K+
La bomba Sodio - Potasio es el transportador activo primario más importante en las células animales. Es una proteína de membrana del tipo ATPasa. Utiliza la energía para extraer del interior de la célula 3 iones Na+ e introducir 2 iones K+. Está situada en la membrana plasmática y tiene dos subunidades: α y β. La subunidad α es catalítica y se encarga del transporte activo de los iones a través de la membrana. La subunidad β permite el ensamblaje de la bomba a la membrana. En cada ciclo esta bomba extrae contra gradiente 3 iones Na+ e introduce, también contra gradiente, 2 iones K+ La carga neta es la extracción de una carga positiva. Por ello la bomba es ELECTROGÉNICA y en consecuencia responsable de mantener una baja concentración de Na+ y una alta de K+ en el interior de la célula, en relación con la concentración de esos mismos iones en el líquido extracelular. En algunas células entre el 60% y el 70% de su energía puede estar dedicada a bombear Na+ y K+ mediante esta bomba.
Bomba de H - K
La bomba de hidrógeno - potasio o protón-potasio (bomba de protones) es también una ATPasa de tipo P y el principal mecanismo de transporte de los iones H+. Hay dos localizaciones del cuerpo en los que esta bomba ejerce su función principal: glándulas gástricas del estómago y en la porción distal de los túbulos distales y en los conductos colectores corticales de los riñones. En las glándulas gástricas, las células parietales que están en las capas profundas tienen el mecanismo activo primario más potente de transporte de iones hidrógeno de todo el cuerpo. Esta es la base para secretar ácido clorhídrico en las secreciones digestivas del estómago. En el extremo secretor de las células parietales de las gándulas gástricas la concentración del ion hidrógeno aumenta hasta un millón de veces y después se libera hacia el estómago junto con iones cloruro para formar ácido clorhídrico. En los túbulos renales hay células intercaladas especiales en la porción distal de los túbulos distales y en los conductos colectores, que también transportan iones hidrógeno mediante transporte activo primario. En este caso se secretan grandes cantidades de iones hidrógeno desde la sangre hacia la orina con el objetivo de eliminar de los líquidos corporales el exceso de iones hidrógeno. Los iones hidrógeno se pueden secretar hacia la orina contra un gradiente de concentración de aproximadamente 900 veces. En cada ciclo la bomba extrae un ión H+ al medio extracelular e introduce un ión K+ al interior celular. Como ese intercambio de cargas es el mismo, esta bomba no es electrogénica.
Ciclo de la bomba Na+ - K+
La bomba de sodio - potasio tiene dos estados conformacionales diferenciados a los que denominamos E1 y E2. El estado E1 es aquel en el que los sitios de unión de los iones son accesibles desde el interior celular y el estado E2, aquel en el que los sitios de unión de los iones son accesibles desde el exterior celular. En la figura siguiente se esquematizan las ocho etapas en las que puede dividirse este ciclo. Las etapas 1,2 y 8 corresponderían al estado E1 y las etapas 4, 5 y 6 al estado E2.
Bloqueantes
La bomba sodio - potasio puede ser bloqueada por determinados compuestos conocidos como glucósidos cardíacos como la digoxina y la ouaina. Estas sustancias son derivadas de los digitálicos obtenidos de la planta digitalis purpurea. Estos bloqueantes se unen al sitio de unión extracelular de la subunidad α en el estado E2 de la bomba (E2 + Pi) Inhibiendo a la bomba. Ello impide la salida del Na+, disminuyendo su concentración en el medio extracelular lo que bloquea la acción de la proteína antiportadora Na+ -Ca2+(introduce 3Na+ y saca 2 Ca2+ ). Se incrementa, por tanto, la concentración celular de calcio al bloquear uno de los mecanismos por los cuales se saca el calcio del miocito lo que provoca una mayor actividad de las fibras contráctiles de actina y miosina. Ello conduce también a una disminución de la frecuencia cardíaca.
Energética del transporte activo primario
La cantidad de energía necesaria para transportar activamente una sustancia a través de una membrana viene determinada por cuánto se concentra la sustancia durante el transporte, en comparación con la energía necesaria para concentrar 10 veces una sustancia, concentrarla 100 veces precisa el doble de energía, y concentrarla 1.000 veces precisa el triple de energía. Como vemos en la imagen, tenemos dos maneras de indicar la energética del transporte activo: una utilizando el logaritmo neperiano y otra utilizando el logaritmo decimal. De cualquier modo, estas fórmulas únicamente sirven para sustancias neutras, ya que para iones no servirían. La energía necesaria es proporcional al logaritmo del grado en el que se concentra la sustancia, tal y como se expresa en la fórmula. Energía, en calorías por mol es igual a 1400 por el logaritmo decimal del cociente entre las concentraciones. Este gasto energético para concentrar la sustancia en las células o para eliminar sustancias de las células contra un gradiente de concentración puede ser muy elevado.
Transporte activo primario:
La energía procede directamente de la hidrólisis de ATP o de algún otro compuesto de alta energía. Este tipo de transporte se lleva a cabo mediante las bombas. Ej: bomba sodio-potasio (Na-K).
Transporte activo secundario:
La energía procede indirectamente de la energía que se ha almacenado en forma de diferencias de concentración de sustancias moleculares o iónicas entre los dos lados de la membrana celular. Esta diferencia se generó originalmente en el transporte activo primario. Este tipo de transporte se lleva a cabo mediante contransportadores y contratransportadores o intercambiadores.
Cotransportadores
Los cotransportadores son una clase de transportadores activos secundarios que obtienen energía del gradiente electroquímico del sodio que tienen las células. Se tratan de proteínas intrínsecas de membrana que mueven en la misma dirección el soluto que se mueve a favor de gradiente y el que se mueve en contra gradiente. El cotransportador obtiene energía mediante el acoplamiento del movimiento de un ion, normalmente sodio, junto con el de otra molécula. La proteína contiene puntos de unión donde se unen las moléculas y se produce un cambio conformacional para el transporte. Tipos : Hay diferentes tipos de cotransportadores: Sodio/Glucosa, Sodio/aminoácido y Sodio/fosfato.
Bomba de Ca
Otro importante mecanismo de transporte activo primario es la bomba de calcio, presente en prácticamente todas las células del cuerpo. En todas ellas se mantiene normalmente una concentración de iones Ca2+ muy baja en el líquido intracelular, unas 10.000 veces menor que en el líquido extracelular. Esta diferencia de concentraciones se obtienen gracias a dos bombas de calcio que se localizan: una en la membrana celular y otra en la membrana de los orgánulos intracelulares.La situada en la membrana extracelular bombea un ión de Ca2+ hacia el exterior y un ión de H+ hacia el interior. La situada en el retículo sarcoplásmico (células musculares) o en el retículo endoplásmico (todas las células) trasnsportan 2H/2Ca para ser almacenados en los orgánulos. Esta molécula transportadora funciona como una ATPasa de características similares a la bomba de sodio-potasio, sólo se diferencia en los puntos de unión específicos para el calcio
Bombas
Se denominan bombas a aquellas proteínas transportadoras de membrana que transportan sustancias contra gradiente electroquímico. Para ello obtienen la energía necesaria directamente del ATP (hidrólisis). Las sustancias más importantes que trasportan son el sodio, el potasio, el calcio y el hidrógeno.
Regulación de las concentraciones iónicas intracelulares: Na, K, Ca
Se trata de un proceso homeostático a través de una serie de mecanismos concretos que varían en función del tipo de iones que transporte. Es por ello que no todas las células presentan todos los mecanismos, ya que dependiendo de su tipo celular y su función, aparecerán unos tipos de mecanismos u otros. En el medio intracelular, la concentración de iones se mantiene constante gracias a una serie de mecanismos, los cuales varían en función del tipo de ion del que se trata. - Na+, K+ à A partir de canales iónicos (ya sea con o sin voltaje) y mediante bombas Na/K. - Ca+2 à A través de canales de calcio, bombas de calcio e intercambiadores Na/Ca. - Cl-, HCO3- à Mediante canales e intercambiadores - H+ à A partir de canales, bombas K/H y bombas tipo V* Por otro lado, en el medio extracelular, el mantenimiento de la concentración de iones no depende de las células, sino del organismo en conjunto, principalmente a través de los riñones. En esta figura genérica se muestra sobre todo el transporte de cationes. No todas las células tienen todos estos transportadores; las células en diferentes tejidos e incluso en diferentes tipos de células dentro de un mismo tejido, pueden tener diferentes tipos de canales transportadores. Por ejemplo, las células epiteliales pueden tener diferentes transportadores según se considere la membrana apical o la basolateral, mientras que las neuronas pueden tener distintos canales en la membrana según se trate del axón, del soma o de las dendritas. Estos canales transportadores permitirán a la célula tener una concentración estable de los distintos iones intracelulares.
funciones más importantes de la bomba de sodio - potasio son:
el mantenimiento del potencial de membrana y el control de las concentraciones y del volumen celular.
El transporte activo
es un mecanismo que permite el transporte de solutos a través de la membrana en contra de gradiente. Las sustancias que se transportan mediante transporte activo son: iones calcio, sodio, potasio, hierro, cloruro, hidrógeno, diversos azúcares, yoduro, urato y la mayoría de los aminoácidos. Este gradiente puede ser químico (gradiente de concentración; los solutos tienden a ir desde el compartimento donde están más concentrados al que menos) o eléctrico ( los solutos tienden a igualar la cantidad de cargas positivas y negativas en los compartimentos; electroneutralidad). Para llevar a cabo este transporte en contra de gradiente se requiere un aporte de energía. Dependiendo del origen de esta energía podemos distinguir dos tipos de transporte activo: primario y secundario. - En ambos casos el transporte depende de proteínas transportadoras que penetran a través de la membrana celular, a igual que en la difusión facilitada. Sin embargo, en el transporte activo la proteína transportadora funciona de manera direfente al transportador de la difusión facilitada porque es capaz de proporcionar energía a la molécula para moverla en contra de gradiente electroquímico.