Transporte de nutrientes a través de la membrana

Las membranas biológicas no son rígidas o impermeables...

...sino que son estructuras m uy móviles y dinámicas La membrana plasmática es el guardián de la célula. No sólo controla el acceso de los iones inorgánicos, las vitaminas y los nutrientes, sino también la entrada de fármacos y la excreción de los productos de desecho. Las proteínas integrales transmembrana desempeñan importantes funciones en el transporte de estas moléculas a través de la membrana y, con frecuencia, mantienen los gradientes de concentración a través de las membranas. (Randal y Lawrence, 2015)

La fuerza impulsora del transporte de iones y el mantenimiento de los gradientes de iones es proporcionada, de forma directa o indirecta, por el trifosfato de adenosina (ATP).

TIPOS DE PROCESOS DE TRANSPORTE

Difusión simple a través de la bicapa fosfolipídica. 

Algunas moléculas pequeñas y neutras pueden atravesar las m embranas biológicas mediante difusión simple Las moléculas pequeñas y apolares (p. ej., 0 2, C02, N2) y las moléculas polares no cargadas (p. ej., urea, etanol y ácidos orgánicos de bajo peso molecular) se desplazan a través de las membranas por difusión simple y sin la ayuda de proteínas de membrana. La dirección del movimiento neto de estas moléculas es siempre "cuesta abajo" y a favor del gradiente de concentración, desde una concentración alta a una baja, para conseguir el equilibrio. (Baynes y Dominiczak, 2014)

La hidrofobicidad de las moléculas es un requisito importante para que la difusión simple tenga lugar a través de la membrana, puesto que el interior de la doble capa de fosfolípidos también es hidrofóbico. De hecho, la velocidad de transporte de estas moléculas está estrechamente relacionada con su coeficiente de partición entre el aceite y el agua. (Randal y Lawrence, 2015)

Aunque las moléculas de agua pueden ser transportadas mediante difusión simple, se considera que las proteínas de los canales controlan el movimiento del agua a través de la mayoría de membranas, especialmente en el riñón para concentrar la orina. (Karp, 20111)

Transportadores móviles de iones e ionóforos formadores de canales. Los ionóforos permiten el movimiento neto de iones sólo a favor de sus gradientes electroquímicos. (Randal y Lawrence, 2015)

Transporte mediado por proteínas de membrana

El transporte de moléculas más grandes a través de las membranas biológicas necesita proteínas de membrana. El transporte de moléculas más grandes y polares, como los aminoácidos o los azúcares, hacia el interior de la célula, requiere la implicación de proteínas de membrana conocidas como transportadores, denominadas también portadores, permeasas, translocasas o proteínas transportadoras. (Baynes y Dominiczak, 2014)

El término "transportador" se aplica también a los ionóforos, que se mueven pasivamente a través de la membrana junto con el ion al que se unen. Los transportadores son tan específicos como las enzimas para sus sustratos y funcionan por uno de los dos mecanismos siguientes: difusión facilitada o transporte activo.

La difusión facilitada cataliza el movimiento de un sustrato a través de la membrana a favor de un gradiente de concentración y no precisa energía. En cambio, el transporte activo es un proceso en el que los sustratos son transportados a contracorriente, en contra de su gradiente de concentración.(Randal y Laurence, 2015)

Cinética de transporte de la difusión facilitada y la difusión simple.

Se muestra una curva de la velocidad de transporte de sustrato frente a la concentración de sustrato en el medio extracelular. La captación catalizada por transportador tiene en común con la catálisis enzimática una velocidad de transporte máxima, f máx (saturable). Kt es la concentración a la que la velocidad de captación de sustrato es la mitad de la máxima. En la difusión simple, la velocidad de transporte es más lenta y directamente proporcional a la concentración de sustrato.(Randal y Laurence, 2015)

La velocidad de la difusión facilitada en general es mucho mayor que la de la difusión simple: las proteínas de transporte catalizan el proceso de transporte. A diferencia de la difusión simple, en la que la velocidad del transporte es directamente proporcional a la concentración del sustrato, la difusión facilitada es un proceso saturable que presenta una velocidad de transporte máxima, Tmáx. Cuando la concentración de moléculas extracelulares (sustratos de transporte) es muy elevada, se consigue la Tmáx por la saturación de las proteínas de transporte con el sustrato.(Baynes y Dominiczak, 2014)

El transporte activo debe estar acoplado a una reacción que produzca energía. El transporte activo es la forma de transporte membranario en la que se necesita gasto de energía. Es el transporte de solutos en contra de sus gradientes electroquímicos, lo que permite la concentración de solutos en el interior de la membrana plasmática y la creación de energía potencial en el gradiente electroquímico formado.(Randal y Laurence, 2015)

El transporte activo es muy importante en la captación y salida de fármacos y otros solutos. El transporte activo puede subdividirse en primario y secundario según la fuerza que impulse el sustrato.

Transporte activo primario. El transporte de membrana que se acopla directamente con la hidrólisis de ATP se denomina transporte activo primario. Los transportadores ABC son ejemplos de transportadores activos primarios. (Baynes y Dominiczak, 2014)

Transporte activo secundario. En el transporte activo secundario, el transporte a través de una membrana biológica de un soluto S1 contra su gradiente de concentración utiliza la energía del transporte de otro soluto S2 en favor de su gradiente de concentración. (Baynes y Dominiczak, 2014)

Los sistemas de transporte activo prim arios utilizan directamente el ATP para impulsar el transporte; el transporte activo secundario utiliza un gradiente electroquímico de iones de Na+ o H+.

El ATP es un producto de alta energía procedente del metabolismo y se describe con frecuencia como la "moneda de energía" de la célula. El enlace fosfoanhídrido del ATP libera energía libre cuando se hidroliza para producir adenosina difosfato (ADP) y fosfato inorgánico. Esta energía se utiliza para la biosíntesis, para el movimiento celular y para el transporte contracorriente de las moléculas en contra de los gradientes de concentración. Los sistemas de transporte activo primarios utilizan directamente el ATP para dirigir el transporte; el transporte activo secundario utiliza un gradiente electroquímico de iones de Na+ o H+, o un potencial de membrana producido por los procesos de transporte activo primario. Los azúcares y los aminoácidos generalmente son transportados hacia las células mediante sistemas de transporte activo secundario. (Karp, 2011)

Las proteínas del transporte activo secundario se subclasifican según la dirección de los solutos que transportan; si únicamente se tarnsporta un soluto, se llaman "uniportadores", si ambos solutos son de importación se llaman "simportadores", y si un soluto es de importación y el otro es de exportación, se les llama "antiportadores.(Randal y Laurence, 2015)

Los sistemas de transporte activo prim ario usan ATP para im pulsar a las bombas de iones (ATPasas transportadoras de iones o ATPasas de bomba)

Las ATPasas de bomba se clasifican en cuatro grupos:

Grupo	Miembro	Localización	Sustrato(s)	Funciones
F-ATPasa (factor de acoplamiento)	H+-ATPasa	Membrana mitocondrial interna	H+	Síntesis de ATP impulsada por el gradiente electroquímico de H+
V-ATPasa (vacuolar)	H+-ATPasa	Vesículas citoplasmáticas (lisosomas, gránulos secretores), membranas plasmáticas (borde rizado de los osteodastos, célula epitelial renal)	H+	Activación de enzimas lisosómicas, acumulación de neurotransmisores, recambio óseo, acidificación de la orina
P-ATPasa (fosforilación)	Na+/K+-ATPasa	Membranas plasmáticas (ubicuidad, aunque abundante en el riñón y el corazón)	Na+ y K+	Generación del gradiente electroquímico del Na+ y K+
	H+-ATPasa	Estómago (célula parietal en la glándula gástrica)	H+y K+	Acidificación de la luz estomacal
	Ca2+-ATPasa	Retículo sarcoplásmico y endoplásmico	Ca2+	Secuestro de Ca2+ en el retículo sarcoplásmico (endoplásmico)
	Ca2+-ATPasa	Membrana plasmática	Ca2+	Excreción de Ca2+ al exterior de la célula
	Cu2+-ATPasa	Membrana plasmática y vesículas citoplasmáticas	Cu2+	Absorción de Cu2+ desde el intestino y excreción desde el hígado
Transportador ABC (ATP-binding cassette)	P-glucoproteína	Membrana plasmática	Diversos fármacos	Excreción de sustancias dañinas, resistencia múltiple a fármacos antineoplásicos
	MRP	Membrana plasmática	Glutatión conjugado	Desintoxicación, resistencia múltiple a fármacos
	CFTR*	Membrana plasmática	ci-	Canal de cloro dependiente del AMPc, regulación de otros canales
	TAP	Retículo endoplásmico	Péptido	Presentación de péptidos para la respuesta inmunitaria

El transporte de membrana que se acopla directamente con la hidrólisis de ATP se denomina transporte activo primario. Los transportadores ABC son ejemplos de transportadores activos primarios. En las células de los mamíferos, los transportadores ABC median la salida unidireccional de solutos a través de las membranas biológicas. (Randal y Laurence, 2015)

Bibliografía

Randa Hilal D, Laurence L. B. (2015) Manual de Farmacología y terapéutica de Goodman y Gilman, Capítulo 5: Transportadores de membrana y respuestas a los fármacos. 2da Edición. McGraw Hill Companies, Inc.

C. Karp G. (2011) Biología celular y molecular. 6ta Edición, Capítulo 4: La estructura y función de la membrana plasmática. McGraw Hill Companies, Inc.

Baynes Q. J., H. Dominiczak M.(2014)Bioqímica Médica, Capítulo 8: Membranas y transporte. 4ta Edición. Elsevier Limited.