Transporte activo

En biología celular , el transporte activo es el movimiento de moléculas o iones a través de la membrana celular desde una región de menor concentración a una de mayor concentración, en contra del gradiente de concentración . El transporte activo requiere energía celular para llevarse a cabo. Existen dos tipos de transporte activo: el transporte activo primario, que utiliza trifosfato de adenosina (ATP), y el transporte activo secundario , que utiliza un gradiente electroquímico . Este proceso contrasta con el transporte pasivo , que permite que las moléculas o iones se muevan a favor de su gradiente de concentración, desde una zona de alta concentración a una de baja concentración, sin utilizar energía.

El transporte activo es esencial para diversos procesos fisiológicos, como la absorción de nutrientes, la secreción de hormonas y la transmisión de impulsos nerviosos. Por ejemplo, la bomba de sodio-potasio utiliza ATP para bombear iones de sodio fuera de la célula e iones de potasio hacia el interior, manteniendo un gradiente de concentración esencial para la función celular. El transporte activo es altamente selectivo y está regulado, con diferentes transportadores específicos para distintas moléculas o iones. La desregulación del transporte activo puede provocar diversos trastornos, como la fibrosis quística, causada por un canal de cloruro defectuoso, y la diabetes, resultante de defectos en el transporte de glucosa hacia el interior de las células.

A diferencia del transporte pasivo , que utiliza la energía cinética y la entropía natural de las moléculas que se mueven a favor de un gradiente, el transporte activo utiliza la energía celular para moverlas en contra de un gradiente, la repulsión polar u otra resistencia. El transporte activo suele asociarse con la acumulación de altas concentraciones de moléculas que la célula necesita, como iones , glucosa y aminoácidos . Ejemplos de transporte activo incluyen la absorción de glucosa en los intestinos humanos y la absorción de iones minerales en las células de los pelos radiculares de las plantas. ^{[ 1 ]}

En 1848, el fisiólogo alemán Emil du Bois-Reymond sugirió la posibilidad del transporte activo de sustancias a través de las membranas. ^{[ 2 ]}

En 1926, Dennis Robert Hoagland investigó la capacidad de las plantas para absorber sales en contra de un gradiente de concentración y descubrió la dependencia de la absorción y translocación de nutrientes de la energía metabólica utilizando sistemas modelo innovadores bajo condiciones experimentales controladas. ^{[ 3 ]}

Rosenberg (1948) formuló el concepto de transporte activo basado en consideraciones energéticas, ^{[ 4 ]} pero posteriormente sería redefinido.

En 1997, Jens Christian Skou , un médico danés ^{[ 5 ]} recibió el Premio Nobel de Química por su investigación sobre la bomba de sodio-potasio . ^{[ 5 ]}

Una categoría de cotransportadores que es especialmente prominente en la investigación sobre el tratamiento de la diabetes ^{[ 6 ]} son ​​los cotransportadores de sodio-glucosa. Estos transportadores fueron descubiertos por científicos del Instituto Nacional de la Salud ^{[ 7 ]} . Estos científicos habían notado una discrepancia en la absorción de glucosa en diferentes puntos del túbulo renal de una rata. Luego se descubrió el gen de la proteína transportadora de glucosa intestinal y se relacionó con estos sistemas de cotransporte de sodio-glucosa de membrana. La primera de estas proteínas transportadoras de membrana se denominó SGLT1 , seguida del descubrimiento de SGLT2 ^{[ 7 ]} . Robert Krane también desempeñó un papel destacado en este campo.

Proteínas transmembrana especializadas reconocen la sustancia y permiten que se mueva a través de la membrana cuando de otro modo no lo haría, ya sea porque la bicapa fosfolipídica de la membrana es impermeable a la sustancia transportada o porque la sustancia se mueve en contra de la dirección de su gradiente de concentración . ^{[ 8 ]} Existen dos formas de transporte activo: transporte activo primario y transporte activo secundario. En el transporte activo primario, las proteínas involucradas son bombas que normalmente utilizan energía química en forma de ATP. El transporte activo secundario, sin embargo, utiliza energía potencial, que generalmente se obtiene mediante la explotación de un gradiente electroquímico . La energía creada por un ion que se mueve a favor de su gradiente electroquímico se utiliza para impulsar el transporte de otro ion que se mueve en contra de su gradiente electroquímico. ^{[ 9 ]} Esto implica proteínas formadoras de poros que forman canales a través de la membrana celular . La diferencia entre el transporte pasivo y el transporte activo es que el transporte activo requiere energía y mueve sustancias en contra de su respectivo gradiente de concentración, mientras que el transporte pasivo no requiere energía celular y mueve sustancias en la dirección de su respectivo gradiente de concentración. ^{[ 10 ]}

En un antiportador , un sustrato se transporta en una dirección a través de la membrana, mientras que otro se cotransporta en la dirección opuesta. En un simportador , dos sustratos se transportan en la misma dirección a través de la membrana. Los procesos de antiporte y simporte están asociados con el transporte activo secundario , lo que significa que una de las dos sustancias se transporta en contra de su gradiente de concentración, utilizando la energía derivada del transporte de otro ion (principalmente iones Na ⁺ , K ⁺ o H ⁺ ) a favor de su gradiente de concentración.

Si las moléculas de sustrato se mueven de áreas de menor concentración a áreas de mayor concentración ^{[ 11 ]} (es decir, en la dirección opuesta o en contra del gradiente de concentración), se requieren proteínas transportadoras transmembrana específicas. Estas proteínas tienen receptores que se unen a moléculas específicas (p. ej., glucosa ) y las transportan a través de la membrana celular. Debido a que se requiere energía en este proceso, se conoce como transporte "activo". Ejemplos de transporte activo incluyen el transporte de sodio fuera de la célula y de potasio dentro de la célula por la bomba de sodio-potasio. El transporte activo suele tener lugar en el revestimiento interno del intestino delgado .

Las plantas necesitan absorber sales minerales del suelo u otras fuentes, pero estas sales se encuentran en soluciones muy diluidas . El transporte activo permite a estas células absorber sales de esta solución diluida en contra del gradiente de concentración . Por ejemplo, los iones cloruro (Cl⁻ ⁾ y nitrato (NO₃⁻ ₎ ^se encuentran en el citosol de las células vegetales y deben transportarse a la vacuola. Si bien la vacuola posee canales para estos iones, su transporte se produce en contra del gradiente de concentración, por lo que el movimiento de estos iones es impulsado por bombas de hidrógeno o bombas de protones. ^{[ 9 ]}

El transporte activo primario, también llamado transporte activo directo, utiliza directamente la energía metabólica para transportar moléculas a través de una membrana. ^{[ 12 ]} Entre las sustancias que se transportan a través de la membrana celular mediante el transporte activo primario se incluyen iones metálicos, como Na ⁺ , K ⁺ , Mg ²⁺ y Ca ²⁺ . Estas partículas cargadas requieren bombas o canales iónicos para atravesar las membranas y distribuirse por el organismo.

La mayoría de las enzimas que realizan este tipo de transporte son ATPasas transmembrana . Una ATPasa primaria universal para toda la vida animal es la bomba de sodio-potasio , que ayuda a mantener el potencial celular . La bomba de sodio-potasio mantiene el potencial de membrana moviendo tres iones Na ⁺ fuera de la célula por cada dos ^{[ 13 ]} iones K ⁺ movidos hacia adentro de la célula. Otras fuentes de energía para el transporte activo primario son la energía redox y la energía fotónica ( luz ). Un ejemplo de transporte activo primario que utiliza energía redox es la cadena de transporte de electrones mitocondrial que utiliza la energía de reducción del NADH para mover protones a través de la membrana mitocondrial interna en contra de su gradiente de concentración. Un ejemplo de transporte activo primario que utiliza energía lumínica son las proteínas involucradas en la fotosíntesis que utilizan la energía de los fotones para crear un gradiente de protones a través de la membrana tilacoide y también para crear poder reductor en forma de NADPH .

1. ATPasa de tipo P : bomba de sodio-potasio , bomba de calcio , bomba de protones
2. F-ATPasa : ATP sintasa mitocondrial, ATP sintasa cloroplástica
3. V-ATPasa : ATPasa vacuolar
4. Transportadores ABC ( casete de unión a ATP ): MDR, CFTR , etc.

Los transportadores de casete de unión a adenosina trifosfato ( transportadores ABC ) comprenden una familia de proteínas amplia y diversa, que a menudo funciona como bombas impulsadas por ATP. Generalmente, la estructura de la proteína transportadora incluye varios dominios, entre ellos dos dominios de unión a nucleótidos que constituyen el motivo de unión a ATP y dos dominios transmembrana hidrofóbicos que forman el componente de "poro". En términos generales, los transportadores ABC participan en la importación o exportación de moléculas a través de la membrana celular; sin embargo, dentro de esta familia de proteínas existe una amplia gama de funciones. ^{[ 15 ]}

En las plantas, los transportadores ABC se encuentran frecuentemente en las membranas celulares y de orgánulos, como las mitocondrias, los cloroplastos y la membrana plasmática. Existen evidencias que respaldan que los transportadores ABC de las plantas desempeñan un papel directo en la respuesta a patógenos, el transporte de fitohormonas y la desintoxicación. ^{[ 15 ]} Además, ciertos transportadores ABC de plantas pueden funcionar en la exportación activa de compuestos volátiles ^{[ 16 ]} y metabolitos antimicrobianos. ^{[ 17 ]}

En las flores de petunia ( Petunia hybrida ), el transportador ABC PhABCG1 participa en el transporte activo de compuestos orgánicos volátiles. PhABCG1 se expresa en los pétalos de las flores abiertas. En general, los compuestos volátiles pueden promover la atracción de organismos dispersores de semillas y polinizadores, así como contribuir a la defensa, la señalización, la alelopatía y la protección. Para estudiar la proteína PhABCG1, se crearon líneas transgénicas de petunia mediante interferencia de ARN con niveles reducidos de expresión de PhABCG1 . En estas líneas transgénicas, se observó una disminución en la emisión de compuestos volátiles. Por lo tanto, es probable que PhABCG1 participe en la exportación de compuestos volátiles. Experimentos posteriores consistieron en incubar líneas de control y transgénicas que expresaban PhABCG1 para evaluar la actividad de transporte con diferentes sustratos. En definitiva, PhABCG1 es responsable del transporte mediado por proteínas de compuestos orgánicos volátiles, como el alcohol bencílico y el benzoato de metilo, a través de la membrana plasmática. ^{[ 16 ]}

Además, en las plantas, los transportadores ABC pueden estar involucrados en el transporte de metabolitos celulares. Se postula que los transportadores ABC de resistencia a fármacos pleiotrópicos participan en la respuesta al estrés y la exportación de metabolitos antimicrobianos. Un ejemplo de este tipo de transportador ABC es la proteína NtPDR1. Este transportador ABC único se encuentra en las células BY2 de Nicotiana tabacum y se expresa en presencia de elicitores microbianos. NtPDR1 se localiza en la epidermis de la raíz y los tricomas aéreos de la planta. Experimentos con anticuerpos dirigidos específicamente a NtPDR1, seguidos de Western blot, permitieron determinar esta localización. Además, es probable que la proteína NtPDR1 transporte activamente moléculas de diterpenos antimicrobianos, que son tóxicas para la célula en altas concentraciones. ^{[ 17 ]}

En el transporte activo secundario, también conocido como cotransporte o transporte acoplado , se utiliza energía para transportar moléculas a través de una membrana; sin embargo, a diferencia del transporte activo primario , no hay un acoplamiento directo de ATP . En cambio, se basa en la diferencia de potencial electroquímico creada por el bombeo de iones dentro y fuera de la célula. ^{[ 18 ]} Permitir que un ion o molécula se mueva a favor de un gradiente electroquímico, pero posiblemente en contra del gradiente de concentración donde está más concentrado hacia donde está menos concentrado, aumenta la entropía y puede servir como fuente de energía para el metabolismo (por ejemplo, en la ATP sintasa ). La energía derivada del bombeo de protones a través de una membrana celular se utiliza frecuentemente como fuente de energía en el transporte activo secundario. En los humanos, el sodio (Na ⁺ ) es un ion comúnmente cotransportado a través de la membrana plasmática, cuyo gradiente electroquímico se utiliza luego para impulsar el transporte activo de un segundo ion o molécula en contra de su gradiente. ^{[ 19 ]} En bacterias y pequeñas células de levadura, un ion comúnmente cotransportado es el hidrógeno. ^{[ 19 ]} Las bombas de hidrógeno también se utilizan para crear un gradiente electroquímico para llevar a cabo procesos dentro de las células, como en la cadena de transporte de electrones , una función importante de la respiración celular que ocurre en la mitocondria de la célula. ^{[ 20 ]}

En agosto de 1960, en Praga, Robert K. Crane presentó por primera vez su descubrimiento del cotransporte de sodio-glucosa como mecanismo para la absorción intestinal de glucosa. ^{[ 21 ]} El descubrimiento del cotransporte por parte de Crane fue la primera propuesta de acoplamiento de flujo en biología. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Los cotransportadores se pueden clasificar como simportadores y antiportadores dependiendo de si las sustancias se mueven en la misma dirección o en direcciones opuestas.

Antiportador

En un antiportador, dos especies de iones u otros solutos son bombeadas en direcciones opuestas a través de una membrana. Una de estas especies fluye desde una concentración alta a una baja, lo que genera la energía entrópica necesaria para impulsar el transporte del otro soluto desde una región de baja concentración a una de alta concentración.

Un ejemplo es el intercambiador de sodio-calcio o antiportador , que permite que tres iones de sodio entren en la célula para transportar un calcio hacia afuera. ^{[ 24 ]} Este mecanismo antiportador es importante dentro de las membranas de las células del músculo cardíaco para mantener baja la concentración de calcio en el citoplasma. ^{[ 9 ]} Muchas células también poseen ATPasas de calcio , que pueden operar a concentraciones intracelulares más bajas de calcio y establecen la concentración normal o de reposo de este importante segundo mensajero . ^{[ 25 ]} Pero la ATPasa exporta iones de calcio más lentamente: solo 30 por segundo frente a 2000 por segundo por el intercambiador. El intercambiador entra en servicio cuando la concentración de calcio aumenta bruscamente o "pico" y permite una recuperación rápida. ^{[ 26 ]} Esto muestra que un solo tipo de ion puede ser transportado por varias enzimas, que no necesitan estar activas todo el tiempo (constitutivamente), sino que pueden existir para satisfacer necesidades específicas e intermitentes.

La endocitosis y la exocitosis son formas de transporte activo que mueven materiales dentro y fuera de las células, respectivamente, a través de vesículas . ^{[ 34 ]} En el caso de la endocitosis, la membrana celular se pliega alrededor de los materiales deseados fuera de la célula. ^{[ 35 ]} La partícula ingerida queda atrapada dentro de una bolsa, conocida como vesícula, dentro del citoplasma . A menudo, las enzimas de los lisosomas se utilizan para digerir las moléculas absorbidas por este proceso. Las sustancias que entran en la célula a través de la electrólisis mediada por señales incluyen proteínas, hormonas y factores de crecimiento y estabilización. ^{[ 36 ]} Los virus entran en las células a través de una forma de endocitosis que implica la fusión de su membrana externa con la membrana celular. Esto fuerza el ADN viral hacia el interior de la célula huésped. ^{[ 37 ]}

Los biólogos distinguen dos tipos principales de endocitosis: pinocitosis y fagocitosis . ^{[ 38 ]}

• En la pinocitosis, las células engullen partículas líquidas (en los humanos este proceso ocurre en el intestino delgado, donde las células engullen gotas de grasa). ^{[ 39 ]}
• En la fagocitosis, las células engullen partículas sólidas. ^{[ 40 ]}

La exocitosis implica la eliminación de sustancias mediante la fusión de la membrana celular externa y la membrana de una vesícula. ^{[ 41 ]} Un ejemplo de exocitosis sería la transmisión de neurotransmisores a través de una sinapsis entre células cerebrales.

• transportador de casete de unión a ATP
• intercambio a contracorriente
• Orientación de proteínas

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• Transporte activo secundario