Transporte a través de membrana

Transporte por difusión física simple.

Es un transporte pasivo y no mediado. La membrana debe ser permeable para el producto en cuestión, que pasará desde la zona más concentrada a la zona más diluida.

En teoría, cualquier molécula se puede disolver en la bicapa lipídica. Lo que ocurre es que algunas sustancias tardarán demasiado en disolverse. Los factores más importantes son los siguientes:

• Coeficiente de reparto agua-lípido: tienen prioridad las sustancias liposolubles. Las sustancias liposolubles difunden mejor.
• Tamaño: las sustancias más pequeñas pasan mejor.
• Carga: las moléculas cargadas son las que peor pasan.

Las que mejor pasan los las liposolubles. Por ejemplo, benceno, o metano. En general, los compuestos polares pasan más. Si son polares, sin carga y de pequeño tamaño pueden llegar a pasar con relativa facilidad, como ocurre con el agua o el dióxido de carbono. A mayor tamaño, peor paso. Por ejemplo, el etanol, glicerina, glucosa y sacarosa, van pasando de mejor a peor (son moléculas cada vez mayores). Algunas, serán rechazadas. Los iones no pasan en absoluto.

Difusión facilitada.

En el caso de las membranas naturales, algunas moléculas que no deberían pasar acaban pasando. Podrán pasar por difusión a través de canales hidrófobos, proteínas de canal.

Esquema de proteína canal

 Como es un transporte pasivo, no consume energía. Por lo tanto la energía libre del proceso es menor de cero y la diferencia de entropía será positiva (ΔG<0 ; ΔS>0). Como no es mediado, no se enlaza ni modifica en el proceso de transporte.

La fuerza que impulsa el transporte varía si la sustancia presenta carga eléctrica o no la presente. Si es un no electrolito, la fuerza que dirige el transporte debe ser el gradiente de concentración. La dirección será siempre a favor de gradiente y la velocidad de transporte, proporcional a ese gradiente.

Transporte a favor de gradiente

La recta tendrá más o menos pendiente en función de la permeabilidad de la membrana, su grosor, etc. Cuando las concentraciones se igualen se llegará a un equilibrio estacionario en el que no habrá transporte neto.

Equilibrio de concentración

 En el caso de que haya electrolitos, la fuerza impulsora es el gradiente de concentración de ión y el gradiente eléctrico del sistema. La suma de ambos nos dará lo que se denomina gradiente electroquímico.

En el equilibrio, el gradiente electroquímico será cero. La distribución a los dos lados de la membrana no tiene porque seer una igualdad de concentraciones. Podría coincidir, pero lo normal es que la concentración sea asimétrica. La razón está en que en el gradiente eléctrico no solo influyen los iones que difunden, sino que influyen otras moléculas cargadas que no difunden.

 En el ejemplo anterior de modelo de célula, al sumergirlo todo en cloruro potásico, el gradiente electroquímico los va a hacer entrar, pero en distinta medida. El potasio va a entrar porque dentro no hay potasio y porque tiene carga positiva y en el interior del modelo solo hay cargas negativas. En cambio, el cloro va a tender a entrar por gradiente de concentración, pero no va a tender a entrar debido al gradiente electrónico. En el equilibrio, habrán entrado los dos, pero habrá más potasio en el interior que en el exterior (para compensar la diferencia de carga) y más cloro en el exterior que en el interior. De aquí se deduce lo que se llama ley de Domma.

Y por lo tanto:

En las células no se cumple la ley de Domma porque hay otros tipos de transporte.

La distribución asimétrica de las cargas va a crear un potencial eléctrico a ambos lados de la membrana, normalmente con un interior negativo y un exterior positivo.

Donde F es la constante de Faraday, Z la valencia o carga del ión y Ce y Ci las concentraciones en el exterior e interior respectivamente.

Para iones monovalentes y a una temperatura de 20ºC (293 K) tendremos que:

Proteínas transportadoras y transporte activo.

Existen muchas proteínas que ayudan o son responsa les del paso de sustancias que, en teoría, no podrían pasar a través de la membrana. El transporte puede ser:

• Simple o uniporte, cuando se trata del paso de un soluto en una dirección determinada.
• Cotransporte: el sistema exige pasar dos tipos distintos de soluto, o de lo contrario no pasará ninguno de los dos. El contransporte puede ser de dos tipos:

1. Antiporte: si pasan en direcciones opuestas (uno entra y otro sale).
2. Simporte: si pasan en la misma dirección (los dos entran o los dos salen).

Esquemas de transporte activo

Hay dos proteínas implicadas en el transporte: proteínas de canal y los transportadoras o acarreadoras.

En cuanto a las proteínas canal, podemos encontrar los siguientes tipos:

• Permanentemente abiertos.
• Regulados:

1. Químicamente o por ligandos.
2. Por voltaje.

En cualquier caso, se trata de una difusión simple, igual que la que ocurre a través de la bicapa, pero con una velocidad mayor. No es un transporte mediado, no se une a la proteína. Sin embargo hay una cierta relación, debido por ejemplo al diámetro del canal. Y con la carga ocurre lo mismo (habrá canales que no permitan el paso de sustancias con cierta carga).

Proteína canal

 Este canal del dibujo permanece abierto todo el tiempo, pero hay otros con apertura y cierre regulado. Hay dos tipos de regulación.

El primero sería el que está regulado químicamente:

Transportador regulado químicamente

El ligando se une a un centro específico del canal. Se produce un cambio de conformación, que lo abre. El paso que se produce es a favor de gradiente electroquímico.

La segunda opción es una regulación por voltaje. El cambio conformacional estaría regulado por cambios en el voltaje a través de la membrana.

Transporte regulado por potencial electroquímico

 El segundo tipo de proteínas son las proteínas transportadoras, que llevan a cabo el transporte mediado. La proteína se une al soluto y de ese modo lo transfiere de un lado a otro de la membrana.

Todos van a seguir un mecanismo general común. Primero se enlaza con el producto de un lado de la membrana. La proteína tiene dos conformaciones, una con el centro de unión en un lado y otro al contrario. El cambio de conformación lo inducirá el propio sustrato. A esto se le llama conformación ping-pong.

Transporte por proteínas ping-pong

 Todos los transportes mediados por proteínas tienen unas características:

• Especificidad.
• Saturabilidad.
• Inhibición específica.

La especificidad significa que una proteína transporta a un soluto, que es su ligando específico. Al ser específico, nos lleva a la segunda propiedad, y es que el transporte es saturable. Cuando todos los transportadores están funcionando, estarán saturados. En ese momento la velocidad de transporte es máxima. En su cinética de transporte, coincidirá con la cinética de Michaelis – Mendel.

Su fórmula sería la misma:

En cambio, los transportes no mediados, sería una recta. Y en el caso de que fuese un canal, esta podría ser casi vertical, ya que no tiene efecto de saturabilidad.

Gráfica de velocidad de transporte

 La tercera propiedad que comentamos es la inhibición específica. Los transportadores pueden ser inhibidos por inhibidores competitivos y no competitivos.

El transporte mediado puede ser, a su vez, pasivo, también denominado difusión facilitada, y transporte mediado activo o transporte activo.

En la difusión facilitada no hay gasto de energía. En eso es similar a la difusión simple (ΔG<0). Sólo es posible a favor de gradiente electroquímico, a base de aumentar ΔS. Es bidireccional.

Esquema de difusión facilitada

El transporte activo se diferencia en que se requiere un gasto de energía (ΔG> 0). Tiene lugar siempre en contra de gradiente electroquímico. por lo tanto ΔS disminuirá. Será unidireccional. Está preparado para funcionar solo de una manera.

Esquema de transporte activo

Podríamos hacer ahora un dibujo general con los tipos de transporte que hemos estudiado:

Esquema general de transporte

Bomba sodio – potasio.

Es un ejemplo de transporte antiporte, que bombea sodio hacia fuera y potasio hacia adentro, con consumo de ATP. Por lo tanto, se le denomina comúnmente como Na+ K+ ATP-asa.

Tiene dos subunidades catalíticas (aunque en el esquema solo dibujamos una). A su lado tiene una glicoproteína cuya función es desconocida.

Por un ATP que se hidroliza, se obtiene energía para sacar 3 Na+ y meter 2 K+ en contra de su gradiente electroquímico. El sitio por donde se hidroliza el ATP está en el interior de la célula. Tendrá tres centros de alta afinidad por el sodio. El potasio entra, se une desde fuera. La bomba puede ser inhibida específicamente. Hay varios inhibidores. Uno muy potente es la Ovabina. Además, la bomba está regulado por varios métodos aun desconocidos. Se encarga de mantener unos niveles de sodio y potasio constantes. Parece que funciona a base de cambios conformacionales que le permiten bombear el sodio y el potasio.

Bomba sodio-potasio ATPasa

El sodio induce la fosforilación de la bomba. El potasio induce la desfosorilación. Hay al menos dos conformaciones, conocidas como E1 y E2. La conformación E1 tiene mayor afinidad por el sodio. Sus centros de enlace quedan hacia el interior. La conformación E2 tiene más afinidad por el potasio y tiene sus centros de enlace hacia el exterior. La fosforilación pasa de la conformación E1 a la conformación E2.

Funcionamiento de la sodio-potasio ATPasa

La bomba de sodio – potasio interviene en la formación del potencial transmembrana, transporte de azúcares y mantenimiento de la célula.

En cuanto al potencial de membrana, hay que tener en cuenta que por cada tres sodios que salen solo se introducen dos potasios, creando un interior negativo y un exterior positivo. El gradiente iónico que crea la bomba es una forma de energía que se utiliza para llevar a cabo transportes activos de azúcares y aminoácidos.

Cotransporte sodio-glucosa

Si el gradiente de sodio es mayor que el de glucosa hacia el exterior, podrá seguir introduciendo glucosa hacia el interior. El conjunto debe conseguir un ΔG< 0. Como l a glucosa se utiliza inmediatamente, siempre se necesitará glucosa.

Algo parecido sucede con otros aminoácidos y azúcares.

La bomba ayuda a mantener constante el volumen de la célula, ya que controla la concentración de solutos dentro y fuera de la célula, influyendo por lo tanto en el equilibrio osmótico.

En el interior encontraremos sustancias no difundibles, que generan una presión osmótica, además de mayor cantidad de potasio que en el exterior. Podrían atraer el agua. Pero en el exterior predominan el cloro y el sodio. Para mantener este equilibrio participa en gran medida la bomba de sodio-potasio. El sodio y el cloro tenderían a entrar. La bomba está sacando continuamente sodio, compensando el sodio que tiende a entrar por otros medios (como el cotransporte). Respecto al cloro, al estar creando la bomba una carga más negativa en el interior, le resta tendencia a entrar a la célula.