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y transporte de solutos pequeños a través de membranas celulares.
Objetivo de aprendizaje: Describir los fundamentos que determinan el transporte de solutos pequeños en las membranas celulares.
Para iniciar el tema, debemos partir de la premisa número 1: las células deben regular la entrada y salida de iones y moléculas a través de las membranas. ¿Por qué esto es tan importante? Bueno, eso es importante dado que las reacciones esenciales para que ocurra la vida se producen bajo ciertas condiciones de concentración de iones y moléculas que deben ser estrictamente controladas.
Entonces, para que el transporte de la membrana, las membranas básicamente transportan para absorber nutrientes, excretar productos de desecho y también para regular los iones intracelulares. La membrana, entonces, en una dualidad, debe retener los materiales intracelulares que están disueltos y, al mismo tiempo, debe permitir el intercambio hacia dentro y fuera de la célula de ciertos solutos.
Para entender la anterior premisa, primero debemos comprender la permeabilidad de las bicapas lipídicas. Las bicapas lipídicas se están constituidas fundamentalmente por fosfolípidos. A través de los fosfolípidos sabemos que pueden atravesar ciertos solutos. Solutos como los gases, tales como el CO2, el nitrógeno y el oxígeno, pueden atravesar la membrana, por lo cual decimos que son altamente permeables. Otros solutos pequeños, polares sin carga, como el etanol, en la buena, ahora también pueden ser muy permeables a través de la capa. En el caso del etanol, sabemos que es altamente permeable. Para el agua y la urea, se conoce que, aunque pueden atravesar la bicapa, son mucho menos permeables que el etanol, es decir, la velocidad con que la atraviesan es menor. Y otras moléculas consideradas como polares en carga, pero de alto peso molecular, tales como la glucosa, la fructosa, ya muestran ser impermeables a través de estas capas. Lo mismo va a ocurrir para los iones, que son partículas con carga positiva o negativa, no pueden atravesar la membrana. Vamos a encontrar también moléculas polares cargadas como aminoácidos, el ATP, la glucosa-6-fosfato, macromoléculas como las proteínas y ácidos nucleicos que, por su tamaño y también por su polaridad, pues no van a tener la capacidad de atravesar las bicapas lipídicas.
Una forma cuantitativa de establecer qué tan permeable es un soluto a través de una bicapa lipídica es el coeficiente de permeabilidad. Este coeficiente nos indica qué tan permeable puede ser un soluto a través de una bicapa. En estos ejemplos podemos ver que, en el caso de la sacarosa, el sodio y el potasio son altamente impermeables con coeficientes muy bajos de 10 a la menos 5. Por otro lado, cuando consideramos hacia el lado derecho solutos como la urea, el glicerol, el indol, el agua, el amonio, los gases como el CO2 y el O2, vamos a encontrar que muestran una alta permeabilidad a través de estas capas.
La segunda premisa que hay que tener en cuenta es la que menciona que el transporte y la permeabilidad selectiva de las membranas celulares genera gradientes químicos y electroquímicos, formas de almacenamiento de energía. Para esto debemos comprender que cuando hay una membrana, se genera la división de dos compartimentos. En el caso de la membrana plasmática de las células, esta genera la división entre el compartimento intracelular y el compartimento extracelular. A través de sus compartimentos, en las células eucariotas humanas, por ejemplo, se sabe que hay diferencias de concentración para los principales iones, para moléculas orgánicas como la glucosa, aminoácidos y también para gases como el oxígeno y el CO2. Como se puede observar, para cada uno de estos solutos existen diferencias de concentración de un lado y del otro de la membrana. Esa diferencia surge gracias al transporte selectivo de estos solutos y también a la permeabilidad selectiva de los mismos.
La tercera premisa del transporte es que, para entender los tipos de transporte que ocurren en las membranas celulares para pequeños solutos, primero debemos entender lo que es la difusión. Para entender lo que es la difusión, desarrollaremos el siguiente ejercicio. Supongamos que tenemos un recipiente con agua en el tiempo cero y a este recipiente le vamos a agregar un colorante rojo, un colorante verde y un colorante azul. Vamos a agregar en diferentes posiciones del recipiente los distintos colorantes. Si observáramos cómo se distribuyen las concentraciones de estos solutos en el espacio, observaríamos que el soluto de color rojo se distribuye más hacia el lado izquierdo, el verde principalmente la zona central y el azul principalmente en la zona de la derecha. Si observáramos a nivel molecular estos solutos, notaríamos que se presenta una alta concentración de solutos rojos hacia el lado izquierdo, una alta concentración de solutos verdes en el centro y una alta concentración de solutos azules hacia el lado derecho.
Si dejamos pasar cinco minutos, comenzaremos a observar que las coloraciones que se ven en el recipiente comienzan a mezclarse. Si observamos cómo se distribuyen sus concentraciones, observaremos que las concentraciones de los solutos ahora comienzan a ocupar espacios que no estaban anteriormente ocupados por ellos. Esta mezcla es la que produce el cambio de la coloración macroscópica y esto se va a corroborar a nivel molecular. Observaremos que hay solutos de color rojo que han difundido hacia el lado derecho e igualmente solutos de color verde que se difunden hacia el lado izquierdo o hacia el lado derecho y solutos de color azul que han iniciado su movimiento hacia el lado izquierdo.
Si dejamos pasar el tiempo cinco minutos más, observaremos que el recipiente ha tomado una coloración uniforme, diferente a la coloración de hace cinco minutos y diferente a la coloración inicial. Si observamos ya a nivel de las concentraciones lo que ha pasado con la distribución del soluto, observaremos que los solutos ahora se distribuyen uniformemente en su concentración a lo largo del espacio del recipiente. A nivel molecular observaremos entonces que los solutos se distribuyen en igual concentración a lo largo de todo el recipiente.
Todo este proceso que hemos descrito hasta este momento se considera difusión. Es decir, que la difusión consiste en que los solutos se mueven desde zonas de alta concentración, como ocurre en este caso en el tiempo cero, hasta zonas de baja concentración, de forma independiente de otros solutos. Este proceso, como hemos visto, es espontáneo. Para que estos solutos se movieran o hicieran difusión, no hubo necesidad de invertir energía. ¿Cómo es posible que esto ocurra? La explicación es básicamente derivada de la termodinámica. La difusión es un proceso espontáneo porque básicamente incrementa la entropía del medio, es decir, aumenta su desorden. Si comparamos el estado en el tiempo cero, es un estado altamente ordenado para cada uno de los solutos, versus el estado final a los diez minutos, en los cuales hay un alto desorden, es decir, se ha alcanzado la máxima entropía posible. Por lo tanto, la difusión es un proceso entrópica mente favorable.
Hay diferentes tipos de transporte si se considera la difusión. Para esto, consideremos una membrana, un lado que tiene una alta concentración de un soluto particular de color azul y otro lado que tiene un soluto azul pero en menor concentración. Supongamos entonces que nuestro soluto es altamente permeable a través de esta membrana. Lo que va a ocurrir es que este soluto va a pasar a través de la capa lipídica y va a ser, por lo tanto, difusión. Este tipo de difusión que ocurre a través de una membrana sin mediación de una proteína se le va a conocer como difusión simple. ¿Quiénes pueden hacer este tipo de difusión? Fundamentalmente moléculas no polares como los esteroides, moléculas inorgánicas pequeñas como ciertos gases, oxígeno, CO2, moléculas polares sin carga y pequeñas como hemos mencionado el agua, el etanol, la urea. Una característica de la difusión simple es que su tasa y cinética de flujo es descrita por una ecuación que es conocida como la ley de Fick.
Ahora, supongamos que tenemos esta situación. Tenemos una membrana, tenemos un soluto de color verde que se distribuye en menor concentración del lado izquierdo y mayor concentración del lado derecho. Ahora supongamos que este soluto es polar con carga o tiene un alto peso molecular que le evita pasar a través de la capa lipídica. En este caso, la tendencia de la difusión es que se mueva desde la región de alta concentración hacia la región de baja concentración, pero dado que no es permeable a través de la bicapa, entonces puede pasar a través de ella gracias a la presencia de una proteína transportadora que va a facilitar que ocurra este proceso de difusión, que es espontáneo. Este tipo de difusión que es mediado por una proteína se le conoce como difusión facilitada. ¿Quiénes hacen difusión facilitada a través de las membranas celulares? Particularmente lo van a hacer moléculas polares grandes como la glucosa, los aminoácidos, moléculas polares con carga como los iones, y este tipo de transporte va a estar mediado por canales iónicos o por proteínas acarreadoras.
Otro tipo de transporte que puede ocurrir en la tercera situación planteada es el transporte en el cual vamos a mover nuestro soluto desde una región de baja concentración hacia una región de alta concentración. Este tipo de movimiento va en contra de la difusión, por lo tanto, vamos a requerir primero que todo una proteína y también vamos a necesitar energía que permita mover el soluto en contra de su concentración. Esto se denomina transporte activo. Este va a requerir energía y puede ser transporte activo primario o secundario, dependiendo de la fuente de energía. En el transporte activo primario, la fuente de energía va a ser ATP, y en el secundario, va a ser otro soluto que va a liberar energía en la medida que sea transportado en favor de la difusión. En el caso del transporte activo primario, que está mediado por bombas, y en el caso del transporte activo secundario, está mediado por proteínas acarreadoras.
Las membranas celulares pueden tener diferentes tipos de transporte para diferentes solutos. Por ejemplo, para iones como el sodio, el potasio, el ion cloruro, el calcio y la glucosa, pueden tener proteínas involucradas en la difusión facilitada de estos solutos. En el caso de los iones, este tipo de transporte se denomina canales iónicos. La dirección de movimiento de estos iones va a depender básicamente de dos fuerzas: la fuerza química, explicada por las diferencias de concentración, y la fuerza eléctrica, explicada por las diferencias de cargas alrededor de la membrana. También vamos a tener transporte de moléculas orgánicas. Este tipo de transporte facilitado va a estar influenciado solamente por fuerzas químicas.
Otro tipo de transporte que pueden presentar estos solutos es el transporte activo primario. Por ejemplo, en el caso del sodio, cuando se debe salir, se debe emplear energía para sacarlo, dado que vamos en contra de su dirección de difusión. En este caso, esta bomba utiliza ATP para sacar sodio en contra de la dirección de difusión y mete potasio también en contra de su dirección de difusión. Algo similar ocurre con bombas para hidrogeniones, que se encargan de concentrar hidrogeniones en un lado de la membrana yendo en contra de la dirección de difusión y de la entropía. Y también lo mismo para el calcio, por medio de bombas que utilizan ATP para bombearlos en contra de gradientes químicos o electroquímicos.
Otro tipo de transporte activo es el transporte activo secundario. En este tipo de transporte, la energía no proviene de la ATP, sino que proviene de otro soluto que se mueve en favor de su dirección de difusión. Por ejemplo, en este caso, los aminoácidos son transportados hacia el interior de la célula gracias a que hay un transportador que puede utilizar la energía del sodio que libera cuando ingresa hacia el interior de la célula, lo cual es termodinámicamente favorable, pues es la dirección natural de difusión, y esta energía va a permitir que el aminoácido sea transportado hacia el interior de la célula. Algo similar ocurre en este caso, en el cual la energía del sodio es utilizada para sacar hidrogeniones o para sacar calcio. En este otro tipo de transporte, este mismo mecanismo puede ser utilizado para iones. Por ejemplo, el bicarbonato utiliza la energía de salida para poder meter el ion cloruro hacia el interior de la célula.
En este tipo de transporte activo secundario, cuando la dirección de los dos solutos va hacia la misma dirección, hablamos de que es un transporte tipo simporte, o cuando van en direcciones contrarias, decimos que es un transporte tipo antiporte.
Las células habitualmente utilizan diferentes mecanismos de transporte para poder cumplir con sus funciones. Para ilustrar esta idea, utilizaremos como ejemplo las células parietales. Estas células habitualmente son las encargadas de generar la acidificación del lumen intestinal, alcanzando pHs tan bajos como 1.0. Esta acidificación se logra gracias a que se bombean grandes cantidades de hidrogeniones hacia este lumen, mientras que el citosol de estas células permanece relativamente constante con un pH cercano a la neutralidad de 7.2, y la sangre va a tener un pH un poco más alcalino de 7.4. ¿Cómo pueden las células parietales entonces producir estos cambios tan bruscos de pH en el lumen intestinal? Para esto debemos comprender los mecanismos de transporte y solutos implicados en este proceso.
Iniciando con el CO2, el CO2 es un gas que va a atravesar las membranas de las células parietales a través de difusión simple. Una vez dentro de la célula parietal, el CO2 va a reaccionar con el grupo hidroxilo producido por la disociación del agua en hidroxilo e hidrogenión. Este hidroxilo, al reaccionar con el CO2 mediado por una de las enzimas más rápidas de la naturaleza, como la anhidrasa carbónica, va a producir bicarbonato. El anión bicarbonato, el cual se va a concentrar en el citosol de la célula parietal. Esto genera un gradiente químico. Este gradiente químico para el ion bicarbonato va a ser utilizado para que pueda salir a través de un transportador tipo antiporte. Como va en favor de su gradiente químico, éste libera energía que es utilizada para tomar ion cloruro de la sangre e introducirlo al interior de la célula parietal. Una vez dentro, el ion cloruro va a ser tomado para ser transportado hacia el lumen intestinal, proceso que es mediado por un canal. Por lo tanto, va a comenzar a concentrarse de este lado el ion cloruro.
Ahora, todavía falta explicar cómo se produce la concentración de hidrogeniones del lado estomacal. Para esto debemos tener en cuenta que en esta membrana vamos a encontrar una proteína que se conoce como la ATPasa de hidrogeniones y potasio. Esta ATPasa lo que va a hacer es tomar hidrogeniones del lado intracelular y los bombea hacia el lumen. Este movimiento va acompañado de la captura de potasio desde el lumen para introducirlo hacia el interior de la célula. Todo este proceso va a requerir la presencia de ATP, que es hidrolizado a ADP y fosfato inorgánico, liberándose la energía necesaria para acoplar estos dos movimientos. Mantener esta ATPasa funcionando se requiere tener potasio del lado del lumen, por lo tanto, la célula debe asegurar que el potasio vuelva hacia el lado del lumen. Esto se logra gracias a la presencia de canales de potasio que permiten que ocurra la difusión facilitada del potasio a través de estos canales para que pueda salir y pueda ser recapturado por la bomba para que se dé el proceso completo de concentración de los iones hidrógeno en el lumen estomacal.
Aquí podemos ver cómo diferentes mecanismos de transporte se deben acoplar para que ocurra un proceso tan fundamental como la acidificación del lumen intestinal.
En resumen, la permeabilidad selectiva de las membranas celulares permite que se establezcan gradientes químicos, eléctricos y electrónicos a los solutos. El transporte a favor o en contra de la dirección de difusión determina que los tipos de transporte se clasifiquen como pasivos o activos. Las membranas celulares combinan diferentes tipos de transporte para regular las concentraciones de solutos intra y extracelulares.