Sistemas de cotransporte

Existen otros tipos de transporte activo que no dependen directamente del ATP como fuente de energía, pero que utilizan la hidrólisis del ATP de una forma indirecta. Cabe imaginar ya como podría producirse este hecho si se considera que el tipo de bombas iónicas impulsadas por el ATP que se han descrito antes puede generar desigualdades importantes de concentraciones iónicas a ambos lados de las membranas. Estos gradientes iónicos están lejos del equilibrio y constituyen, por tanto, de por sí una posible fuente de energía libre. El sistema de cotransporte sodio-glucosa del intestino delgado es un ejemplo a la forma en que se utiliza un gradiente iónico para impulsar un transporte. El transporte de cada molécula de glucosa desde el interior del intestino dentro de las células de la pared intestinal se acompaña de un movimiento simultáneo de un ion Na⁺ en la misma dirección. Dado que el gradiente de Na⁺ favorable se mantiene gracias a la bomba de Na⁺-K⁺ dependiente de ATP de estas células, la glucosa puede transportar en contra de un gradiente desfavorable de concentración de glucosa. La glucosa “va a cuestas” del transporte de Na⁺ favorecido termodinámicamente. Cuando el transporte de las dos moléculas se produce en la misma dirección, como ocurre en este caso, se denomina simporte y cuando se produce en direcciones opuestas, se denomina antiporte.

Se conoce un elevado número de estos sistemas de cotransporte, muchos de los cuales se utilizan para trasladar nutrientes dentro de las células. Muchos de ellos utilizan el gradiente de Na⁺ como fuerza impulsora, pero algunos como el sistema de lactosa permeasa de E. Coli, dependen de un gradiente de H⁺, la generación de gradientes de H⁺ es un paso central en la producción de energía por la mayoría de las células.

Transporte mediante modificación

Otro método del que disponen las células para realizar un transporte en contra de un gradiente utiliza el siguiente truco. Supongamos una molécula que al desplazarse hacia el interior de una célula por difusión pasiva o facilitada sufre una modificación química que hace que no pueda volver a pasar a través de la membrana en dirección contraria. El resultado neto es que se acumulan de manera constantes cantidades de la molécula modificada en el interior de la célula. Este método es el que utilizan muchas bacterias para la captación de azucares. Los azucares se fosforilan, bien durante su difusión a través de la  membrana, o tan pronto como emergen en el citosol. Las membranas son impermeables a los monosacáridos fosforilados cargados y, por tanto, estos productos permanecen en la célula. En el ejemplo mejor estudiado, el sistema fosfotransferasa de E. Coli, el transporte se facilita por una proteína transmembrana, y la molécula de azúcar parece que se fosforila por el ATP mientras se encuentra en el poro. El proceso tiene la ventaja añadida de que la fosforilacion de los monosacáridos es en el primer paso la utilización metabólica. Así pues los azucares captados por E. Coli están ya preparados para el metabolismo. Aunque este mecanismo de transporte parece muy diferente del acoplamiento directo de las bombas iónicas, es básicamente el mismo. En ambos casos se ha hidrolizado un compuesto fosfato de energía elevada (ATP) para conseguir el transporte dirigido de una molécula a través de la membrana.

  Terminaremos con un ejemplo que pone de relieve la enorme variedad de las propiedades que pueden presentar las membranas mediante su capacidad a regular el transporte ionico.La conducción de impulsos nerviosos en los animales es un proceso notable pero depende de principios físicos muy sencillos.

ESTRUCTURA PROTEICA DE LA BOMBA

Es una proteína de membrana que actúa como un transportador de intercambio antiporte (transferencia simultánea de dos so lutos en diferentes direcciones) que hidroliza ATP. Es una ATPasa de transporte tipo P, es decir, sufre fosforilaciones reversibles durante el proceso de transporte. Está formada por dos sub unidades, alfa y beta, que forman un tetrámero integrado en la membrana. La subunidad alfa está compuesta por ocho segmentos transmembrana y en ella se encuentra el centro de unión del ATP que se localiza en el lado citosólico de la membrana. También posee dos centros de unión al potasio extra celulares y tres centros de unión al sodio intercelulares que se encuentran accesibles para los iones en función de si la proteína está fosforilada. La subunidad beta contiene una sola región helicoidal transmembrana y no parece ser esencial para el transporte ni para la actividad ATPasa. La enzima está glucósido en la cara externa (como la mayoría de proteínas de membrana) y requiere de magnesio como cofactor para su funcionamiento ya que es una ATPasa.

 

Esta máquina molecular está formada por cadenas grandes (α) de 113 kilodalton cada una, y subunidades más pequeñas (β) de 55 kilodalton cada una. La subunidad α interviene directamente en el proceso de transporte y es una enzima que hidroliza ATP. El cambio de energía libre que se produce en esta reacción se emplea para impulsar el transporte. La subunidad α atraviesa la membrana 10 veces, formando un canal de múltiples hélices. El lugar de unión y fosforilacion del ATP se encuentra en el lado citoplasmático. Mirando al exterior hay múltiples lugares de unión de esteroides cardiotónicos, entre ellos la ouabaina y la digitoxina (digital), cuya importancia medica se considera más abajo. La subunidad β tiene una única hélice que atraviesa la membrana y transporta un gran polisacárido (20 kDa) en la superficie exterior. Se desconoce la función del polisacárido y de la proteína β. Aunque el único par αβ funciona en sistemas reconstruidos, no está clara la estructura cuaternaria real en las membranas celulares. Muchos piensan que predominan los dímeros (αβ)₂. La bomba de sodio- potasio es solo un miembro de una gran clase de ATPasas que participan en el transporte activo.

Las estimaciones actuales indican que se bombean al interior de la célula aproximadamente dos iones K⁺ y se bombean al exterior tres iones Na⁺ por cada ATP hidrolizado. Es razonable este cálculo desde el punto de vista termodinámico? Para responder a esta pregunta, calcularemos la energía libre necesaria para tomar 3 moles de Na del lugar en que está a 10mM y llevarlos a donde está a 140 mM,y 2 moles de k+ de 5mM a 100mM,a 37°C. Debemos tener en cuenta el potencial de membrana que es de aproximadamente de 0.07 voltios. El interior de la membrana es más negativo que el exterior, por lo que este potencial se opone al flujo. Por cada mol de Na, tenemos

ΔG=RT ln CNa+ (fuera)+ ZNa+FΔ¥ dentro →fuera

CNa+ (dentro)

= 8.314 J/k. mol x 310 K x In  140 / 10 + 1 x 96,480 J/volt. mol x 0.07 volt

= 6800 J/mol + 6780 J/ mol=13,550 J / mol =13.55kJ/mol=13.55kj/mol

Así pues, para 3, moles, tendremos ΔG=3x13.55kj=40.65kj.

Cuando se transporta K+  hacia el interior de la célula el potencial de membrana actúa en favor del flujo. Por cada mol de

K+, tenemos.

ΔG=8.314j/K .mol x 310K x In 100/5 + 1 x 96,480 J/vol. mol (-- 0.07 volt)

= 7720 J/mol – 6750 J/mol = 0.94 kJ/mol.

Es decir, que para 2 moles,ΔG=1.94 kJ. Obsérvese que el potencial de membrana es casi suficiente para mantener por sí mismo el gradiente de K.+ El requerimiento de energía libre total para el transporte al exterior de 3 moles de Na, el transporte al interior de 2 moles de K  es pues.

ΔGtotal= 40.65kJ + 1.94 kJ= 42.59kJ

A primera vista, puede parecer que la hidrólisis de 1 mol de ATP no proporcionaría la energía necesaria, puesto que hemos indicado que ΔG, el cambio de energía libre de estado estándar para la hidrólisis del ATP en condiciones fisiológicas es de  aproximadamente –30kj /mol. Sin embargo en la mayoría de las células, el ATP tiene una concentración mucho más alta que el ADP o el  mol  por lo que el cambio de energía libre real por mol se aproxima más a—45 a ---50kj/mol. Así pues, la hidrólisis de ATP basta para mantener estos gradientes de concentración en la estequiometria de transporte observada, pero no podría transportar más de 3Na y 2 K⁺, por cada ATP. .Además, si es correcto el cálculo 3+2, significa  que la bomba es muy eficaz.

A pesar del transporte en contra de gradientes fuertes, la bomba de sodio – potasio no comparta transgresión alguna de los principios de la termodinámica.

 La única exigencia es que la hidrólisis del ATP y el transporte estén acoplados. Este acoplamiento se produce al parecer en un proceso de múltiples etapas. Los estudios más complejos han llevado a un modelo para el mecanismo de la bomba sodio-potasio. Se ha propuesto que la bomba puede existir en dos tipos de conformaciones, uno abierto hacia el citosol y el otro abierto hacia el entorno celular. La transición a la conformación abierta al citosol, que permite la liberación de K⁺ y la captura de Na⁺ se desencadena por la unión de ATP y la liberación de fosfato. La transición al estado abierto al exterior, que permite la liberación de Na⁺ y la captura de K⁺ se produce tras la fosforilacion de la subunidad α y la liberación de ADP. El estado abierto al exterior, denominado E-P tiene una afinidad especialmente elevada por los esteroides cardiotónicos, como la digitoxina y la ouabaina. Estos agentes inhiben la bomba de Na⁺-K⁺ bloqueándola en esta conformación. Esta inhibición tiene efectos importantes en los músculos, especialmente en el corazón. La acumulación de Na⁺ en las células conduce a medidas para reducirlo, incluyendo los procesos de intercambio Ca²⁺-Na⁺ catalizados por otra bomba. El aumento de Ca²⁺ en el retículo sarcoplasmico de las células del musculo cardiaco conduce a contracciones mucho más fuertes. Esta es la razón por la que se utilizan como estimulantes cardiacos las sustancias del tipo de la digitoxina y la ouabaina.

Debe señalarse una cuestión importante para futuras referencias a la misma una bomba que impulse en sentido inverso puede actuar como generador de energía. De hecho, el mismo tipo de mecanismo molecular que se ha descrito más arriba si se permite el paso de una sustancia a favor de gradiente, puede utilizarse a veces para generar ATP. Es de destacar que este mecanismo constituye probablemente la principal vía de producción  de ATP en los organismos vivos.

 Este sistema es importante para el control del volumen de todas las células. Sin la función de esta bomba la mayor parte de las células del cuerpo se hincharían hasta explotar.

Bomba sodio-potasio

La bomba sodio-potasio no es un artefacto explosivo, todo lo contario, es generadora de vida para todos los animales ya veras el porque de esto.

la bomba sodio-potasio es una proteína de membrana fundamental en la fisiología de las células que se encuentra en todas nuestras membranas celulares. Su función es el transporte de los iones inorgánicos más importantes  (el sodio y el potasio) entre el medio extracelular y el citoplasma, proceso fundamental en todo el reino animal.

 Actúa de la siguiente manera:

1. Tres iones de sodio (3 Na+) intracelulares se insertan en la proteína transportadora.
2. El ATP aporta un grupo fosfato (Pi) liberándose difosfato de adenosina (ADP). El grupo fosfato se une a la proteína, hecho que provoca cambios en el canal proteico.
3. Esto produce la expulsión de los 3 Na+ fuera de la célula.
4. Dos iones de potasio (2 K+) extracelulares se acoplan a la proteína de transporte.
5. El grupo fosfato se libera de la proteína induciendo a los 2 K+ a ingresar a la célula. A partir de ese momento, comienza una nueva etapa con la expulsión de otros tres iones de sodio.