El transporte activo es uno de los procesos más fascinantes de la biología celular, el cual permite a las células mover moléculas y iones a través de las membranas celulares contra su gradiente de concentración. En otras palabras, las células pueden "bombear" moléculas hacia adentro o hacia afuera de ellas, incluso cuando la concentración de esas moléculas es mayor en el otro lado de la membrana. Esto significa que ¡Las células tienen un sistema de transporte interno que funciona en ambos sentidos! Y que además juega un papel crucial en muchos procesos biológicos importantes, como el mantenimiento del equilibrio químico.
- En este artículo vamos a aprender acerca del transporte activo.
- Para comenzar, veremos qué es el transporte activo y por qué es importante para la función celular.
- En seguida, estudiaremos las proteínas transportadoras y en qué se diferencian de los canales protéicos.
- Luego, repasaremos los tipos de transporte activo: uniporte, simporte y antiporte.
- Después, estudiaremos la bomba sodio potasio y su importancia en el equilibrio iónico y la homeostasis celular.
- Seguidamente, veremos el transporte activo secundario o cotransporte.
- Más adelante, revisaremos los procesos de transcitosis, endocitosis y exocitosis.
- Finalmente, consideraremos algunos ejemplos de transporte activo en animales y plantas.
¿Qué es el transporte activo?
El transporte activo es el movimiento de moléculas en contra de su gradiente de concentración, utilizando proteínas transportadoras especializadas y energía en forma de trifosfato de adenosina (ATP).
Este tipo de transporte de membrana vital para el funcionamiento de las células. Gracias a este mecanismo, las células pueden mover moléculas y iones a través de las membranas celulares en contra de su gradiente de concentración. Esto permite, entre otros procesos:
La absorción de nutrientes: el transporte activo permite que las células absorban nutrientes esenciales, como los aminoácidos y la glucosa, de los fluidos extracelulares en los que se encuentran inmersas.
La excreción de desechos: las células también usan el transporte activo para excretar desechos de su interior al ambiente externo.
El mantenimiento del equilibrio químico: las células deben mantener un equilibrio químico interno para sobrevivir, y el transporte activo ayuda a mantener ese equilibrio al mover moléculas y iones en contra de su gradiente de concentración.
La comunicación celular: las células usan el transporte activo para mover moléculas de señalización, como los neurotransmisores, a través de las membranas celulares y comunicarse con otras células.
Pero, ¿De dónde sale la energía requerida para transportar moléculas en contra de su gradiente de concentración? La respuesta está en el trifosfato de adenosina o ATP. Esta es una molécula rica en energía que se genera a partir de la respiración celular y se utiliza para impulsar muchas reacciones celulares, lo que la hace esencial para mantener la homeostasis y el funcionamiento adecuado de las células.
El ATP es indispensable para que se lleve a cabo el transporte activo, ya que:
- Cambia la configuración o forma de las proteínas transportadoras: El ATP se acopla a las proteínas de membrana en un sitio de unión específico, lo que provoca un cambio conformacional que permite el desplazamiento de iones o moléculas a través de la membrana.
- Proporciona la energía necesaria para transportar iones o moléculas: Al hidrolizarse el ATP, uno de sus enlaces fosfato se rompe, liberando energía que es usada para transportar los iones o moléculas a través de la membrana.
El transporte activo difiere del transporte pasivo —como la difusión y la ósmosis—, en el que las moléculas se mueven a favor del gradiente de concentración. Esto se debe a que el transporte activo es, como su nombre lo indica, un proceso activo que requiere la inversión de energía para mover las moléculas de una región de menor concentración a una región de mayor concentración.
A continuación se describen los pasos que intervienen en el transporte activo.
- La molécula se une a la proteína transportadora desde un lado de la membrana celular.
- El ATP se une a la proteína transportadora y se hidroliza para separarse en ADP (adenosina difosfato) y Pi (grupo fosfato).
- El Pi se une a la proteína portadora y esto hace que cambie su conformación. La proteína portadora está ahora abierta al otro lado de la membrana.
- Las moléculas pasan a través de la proteína transportadora al otro lado de la membrana.
- El Pi se desprende de la proteína transportadora, lo que hace que esta vuelva a su conformación original.
- El proceso comienza de nuevo.
Cuando las proteínas transportadoras utilizan directamente la energía del ATP para mover moléculas o iones en contra de su gradiente de concentración, lo denominamos transporte activo primario.
El transporte activo primario es un tipo de transporte activo en el cual se utiliza energía metabólica, en forma de ATP, para transportar moléculas a través de una membrana celular.
Sin embargo, también existe otro tipo de transporte denominado transporte activo secundario o cotransporte, el cual exploraremos más adelante.
Proteínas transportadoras
Las proteínas transportadoras son proteínas transmembrana que actúan como bombas para permitir el paso de las moléculas.
Estas proteínas son transmembrana porque abarcan todo el grosor de una bicapa de fosfolípido; además, tienen sitios de unión complementarios a moléculas específicas, lo que las hace altamente selectivas.
Los sitios de unión que se encuentran en las proteínas transportadoras son similares a los sitios de unión que vemos en las enzimas. Estos sitios de unión interactúan con una molécula de sustrato y esto se debe a la selectividad de las proteínas transportadoras.
Además de las proteínas transportadoras, existen otras estructuras denominadas canales proteicos. Estos, a diferencia de las proteínas transportadoras, no cambian su forma en función de las moléculas que transportan.
Los canales proteicos son un tipo de proteína de transporte que atraviesa la membrana celular, formando túneles para moléculas específicas.
El transporte facilitado, que es una forma de transporte pasivo, también utiliza proteínas transportadoras. Sin embargo, las proteínas transportadoras necesarias para el transporte activo son diferentes, ya que requieren ATP; mientras que las proteínas transportadoras implicadas en la difusión facilitada no lo requieren.
Tipos de transporte activo
Existen tres tipos de transporte activo, con base en el número de moléculas que se transportan y la dirección del movimiento:
- Uniporte.
- Simporte.
- Antiporte.
Uniporte
El uniporte es el movimiento de un tipo de molécula en una dirección.
Observa que el uniporte puede describirse tanto en el contexto de la difusión facilitada —que es el movimiento de una molécula a favor de su gradiente de concentración— como en el del transporte activo. Las proteínas transportadoras que intervienen en este proceso se denominan uniportadores.
Fig. 1- La dirección del movimiento en el transporte activo uniporte.
Simporte
El simporte es el movimiento de dos tipos de moléculas en la misma dirección, ambas hacia el exterior o interior de la célula.
Las proteínas transportadoras que intervienen en este proceso se denominan simportadores.
Fig. 2- La dirección del movimiento en el transporte activo simporte.
Antiporte
El antiporte es el movimiento de dos tipos de moléculas en direcciones opuestas, una hacia el exterior y otra hacia el interior de la célula.
Las proteínas transportadoras que intervienen en este proceso se llaman antiportadores.
Fig. 3- La dirección del movimiento en el transporte activo antiporte.
La bomba de sodio potasio
La bomba de sodio-potasio es una proteína de la membrana celular que utiliza la energía del ATP para mover activamente iones de sodio y potasio en contra de sus gradientes electroquímicos a través de la membrana celular.
La bomba de sodio-potasio es una proteína transportadora de tipo ATPasa de membrana, que realiza una función enzimática al transportar de forma activa iones de sodio (Na+) hacia el exterior de la célula y iones de potasio (K+) hacia el interior de la célula de forma simultánea. De esta forma, se mantiene la diferencia de concentración entre el sodio y el potasio a ambos lados de la membrana celular. Ya que la bomba de sodio potasio utiliza trifosfato de adenosina (ATP) como fuente de energía para transportar los iones, esta se considera un transporte activo primario.
En cada ciclo, la bomba de sodio potasio ingresa dos iones de potasio (K+) y expulsa tres iones de sodio (Na+). Debido a esta transferencia, hay más iones positivos en la matriz extracelular que en el citosol. Por esto, la parte interna de la membrana celular tiene una carga negativa. De este modo, la bomba sodio potasio contribuye al potencial de membrana; es decir, a la diferencia de voltaje entre el exterior y el interior de la membrana.
Fig. 4- La dirección del movimiento en la bomba Na+/K+ ATPasa.
¿Qué es el cotransporte?
El cotransporte, también llamado transporte activo secundario, es un tipo de transporte activo que implica el movimiento simultáneo de dos moléculas diferentes a través de una membrana celular.
El movimiento de una molécula en contra de su gradiente de concentración se acopla al movimiento de una molécula a favor de su gradiente de concentración (generalmente un ion). La molécula que se mueve en contra del gradiente recibe energía de la molécula que se mueve a favor del gradiente.
El cotransporte puede ser simporte y antiporte, pero no uniporte. Esto se debe a que el cotransporte implica dos tipos de moléculas, mientras que el uniporte solo uno.
El cotransportador utiliza la energía del gradiente electroquímico para impulsar el paso de la otra molécula. Esto significa que el ATP se utiliza de forma indirecta para el transporte de la molécula en contra de su gradiente de concentración.
Ejemplos de transporte activo en plantas y animales
Transporte activo en las plantas: La absorción de minerales
La absorción de minerales en las plantas es un proceso que depende del transporte activo. Los minerales en el suelo existen en sus formas iónicas, como los iones de magnesio, sodio, potasio y nitrato. Todos ellos son importantes para el metabolismo celular de las plantas, especialmente para el crecimiento, la fotosíntesis, y la reproducción.
La concentración de iones minerales es menor en el suelo que en el interior de las células de la raíz. Debido a este gradiente de concentración, se necesita un transporte activo para bombear los minerales al interior de las células de la raíz. Las proteínas transportadoras, que son selectivas para iones minerales específicos, median el transporte activo. Este es un ejemplo de transporte uniporte.
La absorción de minerales está estrechamente relacionada con la absorción de agua. El bombeo de iones minerales al citoplasma de las células de la raíz reduce el potencial hídrico de la célula. Esto crea un gradiente de potencial hídrico entre el suelo y las células de la raíz que favorece la ósmosis.
La ósmosis se define como el movimiento de agua desde una zona de alto potencial hídrico a otra de bajo potencial hídrico, a través de una membrana parcialmente permeable.
Como el transporte activo necesita ATP, se puede ver por qué las plantas anegadas, cuyas raíces se encuentran en superficies inundadas, presentan serios problemas. Las plantas anegadas no pueden obtener oxígeno, lo que reduce considerablemente la tasa de respiración aeróbica. Esto hace que se produzca menos ATP y, por lo tanto, que haya menos energía disponible para el transporte activo necesario en la absorción de minerales.
Transporte activo en los animales: Glucosa y sodio en el íleon
Las bombas de sodio-potasio ATPasa (Na+/K+ ATPasa) son abundantes en las células nerviosas y en las células epiteliales del íleon, que es la última porción del intestino delgado. Esta bomba es un ejemplo de antiportador. Se bombean 3Na+ fuera de la célula por cada 2K+ bombeados hacia el interior de la célula. El movimiento de iones generado por este antiportador crea un gradiente electroquímico. Esto es extremadamente importante para los potenciales de acción y el paso de la glucosa del íleon a la sangre, como veremos a continuación.
La absorción de la glucosa implica cotransporte, en las células epiteliales, del íleon del intestino delgado. Se trata de una forma de simporte, ya que la absorción de glucosa en las células epiteliales del íleon implica el movimiento de Na+ en la misma dirección. En este proceso también interviene la difusión facilitada, pero el cotransporte es especialmente importante, ya que la difusión facilitada es limitada cuando se alcanza un equilibrio: ¡el cotransporte garantiza la absorción de toda la glucosa!
Este proceso requiere tres proteínas de membrana principales:
- Bomba de Na+/K+ ATPasa.
- Bomba cotransportadora de Na+/glucosa.
- Transportador de glucosa.
La bomba Na+/K+ ATPasa se encuentra en la membrana que da al capilar. Como se ha comentado anteriormente, se bombean 3Na+ fuera de la célula por cada 2K+ que se bombean hacia el interior de la célula. Como resultado, se crea un gradiente de concentración, ya que el interior de la célula epitelial del íleon tiene una menor concentración de Na+ que el lumen del íleon.
El cotransportador de Na+/glucosa se encuentra en la membrana de la célula epitelial, frente al lumen del íleon. El Na+ se unirá al cotransportador junto con la glucosa. Como resultado del gradiente de Na+, este se difundirá hacia el interior de la célula por su gradiente de concentración. La energía producida por este movimiento permite el paso de la glucosa al interior de la célula en contra de su gradiente de concentración.
El transportador de glucosa se encuentra en la membrana que da al capilar. La difusión facilitada permite que la glucosa se mueva hacia el interior del capilar en contra de su gradiente de concentración.
Fig. 5- Las proteínas transportadoras implicadas en la absorción de la glucosa en el íleon.
Adaptaciones del íleon para el transporte rápido
Como acabamos de comentar, las células epiteliales del íleon que recubren el intestino delgado son responsables del cotransporte de sodio y glucosa. Para un transporte rápido, estas células epiteliales tienen adaptaciones que ayudan a aumentar la tasa de cotransporte, incluyendo:
- Un borde en cepillo formado por microvellosidades.
- Mayor densidad de proteínas transportadoras.
- Una sola capa de células epiteliales.
- Gran número de mitocondrias.
Borde en cepillo de microvellosidades
El borde en cepillo es un término utilizado para describir las microvellosidades que recubren las membranas de la superficie celular de las células epiteliales. Estas microvellosidades son proyecciones, en forma de dedo, que aumentan drásticamente la superficie de la membrana celular. Esto permite que más proteínas transportadoras se incrusten dentro de la membrana de la superficie celular para el cotransporte.
Aumento de la densidad de las proteínas transportadoras
La membrana celular de las células epiteliales tiene una mayor densidad de proteínas transportadoras. Esto aumenta la tasa de cotransporte, ya que se pueden transportar más moléculas en cualquier momento.
Una sola capa de células epiteliales
Hay una sola capa de células epiteliales que recubre el íleon. Esto disminuye la distancia de difusión de las moléculas transportadas.
Gran número de mitocondrias
Las células epiteliales contienen un gran número de mitocondrias que proporcionan el ATP necesario para el cotransporte.
Transcitosis
Ahora veremos cómo logra la célula mover moléculas un poco más grandes que lo que vimos hasta ahora. El llamado transporte en masa se parece al transporte activo, en el sentido que necesita la inversión directa de energía. Sin embargo, este transporte sigue un proceso completamente diferente al transporte activo, ya que no utiliza proteínas transportadoras, sino vesículas membranosas.
La transcitosis o el transporte en masa es el movimiento de partículas más grandes, normalmente macromoléculas como las proteínas, dentro y fuera de una célula a través de la membrana celular.
Esta forma de transporte es esencial para el movimiento de macromoléculas que son demasiado grandes para que las proteínas de la membrana permitan su paso.
Endocitosis
La endocitosis es el transporte masivo de carga hacia el interior de las células. A continuación se explican los pasos generales que se siguen.
- La membrana celular rodea la carga, por medio de invaginación.
- La membrana celular atrapa la carga en una vesícula.
- La vesícula se desprende y se introduce en la célula, transportando la carga en su interior.
En función de sus objetivos o mecanismos específicos, la endocitosis se clasifica en:
- Fagocitosis: transporte de partículas grandes y sólidas, como los patógenos.
- Pinocitosis: ingreso de gotas líquidas del entorno extracelular.
- Endocitosis mediada por receptores: una forma más selectiva de captación.
Exocitosis
La exocitosis es el transporte masivo de carga hacia el exterior de las células.
A continuación se describen los pasos que se siguen en este proceso:
- Las vesículas que contienen la carga de moléculas que se van a secretar (expulsar de la célula) se fusionan con la membrana celular.
- La carga del interior de las vesículas se vacía en el entorno extracelular.
La exocitosis tiene lugar en la sinapsis, ya que este proceso es responsable de la liberación de neurotransmisores desde la célula nerviosa presináptica.
Diferencias entre transporte activo y pasivo
Al encontrarte con las diversas formas de transporte de moléculas, es posible que las confundas entre sí. Para que esto no ocurra, a continuación, vamos a exponer las principales diferencias entre el transporte activo y el transporte pasivo:
| Transporte pasivo | Transporte activo |
| Las moléculas se mueven a favor de un gradiente de concentración | Las moléculas se mueven en contra de un gradiente de concentración |
| Es un proceso pasivo, ya que no requiere ningún gasto extra de energía (más que el proporcionado por el movimiento a favor del gradiente) | Es un proceso activo, puesto que requiere energía extra, principalmente en forma de ATP |
| Generalmente, no requiere la presencia de proteínas transportadoras (la difusión facilitada sí las utiliza) | Requiere la presencia de proteínas transportadoras |
Tabla 1: diferencias entre el transporte activo y el transporte pasivo
Transporte Activo - Puntos clave
- El transporte activo es el movimiento de moléculas en contra de su gradiente de concentración, utilizando proteínas transportadoras y ATP. Las proteínas transportadoras son proteínas transmembrana que hidrolizan el ATP para cambiar su forma conformacional.
- Los tres tipos de métodos de transporte activo son: uniporte, simporte y antiporte. Utilizan proteínas transportadoras denominadas uniportadores, simportadores y antiportadores, respectivamente.
- La absorción de minerales en las plantas y los potenciales de acción en las células nerviosas son ejemplos de procesos que dependen del transporte activo en los organismos.
- El cotransporte (transporte activo secundario) implica el movimiento de una molécula a favor de su gradiente de concentración acoplado al movimiento de otra molécula en contra de su gradiente de concentración. La absorción de glucosa en el íleon utiliza cotransporte de tipo simporte.
- La transcitosis (o el transporte en masa), un tipo de transporte activo, es el movimiento de macromoléculas más grandes hacia dentro (endocitosis) y hacia afuera (exocitosis) de la célula, a través de la membrana celular.
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