Transporte activo

¿Qué es el transporte activo?

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.

A continuación se describen los pasos que intervienen en el transporte activo.

1. La molécula se une a la proteína transportadora desde un lado de la membrana celular.
2. El ATP se une a la proteína transportadora y se hidroliza para separarse en ADP (adenosina difosfato) y Pi (grupo fosfato).
3. 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.
4. Las moléculas pasan a través de la proteína transportadora al otro lado de la membrana.
5. El Pi se desprende de la proteína transportadora, lo que hace que esta vuelva a su conformación original.
6. 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.

Sin embargo, también existe otro tipo de transporte denominado transporte activo secundario o cotransporte, el cual exploraremos más adelante.

Proteínas transportadoras

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.

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.

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

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

Las proteínas transportadoras que intervienen en este proceso se denominan simportadores.

Fig. 2- La dirección del movimiento en el transporte activo simporte.

Antiporte

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 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 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 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.

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.

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.

1. La membrana celular rodea la carga, por medio de invaginación.
2. La membrana celular atrapa la carga en una vesícula.
3. 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

A continuación se describen los pasos que se siguen en este proceso:

1. Las vesículas que contienen la carga de moléculas que se van a secretar (expulsar de la célula) se fusionan con la membrana celular.
2. La carga del interior de las vesículas se vacía en el entorno extracelular.

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:

Tabla 1: diferencias entre el transporte activo y el transporte pasivo