5.3: Transporte Activo

Habilidades para Desarrollar

• Entender cómo los gradientes electroquímicos afectan a los iones
• Distinguir entre transporte activo primario y transporte activo secundario

Los mecanismos de transporte activos requieren el uso de la energía celular, generalmente en forma de trifosfato de adenosina (ATP). Si una sustancia debe entrar en la célula contra su gradiente de concentración, es decir, si la concentración de la sustancia dentro de la célula es mayor que su concentración en el fluido extracelular (y viceversa), la célula debe usar energía para mover la sustancia. Algunos mecanismos de transporte activos mueven materiales de pequeño peso molecular, como los iones, a través de la membrana. Otros mecanismos transportan moléculas mucho más grandes.

Gradiente Electroquímico

Hemos discutido gradientes de concentración simples, concentraciones diferenciales de una sustancia a través de un espacio o una membrana, pero en los sistemas vivos, los gradientes son más complejos. Debido a que los iones entran y salen de las células y debido a que las células contienen proteínas que no se mueven a través de la membrana y en su mayoría están cargadas negativamente, también hay un gradiente eléctrico, una diferencia de carga, a través de la membrana plasmática. El interior de las células vivas es eléctricamente negativo con respecto al líquido extracelular en el que están bañadas, y al mismo tiempo, las células tienen mayores concentraciones de potasio (K ⁺) y concentraciones de sodio (Na ⁺) menores que el líquido extracelular. Entonces, en una célula viva, el gradiente de concentración de Na ⁺ tiende a conducirlo a la célula, y el gradiente eléctrico de Na ⁺ (un ion positivo) también tiende a conducirlo hacia adentro hacia el interior cargado negativamente. La situación es más compleja, sin embargo, para otros elementos como el potasio. El gradiente eléctrico de K ⁺, un ion positivo, también tiende a conducirlo a la célula, pero el gradiente de concentración de K ⁺ tiende a expulsar a K ⁺ de la célula (Figura\(\PageIndex{1}\)). El gradiente combinado de concentración y carga eléctrica que afecta a un ion se denomina gradiente electroquímico.

Conexión de arte

Figura\(\PageIndex{1}\): Los gradientes electroquímicos surgen de los efectos combinados de gradientes de concentración y gradientes eléctricos. (crédito: “Sinaptitude” /Wikimedia Commons)

La inyección de una solución de potasio en la sangre de una persona es letal; esto se usa en la pena capital y la eutanasia. ¿Por qué crees que una inyección de solución de potasio es letal?

Moviéndose contra un gradiente

Para mover sustancias contra una concentración o gradiente electroquímico, la celda debe usar energía. Esta energía se cosecha a partir del ATP generado a través del metabolismo de la célula. Los mecanismos de transporte activos, denominados colectivamente bombas, funcionan contra gradientes electroquímicos. Sustancias pequeñas pasan constantemente a través de las membranas plasmáticas. El transporte activo mantiene concentraciones de iones y otras sustancias que necesitan las células vivas ante estos movimientos pasivos. Gran parte del suministro de energía metabólica de una célula puede gastarse manteniendo estos procesos. (La mayor parte de la energía metabólica de un glóbulo rojo se utiliza para mantener el desequilibrio entre los niveles exteriores e interiores de sodio y potasio requeridos por la célula). Debido a que los mecanismos de transporte activo dependen del metabolismo de una célula para obtener energía, son sensibles a muchos venenos metabólicos que interfieren con el suministro de ATP.

Existen dos mecanismos para el transporte de material de peso molecular pequeño y moléculas pequeñas. El transporte activo primario mueve los iones a través de una membrana y crea una diferencia en la carga a través de esa membrana, que depende directamente del ATP. El transporte activo secundario describe el movimiento del material que se debe al gradiente electroquímico establecido por el transporte activo primario que no requiere directamente ATP.

Proteínas Transportadoras para Transporte Activo

Una adaptación de membrana importante para el transporte activo es la presencia de proteínas portadoras específicas o bombas para facilitar el movimiento: existen tres tipos de estas proteínas o transportadores (Figura\(\PageIndex{2}\)). Un uniportador lleva un ión o molécula específica. Un simportador lleva dos iones o moléculas diferentes, ambos en la misma dirección. Un antiportador también lleva dos iones o moléculas diferentes, pero en diferentes direcciones. Todos estos transportadores también pueden transportar pequeñas moléculas orgánicas sin carga como la glucosa. Estos tres tipos de proteínas transportadoras también se encuentran en la difusión facilitada, pero no requieren ATP para funcionar en ese proceso. Algunos ejemplos de bombas para el transporte activo son Na ⁺ -K ⁺ ATPasa, que porta iones sodio y potasio, y H ⁺ -K ⁺ ATPasa, que porta iones hidrógeno y potasio. Ambas son proteínas transportadoras antiportadoras. Otras dos proteínas portadoras son la ATPasa Ca ²⁺ y la ATPasa H ⁺, las cuales solo transportan iones calcio y solo hidrógeno, respectivamente. Ambas son bombas.

Figura\(\PageIndex{2}\): Un uniportador lleva una molécula o ion. Un simportador lleva dos moléculas o iones diferentes, ambos en la misma dirección. Un antiportador también lleva dos moléculas o iones diferentes, pero en diferentes direcciones. (crédito: modificación de obra por “Lupask” /Wikimedia Commons)

Transporte Activo Primario

El transporte activo primario que funciona con el transporte activo de sodio y potasio permite que se produzca el transporte activo secundario. El segundo método de transporte aún se considera activo porque depende del uso de la energía al igual que el transporte primario (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\): El transporte activo primario mueve los iones a través de una membrana, creando un gradiente electroquímico (transporte electrogénico). (crédito: modificación de obra de Mariana Ruiz Villareal)

Una de las bombas más importantes en las células animales es la bomba de sodio-potasio (Na ⁺ -K ⁺ ATPasa), que mantiene el gradiente electroquímico (y las concentraciones correctas de Na ⁺ y K ⁺) en las células vivas. La bomba de sodio-potasio mueve K ⁺ dentro de la celda mientras mueve Na ⁺ hacia fuera al mismo tiempo, en una proporción de tres Na ⁺ por cada dos iones K ⁺ que se mueven. La Na ⁺ -K ⁺ ATPasa existe en dos formas, dependiendo de su orientación hacia el interior o exterior de la célula y su afinidad por iones de sodio o potasio. El proceso consta de los siguientes seis pasos.

1. Con la enzima orientada hacia el interior de la célula, el portador tiene una alta afinidad por los iones de sodio. Tres iones se unen a la proteína.
2. El ATP es hidrolizado por el portador proteico y un grupo fosfato de baja energía se une a él.
3. Como resultado, el portador cambia de forma y se reorienta hacia el exterior de la membrana. La afinidad de la proteína por el sodio disminuye y los tres iones de sodio dejan el portador.
4. El cambio de forma aumenta la afinidad del portador por los iones potasio, y dos de estos iones se unen a la proteína. Posteriormente, el grupo fosfato de baja energía se desprende del portador.
5. Con el grupo fosfato eliminado y los iones de potasio unidos, la proteína portadora se reposiciona hacia el interior de la célula.
6. La proteína portadora, en su nueva configuración, tiene una afinidad disminuida por el potasio, y los dos iones se liberan en el citoplasma. La proteína ahora tiene una mayor afinidad por los iones de sodio, y el proceso comienza de nuevo.

Varias cosas han sucedido como resultado de este proceso. En este punto, hay más iones de sodio fuera de la célula que dentro y más iones de potasio por dentro que por fuera. Por cada tres iones de sodio que salen, entran dos iones de potasio. Esto da como resultado que el interior sea ligeramente más negativo en relación con el exterior. Esta diferencia de carga es importante para crear las condiciones necesarias para el proceso secundario. La bomba de sodio-potasio es, por lo tanto, una bomba electrogénica (una bomba que crea un desequilibrio de carga), creando un desequilibrio eléctrico a través de la membrana y contribuyendo al potencial de la membrana.

Enlace al aprendizaje

Visite el sitio para ver una simulación de transporte activo en una ATPasa sodio-potasio.

Transporte Activo Secundario (Cotransporte)

El transporte activo secundario lleva iones de sodio, y posiblemente otros compuestos, a la célula. A medida que las concentraciones de iones de sodio se acumulan fuera de la membrana plasmática debido a la acción del proceso primario de transporte activo, se crea un gradiente electroquímico. Si existe una proteína de canal y está abierta, los iones de sodio serán arrastrados a través de la membrana. Este movimiento se utiliza para transportar otras sustancias que pueden adherirse a la proteína transportadora a través de la membrana (Figura\(\PageIndex{4}\)). Muchos aminoácidos, así como la glucosa, ingresan a una célula de esta manera. Este proceso secundario también se utiliza para almacenar iones de hidrógeno de alta energía en las mitocondrias de células vegetales y animales para la producción de ATP. La energía potencial que se acumula en los iones de hidrógeno almacenados se traduce en energía cinética a medida que los iones surgen a través de la proteína ATP sintasa del canal, y esa energía se usa para convertir ADP en ATP.

Conexión de arte

Figura\(\PageIndex{4}\): Un gradiente electroquímico, creado por el transporte activo primario, puede mover otras sustancias contra sus gradientes de concentración, un proceso llamado cotransporte o transporte activo secundario. (crédito: modificación de obra de Mariana Ruiz Villareal)

Si el pH fuera de la célula disminuye, ¿esperarías que la cantidad de aminoácidos transportados a la célula aumente o disminuya?

Resumen

El gradiente combinado que afecta a un ion incluye su gradiente de concentración y su gradiente eléctrico. Un ion positivo, por ejemplo, podría tender a difundirse en una nueva área, bajando su gradiente de concentración, pero si se está difundiendo en un área de carga positiva neta, su difusión se verá obstaculizada por su gradiente eléctrico. Cuando se trata de iones en soluciones acuosas, se debe considerar una combinación de los gradientes electroquímicos y de concentración, en lugar de solo el gradiente de concentración solo. Las células vivas necesitan ciertas sustancias que existen dentro de la célula en concentraciones mayores a las que existen en el espacio extracelular. Mover sustancias hacia arriba en sus gradientes electroquímicos requiere energía de la celda. El transporte activo utiliza la energía almacenada en ATP para alimentar este transporte. El transporte activo de materiales pequeños de tamaño molecular utiliza proteínas integrales en la membrana celular para mover los materiales: Estas proteínas son análogas a las bombas. Algunas bombas, que realizan transporte activo primario, se acoplan directamente con ATP para impulsar su acción. En el cotransporte (o transporte activo secundario), la energía del transporte primario se puede utilizar para mover otra sustancia hacia la célula y subir su gradiente de concentración.

Conexiones de arte

Figura\(\PageIndex{1}\): La inyección de una solución de potasio en la sangre de una persona es letal; esto se usa en la pena capital y la eutanasia. ¿Por qué crees que una inyección de solución de potasio es letal?

Contestar

Las células suelen tener una alta concentración de potasio en el citoplasma y se bañan en una alta concentración de sodio. La inyección de potasio disipa este gradiente electroquímico. En el músculo cardíaco, el potencial sodio/potasio se encarga de transmitir la señal que provoca que el músculo se contraiga. Cuando se disipa este potencial, la señal no se puede transmitir y el corazón deja de latir. Las inyecciones de potasio también se utilizan para evitar que el corazón lata durante la cirugía.

Figura\(\PageIndex{4}\): Si el pH fuera de la célula disminuye, ¿esperarías que la cantidad de aminoácidos transportados a la célula aumente o disminuya?

Contestar

Una disminución en el pH significa un aumento en los iones H ⁺ cargados positivamente y un aumento en el gradiente eléctrico a través de la membrana. El transporte de aminoácidos al interior de la célula aumentará.

Glosario

transporte activo

método de transporte de material que requiere energía

antiporter

transportador que lleva dos iones o moléculas pequeñas en diferentes direcciones

gradiente electroquímico

gradiente producido por las fuerzas combinadas de un gradiente eléctrico y un gradiente químico

bomba electrogénica

bomba que crea un desequilibrio de carga

transporte primario activo

transporte activo que mueve iones o moléculas pequeñas a través de una membrana y puede crear una diferencia en la carga a través de esa membrana

bomba

mecanismo de transporte activo que funciona contra gradientes electroquímicos

transporte activo secundario

movimiento de material que se debe al gradiente electroquímico establecido por el transporte activo primario

symporter

transportador que lleva dos iones diferentes o moléculas pequeñas, ambos en la misma dirección

transportador

proteínas portadoras específicas o bombas que facilitan el movimiento

uniporter

transportador que lleva un ión o molécula específica