3.3G: Gradiente Electroquímico

Para mover sustancias contra el gradiente electroquímico de la membrana, la celda utiliza transporte activo, que requiere energía del ATP.

Objetivos de aprendizaje

• Definir un gradiente electroquímico y describir cómo una celda mueve sustancias contra este gradiente

Puntos Clave

• Los gradientes eléctricos y de concentración de una membrana tienden a impulsar el sodio dentro y el potasio fuera de la célula, y el transporte activo funciona contra estos gradientes.
• Para mover sustancias contra una concentración o gradiente electroquímico, la celda debe utilizar energía en forma de ATP durante el transporte activo.
• El transporte activo primario, que depende directamente del ATP, mueve los iones a través de una membrana y crea una diferencia en la carga a través de esa membrana.
• El transporte activo secundario, creado por el transporte activo primario, es el transporte de un soluto en la dirección de su gradiente electroquímico y no requiere directamente ATP.
• Las proteínas portadoras como los uniportadores, simportadores y antiportadores realizan el transporte activo primario y facilitan el movimiento de los solutos a través de la membrana celular.

Términos Clave

• trifosfato de adenosina: un trifosfato de nucleósido multifuncional utilizado en las células como coenzima, a menudo llamada la “unidad molecular de la moneda de energía” en la transferencia de energía intracelular
• transporte activo: movimiento de una sustancia a través de una membrana celular contra su gradiente de concentración (de baja a alta concentración) facilitado por la conversión de ATP
• Gradiente electroquímico: La diferencia en carga y concentración química a través de una membrana.

Gradientes electroquímicos

Gradiente Electroquímico: Los gradientes electroquímicos surgen de los efectos combinados de gradientes de concentración y gradientes eléctricos.

Los gradientes de concentración simples son 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 fluido extracelular en el que están bañadas. Al mismo tiempo, las células tienen mayores concentraciones de potasio (K ⁺) y concentraciones menores de sodio (Na ⁺) que el líquido extracelular. 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. El gradiente combinado de concentración y carga eléctrica que afecta a un ion se denomina gradiente electroquímico.

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 trifosfato de adenosina (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. Por ejemplo, la mayor parte de la energía metabólica de un glóbulo rojo se utiliza para mantener el desequilibrio entre los niveles de sodio y potasio exterior e interior que requiere 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: uniportadores, simportadores y antitransportadores. 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 bombas de proteína portadora son la ATPasa Ca ²⁺ y la ATPasa H ⁺, que transportan solo iones calcio y solo hidrógeno, respectivamente.

Uniportadores, Simportadores y Antiportadores: Un uniportador porta 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.