Biologia Celular

Membranas II: Transportadores Pasivos y Activos

por Nathan H Lents, Ph.D.

Aproximadamente 30,000 Americanos tienen una enfermedad llamada Fibrosis Quística (FQ). Esta es una enfermedad genética que un individuo hereda de tanto sus padres o padece a lo largo de su vida. Personas con FQ tienen problemas respiratorios y digestivos serios debido a la acumulación de mucosa viscosa y pegajosa en los pulmones y en otros órganos. Hace solamente un par de décadas, la mayoría de los individuos con FQ no sobrevivían lo suficiente para comenzar clases pre-escolares. Afortunadamente, la investigación medica ha llevado la vida promedio de personas que padecen de FQ a aproximadamente 35 años. Adicionalmente la causa principal de la enfermedad ha sido identificada: La membrana de plasma de células en los órganos afectados les falta un componente clave y entonces no funcionan correctamente.

La membrana de plasma (también llamada la membrana celular) es mas que una simple barrera entre el interior de la célula y el ambiente fuera de esta misma. Como se exploró en Membranas I: La introducción a Membranas Biológicas hay una gran variedad de componentes incrustados que son esenciales para la vida de una célula, incluyendo lípidos, carbohidratos y proteínas – muchos de los cuales regulan lo que se permite pasar hacia adentro y afuera de la célula (Figura 1).

Proteins in cell
Figura 1: Muchos tipos de proteínas se mezclan a través de la membrana de célula.

La membrana plasmática: una barrera selectiva

La membrana plasmática de todas las células es una barrera hacia la mayoría de las moléculas. Solamente moléculas sin carga, no polares pueden pasar fácilmente por la membrana. Moléculas NO polares son aquellas cuyos enlaces involucran compartir electrones de manera igual o simétrica de manera que no existan cargas parcialmente positivas o negativas. Esto incluye gases como el dióxido de carbono y el oxigeno y unas pocas hormonas lipídicas como la testosterona y el estrógeno.

Sin embargo la mayoría de las moléculas en nuestros cuerpos son cargados o polares. Por ejemplo, el agua no puede pasar directamente a través de una membrana biológica debido a que es una molécula polar, con cargas parcialmente positivas o parcialmente negativas. El ambiente interno de la membrana plasmática es altamente hidrófobo debido a la cercanía de todas las colas de hidrocarburos de acido grasoso (ver Membranas I: La introducción a Membranas Biológicas). Estas colas de hidrocarburo son llenadas con enlaces no-polares existen esencialmente cero enlaces polares en la parte interior de la membrana. Esto crea un ambiente bien hidrófobo y por ende, el agua se repela fuertemente.

La glucosa es otro ejemplo de una molécula polar que no puede pasar fácilmente a través de la membrana. Es mucho mas grande que el agua con muchos enlaces polares por toda la molécula. Iones como el sodio (Na+) y el cloruro (Cl-), tienen un tiempo aun mas difícil pasar por la membrana que la glucosa. No son solamente parcialmente cargados: son completamente cargados y por ende repelidos fuertemente por el interior de la membrana (ver Figura 2).

Diffusion_membrane
Figura 2: Moléculas no-polares como el oxigeno y el nitrógeno, se difunden a través de una membrana, mientras que las moléculas polares son iones cargados que no se difunden a través de una membrana. image © Visionlearning

Sin embargo, también sabemos que el agua, la glucosa, el sodio y el cloruro se mueven hacia adentro y hacia fuera de las células a cada rato, el cual significa que tiene que haber algo que los asiste. Este “algo” es una colección de transportadores: tanto pasivos como activos.

Punto de Comprensión

Es mas difícil que pasen moléculas a través de las membranas celulares cuando:

Transportadores activos y pasivos

Existen transportadores incrustados en todas las membranas celulares que pasan. En Membranas I, discutimos el transportador de agua, acuaporina – pero existen muchos mas de estos transportadores dentro de las membranas de todas las células vivientes.

Transportadores son proteínas que se dividen en dos clases: transportadores pasivos, también llamados canales y transportadores activos, también llamados bombas. La diferencia entre transportadores activos y transportadores pasivos es si energía se requiere para mover la molécula de un lado de la membrana a otro. Un canal es pasivodebido a que no requiere energía para ayudar a moléculas fluir a través de ella. (El transportador de agua acuaporina es un canal) Sin embargo las bombas si requieren energía para hacer su trabajo entonces se les llama transportadores activos.

Canales: transportadores pasivos

Para poder funcionar, el corazón, los nervios y los músculos en el cuerpo necesitan mover iones de sodio hacia adentro y hacia fuera de sus células. Sin embargo, debido a que los iones de sodio se cargan y no pueden pasar directamente por la membrana, las células tienen un canal de sodio que crea un paso como un túnel a través de la membrana en donde los iones pueden fluir libremente.

Debido a que canales proveen apenas un camino para que pasen las moléculas, solo son capaces de permitir que fluya de adonde están alta concentración hacia adonde están en poca concentración. En otras palabras, los canales permiten moléculas especificas a difundir cuando no pueden debido a que una membrana esta en su camino. Cuando un canal ayuda a moléculas moverse por medio de una membrana se le llama difusión facilitada. Las moléculas de manera pasiva se riegan uniformemente, pero reciben poca ayuda de los canales para poder hacerlo(ver Figura 3).

Regular and facilitated diffusion
Figura 3: Difusión regular (las moléculas solubles en grasa) y facilitada (las moléculas solubles en agua). image © BruceBlaus

Por ejemplo, dentro de las células humanas, existen concentraciones bajas de iones de sodio, pero afuera de las células, en los fluidos generales del cuerpo, existe una alta concentración de iones de sodio. Es por esto que lágrimas, el sudor y otros fluidos corporales tienen un sabor salado. Por ende, rodeando todas las células de su cuerpo, existen una concentración gradiente de iones de sodio – el bajo sodio adentro de las células y el alto sodio en el fluido que lo rodea. Los canales permiten solamente el flujo pasivo de moléculas bajo su gradiente (de alto a bajo), no la otra dirección, para que el canal de sodio permitiera iones que fluyan hacia adentro de la célula, pero no hacia fuera.

Los canales son importantes para muchas diferentes tipos de moléculas. En 1989, se descubrió que la base de la Fibrosis Quística fue la perdida de un tipo especifico de un canal de transporte pasivo en la membrana celular de pacientes con FQ. Este canal conocido como RCTFQ (regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística) esta compuesta en realidad de células de personas con FQ, pero también carece una pequeña pieza: un aminoácido en una ubicación crucial. Debido a esta pequeña alteración en su estructura, el RCTFQ nunca se lleva a la membrana plasmática en donde normalmente permitirá iones de cloro que fluyan fuera de la célula (Cheng et al., 1990).

CFTR channel
Figura 4: Un Canal CFTR. image © Visionlearning

El flujo de iones de cloruro de ciertas células en los pulmones son esenciales para hacer mucosas de consistencia apropiada. Sin cloruro, la mucosa no es aguada como debería de ser. Cuando el cloruro falla en fluir de las células de pacientes de FQ, mucosa viscosa se acumula en sus pulmones, llevando a síntomas e infecciones asociadas con FQ, tales como tos y sibilancias frecuentes. Esto resalta el trabajo importante que tiene la membrana celular. Es mucho mas que una barrera estática.

Punto de Comprensión

Los canales permiten que las moléculas:

Algunos canales tienen puertas

Muchas células, especialmente neuronas y células musculares, tienen canales de sodio en ellas, pero estas son usualmente almacenadas cerca de las puertas. Las puertas previenen que el sodio corra hacia adentro de la célula, de manera que la gradiente pueda ser mantenida. Sin embargo, estas puertas también pueden ser abiertas en tiempos específicos. Debido a que la concentración de sodio es mas alta afuera de la célula que de adentro de la célula, si las puertas del canal de sodio de repente se abren, los iones de sodio comenzarían a fluir hacia adentro.

Es importante recordar de que las moléculas se mueven en caminos aleatorios. Mientras que moléculas fluirán hacia adentro por medio de los canales, algunos fluirán de regreso hacia fuera. Pero aun mas iones fluirán hacia adentro de la célula que hacia afuera debido a que para empezar existen mas iones de sodio afuera. Por ende cuando las puertas se abran, decimos que hay un movimiento neto de iones de sodio hacia adentro de la célula. Si las puertas se quedarían abiertas por suficiente tiempo, la concentración de sodio adentro y afuera seria igual. No habrá mas gradiente y no habrá mas movimiento neto. Sin embargo, esto no sucede, debido a que las puertas solo se abren por un breve instante.

Bombas: transportadores activos

¿Cómo llegan los iones de sodio a tener una concentración tan alta afuera de la célula en primer lugar? Para responder esto, debemos considerar el tema de trasporte activo. El transporte activo es exactamente lo opuesto de transporte pasivo. Primero, requiere el ingreso de energía, en vez de depender en el movimiento aleatorio de moléculas (y esto viene en forma de ATP usualmente). Segundo, el transporte activo construye gradientes de concentración – lo que significa que incrementa la concentración de moléculas en una área particular - en vez de reducirlos (vea nuestro modulo de Difusión). Tercero, requiere la acción de la bomba de membrana (en vez del canal) que mueva moléculas de un lado de la membrana a otro.

Las bombas de membranas son proteínas incrustadas en la membrana de plasma que empujan moléculas específicas o iones hacia adentro y afuera de la célula. Por ejemplo, existen bombas de protones ((H+) en el revestimiento del estómago. Empujan protones hacia adentro de la cavidad estomacal, creando una solución bien ácida para digerir comida (Figura 5). Las personas que sufren de acidez estomacal crónica o indigestión pueden tomar Nexium, Prilosec o Prevacid para tratar esta incomodidad. Estas drogas trabajan bajando la velocidad de las bombas de protones en las paredes del estomago y por ende haciendo que el estomago sea menos ácido (Peghini et al. , 1998). Otros ejemplos de bombas son bombas de calcio (Ca2+) en los intestinos que ayudan a absorber el calcio de la comida, y las bombas de glucosa en los riñones agarran toda la glucosa del liquido pre-urinario para que no perdamos glucosa constantemente en la orina. A diferencia que los canales, todas estas bombas deben utilizar energía para poder hacer este bombeo.

Proton pump
Figura 5: Una bomba de protón en el revestimiento del estómago. image © Visionlearning

Punto de Comprensión

El movimiento aleatorio de moléculas esta asociado con transporte:

La bomba sodio/potasio

Quizás la bomba mas importante de todas es la bomba de sodio/potasio, usualmente escrito simplemente como la bomba Na+/K+. Esta bomba existe en casi todas las membranas celulares en el cuerpo humano y de hecho en casi todas las membranas celulares de todos los animales que han vivido en la tierra. Esta bomba es la que se encarga en bombear sodio afuera de la célula y potasio adentro de una célula. Debido a que la bomba empuja dos cosas en direcciones opuestas, se le llama antiporte.

A pesar de que ya existe bastante Na+ afuera de la célula (y bien poco adentro), el antipuerto de Na+/K+ activamente empuja Na+ desde afuera de la célula hacia adentro. Lo mismo es cierto para potasio (K+) – activamente empuja K+ hacia la célula sin importar las concentraciones mas altas adentro que afuera. El antipuerto esta constantemente construyendo ambos gradientes incrementando las concentraciones de sodio afuera de la célula y el potasio adentro de la célula. El Na+/K+ trabaja sin parar en todas las células de cuerpo humano, constantemente manteniendo estas dos gradientes cruciales (Figura 6).

Sodium-Potassium Exchange Pump
Figura 6: El antipuerto de sodio-potasio (Na+/K+) activamente empuja sodio de adentro de la célula hacia fuera mientras también empuja potasio adentro de la célula. image © BruceBlaus

Debido a que esta trabjando contra el flujo natural de la difusión – para balancearlo fuera de la concentración en ambos lados de la membrana – la bomba Na+/K+ se dice estar involucrada en transporte activo, un proceso que requiere energía. Al igual que la mayoría del trabajo que las células realizan, la energía para el trabajo de este transporte viene en la forma de ATP.

¿Por qué es tan importante mantener el interior de las células bajo en Na+ y alto en K+? La razón es porque estos dos gradientes son utilizados para diferentes tipos de propósitos importantes por todo el cuerpo, tal y como permitir que nervios envíen mensajes y músculos en contacto. La membrana plasmática de neuronas y músculos tienen canales de sodio y potasio, sin embargo estos canales no siempre están abiertos, tienen puertas en ellas que están usualmente cerradas. Pero estas puertas pueden ser de repente abiertas. Por ejemplo, células musculares tienen un canal de sodio con una puerta que puede ser abierta por el neurotransmisor acetilcolina. Si una neurona de repente de repente libera acetilcolina hacia un musculo, la puerta en el canal de sodio puede abrirse. Cuando esto sucede los iones de sodio después entraran en la célula debido al gradiente siempre presente de sodio. Los iones de sodio (Na+) después causan una reacción en cadena que lleva a contracción muscular.

Sodium channel
Figura 7: Una neurona libera acetilcolina en el musculo causando que la puerta del canal de sodio se abra y que los iones de sodio entren a las células debido al gradiente de sodio. image © VL

Durante el uso muscular normal, la afluencia de sodio es temporalmente y rápidamente invertido por la bomba Na+/K+ el cual siempre esta trabajando para re-establecer los gradientes lo mas rápido posible. Sin embargo durante el ejercicio estrenuo, particularmente cuando el musculo no esta acostumbrado a trabajo tan exigente, la bomba de Na+/K+ y otras bombas de iones que son importantes en la función celular de musculo no pueden mantenerse al paso con la afluencia de iones por la apertura de las puertas. Esto lleva a una contracción involuntaria del musculo, también llamado calambre, cuando los iones de sodio se acumulan adentro de las células musculares. Debido a que la contracción es involuntaria y bien intensa, los calambres son dolorosos y usualmente debilitantes. La única manera de invertirlos es detener todo ejercicio y masajear los músculos, relajándolos y dándole a la bomba de Na+/K+ una oportunidad para que se vuelva a acoplar a su función de permitir que el sodio salga de la célula y que el potasio entre a ella. Los atletas que están en muy buena forma tienen menos problemas con calambres debido a que sus músculos entrenados tiene mas bombas de Na+/K+ y otras bombas de iones que tenemos los demás.

Muchas neuronas en su cerebro también responden a una afluencia repentina liberando neurotransmisores a neuronas vecinas. La importancia crucial de estos canales de sodio esta resaltado por el hecho de que algunos de los compuestos mas venenosos que han sido descubiertos son compuestos que bloquean los canales de sodio, paralizando nervios y músculos. La tetrodotoxina, un tipo de veneno bloqueador de canal de sodio encontrado en pez globo de Fugu, es 100 veces mas letal que el cianuro. Ingerir aunque sea una pequeña dosis de tetrodotoxina puede paralizar a alguien completamente previniendo que funcionen tanto los músculos como las neuronas. (Narahashi, Moore, & Scott, 1964).

Punto de Comprensión

El ________ provee energía para transporte activo.

El descubrimiento de la bomba Na+/K+

En la década de 1950, científicos sabían que los iones se movían hacia adentro y hacia fuera de células y que debido a esto, las células tenían voltaje – una diferencia en le carga adentro de las células comparas al afuera de las células. El voltaje (también llamado potencia de reposo de membrana) de casi todas las células es negativo – lo que significa que existen mas cargas negativas que iones positivos adentro de la célula. Esta carga negativa interna de las células vienen primordialmente de muchas de las grandes macromoléculas de la vida ADN, proteínas, lípidos y azucares – las cuales todas tienen una carga negativa. Pero científicos no entendían como la célula prevenía que iones positivos fluyeran hacia adentro para cancelar las cargas negativas o porque todos los animales mantenían una concentración baja de sodio y una alta concentración de potasio.

Esto cambió en el año 1958 cuando Jens Skou, un físico danés, hizo un descubrimiento accidental mientras estudiaba como funcionaban los analgésicos locales. Los analgésicos son substancias que previenen o reducen el dolor, un ejemplo de un analgésico local es la novocaína, el cual es utilizado por dentistas para dormir la boca durante cirugía bocal. En su laboratorio, el Dr. Skou notó que las células tienen una enzima incrustada en su membrana que consume bastante ATP. Después el notó que cuando expone células a algunos analgésicos, la enzima rodeada de membrana dejo de consumir ATP, como que si estuviera paralizada. El efecto se desvanecería lentamente al desaparecerse la droga de las células. La parte crucial del descubrimiento vino cuando el notó que las drogas no afectaban la enzima misteriosa que consume ATP, pero también permitió que el sodio se acumulara en la célula y que el potasio se saliera. Ningún otro ion estaba afectado – solo el sodio y el potasio. Y una vez mas, con el tiempo, el efecto se desvaneció. Con exactamente el mismo tiempo, el consumo de ATP gradualmente continuaría y los gradientes de Na+ y K+ estarían restaurados. El Dr. Skou no hizo la conexión de inmediatamente y siguió estudiando los analgésicos.

Fue solamente después de la conversación con otro científico, Robert Post, quien estaba estudiando transporte de sodio en glóbulos rojos, que ambos se dieron cuenta que pudieran estar estudiando la misma enzima. El Dr. Post regresó a su laboratorio e intento el mismo analgésico que Skou utilizó y funcionó – inhibió el transporte de sodio en los glóbulos rojos. Mientras tanto Skou llamó a su laboratorio y les instruyó que probaran la droga que Post había estado estudiando, ouabaína y unos días después, su laboratorio le llamó para avisar que había funcionado de la misma manera (Skou, 1965).

¿Qué tiene que ver la inhibición de una bomba de sodio y potasio con el alivio del dolor? Como se menciono anteriormente, los gradientes de sodio y potasio son cruciales para el funcionamiento de neuronas. Cuando la ouabaína y otros analgésicos atrasa la bomba Na+K+ en las neuronas sensoriales que son responsables de sentir dolor, temporalmente interrumpen los gradientes de Na+ y de K+. Cuando esto sucede, la neurona se paraliza por un tiempo y no puede transmitir su mensaje de dolor al cerebro. A pesar de que la bomba Na+/K+ esta en todas las células del cuerpo, estas drogas no afectan las otras células con tanto impacto como afectan las neuronas. La mayoría de las células no dependen tanto en los gradientes Na+ and K y para funcionar, entonces estas células no son afectadas por las drogas. Sin embargo, existe un tipo de célula que si es afectada – los músculos. Tanto los músculos como las neuronas se dicen ser excitables, lo cual significa que son bien sensibles a cambios de voltaje y movimiento de los iones. Drogas que inhiben la bomba Na+/K+ pueden paralizar tanto músculos como neuronas.

En resumen, las membranas celulares no son ni sacos pasivos alrededor de la célula ni partes solitarias de la misma. Incrustadas en las membranas se encuentran proteínas que forman funciones vitales de la célula. Entre las funciones mas importantes de estas proteínas es el transporte de varias moléculas adentro y afuera de la célula. Asi como vimos con de la fibrosos quística, incluso cuando solamente uno de los cientos diferentes tipos de transportadores en una membrana celular no funcionan bien, enfermedades serias pueden resultar.

Al mismo tiempo, las funciones de estos transportadores pueden a veces ser manipulados con drogas farmacéuticas para tratar ciertas condiciones medicas. Drogas que pueden restringir la bomba de protones en el revestimiento del estómago son bien útiles en el tratamiento de reflujo ácido, y drogas que inhiben la bomba Na+/K+ puede actuar como un aliviador de dolor tópico. Por ende, muchos científicos biomédicos estudian membrana plasmática en el seguimiento de tratamientos y curas de condiciones medicas comunes.

Resumen

Para que las cosas vivientes sobrevivan, diferentes moléculas necesitan entrar y salir de células, sin embargo las membranas de células sirven como una barrera a la mayoría de las moléculas. Afortunadamente, todas las células vivientes tienen transportadores incluidos que permite que el agua, la glucosa, el sodio, el potasio, el cloro y otras moléculas crucen la membrana de plasma. Este módulo mira como funcionan los transportadores activos y pasivos. Resalta la importancia del estudio de membranas celulares viendo avances en el tratamiento de fibrosis quística y enfermedades digestivas comunes y así mismo los desarrollos de analgésicos efectivos.

Conceptos Clave

  • Ya sea que una molécula puede pasar fácilmente o no hacia adentro o hacia fuera de una célula es altamente dependiente de su carga y solubilidad en el agua.
  • La membrana de plasma sirve como una barrera semi permeable a la célula. Solamente moléculas sin carga, no polares pueden pasar hacia adentro o hacia fuera de una célula sin ayuda.
  • Todas las membranas de plasma poseen transportadores para ayudar a mover moléculas de un lado de la membrana a otro. Estos transportadores pueden ser activos (bombas) o pasivos (canales) y son en veces reguladas por puertas.
  • La falta de transportadores específicos pueden interrumpir funciones celulares y causar enfermedades como la fibrosis quística.
  • Investigación en analgésicos proveen información acerca de el transportador mas importante y mas universal en el cuerpo humano, la bomba de sodio y potasio.
  • NGSS
  • HS-C6.2, HS-LS1.A1, HS-LS1.C3
  • Referencias
  • Cheng, S. H., Gregory, R. J., Marshall, J., Paul, S., Souza, D. W., White, G. A., ... & Smith, A. E. (1990). Defective intracellular transport and processing of CFTR is the molecular basis of most cystic fibrosis. Cell, 63(4), 827-834.
  • Narahashi, T., Moore, J. W., & Scott, W. R. (1964). Tetrodotoxin blockage of sodium conductance increase in lobster giant axons. The Journal of General Physiology, 47(5), 965-974.
  • Peghini, P. L., Katz, P. O., Bracy, N. A., & Castell, D. O. (1998). Nocturnal recovery of gastric acid secretion with twice-daily dosing of proton pump inhibitors. The American Journal of Gastroenterology, 93(5), 763-767.
  • Skou, J. C. (1965). Enzymatic basis for active transport of Na+ and K+ across cell membrane. Physiol. Rev, 45(5), 617.

Nathan H Lents, Ph.D. “Membranas II” Visionlearning Vol. BIO-3 (8), 2014.