Por qué se necesitan sistemas de transporte especiales
No todas las moléculas son capaces de atravesar fácilmente la bicapa lipídica de la membrana celular mediante simple difusión pasiva. Para el transporte de grupos especiales de sustancias, la célula utiliza moléculas de proteínas transportadoras especializadas (transportatores) que atraviesan la membrana de lado a lado.
Necesitan estos sistemas:
- Compuestos hidrófilos, ya que son físicamente insolubles en los lípidos de la pared celular.
- Compuestos de alto peso molecular, cuyo tamaño supera significativamente el diámetro de los poros de la membrana.
Fisiológicamente, estas proteínas transportadoras cumplen dos tareas globales. En primer lugar, aseguran la entrada (Influx) al interior de la célula de nutrientes vitales como aminoácidos, vitaminas o azúcares. En segundo lugar, garantizan la salida (Efflux), es decir, la eliminación de productos del metabolismo endógeno, toxinas y diversos xenobióticos.
Mecanismo molecular del transporte activo
El elemento clave del proceso es la proteína transportadora de membrana (proteinum transportans). El mecanismo de su funcionamiento representa una secuencia estricta de etapas:
- En uno de los lados de la membrana, la sustancia transportada es reconocida y se une al sitio activo de la proteína transportadora.
- Se produce la hidrólisis de un compuesto rico en energía: la escisión de la molécula de ATP (Adenosinum triphosphatum) en ADP (Adenosinum diphosphatum) y fosfato inorgánico. La energía de la ruptura del enlace fosfato se transfiere al sistema de transporte.
- Debido a la energía obtenida, la proteína cambia su estructura espacial (se produce un cambio conformacional).
- La sustancia es transportada a través de la barrera de la membrana.
- La fuerza de unión (afinidad) entre la molécula y el transportador disminuye, tras lo cual el sustrato se libera en el lado opuesto de la membrana: en el citoplasma o en el espacio intersticial.
Clasificación según la fuente de energía
Dado que el transporte activo siempre se realiza en contra del gradiente de concentración, requiere energía de forma continua. Dependiendo de dónde se obtenga exactamente esta energía, se distinguen dos tipos de transporte.
Transporte activo primario Aquí el sistema funciona directamente a partir de las «baterías celulares». La energía para el transporte del sustrato se libera directamente en el momento de la hidrólisis de la molécula de ATP.
Transporte activo secundario Este tipo de transporte funciona mediante acoplamiento. La energía se obtiene del transporte de otro ión (más frecuentemente el ión sodio, $Na^+$), que se mueve a favor de su gradiente electroquímico. Es importante señalar que este mismo gradiente de sodio se crea previamente mediante el funcionamiento de la $Na^+, K^+$-ATPasa. La sustancia transportada, a su vez, «viaja» en contra de su gradiente.
El transporte secundario se divide adicionalmente según la dirección del movimiento de las partículas:
- Simporte (cotransporte): el ión sodio y la sustancia objetivo se mueven estrictamente en la misma dirección.
- Antiporte: el ión sodio y la sustancia se mueven en direcciones opuestas y encontradas.
Difusión facilitada (Diffusio facilitata)
La difusión facilitada es un proceso relacionado que a menudo se considera junto con el transporte activo, ya que también requiere la presencia de una proteína transportadora. Un ejemplo clásico de este mecanismo es el transporte de glucosa hacia el interior de las células.
Diferencia principal: el proceso ocurre a favor del gradiente de concentración (de mayor a menor concentración), por lo que no requiere absolutamente ningún gasto de energía metabólica.
Similitudes con el transporte activo:
- El mecanismo de interacción con la proteína de membrana es idéntico (unión, cambio conformacional, liberación).
- Posee una estricta especificidad hacia las moléculas transportadas.
- Se caracteriza por la saturabilidad (la velocidad está limitada por el número de transportadores libres).
Significado farmacológico: cómo penetran los fármacos en los tejidos
Normalmente, los sistemas de transporte están destinados exclusivamente a sustancias endógenas y «propias»: azúcares, hierro, bases púricas o aminoácidos. Un medicamento (medicamentum) no puede simplemente hacer uso de una proteína transportadora.
La condición principal para el transporte de fármacos es la presencia de similitud química de la molécula del fármaco con los sustratos endógenos naturales del organismo. El fármaco debe imitar literalmente a una sustancia natural para que la proteína transportadora lo tome por «suya».
Un claro ejemplo clínico de este engaño molecular es el fármaco antiparkinsoniano Levodopa (dihidroxifenilalanina). Para penetrar en el cerebro a través de la densa barrera hematoencefálica (BHE), la levodopa imita a un aminoácido natural. Como resultado, es transportada con éxito a través de la barrera mediante una proteína transportadora específica de aminoácidos aromáticos.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué ejemplos existen de fármacos que penetran a través de las barreras tisulares mediante transporte activo?
A través de las barreras tisulares mediante transporte activo penetra la levodopa (Levodopa): atraviesa la barrera hematoencefálica (BHE) mediante el sistema de transporte de aminoácidos aromáticos a través del endotelio.
¿Cuáles son las principales familias de proteínas transportadoras que aseguran el transporte activo y la eliminación (eflujo) de xenobióticos y fármacos?
El transporte activo y la eliminación de xenobióticos y sustancias farmacológicas son asegurados por dos familias principales de proteínas transportadoras:
- Transportadores ABC (ATP-binding cassette) — familia de proteínas de casete que funcionan como bombas de membrana para la eliminación activa (eflujo) de sustancias de las células. El representante clave es la glicoproteína P (MDR1), así como los sistemas MRP1 y BCRP.
- Transportadores SLC (Solute Carrier transporters) — aseguran la entrada (influjo) de moléculas de fármacos, aniones y cationes orgánicos al interior de las células (por ejemplo, a través de la membrana sinusoidal de los hepatocitos).
Para no confundir los tipos de transporte secundario: en el SIMPORTE las sustancias «simpatizan» entre sí y van juntas (en la misma dirección), mientras que en el ANTIPORTE son «antagonistas» y se separan en direcciones opuestas.
Preguntas de clases y exámenes
¿Por qué la velocidad del transporte activo tiene un límite?
Esto se debe a la propiedad de saturabilidad. La cantidad de proteínas transportadoras en la membrana es limitada. Cuando todos sus centros activos están ocupados por la unión del sustrato, el sistema de transporte funciona al máximo y un aumento posterior en la concentración de la sustancia no acelerará el proceso.
¿Puede la difusión facilitada transportar sustancias en contra del gradiente?
No. La difusión facilitada ocurre únicamente a favor del gradiente de concentración (de mayor a menor). Es precisamente por esto que no necesita energía de hidrólisis de ATP, aunque utilice proteínas transportadoras.
Qué más repasar sobre el tema
- Localización de proteínas transportadoras en los tejidos de barrera (epitelio intestinal, hepatocitos, túbulos renales)
- Caracterización de las dos superfamilias principales de proteínas transportadoras
- Papel de la Na+, K+-ATPasa en la facilitación del transporte activo secundario
- Mecanismos de expulsión celular (Eflujo) y resistencia a xenobióticos
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