Un transportador de iones es una proteína transmembrana que mueve iones (o moléculas pequeñas) a través de una membrana biológica para realizar muchas funciones biológicas diferentes, incluida la comunicación celular, el mantenimiento de la homeostasis, la producción de energía, etc. [1] Existen diferentes tipos de transportadores, incluidas las bombas , uniportadores, antiportadores y simportadores. Los transportadores activos, o bombas de iones, son portadores que convierten la energía de varias fuentes, incluido el trifosfato de adenosina (ATP), la luz solar y otras reacciones redox , en energía potencial , moviendo un ion a lo largo de su gradiente de concentración . [2] Esta energía potencial puede ser utilizada por transportadores secundarios, incluidos los transportadores iónicos y los canales iónicos , para impulsar procesos celulares vitales como la síntesis de ATP .
Este artículo se enfoca principalmente en los transportadores de iones que actúan como bombas, pero los transportadores también pueden mover moléculas a través de la difusión facilitada. La difusión facilitada no requiere ATP y permite que las moléculas que no pueden difundir rápidamente a través de la membrana ( difusión pasiva ) difundan a favor de su gradiente de concentración a través de estos transportadores de proteínas. Los transportadores de iones son esenciales para el correcto funcionamiento de la célula, por lo que los investigadores los están estudiando utilizando una variedad de métodos. A continuación se presentan algunos ejemplos de regulación celular y métodos de investigación. [3]
La superfamilia de transportadores de iones incluye 12 familias [4] . Esta división familiar es parte del sistema de clasificación de transporte (TC) utilizado por la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular; Las proteínas se agrupan por características tales como sustratos transportados, mecanismo de transporte, fuente de energía utilizada y también comparando las secuencias de aminoácidos que componen cada proteína. El factor unificador más importante es la naturaleza cargada del sustrato, lo que indica el transporte de un ion en lugar de una especie neutra. Los transportadores de iones difieren significativamente de los canales de iones: los canales son poros que atraviesan la membrana, mientras que los transportadores son proteínas que deben cambiar de forma para abrirse, por lo que los transportadores mueven las moléculas mucho más lentamente que los canales.
Un gradiente electroquímico, o gradiente de concentración, es la diferencia en la concentración de una molécula química o ion en dos regiones distintas. En el equilibrio, las concentraciones de iones en ambas regiones serán iguales, por lo que si hay una diferencia en la concentración, los iones tenderán a fluir "hacia abajo" en el gradiente de concentración, es decir, de alta a baja concentración. Los canales iónicos permiten que ciertos iones que ingresan al canal fluyan a favor de su gradiente de concentración, igualando las concentraciones a ambos lados de la membrana celular. Los canales de iones y los transportadores de iones logran esto a través de la difusión facilitada, que es una forma de transporte pasivo. Sin embargo, solo los transportadores de iones también pueden realizar transporte activo , lo que implica mover iones en contra de su gradiente de concentración utilizando fuentes de energía como el ATP. Estos iones pueden luego ser utilizados por transportadores secundarios u otras proteínas como fuente de energía. [5]
Los transportadores primarios usan energía para transportar iones como Na + , K + y Ca 2+ a través de la membrana celular y pueden crear gradientes de concentración. Este transporte puede usar ATP como fuente de energía, o puede usarse para generar ATP a través de métodos como la cadena de transporte de electrones en las plantas. [5] Este transporte puede usar ATP como fuente de energía o puede usarse para generar ATP a través de métodos como la cadena de transporte de electrones en las plantas. [5]
Transportadores activosLos transportadores que utilizan ATP convierten la energía del ATP en energía potencial en forma de gradiente de concentración. Utilizan ATP para mover un ion de un área de baja concentración a un área de mayor concentración. Ejemplos de proteínas que utilizan ATP son: ATPasas de tipo P que transportan iones Na + , K + y Ca2 + por fosforilación ; ATPasas de tipo A que transportan aniones; Transportadores ABC (transportadores de cassette de unión a ATP) que transportan una amplia gama de moléculas. Los ejemplos de ATPasa de tipo P incluyen Na + /K + -ATPasa , que está regulada por Janus quinasa 2 [6] , Ca 2+ , ATPasa y Ca 2+ -ATPasa, que es sensible a ADP y ATP concentraciones La glicoproteína P es un ejemplo de un transporte ABC que se une a proteínas en el cuerpo humano.
Transportadores productores de ATPLos transportadores que producen ATP funcionan en dirección opuesta a los transportadores que usan ATP. Estas proteínas transportan iones de alta a baja concentración, pero en el proceso se forma ATP. Por lo tanto, la energía potencial en forma de gradiente de concentración se utiliza para generar ATP. En los animales, esta síntesis de ATP ocurre en las mitocondrias utilizando la ATPasa tipo F , también conocida como ATP sintasa . Este proceso utiliza la cadena de transporte de electrones en un proceso llamado fosforilación oxidativa . La ATPasa tipo V realiza la función opuesta a la ATPasa tipo F y se usa en plantas para hidrolizar ATP para crear un gradiente de protones. Ejemplos de esto son los lisosomas, que utilizan la ATPasa tipo V para acidificar las vesículas o vacuolas de las plantas durante el proceso de fotosíntesis en los cloroplastos. Este proceso se puede controlar por varios métodos, como el pH. [7]
Los transportadores secundarios también transportan iones (o moléculas pequeñas) contra un gradiente de concentración de baja a alta concentración, pero a diferencia de los transportadores primarios, que usan ATP para crear un gradiente de concentración, usan energía potencial del gradiente de concentración creado por los transportadores primarios para transportar iones. Por ejemplo, el transportador de glucosa dependiente del sodio que se encuentra en el intestino delgado y los riñones utiliza el gradiente de sodio creado en la célula por la bomba de sodio-potasio (como se mencionó anteriormente) para mover la glucosa hacia la célula. Esto sucede cuando el sodio fluye a favor del gradiente de concentración, proporcionando suficiente energía para empujar la glucosa hacia arriba en el gradiente de concentración de regreso a la célula. Es importante para el intestino delgado y los riñones prevenir la pérdida de glucosa. Los simportadores , como el simportador de sodio-glucosa, transportan un ion con su gradiente de concentración y se unen al transporte de una segunda molécula en la misma dirección. Los antiportadores también usan el gradiente de concentración de una molécula para mover otra hacia arriba en el gradiente de concentración, pero la molécula unida se transporta en la dirección opuesta. [5]
Los transportadores de iones se pueden controlar de diversas formas, como la fosforilación, la inhibición o activación alostérica y la sensibilidad a la concentración de iones. El uso de una proteína quinasa para agregar un grupo fosfato o fosfatasas para desfosforilar una proteína puede cambiar la actividad del transportador. Que una proteína sea activada o inhibida por la adición de un grupo fosfato depende de la proteína en particular. En la inhibición alostérica, un ligando regulador puede unirse a un sitio regulador e inhibir o activar el transportador. Los transportadores de iones también pueden regularse por la concentración de iones (no necesariamente los que transportan) en solución. Por ejemplo, la cadena de transporte de electrones está regulada por la presencia de iones H + (pH) en solución. [5]
El método de abrazadera de potencial local es un método electrofisiológico utilizado para estudiar canales y portadores en células al monitorear la corriente que fluye a través de ellos. Este método fue desarrollado por Hodgkin y Huxley antes de que se conociera la existencia de canales y transportadores. [1] [8]
El análisis de difracción de rayos X es una herramienta útil que le permite visualizar la estructura de las proteínas, pero es solo una instantánea de la conformación de una sola proteína. La estructura de las proteínas de transporte permite a los investigadores comprender mejor cómo y qué hace el transportador para mover las moléculas a través de la membrana. [9]
Este método se utiliza para rastrear la difusión de lípidos o proteínas en una membrana. Útil para una mejor comprensión de la movilidad de los transportadores en la célula y su interacción con los dominios lipídicos y las balsas lipídicas en la membrana celular.
Un método en el que se utiliza la fluorescencia para rastrear la distancia entre dos proteínas. Se utiliza para estudiar la interacción de los transportadores con otras proteínas celulares [1]
| transportadores iónicos |
|---|
| transportador de neurotransmisores |
| transportador de glutamato |
| transportador de monoamina |
| transportadores GABA |
| transportadores de glicina |
| Transportadores de nucleósidos de equilibrio |
| Ca 2+ -ATPasa de la membrana plasmática |
| intercambiador de sodio-calcio |
| Importador de cloruro de sodio |