En biología celular se denomina transporte de membrana, transporte celular o transporte transmembranal al conjunto de mecanismos que regulan el paso de solutos, iones y pequeñas moléculas, a través de membranas plasmáticas. La membrana celular está constituida por lípidos, proteínas y glúcidos en proporciones aproximadas de 40-50 %, 40-50 % y 10 %, respectivamente. En la membrana de la célula eucariota existen trestipos de lípidos: fosfolípidos, glucolípidos y colesterol. Una parte de estas moléculas lipídicas es hidrófila y la otra hidrófoba, por lo que cuando se encuentran en un medio acuoso se orientan formando una bicapa lipídica. La membrana tiene un cierto grado de fluidez, que depende de la temperatura y su composición. La presencia de ácidos grasos insaturados y de cadena corta favorecen la fluidez, mientras que la presencia de colesterol endurece las membranas, reduciendo su fluidez y permeabilidad.
Este transporte de membrana se debe a la selectividad de membrana, una característica de las membranas celulares que las faculta como agentes de separación específica de sustancias de distinta índole química; es decir, la posibilidad de permitir la permeabilidad de ciertas sustancias pero no de otras. Los sistemas de transporte de membrana desempeñan papeles esenciales en el metabolismo celular y en actividades tales como la adquisición de nutrientes orgánicos e inorgánicos, mantenimiento de la homeostasis iónica, extrusión de compuestos tóxicos y de desecho, detección ambiental, comunicación celular y otras funciones celulares.Qinghu Ren & Ian T Paulsen 2005, Comparative Analyses of Fundamental Differences in Membrane Transport Capabilities in Prokaryotes and Eukaryotes. PLoS Comput Biol 1(3): e27. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.0010027
Los movimientos de casi todos los solutos a través de la membrana están mediados por proteínas transportadoras de membrana, más o menos especializadas en el transporte de moléculas concretas. Puesto que la diversidad y fisiología de las distintas células de un organismo está relacionada en buena medida con su capacidad de captar unos u otros elementos externos, se postula que debe existir un acervo de proteínas transportadoras específico para cada tipo celular y para cada momento fisiológico determinado; dicha expresión diferencial se encuentra regulada mediante: la transcripción diferencial de los genes codificantes para esas proteínas y su traducción, es decir, mediante los mecanismos genético-moleculares, pero también a nivel de la biología celular: dichas proteínas pueden requerir de activación mediada por rutas de señalización celular, activación a nivel bioquímico o, incluso, de localización en vesículas del citoplasma.
Generalidades Termodinámicamente, el flujo de sustancias de un compartimento a otro puede realizarse a favor o en contra de un gradiente, ya sea de concentración, o electroquímico. Si el intercambio de sustancias se realiza a favor del gradiente, esto es, en el sentido de los potenciales decrecientes, el requerimiento de energía externo al sistema es nulo; si, en cambio, el transporte se hace en contra del gradiente, se requiere el aporte de energía, energía metabólica en nuestro caso. Por ejemplo, un mecanismo químico de separación clásico que no requiere un aporte de energía externo es la diálisis: en ella, una membrana semipermeable separa dos soluciones que difieren en la concentración de un mismo soluto. Si la membrana permite el paso de agua pero no el del soluto (ósmosis), sucede que el agua fluye hacia el compartimento más concentrado en soluto, a fin de establecer un equilibrio en el cual la energía del sistema sea mínima. Para que suceda este flujo, puesto que el agua se desplaza de un lugar muy concentrado a uno muy diluido en disolvente (en cuanto a soluto, se da la situación opuesta), y, por ello, lo hace a favor de gradiente, no se requiere un aporte de energía externo.
thumb|250px|Diagrama de una membrana plasmática. 1. fosfolípido 2. colesterol 3. glicolípido 4. glúcido 5. proteína transmembrana 6. glicoproteína 7. proteína anclada a un fosfolípido 8. glicoproteína periférica.
La naturaleza de las membranas biológicas, especialmente la de sus lípidos, es anfipática, lo que se traduce en que forman una bicapa que alberga una parte interna hidrofóbica y una externa hidrofílica, permite que surja una posibilidad de transporte, la difusión simple o difusión pasiva, que consiste en la difusión de sustancias a su través sin gasto de energía metabólica y sin ayuda de proteínas transportadoras. En el caso de que la sustancia a transportar posea una carga neta, difundirá no sólo en respuesta a un gradiente de concentración, sino también al potencial de membrana, esto es, al gradiente electroquímico.
Permeabilidad relativa de una bicapa de fosfolípidos a distintas sustancias Tipo de sustancia Ejemplos Comportamiento Gases CO2, N2, O2 Permean Moléculas polares pequeñas sin carga Urea, agua, etanol Permean, total o parcialmente Grandes moléculas polares sin carga glucosa, fructosa No permean Iones K+, Na+, Cl-, HCO3- No permean Moléculas polares cargadas ATP, aminoácidos, glucosa-6-fosfato No permean
Puesto que son pocas las moléculas que son capaces de difundir a través de una membrana lipídica, la mayoría de los procesos de transporte involucran a proteínas de transporte. Se trata de proteínas transmembrana que poseen multitud de hélices alfa inmersas en la matriz lipídica o bien, al menos en bacterias, beta láminas. Dicha estructura probablemente implique una vía de entrada a través de entornos hidrofílicos proteicos que causarían una disrupción en el medio altamente hidrofóbico constituido por los lípidos. Las proteínas intervienen de diversas formas en el transporte: actúan tanto como bombas impulsadas por ATP, esto es, por energía metabólica, o como canales de difusión facilitada.
Termodinámica
Un proceso fisiológico sólo puede llevarse a cabo si no contraviene los principios termodinámicos elementales. El transporte de membrana obedece algunas leyes físicas que definen sus capacidades y por ello su utilidad biológica.
Un principio general de la termodinámica que gobierna la transferencia de sustancias a través de membranas u otras superficies es que el cambio de la energía libre, ΔG, para el transporte de un mol de una sustancia concentrada a C1 en un compartimento, hacia un lugar en el que esté a C2, es de:
Por lo que si C2 es menor que C1, ΔG es también negativo, y el proceso es termodinámicamente favorable. Conforme se va transfiriendo la energía de un compartimento a otro, y salvo que intervengan otros factores, se llega a un equilibrio donde C2=C1, y por ello ΔG=0. No obstante, existen tres circunstancias en las que puede evitarse esta igualdad, circunstancias vitales para el desempeño de la función in vivo de las membranas biológicas:
Las macromoléculas de un lado de la membrana pueden unir específicamente a un determinado compuesto o modificarlo químicamente. De este modo, aunque la concentración del compuesto sea realmente diferente a ambos lados de la membrana, su disponibilidad reducida en uno de los compartimentos puede hacer que, a efectos prácticos, no exista un gradiente que favorezca el transporte.
Puede existir un potencial eléctrico de membrana a través de ella que influya en la distribución de iones. Por ejemplo, para un proceso en el que el transporte de iones se dé desde el exterior al interior, sucede que:
Donde F es la constante de Faraday y ΔP el potencial de membrana, en voltios. Si ΔP es negativo y Z es positivo, el término ZFΔP contribuye de forma negativa a ΔG, esto es, favorece el transporte de cationes hacia el interior de la célula. Esto es, si la diferencia de potencial se mantiene, el estado de equilibrio ΔG=0 no corresponderá a una cantidad equimolecular de iones a ambos lados de la membrana.
Si se acopla un proceso con una ΔG negativa al proceso, el ΔG global deberá ser modificado. Esta situación, común en el transporte activo, se describe según:
Donde ΔGb corresponde a una reacción favorecida termodinámicamente, como la hidrólisis de ATP, o el cotransporte de un compuesto que se desplace a favor de su gradiente.
Tipos
Transporte pasivo o transporte simple thumb|250px|Una membrana semipermeable separa dos compartimentos con concentraciones distintas de un soluto: con el paso del tiempo, el soluto difundirá hasta alcanzar el equilibrio a ambos lados.
El transporte pasivo ocurre por difusión, que puede ser simple o facilitada. Este tipo de transporte permite el paso molecular a través de la membrana plasmática a favor del gradiente de concentración o de carga eléctrica, de mayor a menor concentración. El transporte de sustancias se realiza mediante la bicapa lipídica o los canales iónicos, e incluso por medio de proteínas integrales. Hay cuatro mecanismos de transporte pasivo: Ósmosis: transporte de moléculas de agua a través de la membrana plasmática mediado por proteínas específicas –acuaporinas– y a favor de su gradiente de concentración. Difusión simple: paso de sustancias a través de los fosfolípidos de la membrana plasmática, como los gases respiratorios, el alcohol y otras moléculas no polares y de bajo peso molecular. Difusión facilitada: transporte celular donde es necesaria la presencia de un carrier o transportador (proteína integral) para que las sustancias atraviesen la membrana. Sucede porque las moléculas son más grandes o insolubles en los lípidos de la membrana y necesitan ser transportadas con ayuda de esas proteínas integrales. Ultrafiltración o Diálisis: En este proceso de transporte pasivo, el agua y algunos solutos pasan a través de una membrana por efecto de una presión hidrostática. El movimiento es siempre desde el área de mayor presión al de menos presión. La ultrafiltración tiene lugar en el cuerpo humano en los riñones y es debida a la presión arterial generada por el corazón. Esta presión hace que el agua y algunas moléculas pequeñas (como la urea, la creatinina, sales, etc.) pasen a través de las membranas de los capilares microscópicos de los glomérulos para ser eliminadas en la orina. Las proteínas y grandes moléculas como hormonas, vitaminas, etc., no pasan a través de las membranas de los capilares y son retenidas en la sangre.
Difusión simple
La difusión simple se lleva a cabo cuando el movimiento de sustancias en la célula iguala las concentraciones de un medio determinado. Este tipo de transporte se realiza de manera espontánea, principalmente con gases como el nitrógeno, dióxido de carbono, oxígeno y moléculas sin carga como el etanol y la urea, los cuales pueden entrar y salir libremente según la concentración del medio donde la sustancia se encuentre. Una característica importante es que el transporte se da sin gasto de energía, a favor del gradiente de concentración. No requiere de la intervención de proteínas de membrana, pero sí de las características de la sustancia a transportar y de la naturaleza de la bicapa. Para el caso de una membrana fosfolipídica pura, la velocidad de difusión de una sustancia depende de su:
gradiente de concentración, hidrofobicidad, tamaño, carga, si la molécula posee carga neta.
Estos factores afectan de diversa manera a la velocidad de difusión pasiva:
a mayor gradiente de concentración, mayor velocidad de difusión, a mayor hidrofobicidad, esto es, mayor coeficiente de partición, mayor solubilidad en lípido y por tanto mayor velocidad de difusión, a mayor tamaño, menor velocidad de difusión,