¿Qué es el transporte activo? Transporte activo de sustancias.

El transporte activo es un proceso en el que una molécula debe moverse a través de una membrana independientemente de la dirección de su gradiente de concentración. En la mayoría de los casos, esto ocurre desde una región con una concentración menor hacia una región con una mayor y va acompañado de un aumento de la energía libre, que es de 5,71 logC2/C| kJ-mol-1.

Como se dijo anteriormente, este es el proceso de transferencia de sustancias desde lugares con menor potencial electroquímico a lugares con mayor valor.

Dado que el transporte activo en la membrana va acompañado de un aumento de la energía de Gibbs, no puede ocurrir de forma espontánea, es decir, tal proceso requiere su acoplamiento con alguna reacción espontánea. En general, esto se puede lograr de dos maneras: 1) junto con el proceso de hidrólisis del ATP, es decir, mediante el gasto de energía almacenada en enlaces de alta energía; 2) mediado por el potencial de membrana y/o el gradiente de concentración de iones en presencia y membrana de transportadores específicos.

En el primer caso, el transporte se realiza mediante bombas de iones electrogénicos, alimentadas por la energía libre de la hidrólisis del ATP. Se clasifican como sistemas especiales de proteínas integrales y se denominan ATPasas de transporte. Actualmente se conocen tres tipos de bombas de iones electrogénicos que transportan iones a través de la membrana: K+ - Na+ - ATPasa, debido a la energía liberada durante la hidrólisis de cada molécula de ATP, se transfieren dos iones de potasio al interior de la célula y se bombean tres iones de sodio. afuera; en Ca2+ - ATPasa, debido a la energía de la hidrólisis del ATP, se transfieren dos iones de calcio; Hay dos protones en la bomba de H+.

En el segundo caso, el transporte de sustancias es secundario, para lo que se han estudiado en profundidad tres esquemas.

La transferencia unidireccional de un ion en combinación con un portador específico se llama unipuerto. En este caso, la carga se transfiere a través de la membrana mediante un complejo si la molécula transportadora es eléctricamente neutra, o mediante un transportador vacío si el transporte lo proporciona un transportador cargado. El resultado de la transferencia será la acumulación de iones debido a una disminución del potencial de membrana. Este efecto se observa cuando los iones de potasio se acumulan en presencia de valinomicina en las mitocondrias energizadas.

La contratransferencia de iones con la participación de una única molécula portadora se llama antiportación. Se supone que la molécula portadora forma un complejo fuerte con cada uno de los iones transferidos. La transferencia se produce en dos etapas: primero, un ion cruza la membrana de izquierda a derecha, luego el segundo ion cruza en la dirección opuesta. El potencial de membrana no cambia. Aparentemente, la fuerza impulsora de este proceso es la diferencia en las concentraciones de uno de los iones transferidos. Si inicialmente no hubo diferencia en la concentración del segundo ion, entonces el resultado de la transferencia será la acumulación del segundo ion debido a una disminución en la diferencia en las concentraciones del primero. Un ejemplo clásico de antipuerto es la transferencia de iones de potasio e hidrógeno a través de la membrana celular con la participación del antibiótico nigiricina. Cabe señalar que la mayoría de las proteínas portadoras funcionan como antipuerto, es decir, el movimiento de una sustancia a través de la membrana sólo es posible a cambio de alguna sustancia bastante específica que tenga la misma carga, pero se mueva en la dirección opuesta.

Por tanto, la liberación de cualquier componente principal de la célula a lo largo de un gradiente de concentración puede controlar el movimiento de una sustancia que se aproxima contra su gradiente y realizar un "trabajo" hasta que ambas fuerzas impulsoras estén equilibradas.

La transferencia conjunta unidireccional de sustancias con la participación de un transportador biplaza se llama simport. Se supone que la membrana puede contener dos partículas eléctricamente neutras: un portador en complejo con un catión y un anión, y un portador vacío. Dado que el potencial de membrana en un sistema de transporte de este tipo no cambia, el transporte puede deberse a una diferencia en las concentraciones de uno de los iones. Se cree que según el esquema simport, se deduce que este proceso debe ir acompañado de un cambio significativo en el equilibrio osmótico, ya que en un ciclo se transfieren dos partículas a través de la membrana en la misma dirección.

Gracias a la disponibilidad de teorías bastante desarrolladas sobre los mecanismos de transporte de iones y sustancias orgánicas endógenas en la célula, ha sido posible interpretar los datos obtenidos en experimentos con fármacos (sección 6.3.3).

Por analogía con la Fig. 6.10 el transporte activo se puede representar como se muestra en la Fig. 6.11.

En este caso, el portador C forma con el fármaco (L) un complejo CA en el lado exterior de la membrana. Penetra en la membrana, separando L del otro lado. En el caso del transporte activo, la concentración de L en el lado interior de la membrana puede ser mucho mayor que la concentración en el lado exterior. A diferencia del transporte pasivo (figura 6.10), el complejo SA, utilizando la energía del ATP, se convierte en complejo SA, que fácilmente se separa de L (figura 6.11). de SA al lado opuesto de la membrana, podemos suponer que /(, (constante de escisión) en el lado interno es mayor que K0. Esta es la llamada escisión asimétrica del complejo portador de fármaco.

Fase acuosa externa

Concentración [L]0 Actividad (L)0

En los organismos vivos, los mecanismos de transporte activo están muy extendidos y pueden considerarse una de las funciones fundamentales de la célula. Por ejemplo, las células tienen una alta concentración de potasio y una baja concentración de sodio, a diferencia del espacio extracelular, donde estos iones están en relación inversa. Las membranas son libremente permeables a ambos iones y la distribución asimétrica se mantiene “bombeando” constantemente sodio fuera de la célula y potasio hacia adentro. .La secreción de HC1 en el estómago es un verdadero transporte activo de H+ y SG. El yodo se concentra en la glándula tiroides mediante un mecanismo similar. Los azúcares se transportan en concentraciones más altas en los intestinos y los túbulos renales proximales. Los aminoácidos se comportan de manera similar en los intestinos, riñones, músculos y cerebro. La secreción de ácidos orgánicos (napa-aminobenzoico, hipúrico) por los túbulos renales es un proceso de transporte activo.

El mecanismo del transporte activo es muy específico, ya que fue creado por la naturaleza para satisfacer la necesidad biológica del cuerpo de nutrientes esenciales o eliminar del mismo los productos de su metabolismo. En cuanto a los medicamentos sometidos a transporte activo, en este caso deben tener una estructura química similar a las sustancias naturales del cuerpo. El análogo de pirimidina fluorafur y el hierro se absorben mediante transporte activo en el intestino. Utilizando el mismo mecanismo, la levodopa atraviesa la barrera hematoencefálica. Los túbulos renales secretan fármacos que pertenecen a ácidos y bases orgánicos.

Resumiendo la consideración de los mecanismos de transporte transmembrana de sustancias, es necesario enfatizar una vez más que en el proceso de la vida, las fronteras de la célula son cruzadas por una variedad de sustancias, cuyos flujos están efectivamente regulados. Esta tarea la realiza la membrana celular con sistemas de transporte integrados en ella, incluidas bombas de iones, un sistema de moléculas transportadoras y canales iónicos altamente selectivos.

A primera vista, tal abundancia de sistemas de transferencia parece innecesaria, porque el funcionamiento únicamente de bombas de iones permite garantizar los rasgos característicos del transporte biológico: alta selectividad, transferencia de sustancias contra las fuerzas de difusión y campos eléctricos. La paradoja, sin embargo, es que el número de caudales a regular es infinitamente grande, mientras que sólo hay tres bombas. En este caso, cobran especial importancia los mecanismos de conjugación iónica, denominado transporte activo secundario, en los que los procesos de difusión juegan un papel importante. Así, la combinación del transporte activo de sustancias con los fenómenos de transferencia por difusión en la membrana celular es la base que asegura la actividad vital de la célula.

El transporte de sustancias dentro y fuera de la célula, así como entre el citoplasma y diversos orgánulos subcelulares (mitocondrias, núcleo, etc.), está garantizado por membranas. Si las membranas fueran una barrera sólida, entonces el espacio intracelular sería inaccesible a los nutrientes y los productos de desecho no podrían eliminarse de la célula. Al mismo tiempo, con una permeabilidad total, la acumulación de determinadas sustancias en la célula sería imposible. Las propiedades de transporte de la membrana se caracterizan. semipermeabilidad : algunos compuestos pueden atravesarlo, mientras que otros no:

Permeabilidad de la membrana para diversas sustancias.

Una de las principales funciones de las membranas es la regulación de la transferencia de sustancias. Hay dos formas de transportar sustancias a través de una membrana: pasivo Y activo transporte:

Transporte de sustancias a través de membranas.

Transporte pasivo. Si una sustancia se mueve a través de una membrana desde un área de alta concentración a una de baja concentración (es decir, a lo largo del gradiente de concentración de esta sustancia) sin que la célula gaste energía, entonces dicho transporte se llama pasivo o difusión . Hay dos tipos de difusión: simple Y ligero .

Difusión simple Característica de pequeñas moléculas neutras (H2O, CO2, O2), así como de sustancias orgánicas hidrófobas de bajo peso molecular. Estas moléculas pueden pasar sin interacción alguna con las proteínas de la membrana a través de los poros o canales de la membrana siempre que se mantenga el gradiente de concentración.

Difusión facilitada. Característica de las moléculas hidrófilas que se transportan a través de la membrana también según un gradiente de concentración, pero con la ayuda de proteínas de membrana especiales: transportadores. La difusión facilitada, a diferencia de la difusión simple, se caracteriza por una alta selectividad, ya que la proteína transportadora tiene un centro de unión complementario a la sustancia transportada y la transferencia va acompañada de cambios conformacionales en la proteína. Un posible mecanismo para la difusión facilitada podría ser el siguiente: una proteína de transporte ( traslocar ) se une a una sustancia, luego se acerca al lado opuesto de la membrana, libera esta sustancia, adquiere su conformación original y vuelve a estar lista para realizar la función de transporte. Se sabe poco sobre cómo se mueve la proteína misma. Otro posible mecanismo de transporte implica la participación de varias proteínas transportadoras. En este caso, el compuesto inicialmente unido se mueve de una proteína a otra, uniéndose secuencialmente con una u otra proteína hasta terminar en el lado opuesto de la membrana.

Transporte activo Ocurre cuando el transporte ocurre contra un gradiente de concentración. Esta transferencia requiere un gasto de energía por parte de la célula. El transporte activo sirve para acumular sustancias dentro de la célula. La fuente de energía suele ser APR. Para el transporte activo, además de una fuente de energía, es necesaria la participación de proteínas de membrana. Uno de los sistemas de transporte activo de las células animales es responsable del transporte de iones Na+ y K+ a través de la membrana celular. Este sistema se llama bomba Na+ - K+ -. Se encarga de mantener la composición del medio intracelular, en el que la concentración de K+ es superior a la de Na+:

Mecanismo de acción de Na+, K+-ATPasa

El gradiente de concentración de potasio y sodio se mantiene mediante la transferencia de K+ al interior de la célula y Na+ al exterior. Ambos transportes ocurren en contra del gradiente de concentración. Esta distribución de iones determina el contenido de agua en las células, la excitabilidad de las células nerviosas y musculares y otras propiedades de las células normales. Na+, K+ -la bomba es una proteína - transporte región Asia-Pacífico . La molécula de esta enzima es un oligómero y penetra la membrana. Durante el ciclo completo de funcionamiento de la bomba, se transfieren tres iones Na+ desde la célula a la sustancia intercelular y dos iones K+ en la dirección opuesta. Esto utiliza la energía de la molécula de ATP. Existen sistemas de transporte para la transferencia de iones calcio (Ca2+ - ATPasas), bombas de protones (H+ - ATPasas), etc. Simport Se trata de la transferencia activa de una sustancia a través de una membrana, realizada por la energía del gradiente de concentración de otra sustancia. La ATPasa de transporte en este caso tiene centros de unión para ambas sustancias. Antipuerto Es el movimiento de una sustancia contra su gradiente de concentración. En este caso, otra sustancia se mueve en dirección opuesta a lo largo de su gradiente de concentración. Simport Y antipuerto Puede ocurrir durante la absorción de aminoácidos del intestino y la reabsorción de glucosa de la orina primaria. En este caso, se utiliza la energía del gradiente de concentración de iones Na+ creado por Na+, K+-ATPasa.

A proteínas de membrana Estos incluyen proteínas que están incrustadas o asociadas con la membrana celular o la membrana de un orgánulo celular. Aproximadamente el 25% de todas las proteínas son proteínas de membrana.

[espectáculo]

Clasificación[editar | editar texto wiki]

Las proteínas de membrana se pueden clasificar según principios topológicos o bioquímicos. La clasificación topológica se basa en cuántas veces la proteína cruza la bicapa lipídica. De acuerdo con este criterio, las proteínas se dividen en monotópico, bitópico Y politópico:

· monotópico las proteínas interactúan con una superficie de la membrana y no la cruzan;

· bitópico penetrar la membrana e interactuar con ambas superficies;

· politópico penetrar la membrana varias veces (múltiples interacciones con lípidos).

Está claro que las primeras pertenecen a proteínas periféricas, y la segunda y tercera a integrales.

Varias categorías de proteínas politópicas. Unión a la membrana debido a (1) una única hélice alfa transmembrana, (2) múltiples hélices alfa transmembrana, (3) una estructura de lámina beta.

Varias categorías de proteínas monotópicas integrales. Unión a la membrana debido a (1) una hélice alfa anfipática paralela al plano de la membrana, (2) un bucle hidrofóbico, (3) un residuo de ácido graso unido covalentemente, (4) interacción electrostática (directa o mediada por calcio) .

Clasificación topológica editar texto wiki]

En relación con la membrana, las proteínas de membrana se dividen en poli y monotópicas.

· Proteínas politópicas o transmembrana Penetran completamente la membrana y así interactúan con ambos lados de la bicapa lipídica. Normalmente, el fragmento transmembrana de una proteína es una hélice alfa que consta de aminoácidos hidrófobos (posiblemente de 1 a 20 de estos fragmentos). Solo en las bacterias, así como en las mitocondrias y los cloroplastos, los fragmentos transmembrana pueden organizarse como una estructura de lámina beta (de 8 a 22 vueltas de la cadena polipeptídica).

· Proteínas monotópicas integrales Incrustado permanentemente en la bicapa lipídica, pero conectado a la membrana por un solo lado, sin penetrar el lado opuesto.

Clasificación bioquímica editar texto wiki]

Según la clasificación bioquímica, las proteínas de membrana se dividen en integral Y periférico.

· Proteínas integrales de membrana firmemente incrustado en la membrana y puede eliminarse del entorno lipídico sólo con la ayuda de detergentes o disolventes no polares. En relación con la bicapa lipídica, las proteínas integrales pueden ser politópicas transmembrana o monotópicas integrales.

· Proteínas de membrana periférica Son proteínas monotópicas. Están débilmente unidos a la membrana lipídica o se asocian con proteínas integrales debido a fuerzas hidrofóbicas, electrostáticas u otras fuerzas no covalentes. Así, a diferencia de las proteínas integrales, se disocian de la membrana cuando se tratan con una solución acuosa adecuada (p. ej., pH alto o bajo, concentración de sal alta o un agente caotrópico). Esta disociación no requiere alteración de la membrana.

Las proteínas de membrana pueden integrarse en la membrana debido a ácidos grasos o residuos de prenilo o glicosilfosfatidilinositol unidos a la proteína durante su modificación postraduccional.

7) La parte carbohidrato de los glicolípidos y glicoproteínas de la membrana plasmática siempre se encuentra en la superficie exterior de la membrana, en contacto con la sustancia intercelular. Los carbohidratos de la membrana plasmática actúan como ligandos específicos de las proteínas. Forman sitios de reconocimiento a los que se unen determinadas proteínas; la proteína adjunta puede cambiar el estado funcional de la célula.

Funciones de los carbohidratos.

En la membrana externa de los glóbulos rojos, algunos polisacáridos contienen ácido N-acetilneuramínico en los extremos de sus cadenas. Si se aíslan eritrocitos de la sangre, se tratan in vitro con neuraminidasa, que escinde el ácido N-acetilneuramínico de los carbohidratos de membrana, y se reintroducen en la sangre del mismo animal, se descubre que la vida media de dichos eritrocitos en la sangre disminuye varios veces: son retenidos en el bazo y destruidos. Al final resultó que, las células del bazo tienen un receptor que reconoce los carbohidratos, que ha perdido los residuos terminales del ácido neuramínico. Es posible que tal mecanismo asegure la selección de glóbulos rojos "envejecidos" por parte del bazo y su destrucción.
Se sabe que en una suspensión de células aisladas de cualquier tejido, después de un tiempo se forman agregados celulares, y cada agregado, por regla general, contiene células del mismo tipo. Por ejemplo, en una suspensión de células obtenidas de la gástrula, se forman tres tipos de agregados: cada uno de ellos contiene células que pertenecen a la misma capa germinal: ectodermo, mesodermo o endodermo. El reconocimiento entre células está garantizado, en particular, por la interacción de los carbohidratos de membrana de una célula con las proteínas receptoras de otra célula (fig. 9.39). Estos mecanismos de reconocimiento pueden estar involucrados en procesos como la histogénesis y la morfogénesis. Sin embargo, existen otros mecanismos que aseguran los contactos intercelulares.
Los polisacáridos de la membrana celular, junto con las proteínas, actúan como antígenos durante el desarrollo de la inmunidad celular, incluso durante el rechazo de un trasplante. También sirven como sitios de reconocimiento cuando están infectados por virus y microorganismos patógenos. Por ejemplo, cuando un virus de la influenza ingresa a una célula, primero se adhiere a su membrana e interactúa con un polisacárido de cierta estructura.

8) las membranas celulares tienen una permeabilidad selectiva: la glucosa, los aminoácidos, los ácidos grasos, el glicerol y los iones se difunden lentamente a través de ellas, y las membranas mismas, hasta cierto punto, regulan activamente este proceso: algunas sustancias pasan, pero otras no. Existen cuatro mecanismos principales para la entrada de sustancias a la célula o su eliminación de la célula al exterior: difusión, ósmosis, transporte activo y exo o endocitosis. Los dos primeros procesos son de naturaleza pasiva, es decir, no requieren energía; los dos últimos son procesos activos asociados al consumo de energía.

La permeabilidad selectiva de la membrana durante el transporte pasivo se debe a canales especiales: proteínas integrales. Penetran la membrana, formando una especie de pasaje. Los elementos K, Na y Cl tienen sus propios canales. En relación con el gradiente de concentración, las moléculas de estos elementos entran y salen de la célula. Cuando se irritan, los canales de iones de sodio se abren y se produce una entrada repentina de iones de sodio hacia la célula. En este caso, se produce un desequilibrio del potencial de membrana. Después de lo cual se restablece el potencial de membrana. Los canales de potasio siempre están abiertos, lo que permite que los iones de potasio ingresen lentamente a la célula.

El transporte activo de sustancias se produce contra el gradiente total (generalizado). Esto significa que la transferencia de una sustancia se produce desde lugares con un valor menor de potencial electroquímico a lugares con un valor mayor.

El transporte activo no puede ocurrir de forma espontánea, sino solo en conjunto con el proceso de hidrólisis del ácido adenosín trifosfórico (ATP), es decir, debido al gasto de energía almacenada en los enlaces de alta energía de la molécula de ATP.

De gran importancia es el transporte activo de sustancias a través de las membranas biológicas. Debido al transporte activo, se crean en el cuerpo gradientes de concentración, gradientes de potencial eléctrico, gradientes de presión, etc. que sustentan los procesos vitales, es decir, desde el punto de vista de la termodinámica, el transporte activo mantiene al cuerpo en un estado de no equilibrio. asegurando el curso normal de los procesos de la vida.

Para realizar la transferencia activa, además de la fuente de energía, es necesaria la existencia de determinadas estructuras. Según los conceptos modernos, las membranas biológicas contienen bombas de iones que funcionan con la energía de la hidrólisis del ATP o las llamadas ATPasas de transporte, representadas por complejos proteicos.

Actualmente, se conocen tres tipos de bombas de iones electrogénicas que transportan activamente iones a través de la membrana. Estos son K + -Na + -ATPasa en las membranas citoplasmáticas (K + -Na + -bomba), Ca 2+ - ATPasa (Ca 2+ -bomba) y H + - ATPasa en las membranas de acoplamiento de energía de las mitocondrias (H + - bomba o bomba de protones).

La transferencia de iones mediante las ATPasas de transporte se produce debido al acoplamiento de procesos de transferencia con reacciones químicas, debido a la energía del metabolismo celular.

Cuando funciona K + -Na + -ATPasa, debido a la energía liberada durante la hidrólisis de cada molécula de ATP, se transfieren dos iones de potasio a la célula y tres iones de sodio se bombean simultáneamente fuera de la célula. Esto crea una mayor concentración de iones de potasio en la célula en comparación con el entorno intercelular y una menor concentración de sodio, que es de gran importancia fisiológica.

Debido a la energía de la hidrólisis del ATP, se transfieren dos iones de calcio a la Ca 2+ -ATPasa y dos protones a la bomba de H +.

El mecanismo molecular de funcionamiento de las ATPasas iónicas no se comprende completamente. Sin embargo, se pueden rastrear las principales etapas de este complejo proceso enzimático. En el caso de la K + -Na + -ATPasa (llamémosla E para abreviar), hay siete etapas de transferencia de iones asociadas con la hidrólisis del ATP. Las designaciones E 1 y E 2 corresponden a la ubicación del centro activo de la enzima en las superficies interna y externa de la membrana (ADP-difosfato de adenosina, P - fosfato inorgánico, el asterisco indica el complejo activado):

1) E + ATP a E*ATP,

2) E*ATP + 3Naà [E*ATP]*Na 3,

3) [E*ATP]*Nа 3 à *Na 3 + ADP,

4) *Na 3 a *Na 3 ,

5) *Na 3 + 2K à *K 2 + 3Na,

6) *K 2 a *K 2,

7) *K 2 a E + P + 2K.

El diagrama muestra que las etapas clave de la enzima son: 1) la formación de un complejo de la enzima con ATP en la superficie interna de la membrana (esta reacción es activada por iones de magnesio); 2) unión de tres iones de sodio por el complejo; 3) fosforilación de la enzima con formación de adenosina difosfato; 4) cambio en la conformación de la enzima dentro de la membrana; 5) la reacción de intercambio iónico de sodio a potasio, que ocurre en la superficie exterior de la membrana; 6) cambio inverso en la conformación del complejo enzimático con la transferencia de iones de potasio al interior de la célula, y 7) retorno de la enzima a su estado original con la liberación de iones de potasio y fosfato inorgánico. Así, durante un ciclo completo, se liberan tres iones de sodio de la célula, el citoplasma se enriquece con dos iones de potasio y se produce la hidrólisis de una molécula de ATP.

Además de las bombas de iones discutidas anteriormente, se conocen sistemas similares en los que la acumulación de sustancias no está asociada con la hidrólisis del ATP, sino con el trabajo de las enzimas redox o la fotosíntesis. El transporte de sustancias en este caso es secundario, mediado por el potencial de membrana y (o) el gradiente de concentración de iones en presencia de portadores específicos en la membrana. Este mecanismo de transporte se llama transporte activo secundario. En el plasma y las membranas subcelulares de las células vivas, es posible el funcionamiento simultáneo del transporte activo primario y secundario. Este mecanismo de transferencia es especialmente importante para aquellos metabolitos para los que no existen bombas (azúcares, aminoácidos).

El transporte conjunto unidireccional de iones que involucra un transportador de dos sitios se llama simporte. Se supone que la membrana puede contener un vehículo en complejo con un catión y un anión y un vehículo vacío. Dado que el potencial de membrana no cambia en dicho esquema de transferencia, la transferencia puede deberse a una diferencia en las concentraciones de uno de los iones. Se cree que el esquema simport se utiliza para acumular aminoácidos en las células.

Conclusiones y conclusiones.

Durante la vida, las fronteras celulares son atravesadas por una variedad de sustancias, cuyos flujos están efectivamente regulados. Esta tarea la realiza la membrana celular con sistemas de transporte integrados en ella, incluidas bombas de iones, un sistema de moléculas transportadoras y canales iónicos altamente selectivos.

Desarrollado por el jefe del departamento de física biológica y médica, candidato de ciencias físicas y matemáticas, profesor asociado Novikova N.G.

Transporte activo- se trata de la transferencia de una sustancia desde lugares con un potencial electroquímico más bajo a lugares con un valor más alto.

El transporte activo en la membrana va acompañado de un aumento de la energía de Gibbs; no puede ocurrir de forma espontánea, sino sólo en conjunto con el proceso de hidrólisis del ácido adenosín trifosfórico (ATP), es decir, debido al gasto de energía almacenada en alta Enlaces energéticos del ATP.

De gran importancia es el transporte activo de sustancias a través de las membranas biológicas. Debido al transporte activo, se crean en el cuerpo gradientes de concentración, gradientes de potencial eléctrico, gradientes de presión, etc., que apoyan los procesos vitales, es decir. Desde el punto de vista de la termodinámica, la transferencia activa mantiene al organismo en un estado de desequilibrio y mantiene la vida.

La existencia de transporte activo de sustancias a través de membranas biológicas se demostró por primera vez en los experimentos de Ussing (1949) utilizando el ejemplo de la transferencia de iones de sodio a través de la piel de una rana (Fig. 12).

Arroz. 12. Esquema de los experimentos de Ussing (A - amperímetro, V - voltímetro, B - batería, P - potenciómetro)

La cámara experimental de Ussing, llena con una solución de Ringer normal, se dividió en dos partes con piel de rana recién aislada. En la Fig. 12, a la izquierda, la superficie mucosa exterior de la piel, a la derecha, la serosa interior. Se observaron flujos de iones de sodio a través de la piel de una rana: de izquierda a derecha desde la superficie exterior a la interior y de derecha a izquierda desde la superficie interior a la exterior.

De la ecuación de Theorell, que describe el transporte pasivo, se deduce Ecuación de Ussing-Theorell para la relación de estos flujos en el caso del transporte pasivo:

J m,in /j m,nar = (Sin afuera /Con adentro)×e ZF j / RT

En la piel de una rana que divide la solución de Ringer, surge una diferencia de potencial (j in - j nar): el lado interno de la piel tiene un potencial positivo en relación con el externo. La instalación de Ussing (Fig. 12) tenía una unidad de compensación de voltaje, con la ayuda de la cual se puso a cero la diferencia de potencial en la piel de la rana, que estaba controlada por un voltímetro. Se mantuvo la misma concentración de iones en los lados exterior e interior: C out = C in.

En estas condiciones, si la transferencia de sodio a través de la piel de una rana se determinó únicamente mediante transporte pasivo, entonces, según la ecuación de Ussing-Theorell, los flujos j m, in y j m, nar eran iguales entre sí: j m, in = jm, nar

El flujo total a través de la membrana sería cero.

Usando un amperímetro, se descubrió que en condiciones experimentales (ausencia de gradientes de potencial eléctrico y concentración), una corriente eléctrica I fluye a través de la piel de la rana, por lo tanto, se produce una transferencia unidireccional de partículas cargadas. Se ha establecido que la corriente fluye a través de la piel desde el ambiente externo al interno.

Los datos experimentales indicaron de manera irrefutable que el transporte de iones de sodio a través de la piel de una rana no obedece a la ecuación del transporte pasivo. Por tanto, se produce una transferencia activa.

Bombas de iones electrogénicos

Según los conceptos modernos, las membranas biológicas contienen bombas de iones, trabajando a expensas de la energía libre de la hidrólisis de ATP: sistemas especiales de proteínas integrales (ATPasas de transporte).

Actualmente, se conocen tres tipos de bombas de iones electrogénicas que transportan activamente iones a través de la membrana (Fig. 13).

La transferencia de iones mediante las ATPasas de transporte se produce debido al acoplamiento de procesos de transferencia con reacciones químicas, debido a la energía del metabolismo celular.

Debido a la energía de la hidrólisis del ATP, dos iones de calcio se transfieren a la Ca 2+ -ATPasa y dos protones se transfieren a la bomba H +.

Fig.13. Tipos de bombas de iones: a) K+ -Na+ - ATPasa en membranas citoplasmáticas

(K + -Na + -bomba); b) - Ca 2+ -ATPasa (Ca 2+ -bomba); c) - H + -ATPasa en las membranas de acoplamiento de energía de mitocondrias y cloroplastos (bomba de H + o bomba de protones)

El diagrama muestra que las etapas clave de la enzima son:

1) formación de un complejo enzimático con ATP en la superficie interna de la membrana (esta reacción es activada por iones de magnesio);

2) unión de tres iones de sodio por el complejo;

3) fosforilación de la enzima con formación de adenosina difosfato;

4) revolución (flip-flop) de la enzima dentro de la membrana;

5) la reacción de intercambio iónico de sodio a potasio, que ocurre en la superficie exterior de la membrana;

6) revolución inversa del complejo enzimático con la transferencia de iones de potasio al interior de la célula;

7) retorno de la enzima a su estado original con la liberación de iones potasio y fosfato inorgánico (P).

Así, durante un ciclo completo, se liberan tres iones de sodio de la célula, el citoplasma se enriquece con dos iones de potasio y se produce la hidrólisis de una molécula de ATP.

Transporte secundario de iones activos..

Además de las bombas de iones discutidas anteriormente, se conocen sistemas similares en los que la acumulación de sustancias no está asociada con la hidrólisis del ATP, sino con el trabajo de las enzimas redox o la fotosíntesis. El transporte de sustancias en este caso es secundario y está mediado por el potencial de membrana y/o el gradiente de concentración de iones en presencia de portadores específicos en la membrana. Este mecanismo de transporte se llama transporte activo secundario. Este mecanismo fue considerado con mayor detalle por Peter Mitchell (1966) en la teoría quimiosmótica de la fosforilación oxidativa. En el plasma y las membranas subcelulares de las células vivas, es posible el funcionamiento simultáneo del transporte activo primario y secundario. Un ejemplo es la membrana interna de las mitocondrias. La inhibición de la ATPasa no priva a la partícula de la capacidad de acumular sustancias debido al transporte activo secundario. Este método de acumulación es especialmente importante para aquellos metabolitos para los que no existen bombas (azúcares, aminoácidos).

Actualmente se han estudiado con suficiente profundidad tres esquemas de transporte activo secundario. Consideremos el transporte de iones monovalentes con la participación de moléculas portadoras. Esto implica que el transportador, en estado cargado o descargado, atraviesa la membrana igualmente bien. La fuente de energía es el potencial de membrana y/o el gradiente de concentración de uno de los iones. Los circuitos se muestran en la Fig. 14. La transferencia unidireccional de un ion en complejo con un portador específico se llama unipuerto . En este caso, la carga se transfiere a través de la membrana mediante un complejo, si la molécula portadora es eléctricamente neutra, o mediante un portador vacío, si la transferencia la realiza un portador cargado. El resultado de la transferencia será la acumulación de iones debido a una disminución del potencial de membrana. Este efecto se observa cuando los iones de potasio se acumulan en presencia de valinomicina en las mitocondrias energizadas.

La contratransferencia de iones que involucra una sola molécula portadora se llama antipuerto . Se supone que la molécula portadora forma un complejo fuerte con cada uno de los iones transferidos. La transferencia se produce en dos etapas: primero, un ion cruza la membrana de izquierda a derecha, luego el segundo ion cruza en la dirección opuesta. El potencial de membrana no cambia. ¿Cuál es la fuerza impulsora detrás de este proceso? Obviamente, la diferencia en las concentraciones de uno de los iones transferidos. Si inicialmente no hubo diferencia en la concentración del segundo ion, entonces el resultado de la transferencia será la acumulación del segundo ion debido a una disminución en la diferencia en las concentraciones del primero. Un ejemplo clásico de antipuerto es la transferencia de iones de potasio e hidrógeno a través de la membrana celular con la participación de la molécula antibiótica nigericina.

El transporte conjunto unidireccional de iones que involucra un transportador de dos sitios se llama simportar . Se supone que la membrana puede contener dos partículas eléctricamente neutras: un portador complejado con un catión y un anión, y un portador vacío. Dado que el potencial de membrana no cambia en dicho esquema de transferencia, la transferencia puede deberse a una diferencia en las concentraciones de uno de los iones. Se cree que el esquema simport se utiliza para acumular aminoácidos en las células. La bomba de potasio-sodio (Fig. 13) crea un gradiente de concentración inicial de iones de sodio, que luego, según el esquema simport, contribuyen a la acumulación de aminoácidos. Del esquema de simport se deduce que este proceso debe ir acompañado de un cambio significativo en el equilibrio osmótico, ya que en un ciclo se transfieren dos partículas a través de la membrana en la misma dirección.

Figura 14. Esquemas básicos de transporte secundario de iones activos.

La célula es una unidad estructural de toda la vida en nuestro planeta y un sistema abierto. Esto significa que su vida requiere un intercambio constante de sustancias y energía con el medio ambiente. Este intercambio se produce a través de la membrana, el límite principal de la célula, que está diseñado para preservar su integridad. Es a través de la membrana que se produce el intercambio celular y se produce a lo largo del gradiente de concentración de una sustancia o en contra de él. El transporte activo a través de la membrana citoplasmática es un proceso complejo y que consume energía.

Membrana - barrera y puerta de entrada

La membrana citoplasmática forma parte de muchos orgánulos celulares, plastidios e inclusiones. La ciencia moderna se basa en el modelo de mosaico fluido de la estructura de la membrana. El transporte activo de sustancias a través de la membrana es posible gracias a su estructura específica. La base de las membranas está formada por una bicapa lipídica: son principalmente fosfolípidos, dispuestos de acuerdo con sus propiedades principales. Las principales propiedades de la bicapa lipídica son la fluidez (la capacidad de insertar y soltar secciones), el autoensamblaje y la asimetría. El segundo componente de las membranas son las proteínas. Sus funciones son diversas: transporte activo, recepción, fermentación, reconocimiento.

Las proteínas se encuentran tanto en la superficie como en el interior de la membrana, y algunas la penetran varias veces. La propiedad de las proteínas en una membrana es la capacidad de moverse de un lado de la membrana al otro (salto "flip-flop"). Y el último componente son las cadenas de carbohidratos de sacáridos y polisacáridos en la superficie de las membranas. Sus funciones siguen siendo controvertidas hoy.

Tipos de transporte activo de sustancias a través de la membrana.

Activa será la transferencia de sustancias a través de la membrana celular, que está controlada, se produce con gasto energético y va en contra del gradiente de concentración (las sustancias se transfieren de una zona de baja concentración a una zona de alta concentración). Dependiendo de la fuente de energía que se utilice, se distinguen los siguientes tipos de transporte:

Activo primario (fuente de energía: hidrólisis a adenosina difósforo ADP).
Secundariamente activo (proporcionada por energía secundaria creada como resultado del funcionamiento de los mecanismos de transporte activo primario de sustancias).

Proteínas auxiliares

Tanto en el primer como en el segundo caso, el transporte es imposible sin proteínas transportadoras. Estas proteínas de transporte son muy específicas y están diseñadas para transportar moléculas específicas y, a veces, incluso un tipo específico de molécula. Esto se demostró experimentalmente utilizando genes bacterianos mutados, lo que resultó en la imposibilidad de transporte activo de un determinado carbohidrato a través de la membrana. Las proteínas de transporte transmembrana pueden ser portadoras (interactúan con moléculas y las transportan directamente a través de la membrana) o proteínas formadoras de canales (forman poros en membranas que están abiertas a sustancias específicas).

Bomba de sodio y potasio.

El ejemplo más estudiado de transporte activo primario de sustancias a través de una membrana es la bomba Na+ -, K+ -. Este mecanismo asegura la diferencia en las concentraciones de iones Na+ y K+ en ambos lados de la membrana, lo cual es necesario para mantener la presión osmótica en la célula y otros procesos metabólicos. La proteína de transporte transmembrana, la ATPasa de sodio-potasio, consta de tres partes:

En el exterior de la membrana, la proteína tiene dos receptores para iones de potasio.
En el interior de la membrana hay tres receptores de iones de sodio.
La parte interna de la proteína tiene actividad ATP.

Cuando dos iones de potasio y tres iones de sodio se unen a receptores de proteínas a ambos lados de la membrana, se activa la actividad del ATP. La molécula de ATP se hidroliza a ADP con liberación de energía, que se gasta en la transferencia de iones de potasio hacia el interior y de iones de sodio hacia el exterior de la membrana citoplasmática. Se estima que la eficiencia de una bomba de este tipo es superior al 90%, lo que ya es bastante sorprendente.

Como referencia: la eficiencia de un motor de combustión interna es de aproximadamente el 40%, la de uno eléctrico, hasta el 80%. Curiosamente, la bomba también puede funcionar en la dirección opuesta y servir como donante de fosfato para la síntesis de ATP. Algunas células (por ejemplo, las neuronas) suelen gastar hasta el 70% de su energía total en eliminar el sodio de la célula y bombear iones de potasio al interior. Las bombas de calcio, cloro, hidrógeno y algunos otros cationes (iones con carga positiva) funcionan según el mismo principio de transporte activo. No se han encontrado bombas de este tipo para aniones (iones cargados negativamente).

Cotransporte de carbohidratos y aminoácidos.

Un ejemplo de transporte activo secundario es la transferencia de glucosa, aminoácidos, yodo, hierro y ácido úrico al interior de las células. Como resultado del funcionamiento de la bomba potasio-sodio, se crea un gradiente de concentración de sodio: la concentración es alta en el exterior y baja en el interior (a veces de 10 a 20 veces). El sodio tiende a difundirse hacia el interior de la célula y la energía de esta difusión puede utilizarse para transportar sustancias al exterior. Este mecanismo se llama cotransporte o transporte activo acoplado. En este caso, la proteína transportadora tiene dos centros receptores en el exterior: uno para el sodio y otro para el elemento que se transporta. Sólo después de la activación de ambos receptores la proteína sufre cambios conformacionales y la energía de la difusión del sodio introduce la sustancia transportada en la célula contra el gradiente de concentración.

La importancia del transporte activo para la célula.

Si la difusión habitual de sustancias a través de la membrana se produjera durante un período de tiempo determinado, sus concentraciones dentro y fuera de la célula se igualarían. Y esto es la muerte de las células. Después de todo, todos los procesos bioquímicos deben tener lugar en un entorno de diferencia de potencial eléctrico. Sin activos antitransporte de sustancias, las neuronas no podrían transmitir los impulsos nerviosos. Y las células musculares perderían la capacidad de contraerse. La célula no sería capaz de mantener la presión osmótica y colapsaría. Y los productos metabólicos no se excretarían. Y las hormonas nunca entrarían al torrente sanguíneo. Después de todo, incluso una ameba gasta energía y crea una diferencia de potencial en su membrana utilizando las mismas bombas de iones.