Clase 3. Transporte activo primario (Bombas)

Estos transportadores usan una fuente de energía externa (e independiente del potencial electroquímico) para transportar solutos en contra de su potencial electroquímico. Se forman complejo bomba-soluto, análogos a los complejos proteína –ligando de carácter general, por lo que este tipo de transporte presenta saturación y se puede definir un valor de K50, al igual que para los transportadores de la clase 2. 

 

 

Se diferencian de la clase 4 (traslocadores de grupo) en que en algunos casos la bomba puede modificarse covalentemente durante el proceso de transporte, pero el soluto no sufre ninguna modificación. El tipo de energía utilizada puede ser química, electroquímica o electromagnética (luz). Las subclases de esta clase se definen, precisamente, por el tipo de energía empleada por la bomba. Las subclases más importantes son las siguientes: 

 

3.A  Hidrólisis de un enlace pirofosfato (del ATP, de otro nucleosido trifosfato o del pirofosfato inorgánico).

3.D Energía suministrada por una reacción Redox.

3.E Energía suministrada directamente por la luz

 

Descripción de las subclases

 

Subclase 3.A. Las más importantes son las que emplean como fuente de energía la hidrólisis del ATP, conocidas genéricamente como ATPasas. Son estructuralmente muy diversas, y se han clasificado en varias superfamilias en función de su estructura y mecanismo de actuación. Las superfamilias más importantes son las siguientes:

Superfamilia3.A.1 : ATPasas del tipo ABC (ATP Binding Cassette). Con un dominio citosólico para hidrolizar ATP. Sufren cambios conformacionales durante el trasnporte, pero los transportadores no se fosforilan.

 

Superfamilia 3.A.2 : ATPasas de los tipos F, V y A. Formadas por un haz de subunidades hidrofóbicas trasnmembrana (el tallo) y una “cabeza” de simetría a3b3g asociada al tallo. Pueden actuar reversiblemente, esto es, sintetizando ATP a partir de la energía liberada durante el transporte.

 

 Superfamilia 3.A.3: ATPasas de tipo P. Se fosforilan durante el proceso de transporte.

 

Además hay diferentes tipos de transportadores implicados en el transporte de proteínas y otras macromoléculas a través de membranas, que no serán tratados aquí.

 

 

Descripción de las superfamilias de la  subclase 3.A y ejemplos

 

Superfamilia  3.A.1

ATPasas del tipo ABC (ATP Binding Cassette). Es un grupo muy antiguo y extraordinariamente diverso de proteínas que se encuentran en arqueas, eubacterias y eucariotas. Sufren cambios conformacionales durante el proceso de transporte, pero no se fosforilan durante el mismo (a diferencia de las ATPasas de tipo P, familia 3.A.3). Pueden actuar exportando solutos hacia el exterior del citoplasma, o importando solutos. En el primer caso (exportación), presentes en todos los organismos, la unidad básica se compone de dos dominios funcionales: un dominio transmembrana -muy diverso entre las diferentes bombas-  y un dominio citoplásmico más conservado (la “cassette” de unión del ATP, ABC), en donde reside la actividad ATPasa. La proteína funcional está formada por la unión de dos unidades básicas que pueden ser iguales o distintas (dos dominios transmembrana + 2 ABC) Las ATPasas ABC de importación están restringidas a procariotas, tanto arqueas como eubacterias. Tienen una estructura similar a las ATPasas “de exportación”, pero además poseen una proteína extracelular de unión al sustrato, por lo que también se conocen como “sistemas de transporte dependientes de una proteína de unión”. Las ATPasas de exportación  suelen tener los dominios transmembrana y ABC en el mismo polipéptido, mientras que en las de importación se encuentran en polipéptidos distintos.

 

ESTRUCTURA GENERAL DE LOS TRANSPORTADORES ABC 

EXPORTACION 

Formado por una única cadena con cuatro dominios, dos transmembrana y dos ABC 

IMPORTACION

Formado por cuatro subunidades diferentes asociadas más una proteína de unión del soluto

 

Existe un número muy elevado de estas proteínas transportadoras. Algunos ejemplos de interés pueden ser los siguientes:

 

3.A.1.201.1 Transportador que confiere resistencia a múltiples drogas, de humanos. Este trasportador expulsa el compuesto potencialmente tóxico fuera de la célula, antes de que resulte dañino y en contra de su gradiente de concentración. Es una proteína de 1280 aas, con los dos dominios transmembrana y los dos ABC en el mismo polipéptido. Hay otros transportadores en animales con estructura similar, incluyendo transportadores de sales biliares, leucotrienos, acil-CoA, etc. En hongos, plantas y procariotas se encuentran también transportadores que realizan funciones similares.  

3.A.1.202.1 CFTR Cystic Fibrosis Transmembrane Regulator. Es la proteína alterada en la fibrosis cística. Parece ser que actúa, mas que como una bomba en sentido estricto, como un canal de cloruro regulado por AMPc y dependiente ¿por qué mecanismo? del ATP. De ser esto cierto, no sería una bomba (moviendo el cloruro en contra de su potencial), sino como un canal, moviéndose el cloruro a favor de dicho potencial (¿Quién ha dicho que la naturaleza está obligada a seguir estrictamente nuestras clasificaciones?). Además de su función como canal de cloruro, debe regular la actuación de canales de sodio y potasio y de otros canales de cloruro. Tiene la estructura típica de una ATPasa del tipo ABC eucariota, estando formada por un polipéptido de 1480 aas. Además de los dos dominios transmembrana y ABC, tiene un dominio regulador que se encuentra en la cara citosólica y que es el que une AMPc.

 

Familias 3.A.1.1, 3.A.1.2, 3.A.1.3, 3.A.1.4  Corresponden a transportadores procariotas de importación de azúcares, aminoácidos y compuestos relacionados. Como ejemplo se muestra la estructura del componente de membrana del transportador ABC de importación de la vitamina B12 de E.coli

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 Superfamilia 3.A.2 ATPasas de tipo F, V y A

Estas ATPasas se caracterizan por ser proteínas de gran tamaño y tener todas ellas una estructura similar, estando formadas por un número elevado de polipéptidos. Tienen dos componentes fundamentales: una "base" hidrofóbica,  que atraviesa la membrana y que está formado por un haz de 9 a 13 cadenas polipeptídicas, y una “cabeza” asociada mediante un "tallo" a la base. Esta cabeza tiene una estructura del tipo a3b3g, y se puede separar fácilmente de la base. La hidrólisis del ATP ocurre en la cabeza. 

 

Estructura de una ATPasa de tipo F. 

La base hidrofóbica y la cabeza hexamérica polar se unen por el tallo

El tallo está formado,  como mínimo, por la subunidad g, que actúa como eje asimétrico de la cabeza

Vista en planta de la cabeza, formada por tres dímeros ab y la subunidad g en el medio del hexámero

Las ATPasas F (de eubacterias, mitocondrias y cloroplastos) y las ATPasas A (de arqueas) funcionan normalmente en la dirección de la síntesis de ATP. Es decir, emplean la energía que se libera en el transporte de H+ (o, más raramente, Na+) a favor de su potencial electroquímico, para sintetizar ATP. Son bombas funcionando “al revés”. Cuando se separa la cabeza del tallo, la primera actúa simplemente hidrolizando ATP, por lo que se denominó a estas enzimas inicialmente como ATPasas; más lógico sería denominarlas ATP sintetasas. 

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El mecanismo de actuación de estas enzimas se describirá en el tema correspondiente a la fosforilación oxidativa. Las ATPasas V son típicas de eucariotas. Se encuentran en la membrana de orgánulos tales como vacuolas (en vegetales) o lisosomas (en animales). Bombean H+ desde el citosol al orgánulo en cuestión, siendo las responsables del pH ácido que tienen vacuolas y lisosomas. Para este transporte en contra del potencial electroquímico del H+ emplean como fuente de energía la hidrólisis del ATP. 

 

 Superfamilia 3.A.3  

ATPasas del tipo P. Comprenden un número elevado de proteínas que se encuentran en arqueas, eubacterias y eucariotas, que en su inmensa mayoría transportan activamente cationes. En todas ellas hay un polipéptido responsable tanto del transporte como de la hidrólisis del ATP y de la fosforilación específica; en el caso de eucariotas este polipéptido tiene un dominio transmembrana formado por 10 hélices, y un dominio citosólico en donde se encuentra el sitio de hidrólisis de ATP y fosforilación. Normalmente tienen otras subunidades acompañantes, que pueden ser o no imprescindibles para el transporte pero cuya función no se conoce con certeza (estructura del tipo ab). Las proteínas activas son, en eucariotas, homodímeros de este dímero (estructura a2b2; en otros casos, a2b2g).

 

Se denominan ATPasas de tipo P  porque durante su ciclo catalítico el ATP cede su fosfato terminal a un resto de aspártico, formándose un intermediario fosforilado (Phosphorilated) de la enzima.

 

Durante el ciclo de  transporte la enzima pasa por dos estados conformacionales.

E1, que está abierto hacia el citosol y es más estable en la forma no fosforilada. 

E2, es más estable en la forma fosforilada y está abierto hacia el compartimento de salida.

 

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Mecanismo de la bomba de calcio del retículo sarcoplásmico SERCA ATPasa

 

En algún caso (como en el ejemplo de la animación) la estequiometría del transporte es compleja, moviendo simultáneamente dos o más iones por ciclo catalítico. Algunos ejemplos importantes son:

 

3.A.3.1.1 Na+ K+ ATPasa, la “bomba de sodio” de las membranas citoplásmicas de las células animales.

Es la responsable de la creación y mantenimiento del potencial de membrana de las células de animales, y de la creación del gradiente de iones Na+ cuya entrada al interior de la célula se emplea en los procesos de cotransporte. De hecho, en una célula en reposo la mayor parte del ATP es empleado precisamente por esta proteína.  La reacción que cataliza es la siguiente:

 

 

Es decir, saca tres iones Na+ y mete dos iones K+ del citosol por cada ciclo catalítico. En ambos casos estos iones se mueven en contra de su potencial electroquímico. Es un transporte electrogénico: la cara interior de la membrana se vuelve negativa respecto al exterior.

 

3.A.3.1.2  H+ K+ ATPasa.. Se encuentra en la membrana apical de las células de la mucosa gástrica, siendo la enzima directamente responsable del pH ácido del jugo gástrico. Otras isoformas de la enzima se encuentran en el riñón, colon y próstata, en donde intervienen en el mantenimiento del pH extracelular. Exporta 2 H+ e importa 2 K+ por ciclo catalítico.

 

Familia 3.A.3.2  Ca++ ATPasas. Exportan calcio desde el citosol hacia el exterior de la célula o hacia compartímentos intracelulares (Golgi, retículo endoplásmico, vacuolas). La mejor conocida es la bomba de calcio del retículo sarcoplásmico (SERCA ATPasa)  del músculo de mamíferos.

 

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mecanismo

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SERCA ATPasa

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formas E1 y E2

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sitios de unión del calcio

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3.A.3.3.1  H+ ATPasa de la membrana plasmática de plantas y hongos. Es la enzima responsable de la creación del potencial de membrana en estos organismos, en los que el ión que se emplea en los procesos de cotransporte es el H+, a diferencia de los animales que empleamos Na+. 

Existen además diferentes ATPasas del tipo P que intervienen en la exportación de metales tóxicos, como cobre, plata y plomo. Se encuentran en eucariotas (incluidos mamíferos), eubacterias y arqueas.

 

 

Subclase 3.D (bombas redox).  

 

Utilizan una reacción redox exergónica como fuente de energía para el transporte. El proceso puede ser reversible, esto es, en algún caso se emplea la energía derivada de un proceso de transporte exergónico para llevar a cabo una reacción redox endergónica. Las más importantes son los centros respiratorios de las cadenas de transporte electrónico respiratorias (mitocondrias, bacterias, arqueas) y fotosintéticas (cloroplastos y cianobacterias). Se estudian con detalle en los temas correspondientes a la fosforilación oxidativa y a la fotosíntesis. Baste decir aquí que los centros respiratorios más comunes pertenecen a las siguientes familias:

Centro I (NADH:quinona oxidoreductasa): 3.D.1.

Centro III (Ubiquinol:citocromo c oxidoreductasa): 3.D.3

Centro IV (Citocromo oxidasa):  3.D.4 

 

 

Subclase 3.E (dependientes de la luz)

 

Está formada por bombas que acoplan la energía de los fotones al bombeo de solutos en contra de su potencial electroquímico. 

 

Superfamilia 3.E.1 Este grupo está formado por un número muy pequeño de bombas. Son las bacteriorodopsinas  y las halorodopsinas de la arquea Halobacterium, que utilizan directamente la luz para transportar iones H+ o cloruro en contra de su potencial. Aunque no se han descrito bombas de este tipo en eucariotas (hay un posible ejemplo en bacterias), si se han encontrado proteínas homólogas que actúan como sensores de luz en hongos o como canales controlados por la luz (en Chlamydomonas).

La superfamilia 3.E.2 está formada por los centros de reacción fotosintéticos (RC) de eubacterias fotosintéticas y cloroplastos. En mi opinión personal, y aunque en la clasificación comentada se consideran como bombas, esto no es estrictamente adecuado ya que estos centros de reacción no bombean directamente solutos ellos solos, sino que para ello requieren un ciclo complejo en el que participan otras moléculas.