Transporte Activo, Sistema ABC y Translocación de Grupo
Transporte Activo
Es el paso de moléculas a través de la membrana plasmática, requiere el uso de energía como ATP y va en contra de un gradiente de concentración o electroquímico. También utiliza proteínas transportadoras llamadas permeasas las cuales tienen una gran especificad. Una vez que se sature el transportador, dejará de funcionar. (MultiChannel, 2020)
·
Cuando la célula no es capaz de producir
energía (ATP), el transporte activo va a ser inhibido o se va a detener.
Proteínas
de membrana que tienen la capacidad de realizar transporte activo:
Bombas de ATP:
Realiza
el transporte del soluto acoplado a la hidrólisis del ATP: se libera un grupo
fosfato y se transforma en ADP; la energía liberada bombea el soluto de un lado
al otro de la membrana. Se le llama transporte activo primario porque es
impulsado por la hidrólisis del ATP. (MultiChannel, 2020).
2. Cotransportadores:
Es el transporte de dos elementos simultáneamente. Ejemplo: Proteína intercambiadora de sodio y glucosa; transporta hacia el citosol cationes de Na a favor del gradiente de concentración y al mismo tiempo introduce moléculas de glucosa en contra del gradiente de concentración. (MultiChannel, 2020).
Cuando la proteína transportadora mueve a los 2 elementos en la misma dirección, se le llama Simportador; mientras que, si lo hace en direcciones opuestas se le llama Antiportador o Contra-trasnportador. (MultiChannel, 2020).
Ejemplo
de Antiportador: Intercambiador de sodio y calcio; este un proceso importante
para eliminar el calcio de las células. Utiliza el gradiente electroquímico de
sodio para movilizar el calcio hacia el exterior de la célula. Al aumentar la
concentración de iones de sodio en el espacio extracelular, debido a la bomba
de sodio y potasio, se genera un gradiente electroquímico por la diferencia de
concentración de sodio a ambos lados de la membrana.
Se le
llama transporte activo secundario porque utiliza un gradiente
electroquímico, no requiere ATP.
3. Bombas
activadas por luz:
Predominan en bacterias y arqueas, y va en contra de un gradiente de concentración gracias a la captación de energía lumínica. Ejemplo: Al ser activada por la luz, la proteína bacteriorrodopsina bombea protones [H+] del interior al exterior de la membrana. (MultiChannel, 2020).
El
gradiente de protones creado por la bacteriorrodopsina es utilizado por otras
proteínas de membrana para sintetizar ATP y transportar glucosa, aminoácidos y
otros nutrimentos al interior de la célula procariota (MultiChannel, 2020).
Transporte activo por medio de proteínas ABC (ATP binding Cassette)
Cuando la bacteria está presente en un medio que carece de nutrientes, los transportadores tipo ABC juegan un papel importante en el transporte de alta afinidad Pueden actuar exportando solutos hacia el exterior del citoplasma. También la importación de solutos cuando las concentraciones de estos mismos son muy bajas, ejemplos muy comunes es en la absorción de hierro del medio cuando este es muy escaso. Este tipo de transporte de amplia gama de sustratos que muy comúnmente y como se ha comprobado por experimentos pueden transportar diversos solutos que pueden ser de gran utilidad para la misma así mismo necesarios para las células como lo son lípidos y oligopéptidos, aunque por otra parte se ha descubierto que pueden absorber diversas moléculas que pueden ser nocivas para la misma como lo son los antibióticos, fármacos. Por ello mismo se ha descubierto recientemente que pueden ser de supervivencia al bombear fármacos o antibióticos por este medio hacia fuera de la célula por lo cual provee resistencia a antibióticos. Los transportadores ABC son una gran familia de proteínas que constituyen un grupo muy antiguo de transportadores, que se cree que datan de más de 3 mil millones de años en el tiempo evolutivo. La evidencia filogenética apoya la idea de que la familia de transportadores ABC se diversificó antes de que las bacterias, arqueas y eucariotas. (Davidson y cols., 2020).
¿Cómo actúan y para que utilizan estos transportadores las bacterias?
Como ya sabemos el sistema de transportadores de este tipo se encuentra en el grupo de transporte activo por lo cual es necesario la unión de ATP que a su vez acopla una hidrolisis de este mismo para proporcionar energía suficiente para su funcionamiento y así mismo la captación o salida de solutos a través de la membrana celular en bacterias y en células eucariotas. En cuanto a su uso además del transporte de nutrientes se ha comprobado que en bacterias estos transportadores son importantes factores de virulencia porque intervienen en la secreción de toxinas y agentes antimicrobianos. Por otra parte, un mal funcionamiento de estas proteínas puede generar en seres humanos muchas enfermedades tales como la fibrosis quística y la hiperinsulinemia, se atribuyen a defectos en los transportadores ABC. (Davidson y cols., 2020).
En este blog se plantea explicar a lo largo del tiempo, la superfamilia de estos transportadores y se planea recolectar información sobre los avances recientes en la determinación estructural y el análisis funcional en bacterias además de detallar los avances que hoy en día han aumentado en gran medida, así como la comprensión molecular y del mecanismo de transporte. (Davidson y cols., 2020).
El sistema ABC de unión a ATP son más conocidos por su papel en la importación de nutrientes esenciales, así como la distribución de moléculas tóxicas, pero se considera que tienen más funciones que esas, por ello se plantea que existen universalmente entre los organismos vivos desde células somáticas hasta las bacterias y se han descubierto diversas funcionalidades dentro de la fisiología celular y bacteriana (Davidson y cols., 2020).
Transportadores ABC y su impacto en la fisiología bacteriana
Como ya se ha mencionado anteriormente estas proteínas juegan un papel importante en las funciones fisiológicas de la célula, si por un lado tenemos que son útiles para la recolección de moléculas en pequeñas concentraciones, por otro lado, podemos saber que estas mismas proteínas pueden exportar factores de virulencia y patogenicidad. El ejemplo estudiado es la absorción del hierro por estos transportadores ABC que durante el tiempo se han discutido y reconocido como importantes efectores virulentos. Se planea investigar mas acerca del tema de virulencia por este proceso para actualizar el blog con información más reciente. (Sciencedirect, 2020).
Estructura de proteínas transportadoras del tipo ABC
La estructura de estas proteínas no son más que cuatro dominios básicos de los cuales dos dominios transmembranales denominados comúnmente TMB o dominio transmembranal, y dos dominios que se encuentran en el lado del citosol por ello llamados citosólicos también llamados ABC (ATP binding cassette) también se conocen como NBD. (Sciencedirect, 2020).
El siguiente gráfico demuestra el proceso que se tiene que llevar a cabo para transportar un sustrato y ser transportado por este mecanismo hacia dentro del citosol, recordemos que es un mecanismo de transporte activo por lo cual necesita ATP. (Sciencedirect, 2020).
Figura 4. Posible mecanismo de transporte por el sistema ABC La proteína periplasmática de unión tiene gran afinidad por el sustrato, las proteínas transmembranarias forman el canal de transporte, y las proteínas que hidrolizan el ATP citoplasmático suministran la energía para el transporte.
La proteína que se encuentra del lado del periplasma tiene una gran afinidad de unión hacia el sustrato del exterior, por otra parte las proteínas transmembranales son las que forman el canal del transporte para el paso del soluto al interior, y las proteínas NBD o ABC las que se encuentran en el lado del citoplasma son las que proveen la energía por medio de la hidrólisis de ATP el cual es convertido a ADP y enviado al interior (Sciencedirect, 2020).
Recordemos que las bacterias Gram negativas cuentan con una capsula diferente a las Gram positivas teniendo una membrana externa, por ello en el caso de las Gram negativas, los sustratos primero deben pasar por la membrana externa utilizando una de las otras vías diferentes ya sean transporte activo, pasivo o simple difusión. Los transportadores ABC captan compuestos orgánicos como azúcares y aminoácidos, nutrientes inorgánicos como sulfato y fosfato, y algunos metales y son llevados al periplasma donde ahí son recibidos por unas proteínas periplasmáticas cuya característica es su alta afinidad al sustrato, tanto es así que estas proteínas pueden unirse a su sustrato incluso cuando este está presente en concentraciones por debajo de 1 micromolar 10-6 M. una vez que el sustrato es unido a la proteína esta lo lleva a su respectivo transportador el cual funciona gracias a la energía por hidrólisis de ATP. Esto del lado de las Gram negativas, pero ¿Qué hay de las gran positivas? Bueno no es muy complejo puesto que las proteínas de unión que se deberían de encontrar en el espacio periplasmático, recordemos que las gran positivas no tienen este espacio en cambio una pared de mureína mas amplia, pues las proteínas equivalentes a las periplasmáticas se encuentran ancladas a la superficie externa de la pared celular y funcionan de la misma manera, anclan al sustrato y lo llevan al correspondiente transportador de membrana sin olvidar el uso de ATP. (Davidson y cols., 2020).
Exportadores ABC asociados con virulencia bacteriana
En células procariotas los transportadores tipo ABC juegan un papel importante en la fisiología, ya mencionado antes interactúan en la expulsión de toxinas, además de que están relacionados de alguna forma con algunas vías biosintéticas, un ejemplo es la exportación de glucanos y la secreción de proteínas útiles para la bacteria, puesto que por este mecanismo es por el cual secretan proteínas de la capa Slime las cuales le dan adherencia al huésped entre otras funciones. (Lewis y cols., 2012).
En el siguiente esquema se pueden observar algunos transportadores tipo ABC y su posible patogenicidad, a lo largo de los días se recopilará mas información que complemente el tema.
Figura 5. Transportadores ATP binding cassette.
Los exportadores ABC pueden caracterizarse de la siguiente forma:
a) Sistemas de secreciones de Tipo I asociados con secreción de toxinas, proteína de la capa S, sideróforo, enzima hidrolítica o péptido antimicrobiano, que tienen funciones en la adhesina y la colonización del huésped.
b) Vías de biogénesis de glicoconjugados y polisacáridos, que están implicadas en la biogénesis de membranas y la evasión inmune.
c) Vías de salida de xenobióticos implicadas en la tolerancia del entorno del huésped y con funciones postuladas en la salida de antibióticos por Importadores ABC.
d) Están asociados con procesos como la adquisición de nutrientes ya mencionados anteriormente y la protección osmótica, que tienen funciones cruciales para la colonización y propagación exitosas en el entorno del huésped.
(Lewis y cols., 2012).
Translocación de Grupos
Este sistema pertenece al Transporte Activo, pues para poder llevarse a cabo necesita emplear energía metabólica. Exclusivo de procariotas. Es también, el sistema más utilizado en bacterias, especialmente en anaerobias o aerobias facultativas que recurren a fermentaciones. (https://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/06membrana.htm)
Aquí el sustrato sufrirá una modificación para que pueda ser transportado al interior de la célula. Podemos decir que este sistema supone un ahorro de energía metabólica, debido a que un solo proceso cumple dos funciones: Transporte del sustrato y preparación química para su ruta metabólica. (https://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/06membrana.htm)
El tipo de transporte acoplado a translocación de grupos más estudiado es el Sistema de Fosfotransferasa de azucares (PTS), es un sistema enzimático bastante complejo que resulta en la detección, el transporte a través de la membrana citoplasmática, y la fosforilación de azúcares, esto ocurre tanto en gran positivas como gram negativas. (Muñoz, 2009)
El sistema de Fosfotransferasa de azucares (PTS) consta de varios componentes que van a funcionar como si se trataran de una cadena de transportadores del fosfato de alta energía del Fosfoenolpiruvato (PEP) hasta al azúcar a transportar en cuestión, el cual una vez fosforilado va a poder ingresar al citoplasma. (https://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/06membrana.htm)
Primero tenemos dos proteínas que se van a encontrar en el citoplasma; son solubles y tienen la particularidad de ser inespecíficas para el tipo de azúcar. Estas se conocen como:
- Enzima I (E1).
- HPr (que es una proteína pequeña y termoestable, rica en histidina). (https://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/06membrana.htm)
El otro componente, que se conoce como Enzima II (E2) es específico para el azúcar a transportar. Suele estar compuesta de tres subunidades:
- Enzima II A (EIIA): Se encuentra en el citoplasma y es soluble.
- Enzima II B (EllB): Es hidrofílica, pero se encuentra ligada al lado citoplasmático de la membrana a través de la EllC.
- Enzima I IC (EIIC): Es una proteína integral de membrana. (https://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/06membrana.htm)
La manera en la que funciona es la siguiente:
1- Primero que nada, el azúcar (que en este caso será glucosa) se unirá a la EIIA que es especifica para glucosa. La EllA por sí misma no puede liberar el azúcar sin modificar al interior celular. (https://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/06membrana.htm)
2- Mientras esto tiene lugar, la E1 va a catalizar en presencia de Mg2+ la transferencia del grupo fosfato de alta energía del PEP a la HPr. (https://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/06membrana.htm)
3- La HPr fosforilada (HPr-P) va a transferir el fosfato de alta energía a la EIIA especifica para glucosa. (https://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/06membrana.htm)
4- La EIIA-P, en presencia de Mg2+, va a transferir el grupo fosfato a la EIIB especifica para glucosa. (https://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/06membrana.htm)
5- EllB-P va a fosforilar el azúcar (en el caso de la glucosa convirtiéndola en glucosa-6-fosfato). (https://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/06membrana.htm)
6- En este momento, EllC pierde afinidad por la azúcar modificada, que de esta forma entrará al citoplasma lista para actuar como sustrato en la primera reacción del catabolismo de este azúcar. (https://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/06membrana.htm)
El transporte acoplado a translocación de grupos también puede ser usado para:
- Entrada de ácidos grasos mediante un sistema de transferencia de Coenzima A, que los va a transformar en acil-CoA. (https://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/06membrana.htm)
- Entrada de purinas y pirimidinas mediante un sistema de fosforribosil transferasa. (https://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/06membrana.htm)
Referencias bibliográficas:
MultiChannel, (01, Mayo 2020). TRANSPORTE ACTIVO Y TRANSPORTE PASIVO (fácil y sencillito). Sitio web: youtube.com/watch?v=JuknZGlqGx8&t=2s
Muñoz. (2009). Efecto de la interrupción del gen cromosomal pfkA sobre el crecimiento, esporulación y producción de ácidos orgánicos en Bacillus subtilis. (Doctorado). Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada. Recuperado el 3 de noviembre de 2020, de: https://cicese.repositorioinstitucional.mx/jspui/bitstream/1007/2738/1/182851.pdf
Membrana y transporte. (2020). Recuperado el 1 de noviembre de 2020, de: https://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/06membrana.htm
Davidson, Chen J. ATP-binding cassette transporters in bacteria. Annu Rev Biochem. 2004;73:241-68. doi: 10.1146/annurev.biochem.73.011303.073626. PMID: 15189142.
Moussatova, A., Kandt, C., O'Mara, M., & Tieleman, D. (2020). ATP-binding cassette transporters in Escherichia coli. Recuperado el 2 de noviembre de 2020, de https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0005273608001946
Davidson, A., Dassa, E., Orelle, C., & Chen, J. (2020). Structure, Function, and Evolution of Bacterial ATP-Binding Cassette Systems. Recuperado el 2 de noviembre 2020, de https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2415747/
ATP-binding cassette transporter - sciencedirect. (2020). Recuperado el 2 de noviembre de 2020, de https://es.qaz.wiki/wiki/ATP-binding_cassette_transporter
La información está muy completa, los felicito. Me ha ayudado mucho con mi trabajo de investigación.
ResponderEliminarCon esta información hubiera podido pasar mejor mí examen de biología. Lo hicieron bien <3
ResponderEliminar