Transporte Celular: Mecanismos Fundamentales
El transporte celular es un proceso biológico esencial que regula el intercambio de sustancias entre compartimentos celulares mediante cuatro mecanismos principales: transporte de membrana (vesículas), transporte a lo largo del citoesqueleto, autophagia y sitios de contacto de membrana, todos críticos para la supervivencia celular y homeostasis. 1
Fundamentos del Transporte a Través de Membranas
Las membranas celulares están compuestas por bicapas lipídicas que son relativamente impermeables a iones, lo que requiere mecanismos especializados para facilitar el movimiento de sustancias 2. El transporte celular depende fundamentalmente de la capacidad de la membrana para controlar con precisión el intercambio de solutos entre los compartimentos internos y externos 3.
Rutas de Transporte Disponibles
Las sustancias pueden cruzar las membranas celulares mediante tres rutas principales 2:
- Movimiento paracelular: Entre las células del endotelio, regulado principalmente por uniones estrechas (tight junctions) que son las rutas principales para la permeación pasiva de iones 2
- Movimiento transcelular: Directamente a través de la pared celular mediante transporte activo, difusión facilitada y/o difusión pasiva 2
- Transporte vesicular: A través de endocitosis, aunque este mecanismo es limitado en muchos tipos celulares especializados 2
Mecanismos de Transporte Pasivo
Difusión Simple
Todas las sustancias exhiben movimiento aleatorio constante a escala microscópica como consecuencia directa de la agitación térmica, lo que conduce a la difusión de moléculas y partículas pequeñas en un líquido 4. Este proceso no requiere energía y ocurre a favor del gradiente de concentración.
Difusión Activa
Además del movimiento no dirigido térmico, las células utilizan procesos activos que pueden impulsar fluctuaciones aleatorias significativas que pueden parecer sorprendentemente similares a la difusión térmica de partículas, pero más rápidas 4. Este mecanismo representa un proceso importante y biológicamente ajustable para el transporte en células vivas 4.
Mecanismos de Transporte Activo
Proteínas Transportadoras
Las proteínas de membrana conocidas como canales iónicos, bombas y transportadores median el transporte de agua y solutos 2. Existen más de 100 familias de proteínas/péptidos formadores de canales en procariotas y eucariotas 2.
Los canales iónicos permiten el movimiento pasivo rápido de iones seleccionados a través de las membranas celulares, mientras que las bombas y transportadores específicos generan activamente el transporte transcelular 2.
Clasificación de Transportadores
Aproximadamente 500-1200 genes codifican transportadores de fármacos en el genoma humano, clasificados en dos grupos principales 2:
Transportadores ABC (ATP-Binding Cassette)
- Son responsables de la extrusión celular de diversas moléculas utilizando energía producida por la hidrólisis de ATP 2
- P-glicoproteína (P-gp/MDR-1/ABCB1): Proteína de membrana de 150-180 kDa ampliamente expresada en hígado, riñón, intestino y barrera hematoencefálica 2
- Proteínas asociadas a resistencia multifármaco (MRPs/ABCC): Transportadores de eflujo importantes 2
- Proteína de resistencia del cáncer de mama (BCRP/ABCG2): Miembro de la superfamilia ABC 2
Superfamilia de Transportadores SLC (Solute-Carrier)
Transportadores de nucleósidos equilibrativos (ENTs - SLC29): Juegan un papel fundamental en la captación de nucleósidos y nucleobases a través de una membrana siguiendo su gradiente de concentración 2. Los ENT1 y ENT2 son los miembros más caracterizados, con ENT1 presente en la barrera hematoencefálica humana 2.
Transportadores de nucleósidos concentrativos (CNTs - SLC28): Son transportadores dependientes de sodio con tres subtipos 2:
- CNT1: Específico para pirimidinas
- CNT2: Preferente para purinas, también transporta uridina
- CNT3: Transportador de nucleósidos de amplia selectividad 2
Transporte de Agua: Proceso Biológico Fundamental
La regulación del transporte de agua a través de membranas biológicas es fundamental para el mantenimiento de la homeostasis entre compartimentos de fluidos corporales y para la vida misma 2.
Acuaporinas
Las acuaporinas (AQs) son una familia de pequeñas proteínas que atraviesan la membrana, expresadas en membranas plasmáticas de muchos tipos celulares involucrados en el transporte de fluidos 2. Su expresión es funcionalmente significativa para el movimiento de agua a través de las membranas celulares, respondiendo a gradientes osmóticos 2.
Las mutaciones en el canal de agua AQP2 causan la forma rara no ligada al cromosoma X de diabetes insípida nefrogénica hereditaria, demostrando el requerimiento del canal de agua renal humano acuaporina-2 para la concentración de orina dependiente de vasopresina 2.
Gradientes Electro-osmóticos y Uniones Estrechas
El transporte transcelular a través de bombas y canales de membrana específicos genera activamente gradientes electro-osmóticos que son críticos para una variedad de funciones celulares 2. Las uniones estrechas, ubicadas entre células, son las rutas principales para la permeación pasiva de iones 2.
Los mediadores inflamatorios, como la histamina, pueden alterar las uniones estrechas, permitiendo que macromoléculas pasen del ambiente externo al interno 2.
Transporte Intracelular y Tráfico de Organelos
El transporte intracelular juega un papel esencial en mantener la organización celular 5. La maquinaria de transporte celular a nanoescala, que consiste en vías del citoesqueleto y proteínas motoras, es responsable de entregar efectivamente materiales importantes a ubicaciones específicas dentro de la célula 5.
Mecanismos de Transporte Intracelular
Las proteínas motoras logran superar varios desafíos en el ambiente celular abarrotado para lograr un transporte bien coordinado y efectivo 5. El transporte a lo largo del citoesqueleto permite el movimiento dirigido de vesículas, proteínas de membrana, membranas y organelos 1.
Canalopathías y Enfermedades del Transporte
Las canalopathías son enfermedades que resultan de defectos en la función de los canales iónicos, descubiertas con frecuencia creciente 2. Surgen a través de varios mecanismos 2:
- Mutaciones en el promotor y región codificante de genes de canales iónicos
- Defectos en genes que codifican moléculas que regulan la función del canal
- Desarrollo de autoanticuerpos contra proteínas de canal que inhiben su función
- Efectos de fármacos y mediadores como inhibidores de fosfodiesterasa, óxido nítrico, VIP y leucotrienos 2
Balance Anabólico-Catabólico y Potenciales Químicos
El balance entre procesos anabólicos y catabólicos induce potenciales químicos en los medios extracelular e intracelular 6. Los potenciales químicos de estos medios se definen como las fuerzas impulsoras tanto del transporte pasivo como activo de sustancias a través de membranas celulares 6.
Las interacciones del transporte pasivo y activo de sustancias a través de las paredes celulares promueven la proliferación celular, así como el mecanismo de capacitores celulares, promoviendo reacciones remotas a distancia para la expresión hormonal y respuestas inmunes 6.
Importancia Clínica
Las disfunciones de los transportadores de membrana plasmática muy frecuentemente son la causa de enfermedades humanas 3. Los trastornos del tráfico celular son clínica y fisiopatológicamente diversos y complejos, formando el grupo más grande en la reciente Clasificación Internacional de Trastornos Metabólicos Hereditarios (ICIMD) 1.
El fallo del transporte de largo alcance bidireccional va de la mano con varias enfermedades, incluyendo enfermedades neurodegenerativas como Alzheimer y Esclerosis Lateral Amiotrófica 5.