Biofisica

AlephZERO 7, Enero-Febrero 1997

FENOMENOS DE TRANSPORTE DE IONES A TRAVES DE MEMBRANAS BIOLÓGICAS. UNA APROXIMACIÓN TERMODINÁMICA ESTADÍSTICA.
Miguel Angel Méndez Rojas , Departamento de Química y Biología, Universidad de las Américas-Puebla

· INTRODUCCION.
Uno de los tres principales procesos celulares que consumen energía, es el transporte activo, que se define como el movimiento demoléculas polares o iones a través de una membrana, en contra de un gradiente de concentración y en donde el sistema aumenta su energía. Las membranas biológicas tienen la particularidad química de tener un núcleo no polar hidrocarbonado, que no permite el paso de moléculas polares. La célula por una parte proteje así los metabolitos y moléculas polares que contiene en su interior, pero a la vezrequiere de un proceso que le permita conseguir del exterior metabolitos y nutrientes polares, en ocasiones en concentraciones muy bajas y que también le permita excretar al exterior moléculas e iones polares.

Fig. 1. Esquema de una membrana celular con un par de polipéptidos que sirven como canales iónicos.
Para este fin, ha perfeccionado un sistema de transporte específico que puede efectuarel movimiento incluso en contra de gradientes de concentración muy elevados. Además ayudan a mantener el estado estacionario metabólico, mantener constantes las concentraciones de electrolitos inorgánicos (K+ y Ca2+), a mantener las relaciones osmóticas de la célula y su medio, transmisión de información por el sistema nervioso, la conversión de energía del transporte electrónico en energíaquímica del ATP durante la fosforilación oxidativa y fotosintética, etc. Haste hace pocos años se disponía de muy poca información fisicoquímica y de las bases moleculares del transporte activo. En la actualidad, nuestro conocimiento del transporte a través de membranas constituye un gran campo de investigación bioquímica que esta en rápido crecimiento.
· Mecanismos Generales del Transporte Iónico
Dosson los mecanismos generales por los que los solutos pueden experimentar un flujo o movimiento a través de una membrana, uno que involucra acarreadores de iónes (proceso mediado) y otro que involucra canáles iónicos.
La membrana se puede considerar como un líquido bidimensional cuyos componentes se hallan virtualmente en constante desplazamiento difusional. Los huecos desaparecen por difusión demoléculas de fosfolípidos cercanas hacia los huecos energéticamente inestables. Debido a que las membranas pueden tranportar corriente, es posible medir sus propiedades eléctricas. Los estudios sobre electrofisiología han mostrado una base para probar los efectos no-lineales causados por mecanismos moléculares. El aislamiento de secciones de membrana, con unos cuantos canales iónicos detransporte, ha permitido hacer estudios de las condiciones en que se efectúan los procesos, a través de registros de corrientes aplicadas a la sección de membrana. Se ha observado en algunos casos, que cada vez que el canal conduce un ión hay un incremento repentino en la conductividad del canal. Así, cambiando las concentraciones del ión que conduce el canal, así como de iones auxiliares, puedenestudiarse los mecanismos por los que el canal se abre para conducir iónes a través de la membrana. Mediante estudios sistemáticos de este tipo se han podido determinar los procesos moleculares elementales los cuáles gobiernan las propiedades moleculares.

Fig. 2. Microfotografía electrónica de una membrana en donde son claramente visibles
los canales iónicos ATP-asas activados por Ca2+
Medianteestas aproximaciones mecanísticas, es posible estudiar tres tipos de procesos de transporte en membranas. El primero que involucra canáles iónicos simétricos; el segundo proceso de transporte involucra acarreadores moleculares y un tercer problema es la aplicación de un modelo de canales simétricos a un problema de importancia para la fisiología nerviosa (modelo de transporte de Hodgkin y Huxley)....