El transporte activo es el proceso que se requiere para bombear moléculas contra-gradiente, tanto eléctrico como de concentración.

Para poder desplazar iones de sodio y potasio de esta forma existe la bomba sodio-potasio, una estructura transmembranosa presente en las células. Está implicada en varias funciones fundamentales para la vida y su mecanismo de acción es bastante interesante. Veámoslo a continuación.

¿Qué es la bomba sodio-potasio?

La bomba sodio-potasio es una estructura proteica que se puede encontrar en muchas membranas celulares. Como su nombre viene a indicar, su principal función es la de mover iones de sodio y potasio a través de la membrana.

Este proceso ocurre en forma de transporte activo, haciéndolo en contra del gradiente de concentración. En el interior de la célula, el sodio (Na+) está menos concentrado (12 mEq/L) que en el exterior (142 mEq/L), mientras que ocurre al contrario con el potasio (K+), habiendo menor concentración fuera (4 mEq/L) que dentro (140 mEq/L).

Para llevar a cabo esto la bomba utiliza la energía obtenida de la hidrólisis del ATP y, por eso, es considerada una enzima del tipo Na+/K+ATPasa. Gastando esa energía, hace que la célula expulse sodio mientras introduce potasio.

Esta bomba pertenece a la clase de las bombas iónicas de la clase P, dado que desplazan iones. Este tipo de bombas están formadas por, al menos, una subunidad catalítica alfa transmembrana, estructura la cual posee un lugar en el que se puede unir una molécula de ATP y una subunidad beta menor.

Fue descubierta en 1957 por Jens Skou (1918-2018), un químico y profesor universitario danés que ganó el Premio Nobel de Química gracias a este hallazgo.

¿Cómo es su estructura?

Cómo ya decíamos, al bomba sodio-potasio es una estructura con función enzimática. Su estructura está conformada por dos subunidades proteicas de tipo alfa (α) y dos de tipo beta (β). Así pues, esta bomba es un tetrámero (α2β2), cuyas proteínas integrales atraviesan la bicapa lipídica, esto es, la membrana de las células y también algunos orgánulos.

Ambos tipos de subunidades presentan variaciones y, hasta el momento, se han podido encontrar tres isoformas para la subunidad alfa (α1, α2 y α3) y tres para la beta (β1, β2 y β3). La α1 se encuentra en las membranas de la mayoría de las células, mientras que la isoforma α2 es característica de células musculares, corazón, tejido adiposo y cerebro. La isoforma α3 se puede encontrar en el corazón y encéfalo.

En cuanto a las subunidades beta su distribución es un tanto más difusa. La β1 se puede encontrar en múltiples lugares, estando ausente en las células vestibulares del oído interno y las células musculares glicolíticas de respuesta rápida, siendo ocupada esta ausencia por la isoforma β2.

1. Subunidades alfa

Las subunidades alfa son estructuras que contienen los sitios de unión para la molécula del ATP y los iones de Na+ y K+. Estas subunidades representan el componente catalítico de la enzima, ejerciendo la función de bomba propiamente dicha.

Estructuralmente, las subunidades alfa están constituidas de polipéptidos de gran tamaño, con un peso molecular de 120 kDa (kilodaltons). En su lado intracelular (dentro de la célula) poseen sitios de unión para la molécula de ATP y para el Na+, mientras que el sitio de unión del K+ se encuentra en el lado extracelular (fuera de la célula).

2. Subunidades beta

Las subunidades beta no parecen participar de forma directa en la función de bombeo, pero sí que se ha visto que, en su ausencia, la bomba sodio-potasio no cumple su principal función.

Estas subunidades poseen un peso molecular de 55 kDa cada una, y consisten en glicoproteínas con un solo dominio transmembranal. Los residuos glucídicos que se pueden encontrar en estas subunidades se encuentran insertados en la región externa de la célula.

Función de la bomba sodio-potasio

La célula se puede comparar con un globo lleno de agua dulce tirado en el mar. Su capa es casi-impermeable, y el medio interno tiene propiedades químicas muy diferentes al medio exterior. La célula posee concentraciones variables de diferentes sustancias en comparación con el medio que la rodea, habiendo diferencias significativas con el sodio y el potasio.

Esto se relaciona con la principal función de la bomba sodio-potasio, que consiste en mantener la homeostasis del medio intracelular, controlando las concentraciones de estos dos iones. Para conseguir este objetivo, realizar procesos fundamentales:

1. Transporte de iones

Introduce iones de K+ y expulsa los iones de Na+. La tendencia natural, es decir, sin la implicación de la bomba es la de que el sodio entre y el potasio salga, dado que están menos y más concentrados en el interior de la célula, respectivamente.

El Na+ está más concentrado en el exterior de la célula (142 mEq/L) que en el interior (12 mEq/L), mientras que con el K+ ocurre al revés, hay menor concentración fuera (4 mEq/L) que dentro (140 mEq/L)

2. Control del volumen celular

Al salir y entrar iones también se controla el volumen celular, controlando la cantidad de líquido que hay dentro de la célula misma.

3. Generación del potencial de membrana

La bomba sodio-potasio participa en la generación del potencial de membrana. Esto es debido a que, al expulsar tres iones de sodio por cada dos de potasio que introduce, la membrana celular permanece negativamente cargada en su cara interna.

Esto genera diferencias de cargas entre el interior y el exterior de la célula, diferencia la cual es conocida como potencial de reposo.

Los iones tienen carga positiva, con lo cual no debería serles posible ser introducidos y expulsados de la forma en cómo lo hacen. Sin embargo, la existencia de canales iónicos en la membrana permiten, de forma selectiva, que haya un flujo contra gradiente electroquímico cuando sea necesario.

Mecanismo de acción

Como ya decíamos, la bomba sodio-potasio tiene función enzimática y, por este motivo, también es llamada ATPasa Na+/K+. El mecanismo de acción de esta estructura transmembrana consiste en un ciclo catalítico en el cual se transfiere un grupo fosforilo.

Para que se dé la reacción es necesaria la presencia de una molécula de ATP y un ion de Na+ en el interior de la célula y uno de K+ fuera. Se unen los iones de Na+ al transportador a la enzima, que posee tres lugares citosólicos de unión para este ion. A este estado se le denomina E1 y, tras alcanzarse, la ATP se fija a su sitio de la molécula, hidrolizándose y transfiriendo un grupo fosfato a una molécula de aspartato 376, proceso del cual se obtiene un acilfosfato. Así se induce al cambio al siguiente estado, E2. Luego de esto, viene la expulsión de tres iones de sodio y la introducción de dos de potasio.

Importancia de la bomba sodio-potasio

En base a lo que hemos explicado, la bomba sodio-potasio adquiere una gran importancia teniendo en cuenta que evita que la célula introduzca en su interior demasiados iones Na+. Esta mayor cantidad de sodio en el interior celular va condicionado con una mayor entrada de agua y, consecuentemente, un incremento del volumen de la célula. Si siguiera esta tendencia, y poniendo como ejemplo el caso anterior del globo, la célula estallaría como si fuera uno. Es gracias a la acción de la bomba que se evita que la célula colapse así.

Además, la bomba contribuye a que se forme el potencial de membrana. Introduciendo dos iones de K+ por cada tres de Na+ que son expulsados se van descompensando las cargas eléctricas internas, favoreciendo la producción del potencial de membrana característico de las células. Esta importancia es todavía mayor si se tienen en cuenta las células nerviosas, en las cuales el potencial de acción se caracteriza por el proceso inverso, esto es, la entrada del sodio y la salida del potasio.

Función renal

Otro aspecto interesante de las bombas sodio-potasio es que están implicadas en la función renal y, de hecho, sin ellas no sería posible. Los riñones filtran cada día 180 litros de plasma, el cual contiene sustancias que deben ser excretadas, mientras que otras deben ser reabsorbidas para que no se pierdan a través de la orina. La reabsorción del sodio, del agua y de otras sustancias dependen directamente de las bombas sodio-potasio, las cuales se encuentran en los segmentos tubulares de las nefronas del riñón.

Referencias bibliográficas:

  • Guyton AC, Hall JE: Substance Transport Across the Cell Membrane, in: Textbook of Medical Physiology, 13th ed, AC Guyton, JE Hall (eds). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
  • Nelson, D. L., Lehninger, A. L., & Cox, M. M. (2008). Lehninger principles of biochemistry. Macmillan.
  • Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A. D., Lewis, J., Raff, M., … & Walter, P. (2013). Essential cell biology. Garland Science.