1. Mecanismos de transporte a través de
membranas biológicas: transporte
transepitelial
Dr. Diego Álvarez de la Rosa
Investigador del Programa Ramón y Cajal. Departamento de Farmacología.
Universidad de La Laguna
diego.alvarez@ull.es
Publicado en www.fisionet.org en octubre de 2006
ÍNDICE
1. Definición de epitelio. Estructura de las células epiteliales: organización de la membrana
plasmática epitelial. Definición y papel de la polaridad en la función epitelial. Uniones
intercelulares: naturaleza y estructura. Relación entre uniones intercelulares y permeabilidad
paracelular.
2. Transporte vectorial de solutos y fluidos. Fuerzas motrices del transporte epitelial. Gradientes
electroquímicos en las membranas apical y basolateral: papel de la Na + K + -ATPasa. Medida
del transporte transepitelial: flujos netos; flujos de trazadores; flujos de volumen; corriente de
cortocircuito.
3. Mecanismos de transporte epitelial: reabsorción y secreción. Modelos de flujos reabsortivos en
condiciones fisiológicas: transportadores implicados en los flujos reabsortivos. Papel de la ruta
paracelular. Modelos de secreción en condiciones fisiológicas: rutas de salida apical y entrada
basolateral de iones. Movimiento de agua.
4. Regulación del transporte transepitelial de iones. Ejemplos de regulación de transportadores y
sus mecanismos: a) fosforilación; b) tráfico de transportadores; c) cambios en la abundancia de
proteína del transportador; d) proteínas modificadoras de la función de transporte. Regulación
de la ruta paracelular. Regulación debida a cambios en la concentración del soluto transportado.
5. Cólera y fibrosis quística: el papel del canal de Cl - CFTR ( cystic fibrosis conductance
regulator ) en secreción; regulación de CFTR. Consecuencias fisiológicas de la ausencia de
CFTR. Consecuencias fisiológicas de un exceso de función de CFTR.
6. Desórdenes en la regulación de transportadores: el síndrome de Liddle. Papel del canal epitelial
de sodio (ENaC) en la reabsorción de Na + y secreción de K + en el túbulo colector renal.
Regulación de la función de las células principales del túbulo colector renal: papel de la
aldosterona. Consecuencias fisiológicas de un exceso de actividad de ENaC.
7. Desórdenes en el tráfico de transportadores: Diabetes insipidus nefrogénica. Regulación del
transporte de agua en el túbulo colector del riñón: control fisiológico por vasopresina.
Regulación del tráfico de acuaporina 2 (AQP-2). Consecuencias fisiológicas de la ausencia de
actividad AQP-2.
8. Bibliografía
1.- Definición de epitelio. Estructura de las células epiteliales:
organización de la membrana plasmática epitelial. Definición y papel de
la polaridad en la función epitelial. Uniones intercelulares: naturaleza y

2. estructura. Relación entre uniones intercelulares y permeabilidad
paracelular.
De la misma manera en que la membrana celular es la barrera que separa el
fluido intracelular del extracelular, los epitelios son las barreras que separan el
medio interno del organismo del medio externo. El transporte de solutos y
agua a través de los epitelios tiene por tanto un importantísimo papel en el
mantenimiento de la homeostasis del medio interno.
Un epitelio está compuesto por una capa ininterrumpida de células
conectadas entre ellas por complejos proteicos de unión. Estas uniones
funcionan como barreras selectivas de permeabilidad y además marcan la
frontera entre la membrana apical , en contacto con el medio externo, y la
membrana basolateral , que está orientada hacia el medio interno. Las
membranas apical y basolateral presentan grandes diferencias en sus
funciones de transporte y por tanto se dice que las células epiteliales están
polarizadas. Esta polarización es lo que posibilita el transporte vectorial , es
decir, el transporte neto de solutos y agua de un lado a otro del epitelio. Las
membranas apical y basolateral pueden recibir distintos nombres
dependiendo del epitelio en cuestión. Así, la membrana apical puede
denominarse membrana en cepillo, mucosa o membrana luminal. Por su
parte, la membrana basolateral se conoce a veces como serosa o membrana
peritubular.
Existen cuatro tipos de uniones entre células epiteliales.
I.- Las uniones herméticas ( tight junctions , también llamadas zonula
occludens ) son estructuras complejas que impiden el paso libre de fluidos y
solutos entre las células del epitelio. Si bien los componentes moleculares de
las uniones herméticas no se conocen completamente, se sabe que su
estructura consiste en filas paralelas con alta densidad de proteínas
transmembrana que mantienen juntas las membranas de células adyacentes.
El grado de permeabilidad de un epitelio parece estar relacionado con el
número de estas filas paralelas. Las tight junctions tienen tres funciones
importantes: 1) constituyen la barrera que separa el medio interno del externo;
2) actúan como elementos de permeabilidad selectiva, dejando pasar algunas
moléculas con mayor facilidad que otras; 3) separan la membrana apical de la
basolateral, permitiendo el mantenimiento de composiciones lipídicas y
proteicas distintas en ambas membranas, lo que a su vez posibilita el
transporte vectorial de sustancias y agua a través de un epitelio.
II.- Las uniones de adhesión ( zonula adherens ) se sitúan en los laterales
de las células epiteliales y están constituidas por proteínas de adhesión
célula-célula. Estas uniones proporcionan información a la célula sobre la
identidad y proximidad de las otras células del epitelio. En tumores epiteliales,
la pérdida de estas moléculas de adhesión está relacionada con el inicio del

3. crecimiento incontrolado y la capacidad de metástasis de las células
tumorales.
III.- Las uniones comunicantes ( gap junctions ) son canales que
interconectan células epiteliales adyacentes y que permiten el paso
intercelular de moléculas de bajo peso molecular (< 1000 daltons). Debido a
que los iones pueden atravesar este tipo de uniones, su presencia implica que
las células de un epitelio están eléctricamente acopladas. Además, se sabe
que las gap junctions son de gran importancia en la transmisión de señales
mediadas por Ca 2+ intracelular. Su estructura molecular consiste en dos
hemicanales denominados conexones, que a su vez son homo- o
heterohexámeros de proteínas de la familia de las conexinas.
IV.- Los desmosomas ( macula adherens ), unen membranas de varias células adyacentes en un solo punto. Son
abundantes en zonas donde el epitelio está sometido a grandes tensiones mecánicas, como ocurre en el intestino
grueso, contribuyendo a su estabilidad.
Figura 1. Tipos de uniones celulares
1.- zona ocludens
2.- zona adherens
3.- desmosomas
4.- tonofilamentos de los desmosomas
5.- microvellosidad
6.- citoesqueleto de la microvellosidad

4. 7.- microtúbulos
8.- microfilamentos
2.- Transporte vectorial de solutos y fluidos. Fuerzas motrices del
transporte epitelial. Gradientes electroquímicos en las membranas apical
y basolateral: papel de la Na + K + -ATPasa. Medida del transporte
transepitelial: flujos netos; flujos de trazadores; flujos de volumen;
corriente de cortocircuito.
Debido a que las composiciones del medio externo y del medio interno son
diferentes y que el mantenimiento de estas diferencias es esencial para la
vida, todos los epitelios están expuestos a gradientes de concentración
química y de potencial eléctrico entre su lado luminal (medio externo) y su
lado intersticial (medio interno). Por ello, el gradiente electroquímico existente
en la membrana apical es distinto al de la membrana basolateral, ya que
aunque ambas comparten el citoplasma celular a un lado de la membrana,
están expuestas a fluidos de distinta composición química al otro lado. El
mantenimiento de los gradientes electroquímicos en las membranas apical y
basolateral es posible porque todos los epitelios comparten, además de la
presencia de uniones herméticas, tres características básicas que son
esenciales para su funcionalidad. En primer lugar, la presencia exclusiva de la
Na + ,K + -ATPasa en la membrana basolateral de todos los epitelios, con la
notable excepción del plexo coroideo. En segundo lugar, la abundancia de
canales de K + en la membrana basolateral, que son independientes de
voltaje y reciclan el K + introducido en la célula por la Na + ,K + -ATPasa,
creando un gradiente de K + en la membrana basolateral. Este gradiente de K
+ es el principal determinante de la diferencia de potencial en esta membrana
(unos 50-60 mV con el interior negativo respecto al exterior). En tercer lugar,
todas las células epiteliales mantienen una concentración intracelular de Na +
que ronda entre 10-30 mM, muy inferior a la del fluido extracelular. Este efecto
es también debido a la actividad Na + ,K + -ATPasa. El gradiente de Na + es
utilizado como fuerza motriz para la entrada de Na + a través de canales de
Na + apicales y para el transporte secundario activo de otros solutos, tanto en
la membrana apical (ejemplos: cotransportador de Na + y glucosa,
intercambiador de Na + y H + , cotransportador de Na + , K + y Cl - ) como en
la basolateral (ejemplo, el intercambiador de Na + y Ca 2+ ).
La principal consecuencia de la existencia de gradientes electroquímicos
diferentes en la membrana apical y en la membrana basolateral de los
epitelios es que estas células pueden promover la absorción o secreción de
distintos solutos controlando la inserción selectiva de canales o
transportadores específicos en cada una de sus membranas. En el siguiente
apartado se exponen ejemplos concretos de flujos de secreción o de
absorción. Pero antes es necesario examinar cómo la presencia y
características de las uniones herméticas de un epitelio son parte esencial en

5. la funcionalidad de un epitelio. También repasaremos las distintas técnicas
experimentales que nos permiten estudiar la función epitelial.
Mediante técnicas electrofisiológicas, podemos determinar la diferencia de
potencial entre el lumen y el intersticio de un epitelio, parámetro denominado
voltaje transepitelial . El voltaje transepitelial es la suma de los voltajes de la
membrana apical y la basolateral. Además de la diferencia de potencial, existe
otro parámetro eléctrico de gran importancia al definir un epitelio: la
resistencia transepitelial . La resistencia de un epitelio está directamente
determinada por las propiedades de sus uniones herméticas ( tight junctions ),
que regulan el paso de fluidos y sustancias entre las células que componen el
epitelio, denominada ruta de transporte paracelular . La resistencia de los
distintos epitelios es enormemente variable y está relacionada con su función.
En general se habla de epitelios � impermeables � ( tight epithelia ), que
poseen una elevada cantidad de uniones herméticas y por tanto alta
resistencia eléctrica, o de epitelios � semipermeables � ( leaky epithelia ),
con menor cantidad de uniones herméticas y por tanto baja resistencia
eléctrica. Es necesario resaltar aquí que muchos de los epitelios llamados
�impermeables� permiten cierto grado de transporte paracelular, proceso
que tiene gran importancia fisiológica, como se verá más adelante. Los
epitelios �semipermeables� no son buenos para mantener gradientes
iónicos u osmóticos pronunciados. En general, se encuentran en zonas
encargadas del transporte masivo de solutos o agua de forma isosmótica.
Ejemplos de epitelios de baja resistencia son el intestino delgado y el túbulo
proximal del riñón. Por el contrario, los epitelios �impermeables� mantienen
gradientes osmóticos o de concentración iónica muy pronunciados. Ejemplos
de epitelio de alta resistencia son el túbulo distal del riñón, el intestino grueso
y el de la vejiga urinaria.
Existen distintas técnicas para cuantificar el transporte transepitelial. La más
directa es la medida del flujo neto de una sustancia desde un lado del epitelio
a otro. Por ejemplo, si tomamos un segmento del intestino delgado con sus
extremos ligados y con una solución rica en glucosa en su interior, y lo
situamos en una solución fisiológica sin glucosa, podemos medir el paso de
glucosa desde el lumen hasta el intersticio. Si la tasa de transporte es baja, es
más práctico medir el flujo de trazadores radiactivos , que permiten seguir
el transporte transepitelial de pequeñas cantidades de moléculas; el isótopo
del rubidio, 86 Rb, se utiliza como trazador para el estudio del transporte
transepitelial de K + (el Rb + y el K + son cationes monovalentes con un radio
muy similar y por tanto los transportadores y canales de K + no lo distinguen
del Rb + ). El transporte de agua puede estudiarse midiendo el flujo de
volumen desde un compartimiento al otro. Por último, existe una técnica
electrofisológica, denominada corriente de cortocircuito , que proporciona
de forma sencilla y con gran sensibilidad información acerca del flujo neto de

6. iones a través de un epitelio. Básicamente, consiste en la colocación de
electrodos a ambos lados del epitelio, para generar el paso de una corriente a
través de ellos de forma que anule la diferencia de potencial a ambos lados
del epitelio, esto es, provoque un �cortocircuito� del epitelio. La corriente
necesaria para anular la diferencia de potencial es igual a la corriente
generada por el flujo neto de iones de un lado da otro del epitelio, que es lo
que determina su potencial de reposo. Mediante la sustitución de iones en las
soluciones apical o basolateral por otros no permeables se puede determinar
la naturaleza de los flujos de iones que generan el potencial transepitelial. Por
otra parte, experimentos en los que se emplean fármacos que inhiben
específicamente la función de algún canal o transportador permiten identificar
los transportadores implicados en el proceso. Una aplicación clínica muy
importante de técnicas electrofisiológicas que estudian la función epitelial
consiste en la medida del potencial transepitelial en epitelio nasal en
pacientes con fibrosis quística ( ver apartado 5 ), prueba muy importante para
el correcto diagnóstico de esta enfermedad.
3.- Mecanismos de transporte epitelial: reabsorción y secreción.
Modelos de flujos reabsortivos en condiciones fisiológicas:
transportadores implicados en los flujos reabsortivos. Papel de la ruta
paracelular. Modelos de secreción en condiciones fisiológicas: rutas de
salida apical y entrada basolateral de iones. Movimiento de agua .
Como se ha explicado en el apartado anterior, la existencia de gradientes
electroquímicos diferentes en la membrana apical y la basolateral, unida a la
inserción selectiva de canales y transportadores específicos en ambas
membranas, permite la reabsorción de solutos desde el lumen hasta el
intersticio o, por el contrario, su secreción desde el intersticio al lumen. A
continuación se exponen cuatro ejemplos ilustrativos de procesos de
secreción y absorción, seguidos de una breve descripción del movimiento de
agua a través de los epitelios.
Figura 2: Mecanismos de transporte de sodio, cloro, potasio y glucosa en las
células epiteliales renales

7. I.- Absorción de NaCl en los túmulos conector y colector del riñón.
El modelo celular de absorción transepitelial de NaCl fue propuesto por
primera vez por Hans Ussing, pionero en el campo del estudio del transporte
transepitelial. A pesar de que este modelo fue propuesto para la reabsorción
de NaCl a través de la piel de la rana, se ajusta perfectamente para explicar la
reabsorción de NaCl en el túbulo colector del riñón de mamíferos (ver Fig. 2).
Como se ha dicho con anterioridad, la actividad Na + K + -ATPasa en la
membrana basolateral hace que la concentración intracelular de Na + sea
baja, generando un gradiente electroquímico favorable para la entrada de Na
+ en la célula. Este gradiente hace que el Na + presente en el lumen del
túbulo penetre de forma pasiva en la célula a través de la membrana apical,
donde se sitúa un canal de Na+ denominado ENaC ( E pithelial Na + C
hannel ). El Na + que entra de esta manera en la célula es bombeado hacia el
exterior por la Na + ,K + -ATPasa de la membrana basolateral,
intercambiándolo por K + , que vuelve a entrar en la célula de forma pasiva a
través de los canales de K + basolaterales. De esta manera se crea un flujo
neto de Na + desde el lumen hasta el intersticio. Este flujo neto de cargas
positivas a través del epitelio genera una corriente eléctrica, que crea una
diferencia de potencial entre el lumen, con carga negativa, y el intersticio, con
carga positiva. Este gradiente eléctrico se aprovecha para el transporte
paracelular de Cl- a través de las uniones herméticas. El resultado neto del
proceso es la reabsorción de NaCl en el proceso de formación de la orina.
II.- Excreción de K + en el túbulo colector.
El modelo que explica la reabsorción de Na + en el túbulo colector del riñón
puede utilizarse también, con pocas modificaciones, para explicar la excreción
de K + en el mismo segmento del túbulo (ver Fig. 1). Si la célula posee en la
membrana apical, además de los canales de Na + ENaC, canales de K + , se
permite la salida pasiva de parte del K + intracelular hacia el lumen tubular. La
salida de K + tiene a su favor tanto el gradiente eléctrico, ya que la membrana
apical está parcialmente despolarizada debido a la entrada de Na + , como el
gradiente químico, ya que la concentración intracelular de K + es alta en
comparación con la del fluido tubular. Este mecanismo es de hecho el
utilizado por las células del túbulo distal para excretar K + , lo que puede
comprobarse si se utilizan fármacos como el amiloride, que inhiben el
transporte de Na + mediado por ENaC. Estos diuréticos se denominan
�fármacos ahorradores de K + �, ya que el bloqueo de la reabsorción de Na
+ bloquea la excreción de K + . El efecto contrario, la excesiva excreción de K
+ en condiciones de hiperestimulación de ENaC, se detecta en una
enfermedad hereditaria humana, el síndrome de Liddle ( ver apartado 6 ),
causado por mutaciones activadoras del canal de Na + .
III.- Absorción de glucosa en el túbulo proximal del riñón y en el intestino
delgado.

8. Tanto el túbulo proximal como el intestino delgado absorben solutos
orgánicos mediante transporte acoplado al gradiente de Na + (ver Fig. 2). Un
buen ejemplo es el co-transporte de Na + y glucosa mediado por el
transportador SGLT ( S odium/ Gl ucose Co- t ransporter ). Existen tres
isoformas de SGLT. Mientras que SGLT1 tiene una estequiometría Na + :
glucosa de 2:1 (en cada ciclo de transporte se introducen en la célula dos
iones Na + por cada molécula de glucosa), las isoformas SGLT2 y SGLT3
tienen una estequiometría de 1:1. Por tanto, el gradiente electroquímico
favorable para la entrada de Na + en la célula sirve como fuerza motriz para la
acumulación de glucosa en la célula en contra de su gradiente de
concentración. Las isoformas SGLT2 y SGLT3 constituyen transportadores de
alta capacidad y de baja afinidad, participando en las fases iniciales de la
reabsorción, cuando la cantidad de glucosa en el lumen es muy alta (p.e.
SGLT2 se sitúa en el segmento inicial del túbulo proximal del riñón, donde se
reabsorbe aproximadamente el 98% del total de glucosa transportada). Por el
contrario, la isoforma SGLT1 es un transportador de baja capacidad y alta
afinidad, capaz de crear un mayor gradiente en la concentración de glucosa
debido a la estequiometría 1:1. Por tanto, SGLT1 participa en el proceso
cuando la concentración luminal de glucosa es menor (p.e. en el segmento
más distal del túbulo proximal del riñón). Como consecuencia de la
acumulación de glucosa en la célula en contra de su gradiente de
concentración, esta molécula puede ser transportada de forma pasiva
(independiente de Na + ) a través del transportador GLUT ( glu cose t
ransporter ), situado en la membrana basolateral de la célula. De esta manera
se produce una reabsorción neta de glucosa. A su vez, el Na + introducido en
la célula con la glucosa abandona la misma a través de la Na + ,K + -ATPasa
situada también en la membrana apical. Este flujo neto de Na + crea un
gradiente eléctrico a través del epitelio que impulsa el transporte paracelular
de Cl - . Por tanto, el resultado final es la reabsorción acoplada de glucosa y
NaCl.
IV.- Secreción de NaCl .
Existen células secretoras en el intestino y en el epitelio de las vías aéreas
pulmonares capaces de realizar una secreción neta de NaCl. Este proceso se
basa en la inserción en la membrana basolateral de estas células de un co-
transportador que utilizando el gradiente de Na + creado por Na + ,K +
-ATPasa transporte de forma secundaria Cl - al interior celular. La molécula
encargada de realizar esta función es el co-transportador de Na + , K + y Cl - (
NKCC ). El Cl - acumulado en el interior celular debido a la acción de NKCC
es transportado de forma pasiva al lumen debido a la presencia de un canal
de Cl - apical, normalmente el canal CFTR . El resultado neto es el
movimiento de carga negativa al lumen, impulsando el transporte pasivo de
Na + a través de la ruta paracelular. De esta manera se produce la secreción
de NaCl al lumen, aunque la actividad Na + ,K + -ATPasa bombee Na + a
través de la membrana basolateral al intersticio.

9. V.- Movimiento de agua a través de epitelios .
Hasta ahora hemos discutido el transporte transepitelial de solutos. Desde
un punto de vista fisiológico, el transporte de agua tiene también una gran
importancia, ya que el mantenimiento del volumen extracelular es
fundamental para la homeostasis del organismo. En general, el agua se
mueve a través de los epitelios de forma pasiva en respuesta a gradientes
osmóticos. La permeabilidad de la membrana plasmática y la presencia de
canales de agua, también llamados acuaporinas, asegura que el equilibrio
osmótico de las células con respecto al fluido extracelular se realice
rápidamente. En los epitelios semipermeables la ruta paracelular de
transporte tiene también importancia en el transporte de agua. En distintos
epitelios, la permeabilidad al agua ( conductividad hidráulica ) es variable,
dependiendo de los tres parámetros que acabamos de mencionar: 1)
permeabilidad de la membrana, que a su vez depende de la composición
lipídica; 2) presencia de acuaporinas; 3) características de las uniones
herméticas. La presencia o ausencia de acuaporinas en la membrana puede
ser regulada, pudiendo variar la conductividad hidráulica de un epitelio de
forma rápida en respuesta a estímulos determinados, como es el caso de la
inserción de acuaporina-2 en la membrana apical de las células principales
del túbulo distal en respuesta a arginina-vasopresina (ver apartado 4 ). Por
otra parte, un epitelio con alta capacidad de transporte de solutos y baja
permeabilidad al agua es capaz de generar gradientes osmóticos
transepiteliales de gran magnitud (ejemplo, el segmento ascendente grueso
del asa de Henle del riñón).
Un caso especial de transporte de agua lo constituyen los epitelios del
intestino delgado y del túbulo proximal del riñón. En ambos casos se detecta
un flujo neto de agua desde el lumen hasta el intersticio sin que exista ningún
tipo de gradiente osmótico transepitelial. Se han propuesto dos explicaciones
a este fenómeno. En la primera, la presencia de un alto número de
acuaporinas en las membranas apical y basolateral provocaría una gran
permeabilidad al agua, posibilitando su flujo neto en respuesta a diferencias
osmóticas mínimas no detectables experimentalmente. La segunda hipótesis
explica la reabsorción de agua debido a gradientes osmóticos locales creados
en la cercanía de la membrana basolateral debido a un retraso en la difusión
de los solutos reabsorbidos por el epitelio.
4.- Regulación del transporte transepitelial de iones. Ejemplos de
regulación de transportadores y sus mecanismos: a) fosforilación; b) tráfico de
transportadores; c) cambios en la abundancia del transportador; d) proteínas
modificadoras de la función de transporte. Regulación de la ruta paracelular.
Regulación debida a cambios en la concentración del soluto transportado.
Existe una enorme diversidad de estímulos fisiológicos capaces de modular
el transporte transepitelial para adaptarlo a condiciones variables. En general,
todos estos estímulos acaban por controlar la tasa de transporte de solutos

10. determinados a través de canales iónicos o transportadores. Prácticamente
todos los tipos de receptores y de rutas de segundos mensajeros conocidos
han sido implicados en algún proceso de modulación de transporte
transepitelial. A su vez, la activación de las rutas de señalización puede
modular la tasa de transporte de solutos mediante los siguientes procesos:
I.- Regulación de la actividad de las proteínas de transporte .
La actividad de los transportadores o canales implicados en el flujo
transepitelial de iones puede ser regulado mediante modificaciones post-
traduccionales. La más común de estas modificaciones es la fosforilación de
proteínas. Un ejemplo muy conocido es el del canal de Cl- CFTR ( C ystic F
ibrosis T ransmembrane Conductance R egulator ). El aumento en los niveles
intracelulares de adenosín monofosfato cíclico (AMPc) provoca la activación
de protein kinasa A, que a su vez fosforila diversos residuos de serina y
treonina del canal CFTR, provocando un aumento en su actividad (ver más
adelante, apartado 5 ) y por tanto en la secreción apical de Cl - , un proceso
importante en la secreción intestinal y pulmonar.
II.- Regulación de la abundancia de las proteínas de transporte en la
membrana celular.
La abundancia de un transportador en la membrana plasmática puede
controlarse almacenando transportadores en vesículas intracelulares e
insertándolos en la membrana en respuesta a determinados estímulos. Dos
ejemplos clásicos de esta modalidad de regulación los proporcionan la
acuaporina-2 (AQP-2) y la bomba de protones gástrica (H + ,K + -ATPasa). La
AQP-2 es un canal de agua que en las células principales del túbulo distal del
riñón se encuentra normalmente almacenado en vesículas intracelulares. En
respuesta al estímulo de la hormona antidiurética, ADH (también conocida
como arginina-vasopresina, AVP), las vesículas que contienen AQP-2 se
fusionan con la membrana apical, permitiendo que este canal aumente la
permeabilidad del túbulo al agua. En el segundo ejemplo, la histamina hace
que las vesículas tubulares que contienen la H + ,K + -ATPasa en las células
parietales gástricas se fusionen con la membrana apical, iniciando la
secreción gástrica de ácido clorhídrico.
III.- Regulación de la abundancia de las proteínas de transporte en la
célula.
Una posibilidad obvia para modular la tasa de transporte de un soluto es
modificar la cantidad total de su transportador en la célula. Para ello se puede
modificar la tasa de síntesis, la de degradación o ambas simultáneamente. Un
ejemplo clásico de este tipo de regulación es la acción de la hormona
esteroidea aldosterona sobre los transportadores implicados en la
reabsorción de Na + en epitelios como el del túbulo distal renal o el del colon,
el canal epitelial de sodio (ENaC) en la membrana apical y la bomba de sodio

11. (Na,K-ATPasa) en la membrana basolateral. El receptor de aldosterona,
conocido como receptor de mineralocorticoides (la aldosterona es el principal
mineralocorticoide fisiológico), es un factor de transcripción que en
condiciones de reposo reside en el citoplasma. Una vez estimulado por la
unión de aldosterona, el receptor viaja al núcleo celular, donde aumenta la
transcripción de genes implicados en la reabsorción de Na + , como los
relacionados con los mecanismos señalados anteriormente.
IV.- Regulación de la actividad de un transportador por asociación de
proteínas reguladoras.
Una estrategia de regulación menos común es la asociación física del canal
o transportador con otra proteína con efecto modulador de la actividad de
transporte. Un buen ejemplo de este tipo de regulación es del de la unión de
la isoforma 3 del intercambiador de Na + y H + (NHE3) con proteínas de la
familia NHERF ( Na + -H + E xchanger R egulatory F actor ). Actualmente se
conocen cuatro proteínas NHERF, todas ellas presentes en los bordes en
cepillo de los epitelios del intestino, colon y túbulo proximal del riñón. La unión
de las proteínas NHERF con complejos multiproteicos que incluyen a NHE3
es altamente dinámica y regulada por distintos estímulos. Las consecuencias
funcionales de la unión de las proteínas NHERF a NHE3 son diversas y no
todas bien estudiadas. Quizá el ejemplo mejor conocido es el de NHERF2,
cuya unión a NHE3 resulta imprescindible para la inhibición de la actividad de
transporte de NaCl en el intestino delgado debida a un aumento en los niveles
de GMPc intracelular. Al parecer, el mecanismo molecular de la inhibición se
basa en el papel de NHERF2 como proteína adaptadora que facilita la unión
de una protein kinasa dependiente de GMPc (cGKII) a NHE3, que resulta
fosforilado.
Además de la regulación de la actividad de canales y transportadores,
existen dos parámetros que tienen importantes efectos en la tasa de
transporte transepitelial de solutos. El primero es el cambio en la
permeabilidad de la ruta paracelular . El movimiento pasivo de solutos a
través de las tight junctions puede contribuir tanto al movimiento neto de un
soluto como a su recirculación. Si la permeabilidad del epitelio cambia, el
transporte neto del soluto puede ser regulado. Por ejemplo, la permeabilidad
paracelular a Na + en el túbulo proximal del riñón aumenta cuando hay un
incremento en el volumen extracelular. Esto contribuye a disminuir la
reabsorción de Na + , y por consiguiente la de agua, dado que aumenta la
recirculación del Na + reabsorbido de forma transcelular, que vuelve al lumen
del túbulo por la ruta paracelular.
Por último, la concentración luminal del soluto transportado es
fundamental para determinar la tasa de transporte transepitelial. Un ejemplo
importante es el de la reabsorción de glucosa en el túbulo proximal del riñón.
El proceso de reabsorción de glucosa hace que su concentración vaya
disminuyendo según se avanza a lo largo del túbulo, provocando una

12. disminución en la tasa de transporte. Si se aumenta la tasa de filtración
aumenta la concentración de glucosa en los segmentos del túbulo encargados
de su reabsorción y por tanto aumenta la tasa de dicha reabsorción.
5.- Cólera y fibrosis quística: el papel del canal de Cl - CFTR ( cystic
fibrosis conductance regulator ) en secreción; regulación de CFTR.
Consecuencias fisiológicas de la ausencia de CFTR. Consecuencias
fisiológicas de un exceso de función de CFTR.
CFTR ( C ystic F ibrosis T ransmembrane conductance R egulator ) es un
canal de Cl - activado por adenosín monofosfato cíclico (cAMP) presente en la
membrana apical de muchas células epiteliales. CFTR es una diana muy
importante de agentes neurohumorales que controlan la secreción de
electrolitos y fluido en distintos epitelios, incluyendo el del pulmón, conductos
del páncreas e intestino delgado (ver apartado 4 ). El clonaje de la secuencia
codificante de este canal se produjo a raíz de la identificación de mutaciones
en este gen como causantes de la fibrosis quística . CFTR es una
glicoproteína de membrana de 170 kDa que funciona como un canal de Cl -
de baja conductancia. CFTR posee dos dominios transmembrana, con seis
segmentos transmembrana cada uno, y dos dominios de unión a núcleotidos
(NBD1 y NBD2). La presencia de estos dominios de unión a núcleotidos hace
que CFTR se encuadre en la superfamilia de proteínas ABC ( A TP- b inding
c assette ). Hacia la mitad de la molécula se encuentra además un gran lazo
intracelular denominado dominio R (por R egulador). La regulación de la
actividad de CFTR como canal de Cl - se lleva a cabo fundamentalmente por
ATP. La activación de protein kinasa A debida a un aumento en los niveles
intracelulares de cAMP resulta en la fosforilación de distintos residuos del
dominio R de CFTR. La fosforilación inicial de algunos de estos residuos
provoca un cambio de conformación en el dominio NBD1 que lo hace
accesible a la unión de ATP y su consiguiente hidrólisis, lo que provoca una
breve apertura del canal. Si la fosforilación de residuos en el dominio R
prosigue, se produce un cambio conformacional en NBD2, haciéndolo
también accesible a ATP. La unión de una molécula de ATP a NBD2
estabiliza el canal en su forma abierta, haciendo que conduzca Cl - desde el
citoplasma hacia el lado luminal del epitelio. La hidrólisis del ATP en NBD2
hace que el canal se cierre, aunque la unión de una nueva molécula de ATP
provoca una nueva apertura. Para que CFTR vuelva a su estado de reposo es
necesario que los residuos del dominio R sean defosforilados, con el
consiguiente cambio de conformación de los dominios NBD, que vuelven a
ser inaccesibles a ATP.
La mayor parte de las mutaciones causantes de la fibrosis quística resultan
en la producción de moléculas de CFTR que adoptan estructuras
tridimensionales anormales tras ser sintetizadas en el retículo endoplásmico.
El sistema de control de calidad existente en el retículo endoplásmico
reconoce estas moléculas como defectuosas y hace que sean degradadas
por la ruta del proteasoma, en un proceso dependiente de ubiquitina. Por

13. tanto, las moléculas de CFTR mutante nunca llegan a la membrana
plasmática, eliminándose la conductancia apical de Cl - . Esto es
particularmente importante en el páncreas, donde la ausencia de la
conductancia apical de Cl - produce un déficit en la secreción de HCO 3 - y de
agua. El resultado es la producción de secreciones densas y ricas en
proteínas que llevan a la obstrucción de los conductos pancreáticos,
produciendo la acumulación de tejido fibrótico y graso que reemplaza al
parénquima del páncreas, produciendo la destrucción del órgano. El déficit en
la secreción de enzimas pancreáticas provoca una mala digestión de los
alimentos, con la consiguiente malnutrición. Actualmente los pacientes con
fibrosis quística reciben un tratamiento oral con enzimas que reemplazan la
función de las secretadas por el páncreas, solucionando en su mayor parte
los problemas nutricionales. Actualmente la causa de la elevada morbilidad y
mortalidad de la fibrosis quística es la progresión de la enfermedad pulmonar
asociada a la enfermedad. La destrucción del tejido pulmonar observada en
estos pacientes se debe a una tasa elevada de infecciones, acompañadas de
procesos inflamatorios. La relación mecanística entre la actividad deficiente
de CFTR y el aumento en los procesos infecciosos en el pulmón ha sido
objeto de intenso debate en este campo, con dos teorías que intentan explicar
la aparición de los síntomas. La primera, actualmente desacreditada por
muchos autores, propone que la deficiencia en CFTR provoca un desequilibrio
iónico en el fluido que recubre las vías aéreas (paradójicamente, produce un
aumento en la concentración de NaCl), lo que inactiva la acción bactericida de
moléculas secretadas por el propio epitelio, que forman parte de mecanismos
de inmunidad innata en el pulmón. La segunda teoría, que actualmente es
más aceptada, propone que el epitelio pulmonar es capaz de secretar fluido
en un proceso dependiente de CFTR y de reabsorberlo en un proceso
dependiente del canal epitelial de sodio (ENaC). La pérdida de la actividad
CFTR produce un desequilibrio entre la secreción y la reabsorción,
promoviendo esta última y provocando la deposición de una gruesa capa de
moco en la superficie del epitelio. Esta densa capa de moco inhibe la acción
de los cilios del epitelio para retirar cuerpos extraños de la superficie,
incrementando la tasa de infección bacteriana.
Las consecuencias patológicas de la situación contraria a la de la fibrosis
quística, esto es, de un aumento en la actividad de CFTR, están bien
ejemplificadas por una enfermedad infecciosa diarreica, el cólera . Esta
enfermedad está causada por una toxina secretada por la bacteria Vibrio
cholerae . Esta toxina es un oligómero de una subunidad A catalítica y cinco
subunidades B que posibilitan la entrada de la toxina en las células epiteliales
del intestino. Una vez dentro de las células, la subunidad A es procesada
proteolíticamente, produciendo un péptido activo (fragmento A1), que cataliza
la ribosilación con ADP de la proteína G a s , inhibiendo su actividad
guanosina trifosfatasa (GTPasa). Como consecuencia, la proteína G a s
permanece en un estado activo permanente, estimulando la producción de
cAMP por la adenilato ciclasa y por consiguiente la activación de CFTR. El
aumento en la conductancia de Cl - en la membrana apical de las células

14. epiteliales del intestino produce un aumento en la secreción de este ión y en
paralelo un aumento en la secreción de agua. Esto provoca lo que se conoce
como una diarrea secretora (opuesta a una diarrea osmótica como la causada
por la malabsorción de lactosa). Como la alteración causada por la toxina del
cólera no afecta a los procesos de transporte de nutrientes acoplados a Na + ,
el tratamiento más efectivo para estos pacientes es la administración de
soluciones de rehidratación orales con glucosa y Na + , revirtiendo la
deshidratación y la acidosis metabólica, que son las consecuencias
patológicas más importantes de la diarrea secretora.
6.- Desórdenes en la regulación de transportadores: el síndrome de
Liddle. Papel del canal epitelial de sodio (ENaC) en la reabsorción de Na
+ y secreción de K + en el túbulo colector renal. Regulación de la función
de las células principales del túbulo colector renal: papel de la
aldosterona. Consecuencias fisiológicas de un exceso de actividad de
ENaC
La mayor parte de la reabsorción renal del sodio filtrado en el glomérulo se
realiza en el túbulo proximal. Esta reabsorción es constitutiva y resulta
fundamental para el mantenimiento de la homeostasis. Por el contrario, la
reabsorción de sodio en el túbulo distal es cuantitativamente mucho menor,
pero de gran importancia para el ajuste de la excreción de sodio con respecto
a la ingesta en la dieta. En el túbulo distal el paso limitante de la reabsorción
de sodio lo constituye el canal epitelial de sodio ( E pithelial Na + C hannel,
ENaC), situado en la membrana apical de las células principales. A su vez, la
reabsorción de sodio se encuentra acoplada a la excreción de potasio en las
mismas células, ya que el transporte de este último ión a través del canal de
potasio ROMK ( R enal O uter M edulla K + channel ) depende del gradiente
eléctrico establecido en la membrana apical gracias al transporte de sodio.
Debido a la importancia fisiológica de ENaC, la actividad de este canal está
estrechamente regulada por multitud de estímulos, siendo el principal de ellos
la hormona mineralocorticoide aldosterona . La confirmación del papel
fundamental de ENaC en la homeostasis del sodio y por tanto en la regulación
del volumen extracelular proviene del descubrimiento de las bases genéticas
de una tubulopatía hereditaria muy poco frecuente en la población, el
Síndrome de Liddle . Este síndrome se caracteriza por una hipertensión
grave, un exceso de reabsorción de sodio y un exceso en la excreción de
potasio remediable por amiloride, un diurético que inhibe ENaC de forma
altamente específica. El estudio de una familia con Síndrome de Liddle
permitió la identificación de una mutación dominante en el extremo carboxilo
de la subunidad beta de ENaC que se asociaba a la aparición de la
enfermedad. Posteriormente, se identificaron otras mutaciones, casi todas
ellas en los extremos carboxilo de las subunidades beta y gamma. El estudio
funcional de las proteínas mutantes expresados en células en cultivo o en
ovocitos de Xenopus laevis demostró que los canales que se formaban
poseían un exceso de actividad de transporte de sodio. Esta actividad
aumentada se debe a que existe un mayor número de canales activos en la

15. membrana plasmática, ya que las mutaciones responsables del Síndrome de
Liddle bloquean la endocitosis de ENaC. Dado que la síntesis de canales y su
tráfico hasta la membrana son normales, el efecto de la mutación es producir
una acumulación excesiva de canales en la membrana. Esto a su vez genera
un exceso de reabsorción de sodio en los pacientes, que se acopla a un
exceso de retención de agua y por tanto un aumento en el volumen
extracelular, lo que provoca una hipertensión severa. La despolarización de la
membrana apical debido al exceso de actividad de ENaC (ver Fig. 1) genera
un gradiente electroquímico más favorable para la excreción de potasio,
provocando la característica hipopotasemia de los pacientes con Síndrome de
Liddle. El mecanismo molecular por el cual las mutaciones causantes de este
Síndrome provocan la disminución en la endocitosis del canal es aún objeto
de controversia. Las mutaciones afectan en general a una zona rica en
prolinas y tirosinas denomina dominio PY. Se ha demostrado que esta región
de la proteína es la responsable de la endocitosis del canal mediada por
clatrina. Varios autores han propuesto además que este dominio PY
constituye la unión de una proteína denominada Nedd4, una ligasa de
ubiquitina que en condiciones normales se uniría al canal produciendo su
ubiquitinación, que a su vez serviría como señal de endocitosis. Cuando el
dominio PY está mutado Nedd4 no lo reconoce y por tanto el canal no se
ubiquitina, estando ausente la señal necesaria para la endocitosis mediada
por clatrina.
Como se ha mencionado en el párrafo anterior, el principal regulador de la
actividad de ENaC es la hormona aldosterona. La aldosterona se sintetiza en
al zona glomerular de la glándula adrenal en respuesta a la angiotensina II,
producto de la activación del eje renina-angiotensia debida a una disminución
en el volumen circulante efectivo, y al aumento de los niveles de K + en
plasma. Una vez secretada la aldosterona llega a sus tejidos diana,
principalmente el epitelio del túbulo distal del riñón. Dada su naturaleza
esteroidea, la aldosterona difunde a través de la membrana plasmática y se
une al receptor de mineralocorticoides, un factor de transcripción de la
superfamilia de receptores de hormonas esteroideas y tiroideas. Se sabe
hace tiempo que este receptor, una vez activado, modula la expresión de
genes implicados en la reabsorción de sodio. Si bien se suponía que estos
genes podían ser directamente los que forman las subunidades de ENaC, tras
la identificación molecular de este canal se comprobó que la regulación no es
directa. Se propuso entonces que el receptor de mineralocorticoides modula
la expresión de otros genes que a su vez regulan la actividad de ENaC. La
búsqueda de estos genes ha sido intensa y se han propuesto algunos
candidatos, como la quinasa dependiente de suero y glucocorticoides (SGK).
No obstante, la importancia de estos genes para la acción de la aldosterona
in vivo sigue siendo objeto de debate.
7.- Desórdenes en el tráfico de transportadores: Diabetes insipidus
nefrogénica. Regulación del transporte de agua en el túbulo colector del
riñón: control fisiológico por vasopresina. Regulación del tráfico de

16. acuaporina 2 (AQP-2). Consecuencias fisiológicas de la ausencia de
actividad AQP-2.
Las células principales del túbulo distal del riñón poseen, además de la
reabsorción de sodio y la excreción de potasio, otra importante función, que
es la reabsorción de agua. Este transporte se realiza de forma transcelular
gracias a la actividad de la acuaporina 2 ( AQP-2 ) en la membrana apical de
las células principales y a la actividad de AQP-3 y AQP-4 en la membrana
basolateral. En condiciones normales las moléculas de AQP-2 permanecen
secuestradas en vesículas intracelulares. Es necesario un estímulo, que en
condiciones fisiológicas es principalmente la unión de la hormona vasopresina
a su receptor de tipo V2 (V2R) en las células principales, para que las
vesículas portadoras de AQP-2 se fusionen de forma selectiva a la membrana
apical y comiencen el transporte transcelular de agua. Existen mutaciones en
humanos asociadas a la aparición de diabetes insípida (no confundir con
diabetes mellitus , que es una enfermedad totalmente diferente) y que
producen un defecto en la actividad de AQP-2. La diabetes insípida es una
enfermedad poco común que puede ser neurogénica (debido a un fallo en la
secreción de vasopresina) o nefrogénica (respuesta inadecuada de los
riñones a la vasopresina circulante). La enfermedad se caracteriza por poliuria
(exceso de producción de orina) y polidipsia (consumo excesivo de agua), lo
que históricamente contribuyó a su clasificación conjunta con la diabetes
mellitus. Si la enfermedad no se controla adecuadamente, desemboca en una
hipernatremia muy acusada, hipotensión y shock. Los pacientes producen
gran cantidad de orina muy diluida debido a la baja actividad de AQP-2. Esto
puede ser originado por defectos en la síntesis de arginina-vasopresina (en el
caso de la diabetes insípida neurogénica ) o por defectos en la activación a
través de los receptores de vasopresina tipo V2 o en el tráfico de AQP-2 a la
membrana plasmática ( diabetes insípida nefrogénica ). La identificación y
caracterización molecular de las mutaciones recesivas de AQP-2 y V2R
responsables de la mayor parte de los casos de diabetes insípida nefrogénica
ha puesto de manifiesto que los aminoácidos afectados en general causan un
plegamiento defectuoso de estas proteínas y su retención en el retículo
endoplásmico. Algunas mutaciones permiten la salida de AQP-2 del retículo,
pero provocan su retención en el aparato de Golgi. Existe otro grupo de
mutaciones en AQP-2 que causan diabetes insípida de forma dominante.
Estas mutaciones afectan a sitios de fosforilación del canal implicados en el
control del tráfico del mismo a la membrana plasmática. Estos canales
mutantes son capaces de unirse a canales normales, impidiendo su tráfico
normal, lo que explicaría el carácter dominante de dichas mutaciones.
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