Bomba de sodio potasio

Qué es la bomba de sodio-potasio

Se trata de una bomba iónica de tipo P, es decir, una ATPasa que se autofosforila durante el ciclo de transporte: el grupo fosfato del ATP se transfiere transitoriamente a un residuo de aspartato de la subunidad catalítica, lo que provoca un cambio de forma en la proteína y permite la translocación de los iones. La denominación formal en nomenclatura enzimática es Na⁺/K⁺-ATPasa, aunque en la literatura en español se emplea con frecuencia la forma abreviada «bomba de sodio-potasio» o, simplemente, «bomba Na/K».

Su descubrimiento fue un accidente afortunado. En 1957, el biofísico danés Jens Christian Skou (1918-2018) investigaba en la Universidad de Aarhus cómo actúan los anestésicos locales sobre los nervios periféricos del cangrejo Carcinus maenas. Al aislar membranas nerviosas y medir la actividad ATPasa en presencia de distintas concentraciones de sodio y potasio, observó que la enzima respondía de forma muy selectiva a la proporción de ambos cationes. No buscaba la bomba; buscaba otra cosa. La Real Academia de Ciencias de Suecia reconoció aquel hallazgo en 1997 con el Premio Nobel de Química.

Estructura molecular

La proteína funcional es un tetrámero α₂β₂. Cada subunidad α, de unos 110 kDa, contiene diez segmentos transmembrana y alberga los sitios de unión para el ATP (en la cara citosólica), para los tres iones Na⁺ (accesibles desde el interior celular) y para los dos K⁺ (accesibles desde el exterior). La subunidad β, muy glicosilada y de unos 55 kDa, no participa directamente en el transporte, pero estabiliza la conformación de la subunidad α y facilita su inserción correcta en la membrana.

En mamíferos se han descrito tres isoformas de la subunidad α (α1, α2 y α3) y tres de la β (β1, β2 y β3), con distribución tisular diferente. Las neuronas expresan preferentemente α3 y β2; las células gliales, α2 y β1. Esta diversidad no es trivial: las isoformas difieren en su afinidad por el sodio y en su sensibilidad a ciertos inhibidores, lo que tiene consecuencias funcionales en cada tejido.

Ciclo catalítico y estequiometría

Cada ciclo completo de la bomba puede resumirse en cuatro fases. Primero, tres iones Na⁺ se unen a la enzima desde el citoplasma. A continuación, el ATP cede su grupo fosfato terminal al residuo de aspartato, lo que desencadena un cambio conformacional que abre los sitios de unión hacia el espacio extracelular y libera los tres Na⁺. En esa nueva conformación, dos iones K⁺ del medio extracelular ocupan los sitios de unión correspondientes. Finalmente, el fosfato se hidroliza, la proteína recupera su conformación inicial y los dos K⁺ se liberan en el citoplasma.

Hay un detalle importante en esa estequiometría 3:2. Al sacar tres cargas positivas e introducir solo dos, cada ciclo genera una corriente neta de una carga positiva hacia fuera. La bomba es, por tanto, electrogénica: contribuye directamente al potencial de membrana negativo del interior celular, aunque su contribución directa al voltaje es pequeña (unos pocos milivoltios) comparada con la que producen indirectamente los gradientes de difusión de K⁺ y Na⁺ a través de los canales.

Coste metabólico

Mantener los gradientes iónicos no sale gratis. Se estima que la Na⁺/K⁺-ATPasa consume entre el 20 % y el 40 % del ATP total que produce una célula en reposo, y esa proporción puede elevarse notablemente en tejidos con alta actividad eléctrica. En el riñón, donde los túbulos reabsorben grandes cantidades de sodio filtrado, la bomba es la principal consumidora de oxígeno. El cerebro, que representa apenas el 2 % del peso corporal, utiliza cerca del 20 % del gasto energético basal, y buena parte de ese consumo se destina a restaurar los gradientes iónicos tras la actividad sináptica.

Funciones fisiológicas

El gradiente de sodio creado por la bomba no solo establece el potencial de reposo de la célula. Sirve también como reserva de energía que otras proteínas de membrana aprovechan para transportar sustancias sin gastar ATP directamente. Así, el cotransportador Na⁺-glucosa del epitelio intestinal utiliza la entrada pasiva de sodio (a favor de gradiente) para arrastrar glucosa al interior de la célula, un mecanismo llamado transporte activo secundario.

Otra función menos intuitiva es la regulación del volumen celular. Sin la bomba, el sodio se acumularía en el citoplasma, arrastrando agua por ósmosis, y la célula se hincharía hasta lisarse. En los eritrocitos, que carecen de mitocondrias y producen ATP exclusivamente por glucólisis, la actividad de esta bomba es lo que impide el edema celular.

Preguntas frecuentes

¿Por qué se descubrió la bomba de sodio-potasio en nervios de cangrejo?

Skou no eligió el cangrejo por la bomba, sino porque investigaba anestésicos locales y necesitaba nervios periféricos fáciles de aislar. La membrana del nervio del Carcinus maenas resultó ser un buen modelo experimental. El hallazgo de la ATPasa estimulada por sodio y potasio fue un resultado colateral de aquel estudio, publicado en Biochimica et Biophysica Acta en 1957.

¿Cuántas bombas de sodio-potasio tiene una célula?

Varía mucho. Una neurona típica puede tener del orden de un millón de copias de la Na⁺/K⁺-ATPasa distribuidas por su membrana plasmática. Una célula epitelial renal del túbulo proximal tiene concentraciones muy elevadas en su membrana basolateral, porque allí es donde se realiza el grueso de la reabsorción de sodio.

¿Es lo mismo la bomba de sodio-potasio que una bomba iónica?

No exactamente. «Bomba iónica» es un término genérico que engloba todas las ATPasas de transporte de iones: la de sodio-potasio, la de calcio, la de protones y otras. La bomba de sodio-potasio es la más estudiada y probablemente la más ubicua, pero no la única.

¿Qué relación tiene con los digitálicos?

Los glucósidos cardíacos (digoxina, digitoxina, ouabaína) inhiben parcialmente la Na⁺/K⁺-ATPasa al unirse a la cara extracelular de la subunidad α. Al frenar la bomba, se acumula sodio intracelular, lo que a su vez reduce la actividad del intercambiador Na⁺/Ca²⁺ y eleva el calcio citosólico. Ese aumento del calcio es lo que potencia la fuerza de contracción del miocardio.

Referencias

1. Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU. Equilibrio hidroelectrolítico. MedlinePlus en español.
2. Skou JC. The influence of some cations on an adenosine triphosphatase from peripheral nerves. Biochim Biophys Acta. 1957;23(2):394-401. Referencia histórica del descubrimiento.
3. Fundación Nobel. Jens Christian Skou. Premio Nobel de Química 1997.
4. Facultad de Medicina, Universidad Nacional Autónoma de México. Mecanismos de transporte a través de la membrana celular. Departamento de Fisiología.