Aunque algunas moléculas pequeñas sin carga eléctrica pueden pasar a través de la membrana semipermeable, algunas moléculas grandes hidrofílicas también se difunden al otro lado de la membrana con el tiempo suficientemente largo, pero la tasa lenta es claramente incapaz de satisfacer el metabolismo activo. Hay algunas proteínas de transporte en la membrana plasmática y en el sistema endomembranoso para acelerar el proceso de traslado. No obstante, esto aún pertenece al transporte pasivo que no consume energía. Sigue las mismas reglas que la difusión simple y la ósmosis: cuanto mayor es la diferencia de concentración, más rápida es la tasa de paso.
Proteína de canal
Canal iónico
La mayor diferencia entre las proteínas de canal y las proteínas transportadoras es que los sustratos solo se unen al canal brevemente y de manera ligera, por lo que la conformación no cambia significativamente. Las proteínas de canal son significativamente más eficientes que las proteínas transportadoras, permitiendo que 10⁷~10⁸ iones pasen por segundo.
Su región central es un corredor hidrofílico que abarca la membrana. Se cree que la interacción breve entre los iones y el corredor hidrofílico es la clave para la selección. En la entrada, los residuos de aminoácidos atraen electrostáticamente a los iones para que descarten sus capas de moléculas de agua. Cuando la capa de hidratación desaparece, los iones interactúan precisamente con el estrecho corredor. La fuerza que los empuja hacia adelante no es solo la fuerza química (diferencia de concentración), sino también la fuerza eléctrica, porque los iones distribuidos de manera desigual tienen tanto gradientes de concentración como campos eléctricos en el entorno. Esta combinación se llama potencial electroquímico. El canal iónico ciertamente no puede acomodar partículas demasiado grandes, y las partículas demasiado pequeñas no pueden colarse debido a la falla de deshidratación. Los residuos de aminoácidos cargados también bloquearán los iones con la misma carga. Cada tipo de proteína está diseñada para reconocer solo una sustancia o un grupo de sustancias muy similares, por lo que hay varios tipos de canales iónicos en la membrana.
Los canales iónicos serían inútiles para regular las actividades vitales si estuvieran abiertos permanentemente. En la entrada, hay una puerta de apertura selectiva para controlar el flujo. Estas puertas se abren o cierran en respuesta a un estímulo, voltaje o ligandos. Las puertas controladas por voltaje son las más comunes en las células nerviosas. La diferencia de voltaje abre la puerta y una corriente de iones de sodio entra en la célula para generar corriente eléctrica biológica. La transmisión de señales también está relacionada con las puertas controladas por ligandos. En la sinapsis, el neurotransmisor se une a los canales de iones de sodio en la siguiente célula nerviosa y los abre para transmitir la señal eléctrica. Los canales iónicos controlados mecánicamente son raros. Los cambios en la presión o tensión de la membrana desencadenan la apertura o el cierre de la puerta. Desempeñan funciones en el tacto, la audición y el equilibrio.
Acuaporina
El setenta por ciento de los componentes de los organismos vivos es agua. Cada célula consume mucha agua en sus actividades vitales. Por lo tanto, necesitan una proteína de canal más eficiente para transportar específicamente las moléculas de agua. Las acuaporinas están ampliamente presentes en las células animales y vegetales. No tienen puertas para restringir el flujo, por lo que permanecen abiertas permanentemente. Son más eficientes que los canales iónicos, y 3x10⁹ moléculas de agua pasan a través de ellas por segundo. Las moléculas de agua individuales se unen al canal mediante enlaces de hidrógeno para reorientarse y pasar rápidamente. Otros iones unidos al agua, incluso el H₃O⁺, no pueden pasar. Las acuaporinas desempeñan un papel importante en los riñones, que reabsorben 180 litros de agua para concentrar la orina a 1 litro diario. De lo contrario, necesitarías reponer la misma cantidad de agua todos los días.
Proteína transportadora
Debido a que las proteínas de canal pueden ser demasiado estrechas para algunas moléculas, dependen de las proteínas transportadoras para cruzar la membrana celular. La principal diferencia entre las proteínas transportadoras y los canales iónicos es que se unen más firmemente a su carga y desencadenan cambios de forma evidentes. Su eficiencia de transporte es significativamente menor que la de los canales iónicos, y solo unas pocas cientos o miles de moléculas penetran por segundo.
Casi todas las células tienen transportadores de glucosa que consisten en múltiples dominios transmembrana y alternan entre al menos dos conformaciones diferentes. Por ejemplo, cuando los niveles de azúcar en la sangre aumentan después de una comida, los sitios de unión se exponen al entorno extracelular para capturar glucosa. Luego, cambian de forma para liberar glucosa en el citoplasma. Los transportadores de glucosa son una proteína de transporte bidireccional. Cuando los niveles de azúcar en la sangre son bajos, la descomposición del glucógeno crea más glucosa dentro de las células hepáticas, por lo que el sitio de unión aparece en el citoplasma. Esta vez, transportan la glucosa del citoplasma al entorno extracelular.
Otras proteínas transportadoras funcionan de manera similar a los transportadores de glucosa, pero algunas no son bidireccionales. La fuerza impulsora para el movimiento del sustrato sigue siendo el gradiente de concentración. Aunque la difusión de alta concentración a baja concentración no consume energía celular, el proceso es altamente selectivo. Por ejemplo, los transportadores de glucosa solo se unen a la D-glucosa, no a su isómero L-glucosa, y mucho menos a otras sustancias como aminoácidos o sacarosa.