La concentración de metales alcalinos dentro de las levaduras probablemente no es homogénea y se presume que hay diferencias en las cantidades de sodio y potasio en el citosol y en los organelos individuales. Esta necesidad fisiológica de transportar metales alcalinos a través de las membranas de los organelos se une al mantenimiento de la homeostasis de potasio y desintoxicación de sodio del citosol, así como la regulación del pH y el volumen celular. El mecanismo antiporte que intercambia protones por potasio y/o sodio ha sido descrito para cuatro organelos de S. cerevisiae. Dos de los antiportadores involucrados comprenden Nhx1 (endosomal) y Kha1 (aparato de Golgi), que pertenecen a la familia de intercambiadores Na ⁺/ H ⁺, los cuales incluyen a Nha1 localizado en la membrana plasmática (Brett et al., 2005; Pribylova et al., 2006). En contraste, el antiportador vacuolar Vnx1 y el mitocondrial Mdm38 tienen estructuras diferentes. Las actividades de los antiportadores Nhx1, Kha1 y Vnx1 están estrechamente interconectadas con la función de ATPasa vacuolar tipo V, lo cual crea un gradiente de protones a través de las membranas de estos organelos (Ariño et al., 2010). También hay que mencionar a Vhc1, un simporte que media el cotransporte de cloro y potasio en la vacuola y es importante para la homeostasis de potasio y la tolerancia a sal. La mutación del gen VHC1 incrementa la sensibilidad a altas cantidades de potasio, altera la morfología vacuolar y disminuye la sobrevivencia frente a un choque hiperosmótico (Petrezsélyová et al., 2013).
3.1. Transporte de cationes a través de la membrana mitocondrial interna.
Aunque el intercambio de potasio y protones a través de la membrana mitocondrial fue predicho por Peter Mitchell (1961) y validado directamente por mediciones de protones y flujos de potasio en mitocondrias aisladas de muchos organismos, incluyendo levaduras, el número, naturaleza y estructura de los correspondientes transportadores en levaduras permanece sin aclarar (Ariño et al., 2010). El gen MDM38/MKH1/YOL027c, cuyo producto está localizado en la membrana mitocondrial interna., es indispensable para el intercambio K ⁺/H ⁺. Sin embargo, este gen probablemente no codifique el transportador por sí mismo, ya que su producto contiene solamente uno de los segmentos transmembranales hidrofóbicos. MDM38, el cual se encuentra bien conservado entre los eucariotas, fue aislado en una búsqueda de genes involucrados en la homeostasis de cationes en mitocondrias (Nowikovsky et al., 2004). Mitocondrias aisladas de mutantes de mdm38, muestran un muy reducido intercambio K⁺/H⁺, bajo potencial de membrana, alto contenido de potasio en la matriz e incremento
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del volumen (Froschauer et al., 2005). En caso de pérdida del antiportador K ⁺/ H ⁺, sobreviene el aumento de tamaño mitocondrial y la reducción del potencial de membrana, seguido por la fragmentación del reticulado mitocondrial (Nowikovsky et al., 2007). Todos estos datos confirman el papel importante del intercambio de potasio y protones en la fisiología de la mitocondria. Posteriormente otras dos proteínas, Mrs7 e Ydl183, con un papel en el intercambio K ⁺/ H ⁺ han sido identificadas y la existencia de un complejo responsable del transporte ha sido sugerido (Zotova et al., 2010).
3.2. Transporte vacuolar.
La vacuola es lugar donde las células secuestran el sodio tóxico y almacenan una parte sustancial del potasio intracelular. El intercambio de sodio y potasio por protones a través de la membrana vacuolar fue predicho hace mucho tiempo como el mecanismo de transporte para la acumulación de estos cationes en la vacuola. Su existencia ha sido confirmada en experimentos midiendo el flujo de cationes y protones con el uso de células permeabilizadas, electrodos selectivos y sondas fluorescentes (Hirata et al., 1995; Calahorra et al., 1998).
Por cerca de diez años, se creyó que Nhx1 era el principal antiportador involucrado en el transporte de sodio y litio a la vacuola, aunque su localización en las membranas endosomales y no en las membranas vacuolares ha sido observado (Nass y Rao., 1998). Se ha reportado un gen VNX1 que codifica para un antiportador de cationes metálicos alcalinos/H ⁺, el cual ha sido identificado y su producto caracterizado (Cagnac et al., 2007). La secuencia del gen VNX1 corresponde a un antiportador Ca 2⁺/H ⁺. Se ha observado que
Vnx1 se localiza en la membrana vacuolar y no media la captación de calcio, y tampoco no es indispensable para el intercambio vacuolar de sodio y potasio por protones (Cagnac et al., 2007). Además, del secuestro de cationes metálicos alcalinos en el lumen vacuolar, Vnx1 también probablemente juega un papel en la homeostasis citosólica de iones y la regulación del pH intracelular, similar a el caso de los antiportadores Nha1 y Nhx1.
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3.3. Transporte en aparato de Golgi y endosomas. 3.3.1. Transportador Kha1.
De los tres antiportadores Na ⁺/H ⁺, de levaduras, Kha1 ha sido el que más alto nivel de similaridad ha tenido con los antiportadores bacterianos de sodio o potasio/protón (Pribylova et al., 2006). Aunque por algún tiempo se creyó que era un transportador de la membrana plasmática, después se observó que se localiza en la membrana del aparato de Golgi. Similar a otros antiportadores intracelulares de cationes metálicos/H⁺, se cree que Kha1 está involucrado en la regulación del potasio intraorganelos y la homeostasis de pH (Flis et al., 2005).
La deleción de KHA1 resulta en un crecimiento defectuoso en medio con alto pH o conteniendo higromicina B. No hay evidencia directa con respecto a la especificidad de sustrato de Kha1, pero probablemente es el potasio; la incapacidad del mutante kha1 de crecer en pH alto puede ser suprimida mediante la adición de moderadas concentraciones de potasio (Maresova y Sychrová, 2005).
3.3.2. Antiportador Nhx1.
Nhx1 fue el primer antiportador intracelular descubierto y el mejor caracterizado. Fue identificado por la caracterización de fenotipos tolerantes a sodio del mutante H ⁺-ATPasa pma1-α4 y aunque hay reportes de su localización en la mitocondria, ha sido demostrado que está localizado en las membranas de los compartimentos prevacuolares, como los endosomas tardíos. El antiportador Nhx1 tiene múltiples funciones en las levaduras. Contribuye al secuestro del sodio y litio tóxico, y al del exceso de potasio en los endosomas y las vacuolas y está involucrado en el primer estado de adaptación de la célula a un choque hiperosmótico. Además, su actividad contribuye significativamente al mantenimiento de un pH intracelular estable. Un análisis mutacional de Nhx1 reveló una conexión directa entre su función en la regulación de la homeostasis de pH y el tráfico de vesículas (Nass y Rao, 1998; Bowers et al., 2000). La deleción del gen NHX1 resulta en un incremento de la sensibilidad a sal y pH bajo, junto con una caída del pH citosólico (Brett et al., 2005). La deleción del gen NHX1 en un fondo que carece de los transportadores de la membrana plasmática Nha1 y Ena1-4 provoca una extrema sensibilidad no sólo a sodio, sino también a potasio, litio y rubidio (Kinclova-Zimmermannova et al., 2004), lo cual sugiere una amplia especificidad de este antiportador. Su capacidad para transportar rubidio fue confirmada en un ensayo de transporte (Brett et al., 2005).
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Los antiportadores de los endosomas y el aparato de Golgi, Nhx1 y Kha1, respectivamente, es probable que tengan una función común; vale la pena señalar que aunque la deleción de ambos genes resulta en una disminución en la tolerancia a higromicina B, la sobreexpresión de Kha1 no suprime la sensibilidad a higromicina B de los mutantes nhx1 (Maresova y Sychrová, 2005). Por otra parte, la deleción de los dos genes afecta el crecimiento de las células a valores limitantes de pH externo y conduce a una sensibilidad a bajos (Nhx1) o altos (por la ausencia de Kha1) valores de pH externo. En definitiva, se ha sugerido que Nhx1 y Kha1, junto con la ATPasa vacuolar, estarían involucrados en el equilibrio de pH intraorganelos versus cationes metálicos alcalinos, lo cual influiría en el tráfico de vesículas entre los organelos de las rutas secretoras y endosomales (Ariño et al., 2010).