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1. Transporte Celular. El transporte celular es el intercambio de sustancias entre el interior celular y el exterior a través de la membrana celular o el movimiento de moléculas dentro de la célula. En biología celular, se denomina transporte de membrana, transporte celular o transporte transmembranal al conjunto de mecanismos que regulan el paso de solutos, iones y pequeñas moléculas, a través de membranas plasmáticas. La célula necesita expulsar de su interior los desechos del metabolismo y adquirir nutrientes del líquido extracelular, gracias a la capacidad de la membrana celular que permite el paso o salida de manera selectiva de algunas sustancias. Termodinámicamente, el flujo de sustancias de un compartimento a otro puede realizarse a favor o en contra de un gradiente, ya sea de concentración, o electroquímico. Si el intercambio de sustancias se realiza a favor del gradiente, esto es, en el sentido de los potenciales decrecientes, el requerimiento de energía externo al sistema es nulo; si, en cambio, el transporte se hace en contra del gradiente, se requiere el aporte de energía, energía metabólica Las membranas celulares están compuestas principalmente por una bicapa lipídica que dificulta el paso de cierto tipo de sustancias. Esta función de barrera permite que la célula mantenga las concentraciones de solutos en el citosol diferente del entorno extracelular o de los compartimentos intracelulares. 2. Membrana celular. La membrana citoplasmática o membrana celular es la que rodea a la célula y la protege del mundo exterior, consiste en una bicapa de fosfolípidos que rodea a la célula. Representa el límite entre el medio extracelular y el intracelular. En las células vegetales, se sitúa bajo otra capa, denominada pared celular. La membrana citoplasmática está compuesta por proteínas, lípidos e hidratos de carbono. La membrana plasmática tiene un grosor de unos 75 Å (angstrom), vista al microscopio electrónico presenta entre dos capas oscuras una central más clara. Los lípidos suponen aproximadamente el 50 % de la composición de la membrana plasmática en una gran mayoría de los seres vivos. Los más importantes son los fosfolípidos, que se encuentran en todas las células, le siguen los glucolípidos, así como esteroides. Estos últimos no existen o son escasísimos en las membranas plasmáticas de las células procariotas. Las proteínas de la membrana plasmática realizan funciones específicas (transporte, comunicación, uniones con otras células, etc.). Se puede realizar una primera clasificación con relación a los lípidos en: 2.1. Proteínas integrales: Unidas a los lípidos íntimamente, suelen atravesar la bicapa lipídica una o varias veces
2.2. Proteínas periféricas: A un lado u otro de la bicapa lipídica, están unidas débilmente por enlaces de hidrógeno a las cabezas polares de los lípidos de la membrana. Es evidente que la membrana plasmática es la entrada y salida de todo tipo de moléculas, tanto desechos hacia el exterior, como la aportación de material plástico y energético a la célula. Este paso a través de la membrana plasmática se realiza de dos formas, con pérdida energética (con un trabajo para la célula) o sin ella.
3. Estructura de la membrana celular. El grosor de la membrana es 7.5 a 10 nanómetros (nm) = 10-9m. No es visible en el microscopio de luz. La membrana se compone, casi completamente, de lípidos y proteínas, adicionalmente presenta colesterol y azúcares. 4. Los componentes de la membrana plasmática Componente Ubicación Fosfolípidos Estructura principal de la membrana Colesterol Incrustado entre las colas hidrofóbicas de los fosfolípidos de la membrana Proteínas integrales Incrustadas en la bicapa de fosfolípidos; pueden o no extenderse a través de ambas capas Proteínas periféricas En la superficie interna o externa de la bicapa de fosfolípidos pero no incrustadas en su interior hidrofóbico Carbohidratos Unidos a proteínas o lípidos en la superficie extracelular de la membrana (formando glicoproteínas y glicolípidos) 5. Funciones de la membrana Plasmática. La membrana plasmática tiene una serie distinta de funciones, tales como 5.1. Delimitar la célula ; definir y proteger la célula de su entorno, separando el afuera del adentro y una célula de otra (en el caso de los tejidos celulares). Es la primera barrera de defensa en caso de agentes invasores, como los virus. 5.2. Administración de nutrientes: la selectividad de la membrana da paso a sustancias deseadas y lo niega a las indeseadas, sirviendo de filtro y de transporte entre el afuera y el adentro, ya que también permite desechar toxinas y desechos metabólicos (como el CO2).
6.4. Difusión facilitada: transporte celular donde es necesaria la presencia de un carrier o transportador (proteína integral) para que las sustancias atraviesen la membrana. Sucede porque las moléculas son más grandes o insolubles en los lípidos de la membrana y necesitan ser transportadas con ayuda de esas proteínas integrales.
7. Ósmosis La ósmosis es un tipo de transporte pasivo en el cual solo las moléculas de agua son transportadas a través de la membrana. El movimiento se realiza a favor de la gradiente, esto es desde el medio de mayor concentración de soluto hacia el de menor concentración de soluto, con ello permite equilibrar las concentraciones del soluto de los medios separados por la membrana celular. La función de la ósmosis es mantener hidratada a la célula, dicho proceso no requiere del gasto de energía (ATP). El fenómeno de la ósmosis se puede observar en todas las células, tanto animales como vegetales, cuando son sometidas a distintos tipos de soluciones, o medios: 7.1. Ósmosis En Una Célula Animal Comportamiento de células animales ante distintas presiones osmóticas En un medio isotónico , tanto la entrada como salida de agua es constante, es decir, existe un equilibrio dinámico. En un medio hipotónico , desaparece el equilibrio dinámico por tanto la entrada de agua es superior a la salida, en consecuencia, la célula absorbe el agua hasta reventarse, fenómeno conocido como citólisis. En un medio hipertónico , al contrario la salida de agua es superior a la entrada de agua por lo tanto la célula se deshidrata perdiendo su contenido hasta arrugarse y morir, este fenómeno es conocido como crenación. 7.2. Ósmosis en una célula vegetal Comportamiento de célula vegetal ante distintas presiones osmóticas Además de que la ósmosis es una célula animal también se encuentra como célula vegetal: En un medio hipertónico , la célula elimina agua y el volumen de la vacuola disminuye progresivamente, produciendo que la membrana plasmática se despegue de la pared celular, ocurriendo la plasmólisis En un medio isotónico , existe un equilibrio dinámico. En un medio hipotónico , la célula toma agua y sus vacuolas se llenan aumentando la presión de turgencia, dando lugar a la turgencia. 8. Difusión simple
La difusión simple se lleva a cabo cuando el movimiento de sustancias en la célula iguala las concentraciones de un medio determinado. Este tipo de transporte se realiza de manera espontánea, principalmente con gases como el nitrógeno, dióxido de carbono, oxígeno y moléculas sin carga como el etanol y la urea, los cuales pueden entrar y salir libremente según la concentración del medio donde la sustancia se encuentre. Una característica importante es que el transporte se da sin gasto de energía, a favor del gradiente de concentración.7 No requiere de la intervención de proteínas de membrana, pero sí de las características de la sustancia a transportar y de la naturaleza de la bicapa. Para el caso de una membrana fosfolipídica pura, la velocidad de difusión de una sustancia depende de su: Gradiente de concentración, hidrofobicidad, Tamaño, Carga, si la molécula posee carga neta. Estos factores afectan de diversa manera a la velocidad de difusión pasiva: A mayor gradiente de concentración, mayor velocidad de difusión, A mayor hidrofobicidad, esto es, mayor coeficiente de partición, mayor solubilidad en lípido y por tanto mayor velocidad de difusión, A mayor tamaño, menor velocidad de difusión, Dado un potencial de membrana, es decir, la diferencia de potencial entre la cara exoplasmática y la endoplasmática de la membrana, y un gradiente de concentración se define un gradiente electroquímico que determina las direcciones de transporte energéticamente favorables de una molécula cargada, dependiendo de la naturaleza de esta y del signo del potencial, si bien la mayor parte de las células animales poseen carga negativa en su exterior.
9. Difusión facilitada. Es el proceso en la cual ciertas sustancias logran atravesar la membrana gracias a la acción de una de una proteína transportadora que se encuentran anclada en la membrana celular, y debido a que este proceso se produce a favor de un gradiente de concentración no hay gasto de energía. Es el movimiento de moléculas más grandes que no pueden pasar a través de la membrana plasmática y necesita ayuda de una proteína u otros mecanismos (exocitosis) para pasar al otro lado. También se llama difusión mediada por portador porque la sustancia transportada de esta manera no suele poder atravesar la membrana sin una proteína portadora específica que le ayude. Se diferencia de la difusión simple a través de conductos en que mientras que la magnitud de difusión de la difusión simple se incrementa de manera proporcional con la concentración de la sustancia que se difunde, en la difusión facilitada la magnitud de difusión se aproxima a un máximo (Vmax), al aumentar la concentración de la sustancia.
al compuesto objetivo ha requerido de la hidrólisis de ATP en su generación mediante unos determinados tipos de proteínas denominados bombas.
11. Transportadores. El transporte activo de moléculas a través de la membrana celular se realiza en dirección ascendente o en contra de un gradiente de concentración (Gradiente químico) o en contra un gradiente eléctrico de presión (gradiente electro-químico), es decir, es el paso de sustancias desde un medio poco concentrado a un medio muy concentrado. Para desplazar estas sustancias contra corriente es necesario el aporte de energía procedente del ATP. Las proteínas portadoras del transporte activo poseen actividad ATPasa, que significa que pueden escindir el ATP (Adenosin Tri Fosfato) para formar ADP (dos Fosfatos) o AMP (un Fosfato) con liberación de energía de los enlaces fosfato de alta energía. Comúnmente, según la direccionalidad se observan tres tipos de transportadores: 11.1. Uniportadores: son proteínas que transportan una molécula en un solo sentido a través de la membrana. 11.2. Antiportadores: incluyen proteínas que transportan una sustancia en un sentido mientras que simultáneamente transportan otra en sentido opuesto. 11.3. Simportadores: son proteínas que transportan una sustancia junto con otra, frecuentemente un protón (H+). 12. Transporte activo primario : Bomba de sodio y potasio o Bomba Na+/K+ Se encuentra en todas las células del organismo, en cada ciclo consume una molécula de ATP y es la encargada de transportar dos iones de potasio que logran ingresar a la célula, al mismo tiempo bombea tres iones de sodio desde el interior hacia el exterior de la célula (exoplasma), ya que químicamente tanto el sodio como el potasio poseen cargas positivas.15 El resultado es ingreso de dos iones de potasio (ingreso de dos cargas positivas) y regreso de tres iones de sodio (regreso de tres cargas positivas), esto da como resultado una pérdida de la electropositividad interna de la célula, lo que convierte a su medio interno en un medio "electronegativo con respecto al medio extra celular". En caso particular de las neuronas en estado de reposo esta diferencia de cargas a ambos lados de la membrana se llama potencial de membrana o de reposo-descanso. Participa activamente en el impulso nervioso, ya que a través de ella se vuelve al estado de reposo natural. 13. Transporte activo secundario o cotransporte Es el transporte de sustancias que normalmente no atraviesan la membrana celular tales como los aminoácidos y la glucosa, cuya energía requerida para el transporte deriva
del gradiente de concentración de los iones sodio de la membrana celular (Bomba Glucosa/Sodio ATPasa). Bomba de calcio: Es una proteína de la membrana celular de todas las células eucariotas. Su función consiste en transportar calcio iónico (Ca2+) hacia el exterior de la célula, gracias a la energía proporcionada por la hidrólisis de ATP, con la finalidad de mantener la baja concentración de Ca2+ en el citoplasma que es unas diez mil veces menor que en el medio externo, necesaria para el normal funcionamiento celular.
14. Selectividad de membrana Puesto que la característica primordial del transporte a través de una membrana biológica es la selectividad de esta y su subsiguiente actuación como barrera específica para determinadas sustancias, la fisiología subyacente de este fenómeno ha sido estudiada profusamente. Clásicamente se ha dividido el estudio de esta propiedad en lo referente a electrolitos y a no electrolitos. 15. Selectividad para electrolitos Los canales iónicos definen un diámetro interno que permite el paso de pequeños iones de forma más o menos específica. Puesto que el tamaño del ion está relacionado con la especie química, se podría asumir a priori que un canal cuyo diámetro de poro fuera suficiente para el paso de un ion permitiría asimismo el trasiego de otros de menor tamaño, cosa que no sucede en la mayoría de los casos. Existen dos características ajenas al tamaño que son importantes en la determinación de la selectividad de los poros de la membrana: la facilidad de deshidratación e interacción con las cargas del interior del poro. Para que un ion penetre en el poro, debe disociarse de las moléculas de agua que lo recubren en sucesivas capas de solvatación. La tendencia a deshidratarse, o la facilidad para hacerlo, está relacionada con el tamaño del ion: los iones grandes lo hacen con más facilidad que los pequeños, por lo que un poro con centros polares débiles admitirá preferentemente iones grandes, antes que pequeños. 16. Selectividad para no electrolitos Los no electrolitos, sustancias que generalmente son hidrofóbicas y lipofílicas, suelen atravesar la membrana por disolución en la bicapa lipídica y, por tanto, mediante difusión simple. La facilidad para difundir en este caso es dependiente del coeficiente de partición K, por lo general, si bien existen algunos no electrolitos que atraviesan la membrana por transporte mediado por un transportador. En el caso de que el no electrolito esté parcialmente cargado, es decir, sea más o menos polar, como es el caso del etanol, metanol o urea, se permite el paso a través de la membrana mediante canales acuosos inmersos en la membrana. Es interesante recalcar que no existe un mecanismo de regulación efectivo que establezca barreras a este transporte, lo
será luego recuperado por endocitosis para ser reutilizado. Sin este proceso, se produciría un fracaso en la transmisión del impulso nervioso entre neuronas.
