2 ¿CÓMO PASAN LAS SUSTANCIAS POR LAS MEMBRANAS?
¿Cómo pasan las sustancias por las membranas?
Las moléculas de los fluidos se mueven en respuesta a gradientes
Las sustancias atraviesan las membranas por difusión en la bicapa de fosfolípidos o pasan por proteínas de transporte especializado. Para entender mejor este fenómeno se requieren definiciones y conocimientos previos. Como la membrana plasmática separa el medio acuoso citoplasmático del extracelular, se iniciará el estudio del transporte en las membranas con un análisis de las características de los fluidos, empezando con algunas definiciones:
• Un fluido es toda sustancia cuyas moléculas pueden deslizarse unas en otras; como resultado, los fluidos no tienen forma propia. Son fluidos los gases, los líquidos y también las membranas celulares, cuyas moléculas pueden deslizarse unas sobre otras.
• Un soluto es una sustancia que puede disolverse (dispersarse en átomos, moléculas o iones individuales) en un disolvente, que es un fluido (normalmente un líquido) capaz de disolver el soluto. El agua, en la que ocurren todos los procesos biológicos, disuelve tantos solutos que es llamada “el disolvente universal”.
• La concentración de una sustancia define la cantidad de soluto en una cantidad dada del disolvente. Por ejemplo, la concentración de la solución de azúcar es una medida del número de moléculas de azúcar contenidas en un volumen dado de la solución.
• Un gradiente es una diferencia física en propiedades como la temperatura, presión, carga eléctrica o concentración de una sustancia en un fluido entre dos espacios contiguos. Se requiere energía para formar gradientes. Con el tiempo, los gradientes se disuelven, salvo que se aporte energía para conservarlos o los separe una barrera eficaz. Por ejemplo, los gradientes de temperatura causan un flujo de energía de la región de temperatura alta a la región de menor temperatura. Los gradientes eléctricos pueden impulsar el movimiento de iones. Los gradientes de concentración o presión hacen que se muevan iones o mo léculas de una región a otra en el sentido en que se equilibra la diferencia. Las células utilizan energía y las propiedades únicas de la membrana para generar gradientes de concentración de varias moléculas y iones disueltos en su citosol en relación con el entorno acuoso.
El movimiento a través de las membranas ocurre por transporte pasivo y activo
Los gradientes de iones y moléculas por la membrana celular son cruciales para la vida; una célula sin gradientes está muerta. Las proteínas de las membranas celulares gastan energía para crear y mante ner estos gradientes de concentración porque muchos de los procesos bioquímicos de la vida dependen de ellos. Por ejemplo, las neuronas dependen del flujo de iones específicos por su gradiente de concentración para producir las señales eléctricas que fundan la sensación y el movimiento. Se dice que las membranas plasmáticas son selectivamente permeables porque sólo permiten que pasen (que permeen) ciertos iones o moléculas. La permeabilidad selectiva de la membrana plasmática crea una barrera que ayuda a mantener los gradientes que caracterizan a todas las células.
En su función de guardiana de la célula, la membrana plasmática favorece el movimiento de las sustancias de dos formas: transporte pasivo y transporte que requiere de energía. El transporte pasivo consiste en la difusión de las sustancias a través la membrana celular de un medio de mayor a uno de menor concentración, mientras que en el transporte que requiere energía, la célula consume energía para que entren y salgan las sustancias.
El transporte pasivo es por difusión simple, difusión facilitada y ósmosis
La difusión se produce en un fluido o a través de una membrana que es permeable a la sustancia y que separa dos compartimentos del fluido. Muchas moléculas cruzan la membrana plasmática por difusión, impulsadas por diferencias de concentración entre el citoplasma y el fluido extracelular.
Algunas moléculas atraviesan las membranas por difusión simple
Las moléculas muy pequeñas sin carga neta, como las de agua, oxígeno y dióxido de carbono (lo mismo que moléculas liposolubles, como el alcohol, las vitaminas A, D y E, y las hormonas esteroides) se difunden a través de la bicapa de fosfolípidos por sus gradientes de concentración. Este proceso se llama difusión simple.
Algunas moléculas atraviesan las membranas por difusión facilitada, mediante proteínas de transporte
Muchas sustancias no pueden difundirse solas por la bicapa lipídica. Entre éstas se encuentran los iones (como K, Na, Cl y Ca2), que forman enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua. Estas moléculas retienen a los iones, ya sea dentro o fuera de la célula. Moléculas como los monosacáridos (azúcares simples) son polares y también forman enlaces de hidrógeno con el agua; así su atracción al agua y su tamaño inhibe su paso a la bicapa. Estos iones y moléculas sólo pueden difundirse a través de las membranas con la ayuda de proteínas de transporte específicas: proteínas de canal o proteínas portadoras. El movimiento a través la membrana celular por gradiente de concentración y con la ayuda de proteínas de transporte se llama difusión facilitada.
La ósmosis es el movimiento de agua a través de una membrana selectivamente permeable en respuesta a gradientes de concentración, presión o temperatura. Aquí vamos a centrarnos en la ósmosis de una región de mayor concentración de agua a una de menor concentración. La ósmosis puede ocurrir directamente a través de la bicapa de fosfolípidos o (más deprisa) por canales de acuaporina compuestos de proteínas que se extienden sobre la membrana.
La ósmosis por la membrana plasmática cumple una función importante en la vida de las células
Normalmente, el fluido extracelular de los animales es isotónico con el líquido citoplasmático de sus células, así que no hay ninguna tendencia a que el agua salga o entre. Aunque las concentraciones de solutos específicos casi nunca son los mismos dentro y fuera de las células, la concentración total de todas las partículas disueltas es igual; por tanto, la concentración de agua es igual dentro y fuera de las células.
El transporte que requiere energía es transporte activo, endocitosis y exocitosis
Sin gradientes de concentración en las membranas, una célula muere. Al formar gradientes y, en ciertas circunstancias, dejar que desaparezcan, las células regulan sus reacciones bioquímicas, responden a los estímulos externos y obtienen energía química. Las señales eléctricas de las neuronas, la contracción de los músculos y la generación de ATP en mitocondrias y cloroplastos dependen de los gradientes de concentración de los iones. Pero los gradientes no se forman de manera espontánea, sino que requieren el transporte activo a través de la membrana.
El transporte activo utiliza energía para mover moléculas contra su gradiente de concentración
En el transporte activo, las proteínas de membrana utilizan energía celular para mover moléculas o iones por la membrana celular, en contra de su gradiente de concentración. Todas las células necesitan trasladar materiales “corriente arriba”, en contra de su gradiente de concentración. Por ejemplo, toda célula requiere nutrimentos que están menos concentrados en el entorno que en el citoplasma de la célula. Otras sustancias, como los iones de sodio y calcio, se mantienen en concentraciones mucho menores dentro de la célula que en el fluido extracelular. Las células nerviosas mantienen gradientes de concentración de iones grandes porque sus señales eléctricas requieren un flujo rápido y pasivo de los iones cuando los canales se abren. Cuando estos iones se difunden dentro (o fuera) de la célula, sus gradientes de concentración deben reconstituirse por transporte activo.
La célula engloba partículas o líquidos por endocitosis
Una célula puede necesitar materiales de su entorno extracelular que son demasiado grandes para pasarlos por la membrana. Entonces, la membrana plasmática los engloba en vesículas que transporta dentro de la célula. Este proceso que requiere energía se llama endocitosis (en griego significa “dentro de la célula”). Aquí vamos a describir tres formas de endocitosis basadas en el tamaño y tipo del material adquirido y del método de adquisición: pinocitosis, endocitosis mediada por receptor y fagocitosis.
La exocitosis expulsa material de la célula
Las células también usan energía para desechar las partículas que no se digirieron o para secretar sustancias, como hormonas, al fluido extracelular por medio de exocitosis (término griego que significa “fuera de la célula”. En la exocitosis, una vesícula rodeada de membrana y que lleva el material que se va a expulsar pasa a la superficie de la célula, donde la membrana de la vesícula se fusiona con la membrana plasmática. La vesícula se abre al líquido extracelular para que su contenido se difunda por el fluido fuera de la célula.
El intercambio de materiales por las membranas influye en el tamaño y la forma de la célula
Casi todas las células son demasiado pequeñas para ser detectadas a simple vista. Tienen un diámetro aproximado de 1 a 100 micras ¿Por qué? Cuando una célula más o menos esférica crece, sus regiones internas van quedando más alejadas de la membrana plasmática, que es la que adquiere los nutrimentos de la célula y elimina los productos de desecho. Buena parte del intercambio ocurre por difusión lenta. En una hipotética célula gigante de 20 centímetros de diámetro, las moléculas de oxígeno tardarían 200 días en difundirse al centro de la célula, pero para entonces ésta ya se habría muerto por falta de oxígeno. Además, conforme la esfera crece, su volumen aumenta con mayor rapidez que su área superficial. Entonces, una célula grande y aproximadamente esférica (que necesitaría más nutrimentos y produciría más desechos) tendría una membrana de área relativamente menor para realizar este intercambio que si fuera una célula esférica pequeña.
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