Video: Transporte a través de la membrana celular

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A veces, el envío y la distribución pueden ser un verdadero desafío... incluso para nuestras células. Hablemos acerca del transporte a través de la membrana celular.

Las membranas celulares son selectivamente permeables, lo que significa que controlan cuáles sustancias pueden atravesar y cómo. Para funcionar adecuadamente, las células necesitan incorporar sustancias como iones, oxígeno y glucosa. Y a la misma vez, las células expulsan productos de desecho como dióxido de carbono, y a menudo liberan sustancias como neurotransmisores y hormonas.

Las células pueden mover sustancias a través de su membrana de muchas maneras: directamente a través de la bicapa de fosfolípidos, utilizando proteínas de membrana, o usando vesículas.

El transporte puede ser activo o pasivo, dependiendo de si requiere energía o no. El transporte activo necesita moléculas como el adenosín trifosfato, o ATP, para mover sustancias a través de la membrana celular. Por otro lado, el transporte pasivo no necesita ATP. Comencemos con el transporte pasivo.

Si las células no gastan energía activamente para mover sustancias a través de sus membranas, ¿entonces qué determina cómo fluyen los nutrientes y productos de desecho hacia el interior y el exterior de la célula? Aquí es donde entra el concepto de difusión.

Imaginemos por un segundo que tenemos un recipiente lleno de agua y añadimos glucosa. Hemos creado una solución, en donde la glucosa es el soluto porque está disuelta en el agua, que en este caso sería el disolvente.

Tan pronto como espolvoreamos la glucosa en el agua, la concentración de glucosa es alta en un área del recipiente, pero baja en todas las demás. Esta diferencia crea un gradiente que hace que las moléculas se muevan desde las áreas de alta concentración hacia las áreas de baja concentración, hasta que se distribuyan uniformemente en la solución, alcanzando el equilibrio. Este proceso, donde las moléculas se mueven pasivamente a favor de su gradiente de concentración, se conoce como difusión.

Diversos factores influyen en la difusión. Por ejemplo, las moléculas de soluto se mueven más rápido cuando la solución tiene una temperatura más alta, cuando las moléculas de soluto son más pequeñas y cuando el gradiente de concentración es mayor.

Volviendo a nuestras células, el transporte pasivo es impulsado por diferentes tipos de gradientes. Las diferentes concentraciones de sustancias en el líquido extracelular y el citosol crean un gradiente químico. Por ejemplo, si la concentración de sodio es mayor en el líquido extracelular, los iones tenderán naturalmente a entrar a la célula por difusión para distribuirse uniformemente y alcanzar el equilibrio.

Los potenciales eléctricos también crean gradientes. Los iones y muchas otras moléculas tienen cargas positivas o negativas. Las sustancias con la misma carga se repelen entre sí, y por lo tanto, los iones también tienden a difundirse siguiendo su gradiente eléctrico para que las cargas se distribuyan uniformemente.

La combinación de gradientes químicos y eléctricos crea un gradiente electroquímico, que es la fuerza impulsora para la difusión de moléculas cargadas como los iones.

Ahora veamos otro proceso importante para el transporte pasivo. En este caso, tenemos un contenedor lleno de agua. Una membrana separa los lados izquierdo y derecho.

Espolvoreamos un poco de glucosa en una mitad del recipiente y un poco más en la otra. Si la membrana se vuelve permeable a la glucosa pero no al agua, es decir, que la glucosa puede atravesar libremente, el gradiente químico hará que la glucosa se difunda y se distribuya uniformemente entre los dos compartimentos.

Pero, ¿qué pasaría si, en lugar de esto, la membrana bloqueara las moléculas de glucosa y fuera permeable al agua? En este caso, como la glucosa no puede atravesar la barrera, las moléculas de agua son las que se mueven desde el área con menor concentración de glucosa hacia el área con mayor concentración, hasta equilibrar las concentraciones a ambos lados.

El movimiento de agua desde un área de menor concentración de soluto hacia una de mayor concentración se denomina ósmosis. La ósmosis regula la cantidad de líquido dentro de las células y la capacidad de una solución para cambiar el volumen de agua en una célula se conoce como tonicidad. Veamos cómo funciona esto.

En pocas palabras, supongamos que la tonicidad está determinada por un solo soluto impermeable presente tanto en el citosol como en el líquido extracelular. Si la concentración del soluto es igual tanto en el interior como en el exterior de la célula, el líquido extracelular es isotónico al citosol. O sea, no hay movimiento neto de agua a través de la membrana celular.

Si el soluto está más concentrado en el exterior de la célula que en el interior, el líquido extracelular es hipertónico respecto al citosol. Como el movimiento del soluto está bloqueado por la membrana celular, el agua sale de la célula mediante ósmosis para equilibrar las concentraciones del soluto entre el interior y exterior de la célula. Esto hace que la célula se encoja.

Lo opuesto ocurre en las soluciones hipotónicas, donde la concentración de solutos es menor en el líquido extracelular que en el citosol. En este caso, el agua fluye hacia el interior de la célula por ósmosis y la célula se hincha. Si el gradiente químico del soluto es lo suficientemente grande, una célula puede absorber tanta agua que eventualmente estalla.

Hasta ahora, hemos aprendido que el transporte pasivo ocurre por difusión a través de gradientes químicos, gradientes eléctricos y ósmosis. Dependiendo de qué componente de la membrana celular permite el paso de las sustancias, también podemos clasificar el transporte pasivo en difusión simple y difusión facilitada.

La difusión simple es el movimiento de sustancias a favor de su gradiente de concentración a través de la bicapa de fosfolípidos. ¡Exacto! Directamente a través de la membrana celular. Sin necesidad de puertas.

Las sustancias que pueden atravesar libremente la bicapa de fosfolípidos incluyen moléculas no polares pequeñas como los gases, algunas moléculas polares pequeñas como el agua, y moléculas hidrófobas como las hormonas esteroideas. La difusión simple puede mover sustancias hacia el interior o exterior de la célula.

Pero, ¿qué sucede con sustancias como los iones y moléculas grandes, que son bloqueadas por la bicapa de fosfolípidos? Algunas de ellas se difunden a favor de su gradiente de concentración utilizando proteínas como canales y transportadores. Este proceso se conoce como difusión facilitada.

Las proteínas de canal son poros llenos de agua que conectan el citosol con el líquido extracelular. Generalmente son selectivas para una sola sustancia, dependiendo del tamaño y la carga eléctrica de su poro. Los iones a menudo se difunden a través de canales. Los iones de potasio, por ejemplo, están presentes en alta concentración en el interior de la célula y se difunden hacia el líquido extracelular a través de canales iónicos a favor de su gradiente electroquímico.

¡Pero espérate ahí! Las células a menudo necesitan controlar la concentración de algunas moléculas en su citosol. Es por eso que existen diferentes tipos de canales.

Algunos están abiertos la mayor parte del tiempo y se conocen como canales de fuga. Otros canales tienen compuerta, lo que significa que solo permiten el paso de sustancias en respuesta a un estímulo específico. Algunos ejemplos incluyen canales activados por ligando, que se abren en respuesta a sustancias químicas; canales regulados por voltaje, que responden a cambios en el potencial de membrana; o canales activados mecánicamente o mecanosensibles, que se activan por fuerzas físicas como la presión.

¿Recuerdas cómo la ósmosis impulsa el agua hacia el interior y el exterior de las células? Este proceso es tan importante que el agua puede moverse de dos maneras.

La mayoría de las moléculas de agua se mueven a través de la membrana celular por difusión facilitada, mediante proteínas de canal llamadas acuaporinas. Pero como las moléculas de agua son pequeñas, también pueden deslizarse entre las colas de fosfolípidos y atravesar la membrana celular por difusión simple.

¿Y qué pasa si una célula necesita una molécula que no cabe a través de un canal? Las sustancias más grandes se pueden transportar mediante proteínas transportadoras. En lugar de crear un túnel en la membrana celular, estas proteínas transportadoras se unen a moléculas específicas y las transportan a través de la membrana celular cambiando su configuración. Los transportadores que mueven una sola sustancia a la vez se llaman uniportadores.

¿Pero qué pasa si una célula ya está acumulando nutrientes, pero todavía quiere más? Exploremos ahora el transporte activo mediado por proteínas.

El transporte activo mediado por proteínas utiliza energía y proteínas de membrana para mover sustancias en contra de su gradiente de concentración. El transporte activo primario utiliza ATP directamente. Más adelante veremos cómo el transporte activo secundario utiliza ATP indirectamente.

En el transporte activo primario, las enzimas conocidas como ATPasas dividen el ATP en ADP y un grupo fosfato, liberando la energía necesaria para activar el transporte. Si hay un transportador activo que necesitas conocer, ese es la bomba de sodio-potasio. Así es como funciona.

Para empezar, tres iones de sodio se unen a la bomba de sodio-potasio en el citosol. Cuando el ATP se hidroliza, el grupo fosfato altera la conformación de la bomba, liberando los iones de sodio hacia el líquido extracelular. Esto expone dos sitios para iones de potasio en el líquido extracelular. Cuando el grupo fosfato se desprende, la bomba regresa a su conformación original y libera los iones de potasio dentro de la célula.

De esta manera, la bomba de sodio-potasio utiliza ATP para asegurar que el citosol tenga una alta concentración de potasio y una baja concentración de sodio.

Los gradientes de concentración creados por la bomba de sodio-potasio se utilizan para transportar otras sustancias a través de la membrana por medio del transporte activo secundario.

Las proteínas transportadoras de simporte, o cotransportadores, mueven múltiples sustancias en la misma dirección. Echa un vistazo a este transportador activo secundario de sodio-glucosa. Debido a que la concentración de iones sodio en el líquido extracelular es alta, los iones sodio tienden a moverse hacia el interior de la célula a favor de su gradiente químico.

El líquido extracelular también contiene algunas moléculas de glucosa. Aún cuando la concentración de glucosa ya es alta en el citosol, la célula necesita todavía más, por lo que la glucosa debe introducirse en contra de su gradiente de concentración.

Y aquí está el truco: cuando los iones de sodio se unen a un cotransportador activo secundario de sodio-glucosa para ingresar a la célula a favor de su gradiente de concentración, el transportador no los deja pasar inmediatamente. En su lugar, el transportador revela un sitio que atrae una molécula de glucosa. Solo cuando tanto el sodio como la glucosa se unen a este, la proteína transportadora cambia de conformación y libera ambos hacia el citosol.

Los transportadores antiporte, o intercambiadores, también regulan el transporte activo secundario de una manera similar, pero en direcciones opuestas. Siguen dependiendo del movimiento de iones a favor de un gradiente de concentración creado por transporte activo, pero en este caso, las sustancias se mueven en direcciones contrarias.

Por ejemplo, los transportadores antiporte aprovechan el movimiento de sodio hacia el interior de la célula a favor de su gradiente de concentración para mover iones hidrógeno al exterior de la célula, en contra de sus gradientes de concentración.

Y bueno, ya hemos hablado suficiente de iones y moléculas pequeñas. Ahora, ¿qué pasa si la célula necesita captar algo mucho más grande? Esto se puede hacer usando transporte activo vesicular.

El transporte vesicular mueve sustancias encerrándolas en vesículas, que son estructuras esféricas compuestas por una bicapa de fosfolípidos. Este es un transporte activo porque se utiliza ATP para crear y mover las vesículas.

El transporte vesicular se clasifica en endocitosis, donde las vesículas se desprenden de la membrana celular para introducir moléculas grandes, y exocitosis, donde las vesículas se fusionan con la membrana celular para liberar sustancias al líquido extracelular. Examinemos más de cerca los tipos principales de transporte vesicular.

La fagocitosis es la endocitosis de partículas grandes. Nuestros glóbulos blancos pueden incluso devorar otras células como las bacterias. Cuando una bacteria se une a un receptor específico de la membrana, dos grandes tentáculos llamados seudópodos se extienden desde la membrana celular y engullen la partícula. Los seudópodos envuelven la partícula en una vesícula grande llamada fagosoma. El fagosoma luego se fusiona con un lisosoma lleno de enzimas que digieren la bacteria.

Si la fagocitosis es básicamente la célula “comiendo” algo, entonces la pinocitosis es más como tomar pequeños sorbos de líquido extracelular. En este proceso, la membrana celular se pliega hacia adentro, capturando algo del líquido extracelular en vesículas pequeñas. En el citosol, estas vesículas forman un pinosoma, que se fusiona con un lisosoma para digerir los contenidos.

Durante la pinocitosis, las células beben el líquido extracelular sin prestar realmente atención a qué sustancias contiene. Pero ¿qué pasa si la célula desea algo más específico?

En la endocitosis mediada por receptor, la célula utiliza receptores para captar sustancias específicas. Este proceso ocurre en las fosas revestidas, que son regiones de la membrana cubiertas con una proteína llamada clatrina. Esta proteína pliega la membrana celular hacia adentro para formar una vesícula llena de líquido extracelular y los receptores de membrana unidos a la sustancia necesaria. El resto de la vía es similar a otros métodos de endocitosis.

Así, la célula tiene muchas formas de incorporar sustancias. Pero ¿cómo expulsa lo que no quiere? A veces, las células tienen productos de desecho, como cualquier cuerpo residual que dejan los lisosomas.

Las células también utilizan vesículas para liberar neurotransmisores u hormonas para comunicarse con otras células. Esto ocurre cuando las células utilizan exocitosis, un transporte activo donde las vesículas se fusionan con la membrana celular para liberar su contenido hacia el líquido extracelular. Los fosfolípidos de las vesículas son entonces reciclados en la membrana celular. ¡Eso sí que es eficiencia!

A veces, las células pueden combinar endocitosis y exocitosis en un proceso llamado transcitosis. Esto se usa, por ejemplo, en las células epiteliales para mover sustancias desde el lumen del intestino hacia el líquido extracelular.

Y eso concluye este tutorial sobre cómo nuestras células regulan el transporte de sustancias a través de su membrana celular, entre el líquido extracelular y su citosol. ¡Parece que nuestros cuerpos están compuestos por millones de especialistas en envío y distribución!

Recuerda seguir explorando todo acerca del transporte a través de la membrana celular con nuestras unidades de estudio en Kenhub. ¡Hasta la próxima y feliz estudio!