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02. Fisiología celular. Movimiento a través de la membrana

Cuestiones previas

¿Cómo afecta un estado febril a los procesos orgánicos relacionados con la difusión?

¿Qué efecto produce en una persona la perfusión de una solución de SF 0,9%? ¿Por qué?

Imagina que eres enfermero/a y trabajas en un centro de salud. Atiendes a un paciente deshidratado. ¿Le administrarías un tipo de solución hipo- o hipertónica? ¿Por qué?

Explica por qué la glucosa es un ejemplo de difusión facilitada.

¿Qué son las bombas de Na/K y cuál es su importancia en nuestro organismo?

Estructuras típicas del cuerpo de las células

La célula es la unidad estructural y funcional básica viviente del organismo.

La membrana plasmática

La membrana plasmática constituye una barrera de difusión que regula la entrada-salida de sustancias en célula.

La membrana plasmática también facilita el transporte de vesículas (secreciones glandulares).


La bicapa lipídica se muestra impermeable a todo lo que no es liposoluble. Los compuestos no liposolubles atraviesan la membrana gracias a las proteínas.

Gracias a la permeabilidad de las membranas y a la existencia de diversos mecanismos de transporte, es posible el movimiento de sustancias entre compartimentos.

El gradiente de concentración es la diferencia de concentración de solutos entre una zona y otra.

Las moléculas van desde la zona de alta concentración a la de baja, van a favor del gradiente de concentración.

El gradiente eléctrico es la diferencia de cargas entre dos regiones. En la membrana se denomina Potencial de membrana.

Tipos de transporte transmembrana

El transporte transmembrana se efectúa por difusión (o transporte pasivo), por transporte activo, y vesicular.

Difusión (transporte pasivo)

Hay 3 tipos de difusión:

  1. Simple (o libre): Pasan así todas las sustancias que son capaces de disolverse en la matriz lipídica de la membrana celular (oxígeno, agua). Durante la difusión simple, una sustancia atraviesa la bicapa lipídica de la membrana plasmática sin la ayuda de proteínas trasnsportadoras de la membrana.

  2. Facilitada: Pasan así las sustancias que no pueden disolverse en la matriz lipídica (glucosa, aminoácidos). Durante la difusión facilitada, una sustancia atraviesa la bicapa lipídica con la cooperación de una proteína de canal o una proteína transportadora, ya que estas sustancias necesitan la ayuda de una sustancia portadora que se encuentra en el interior de la membrana. Ésta se une a la molécula que va a entrar en la célula y esa unión ya es soluble en lípidos, pudiendo difundir al interior; cuando la partícula ya ha entrado, el portador se separa de ella y vuelve a la parte externa para captar otra molécula. Estas partículas portadoras son proteínas específicas para las diferentes sustancias.

En algunas ocasiones este transporte es ayudado por hormonas, como es el caso de la insulina, y lo que hacen es: o aumentar la sustancia portadora, o favorecer la unión portador-sustancia.

  1. A través de poros (ósmosis): Pasan así las proteínas, que utilizan los propios poros de la membrana para pasar.


Difusión simple

La difusión simple es un proceso pasivo en el que se mezclan aleatoriamente las partículas de una solución debido a la energía cinética de ésta. Solutos y solventes experimentan difusión.

Así, el transporte por difusión simple consiste en el paso de sustancias al azar debido al propio movimiento cinético de las moléculas. Siempre se realiza a favor de gradiente de concentración. Se realiza sin gasto de energía y puede ser no específico.

La velocidad de difusión simple depende de:

  • el gradiente de concentración,
  • la temperatura,
  • la masa,
  • la superficie, y
  • la distancia.

Principio de difusión: durante la difusión, una sustancia se mueve a favor de su gradiente de concentración.

En un experimento se vertió un cristal de colorante en una probeta con agua, donde se disolvió (ver a), y luego difundió desde las zonas con mayor concentración hacia las zonas con menor concentración (ver b). En estado de equilibrio (ver c), la concentración del colorante es uniforme en todo el volumen, aunque el movimiento aleatorio de las moléculas continúa.

Difusión facilitada

En la difusión facilitada existe un transportador que sufre cambios conformacionales. Puede existir saturación.

La velocidad de transporte depende del número de canales.

Algunos ejemplos: glucosa, aminoacidos.

En la difusión facilitada mediada por canales de iones potasio (K⁺) a través de un canal de K⁺ con compuerta, el canal con compuerta posee una porción de la proteína del canal que actúa como portón para abrir o cerrar el poro que constituye el canal y de esta manera permitir el pasaje de los iones o no hacerlo.

Los canales son proteínas integrales de membrana que permiten el pasaje de pequeños iones inorgánicos específicos a través de la membrana por difusión facilitada.

Ósmosis

La ósmosis es el movimiento de las moléculas de agua a través de una membrana permeable en forma selectiva. Es decir, el paso de un solvente a través de una membrana semipermeable.

La presión hidrostática es la presión que ejerce el solvente/líquido (agua).

La presión osmótica es la presión que ejerce el soluto, proporcional al número de partículas de soluto que no pueden atravesar la membrana.


La ósmosis es la difusión libre del agua:
  • El agua difunde en ambas direcciones, dentro y fuera de la membrana, hasta llegar al equilibrio, momento en que cesa la difusión.
  • Hay ocasiones en que se desarrolla una diferencia de concentración con respecto al agua, es la ósmosis.
  • Si aplicamos una presión suficiente en una disolución, el paso del agua va a ser cada vez más lento, hasta llegar a detenerse; el grado de presión que se requiere para detener la ósmosis es lo que se llama presión osmótica de la solución.

  • Esta presión osmótica viene determinada por el número de partículas de soluto por unidad de volumen. Se mide por unidades llamadas osmoles. (1 osmol = nº de moléculas contenidas en un mol de soluto sin disociar).
  • Cuando una solución se coloca fuera de las células y tiene la misma presión osmótica que el líquido intracelular, no se produce ósmosis y se dice que es una solución isotónica con el líquido intracelular.
  • En una solución hipertónica, el agua sale de la célula disminuyendo el tamaño de ésta.
  • En una solución hipotónica, el agua entra en la célula y la hincha.

Tonicidad y sus efectos sobre los eritrocitos

La tonicidad es la osmolaridad de la solución comparada con la osmolaridad del plasma.

Las células colocadas en un medio isotónico mantienen su forma ya que no se produce movimiento neto de agua hacia el interior o el exterior de las células.

En la siguiente imagen las flechas indican la dirección y la magnitud del movimiento de agua hacia el interior y el exterior de las células. Un ejemplo de solución isotónica con respecto a los eritrocitos es el NaCl al 0,9%.


Transporte activo

El transporte activo se realiza contra gradiente de concentración y requiere energía, portadores de membrana y la presencia de un enzima, específico para cada sustancia, que promueve la reacción entre el portador y la sustancia a transportar.

La energía necesaria se obtiene de sustancias de alta energía, localizadas en el citoplasma celular, como es el ATP.

Características del transporte activo:

  • Se realiza contra gradiente.
  • Se gasta energía. Hay cambios conformacionales en la proteína.
  • Es específico y puede existir saturación.
  • Una misma sustancia puede transportarse por difusión y mediante transporte activo.
  • Puede ser primario o secundario.
Trasporte activo primario:
  • La energía proviene de hidrólisis de ATP.
  • Cambia la conformación de la proteína transportadora y ésta "bombea" la sustancia en contra de gradiente.

Un ejemplo de este transporte es la bomba de sodio-potadio (Na+/K+ ATPasa), que transporta iones de K del exterior al interior de la célula y, a la vez, iones de Na del interior al exterior, en contra de gradiente.

Esta molécula portadora puede desdoblar el ATP en ADP + P y en este desdoblamiento es cuando se produce la energía; cuando la energía procede de la degradación del ATP a este proceso se le denomina transporte activo primario.

Las bombas de sodio-potasio mantienen una concentración intracelular baja de iones de sodio.

En la siguiente imagen se aprecia como la bomba de sodio-potasio expulsa iones de sodio (Na+) hacia el exterior de la célula e introduce iones de potasio (K+) hacia el interior de la célula.

Características del transporte activo primario:

  • K⁺ intracelular > K⁺ extracelular
  • Na⁺ intracelular < Na⁺ extracelular
  • Por cada 2 K⁺ que introduce en la célula desplaza al exterior 3 Na⁺.
  • Existe una "negatividad" en el interior de la célula.
  • Mantenimiento de la electronegatividad en el interior de la célula. Potencial de membrana o reposo.
Transporte activo secundario:

En el transporte activo secundario o acoplado, se produce el desplazamiento de dos sustancias, de las cuales una va a ser Na, y la energía no procede del ATP sino que procede del propio gradiente de concentración del Na.

La E almacenada en los gradientes de concentración de Na⁺ (gracias a la bomba Na⁺/K⁺) se utiliza para transportar otra sustancia.

El transporte activo secundario puede ser cotransporte o contratransporte:

  • Si las dos sustancias van hacia el mismo lado = COTRANSPORTE
  • Si van en sentidos contrarios = CONTRATRANSPORTE.

Un ejemplo es el intercambiador Na⁺/Ca²⁺ y Na⁺/H⁺

En la siguiente imagen, los contratransportadores (a) permiten el pasaje de dos sustancias a través de la membrana en direcciones opuestas. Los contransportadores (b) movilizan dos sustancias a través de la membrana en la misma dirección.

Los mecanismos de transporte activo secundario utilizan la energía almacenada en los gradientes de concentración de los iones (en este caso Na⁺). Como las bombas que constituyen los mecanismos de transporte activo primario hidrolizan el ATP y mantienen los gradientes, los mecanismos de transporte activo secundario consumen ATP en forma indirecta.

Vesicular

La vesícula es un orgánulo que forma un compartimento pequeño y cerrado, separado del citoplasma por una bicapa lipídica igual que la membrana celular.

Las vesículas (o vacuolas) se forman a partir de la membrana plasmática y consumen E (ATP).

Las vesículas importan sustancias del LEC o exportan desde el interior de la célula.

Otros tipos de transporte activo son la ENDOCITOSIS y la EXCITOSIS. Este tipo de transporte lo utilizan células de mayor tamaño.

La endocitosis es el paso de una partícula externa al interior de la célula. Si la partícula que se ingiere es sólida, se denomina fagocitosis, si es líquida, estamos ante una pinocitosis.

Las células que van a fagocitar poseen fositas que se activan fijando la partícula que van a ingerir y la engloban, entrando en el interior de la célula donde va a ser digerida. Con la pinocitosis pasa lo mismo.

La endocitosis mediada por receptor transporta moléculas. El receptor es muy selectivo.

La endocitosis mediada por receptor importa materiales que la célula necesita.

Figura de endocitosis mediada por receptor de una partícula de lipoproteína de baja densidad (LDL).

La fagocitosis transporta bacterias, células muertas, parásitos, antígenos, etc. La fagocitosis es una defensa frente a patógenos. La fagocitosis es un mecanismo de defensa vital que ayuda a proteger al organismo de las enfermedades y es selectivo.

En la siguiente figura de fagocitosis los seudópodos rodean a una partícula y las membranas se fusionan para formar un fagosoma.

La pinocitosis es el transporte no selectivo de líquidos. La mayor parte de las células del organismo llevan a cabo pinocitosis, que es la captación no selectiva de pequeñas gotas de líquido extracelular.

En la siguiente figura de pinocitosis, la membrana plasmática se invagina y forma una vesícula.

La exocitosis es la expulsión de sustancias al exterior de la célula. Es el caso de la liberación de neurotransmisores. Las vesículas o vacuolas contienen la sustancia a excretar, se unen a la membrana y expulsan el contenido al exterior.

La exocitosis libera sustancias al LEC. Es muy importante en dos tipos de células para liberar sustancias de desecho:

  • Las secretoras: liberan hormonas, enzimas
  • Las nerviosas: liberan neurotransmisores
La membrana plasmática se recicla por exocitosis.