Unidad 3
: Membrana y transporte
La célula se considera como la unidad estructural, funcional y de origen, de los seres vivos. Ello significa que tiene la capacidad de intercambiar materia y energía con el medio para que, de esta manera, pueda: reparar, mantener y construir cada parte de ella, además de producir copias de sí misma o de reproducirse que le permiten perdurar en el tiempo.
Lo anteriormente señalado implica que cada ser vivo podría estar formado, ya sea, por una célula (organismo unicelular) o por un conjunto organizado de ellas (organismo pluricelular).
Toda célula para poder cumplir con estas tareas debe tener al menos:
Límite celular, que determine un medio interno y lo separe del medio externo asegurando, de esta forma, el perfecto funcionamiento celular. Este límite hace referencia a la membrana plasmática, la cual tiene permeabilidad selectiva, es decir, selecciona lo que entra hacia la célula o lo que sale de ella, debido a las características estructurales que dicho límite presenta, está formada básicamente por fosfolípidos, carbohidratos y proteínas.
MEMBRANA PLASMÁTICA
La membrana plasmática rodea a la célula, definiendo su extensión y mantiene las diferencias esenciales entre el contenido de la misma y su entorno.
Aunque realicen diferentes funciones, todas la membranas biológicas tienen una estructura básica común: una finísima capa de moléculas lipídicas y proteicas, y en su exterior se encuentran asociados también carbohidratos.
Además, las membranas celulares son estructuras dinámicas y fluidas y la mayoría de sus moléculas son capaces de desplazarse en el plano de la membrana.
Las moléculas lipídicas están dispuestas en forma de una doble capa continua de unos 5 nm de grosor, siendo el modelo actual de membrana aceptado ampliamente es el de “mosaico fluido”, propuesto por S. J. Singer y G. L. Nicolson 1972. (FIGURA 1).
FIGURA 1. MODELO MOSAICO FLUIDO, PROPUESTO POR S. J. SINGER Y G. L. NICOLSON
Estructura de la membrana plasmática
La membrana celular, como todas las membranas biológicas, consiste en una bicapa de fosfolípidos los que otorgan fluidez a la membrana, colesterol que se encuentra entre las cabezas de los fosfolípidos y proteínas, que se pueden ubicar en la periferia sobre ambas caras de la membrana o integrales insertas en la bicapa y otras proteínas transmembrana que atraviesan la bicapa.
A) Lípidos
Los principales lípidos que forman parte de la estructura de la membrana plasmática son los fosfolípidos, los que están organizados en una doble capa, llamada bicapa lipídica. Los fosfolípidos se caracterizan por tener dos zonas, que tienen distinta afinidad con el agua: las cabezas son hidrofílicas, es decir, pueden estar en contacto con el agua; y las colas son hidrofóbicas, lo que significa que “repelen” el contacto con ella.
También está presente otro tipo de lípido, el colesterol, el que se encuentra presente en células animales y tiene por función proporcionar estabilidad mecánica adicional a la membrana, además de prevenir el congelamiento celular.
B) Proteínas
Aunque la estructura básica de las membranas biológicas está determinada por la bicapa lipídica, la mayoría de sus funciones específicas están desempeñadas por las proteínas.
Entre sus principales funciones están: recibir señales externas y transportar sustancias desde la célula hacia el exterior, y viceversa. Las proteínas son diversas en cuanto a su estructura y función.
De acuerdo a su ubicación, las proteínas se pueden clasificar en dos tipos: las que atraviesan la bicapa de fosfolípidos de lado a lado, denominadas proteínas intrínsecas o integrales y las ubicadas en la superficie, llamadas también proteínas extrínsecas o periféricas.
Las proteínas integrales, atraviesan toda la membrana y se encuentran fuertemente unidas a los fosfolípidos. Su principal función es el transporte de sustancias desde o hacia la célula.
Las proteínas periféricas, se encuentran unidas a las caras externas y a las caras internas de la bicapa lipídica. Principalmente, actúan como enzimas y receptores de señales.
C) Carbohidratos
Representados, principalmente, por oligosacáridos, los que por su carácter polar están limitados solamente a la superficie externa y normalmente asociados con lípidos (constituyendo los glicolípidos) o unidos a proteínas (formando las glicoproteínas), las que en conjunto constituyen el glucocálix, estructura que participa en el reconocimiento celular entre células animales.
Permeabilidad celular
La membrana plasmática es semipermeable o de permeabilidad selectiva, esto significa que la membrana plasmática permite el paso preferencial de ciertas sustancias presentes en el medio frente a otras.
Esta permeabilidad selectiva se debe a que los fosfolípidos de la membrana impide el paso de grandes moléculas y también de las moléculas con carga (iones), sean éstas pequeñas o grandes, ejemplos: glucosa, aminoácidos, H+, Na+, Ca+, Cl-. Sólo las moléculas pequeñas y sin carga pueden atravesar la membrana celular ejemplo: CO2, O2, N2, etanol, H2O, glicerol. (FIGURA 2).
Ahora bien, la molécula presenta proteínas transportadoras, que controlan el paso de moléculas selectivamente, de aquellas que no
pudieron atravesar la bicapa lipídica.
¿Cómo logra la célula obtener las sustancias y nutrientes que necesita y desechar aquellos que no? Como verás, hay sustancias que consiguen atravesar la membrana plasmática pero otras, como iones y moléculas grandes, utilizan proteínas de transporte para poder pasar.
MECANISMOS DE TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA
1) Transporte Pasivo:
- Se realiza a favor de la gradiente de concentración. - No requiere gasto de energía.
2) Transporte Activo:
- Ocurre en contra de gradiente de concentración. - Requiere gasto de energía.
1) TIPOS DE TRANSPORTE PASIVO
Es un proceso que no requiere energía debido a que se realiza a favor del gradiente de concentración, es decir desde una región de mayor concentración de la sustancia hacia otra de menor concentración de la misma. Existen diferentes tipos de transporte pasivo:
a. Difusión simple: este tipo de transporte lo realizan moléculas pequeñas y sin carga eléctrica como el oxígeno, nitrógeno (N2), el CO2, el alcohol y el agua, difundiéndose rápidamente a través de la bicapa lipídica, a favor de su gradiente de concentración.
b. Difusión facilitada: Las moléculas que no pueden cruzar la membrana, como iones, aminoácidos, azúcares, entre otros, lo hacen gracias a las proteínas transmembrana. Las proteínas transmembrana pueden ser de dos tipos:
Proteínas canal: que forman poros por los cuales se transportan iones.
Proteínas transportadoras también denominadas carrier: estas proteínas están encargadas del transporte de sustancias de mayor tamaño molecular (como glucosa, aminoácidos), para lo cual deben experimentar un cambio conformacional.
c. Osmosis: En el caso particular del H2O, la difusión simple se denomina ósmosis. El
pasaje de agua a través de la membrana u ósmosis se lleva a cabo siempre en forma espontánea y muy rápidamente. Consiste en un movimiento de moléculas de agua desde una zona de mayor concentración de agua a otra de menor concentración a través de la membrana plasmática, o bien el movimiento del agua desde una menor concentración de solutos (hipotónico), a una zona de mayor concentración de solutos (hipertónico) a través de la membrana plasmática. Por ejemplo, el agua se mueve por osmosis de una solución con menos azúcar disuelta a una solución con más azúcar disuelta. (FIGURA 3). Al cabo de un tiempo, el resultado serán dos medios isotónicos, o sea, la concentración a ambos lados de la membrana será la misma.
Las células animales se hinchan cuando son colocadas en soluciones hipotónicas. Algunas como los eritrocitos terminan estallando debido al agua que penetra en ellas por flujo osmótico (se lisan). En el caso contrario, al ser colocadas en soluciones hipertónicas, el agua sale por osmosis, y éstos se encogen (deshidratan). (Figura 4)
Casi toda célula vegetal viva está sostenida por el agua que entra por osmosis, dicha agua es mantenida en la vacuola central, junto con sustancias disueltas en ella. El agua entra a la célula por osmosis. La presión el agua en la vacuola, llamada presión de turgencia, empuja al citoplasma contra la pared celular con fuerza considerable. Las paredes celulares son flexibles, así que las plantas dependen de la turgencia para sostenerse. Cuando no se riega una planta de interiores, la vacuola central y el citoplasma de la célula pierde agua y la membrana plasmática se encoge y se separa de la pared celular (plasmólisis). Así como una pelota se desinfla cuando se queda sin aire, la planta se desploma si sus células pierden la presión de turgencia. (Figura 4).
FIGURA 4. OSMISIS EN CÉLULA ANIMAL Y VEGETAL SOMETIDA A DISTINTOS TIPOS DE SOLUCIONES.
TIPOS DE TRANSPORTE ACTIVO
a. Transporte activo a través de bombas
Requiere siempre de un gasto de energía por parte de la célula. El transporte de sustancias es contra la gradiente de concentración, es decir desde una zona de menor concentración hacia una de mayor concentración. (Figura 5). En este mecanismo de transporte también participan proteínas transmembrana, también llamadas proteínas bombas y también presenta formas de cotransporte y contratransporte.
FIGURA 5. TRANSPORTE ACTIVO
BOMBA SODIO-POTASIO: El ejemplo clásico de este tipo de transporte es la bomba sodio-potasio, que extrae sodio de la célula e ingresa potasio a la misma. La acción de esta bomba Na+ K+ es fundamental para fenómenos como la contracción muscular, el potencial de acción en el impulso nervioso.
CONTRATRANSPORTADORA O ANTIPORTE: Transfiere DOS tipos distintos de solutos en sentidos contrarios. Es decir, uno ingresa al citoplasma si, y solo si, simultáneamente el otro sale.
b. Transporte activo en masa o mediado por vesículas
Los mecanismos antes mencionados no permiten el paso de moléculas grandes como polisacáridos y proteínas. En estas situaciones se utiliza los sistemas de transporte de exocitosis y endocitosis. Ambos mecanismos utilizan vesículas rodeadas de membrana plasmática, en cuyo interior viajan las sustancias que deben entrar o salir de la célula.
1. ENDOCITOSIS: El material que se incorporará a la célula induce una invaginación de la membrana, produciéndose una vesícula que encierra a la sustancia. Esta vesícula es liberada en el citoplasma. Se conocen los siguientes tipos:
a) Fagocitosis: Corresponde al ingreso de sustancias sólidas a la célula, a través de prolongaciones del citoplasma celular, llamados pseudópodos, incorporando posteriormente las sustancias en vesículas. Las vesículas formadas alcanzan un tamaño mayor a 150 nm y contiene en su interior restos celulares, microorganismos, partículas grandes, etc.
b) Pinocitosis: Corresponde al ingreso de sustancias liquidas a la célula, las vesículas son menores a 150 nm.
APLIQUEMOS LO APRENDIDO
1. Realiza un mapa conceptual de los mecanismos de transporte Pasivo y Activo.
2. En relación al esquema indica el nombre de cada mecanismo de transporte
3. Responde las siguientes preguntas:
a. Si una célula toma grandes partículas del medio, como por ejemplo un microorganismo, ¿con qué tipo de transporte se llevaría a cabo dicha incorporación?
b. ¿Qué diferencia existe entre fagocitosis y pinocitosis?
c. Compara los mecanismos pasivos y activos, indicando semejanzas y diferencias.
d. El siguiente párrafo ¿A qué proceso se refiere?: “El transporte de sustancias se efectúa en contra de gradiente de concentración y emplea la energía producida por la hidrólisis del ATP”.
e. El oxígeno ingresa a la célula, para participar en la respiración celular, por difusión simple. Entonces, ¿dónde se encuentra más concentrado, en el citoplasma o en el medio extracelular? Explica
4. Términos pareados
Relaciona los conceptos de la columna A, con las definiciones de la columna B.
Columna A Columna B
1. Solución hipertónica __ Ingreso de sustancias grandes.
2. Solución isotónica __ Mayor concentración de soluto y menor concentración de agua. 3. Gasto de ATP __ Transfiere DOS tipos distintos de solutos en sentidos contrarios. 3. Citólisis __ Ruptura de la membrana plasmática.
4. Antiporte __ Bomba Sodio-Potasio.
5. Carrier __ Ingreso de sustancias líquidas. 6. Pinocitosis __ Paso de agua.
7. Osmosis __ Difusión facilitada.
8. Endocitosis __ Misma concentración de agua y soluto.
5. Verdadero o falso, justifica las falsas.
___ La bicapa lipídica tiene una zona hidrofílica y una hidrofóbica.
___ La principal característica de una célula eucarionte es estar rodeada por una membrana celular.
___ La difusión facilitada y el transporte activo a través de bomba, comparten la característica de que ambas necesitan una proteína de transporte.
___ La concentración corresponde a la proporción de solutos que tiene que tiene una solución.
___ La difusión simple es el movimiento de partículas desde donde están menos concentradas hacia donde lo están más.
6. Completa el siguiente cuadro resumen
Mecanismo de transporte
Uso de energía (Si/No)
Dirección del transporte
Naturaleza de lo transportado (nombre o tipo de la molécula o sustancia) Difusión simple
Difusión facilitada
Osmosis
Transporte activo
Endocitosis
