MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y TRANSPORTE

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MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y TRANSPORTE
La célula puede existir como una entidad distinta a causa de la membrana celular, que regula el tránsito de materiales hacia adentro y hacia afuera. 
En los eucariontes, la membrana plasmática está formada por una bicapa fosfolipídica, o sea, una doble capa de moléculas de fosfolípidos dispuestas con sus colas hidrofóbicas de ácido graso apuntando hacia el interior. Las moléculas de colesterol están embutidas en el interior hidrofófica de la bicapa, en el que también existen numerosas proteínas integrales de membrana, las cuales generalmente abarcan la bicapa y sobresalen a uno u otro lado. Las dos capas generalmente tienen concentraciones diferentes de tipos específicos de moléculas lipídicas. En muchos tipos de células, la capa externa es particularmente rica en moléculas glucolipídicas. Las proteínas integrales de membrana tienen una orientación definida: en el lado citoplasmático hay moléculas de proteínas adicionales, conocidas como proteínas periféricas de membrana, ligadas a parte de las proteínas integrales que sobresalen de la bicapa que están unidas covalentemente a las cadenas cortas de carbohidratos. La estructura de la bicapa es muy fluida. Las moléculas de lípidos y parte de las moléculas proteicas pueden moverse lateralmente dentro de ella, formando diferentes patrones que varían de vez en cuando y de un lugar a otro. Por consiguiente, este modelo de estructura de membrana se conoce como modelo del mosaico fluido.
En las células procarionte, la membrana celular es casi idéntica a la de las eucariotas, excepto por el hecho que las membranas celulares bacterianas no contienen colesterol. Hay diferencias en los tipos de lípidos y en el número y tipo de proteínas y carbohidratos, que varían de membrana a membrana y también de lugar a lugar en la misma membrana.
Estas diferencias confieren a las membranas de diferentes tipos celulares y de los diferentes orgánulos, propiedades únicas que pueden correlacionarse con diferencias en la función.
Las proteínas desempeñan una variedad de funciones esenciales. Algunas de ellas son enzimas y regulan reacciones químicas particulares; otras son receptoras, implicadas en el reconocimiento y unión de moléculas señal, tales como las hormonas; y aun otras son proteínas de transporte, que desempeñan papeles críticos en el movimiento de sustancias a través de la membrana.
Difusión simple: las sustancias que se mueven de una región de mayor concentración de sus propias moléculas a una región de menor concentración, se dice que se mueven a favor de gradiente. La difusión ocurre solamente a favor de un gradiente; cuanto mayor sea la diferencia de concentración, más rápida será la difusión. Las moléculas se mueven de una región de mayor energía potencial a una región de menor energía potencial. Cuando las moléculas han alcanzado un estado de distribución igual, o sea, cuando ya no hay gradientes, se dice que están en equilibrio dinámico. Las características esenciales de la difusión son:
- Cada molécula o ion se mueve independientemente de los otros.
- Estos movimientos son al azar.
El resultado neto de la difusión es que las sustancias que se difunden resultan distribuidas uniformemente.
La difusión es también una vía principal para el movimiento de las sustancias dentro de las células. Uno de los mayores factores que limitan el tamaño celular es esta dependencia de la difusión, que es esencialmente un proceso lento, excepto cuando las distancias son muy cortas. En muchas células, el transporte de materiales es acelerado por corrientes activas del citoplasma, proceso en el que desempeñan un papel importante los filamentos de actina del citoesqueleto.
La difusión eficiente requiere de un gradiente de concentración pronunciado. Las células mantienen estos gradientes por sus actividades metabólicas, acelerando de esta forma la difusión. Por ejemplo, el CO2 se produce constantemente, a medida que la célula oxida moléculas de combustible para obtener energía. Como resultado de ello, la concentración de CO2 es más elevada dentro de la célula que fuera de ella. Así se mantiene un gradiente entre el interior y el exterior, y el CO2 se difunde hacia afuera a favor de este gradiente. De modo inverso, el O2 penetra en la célula por difusión a favor de gradiente. De modo semejante, las moléculas o los iones a menudo se producen en un sitio y se utilizan en otro. De esta manera se establece un gradiente de concentración entre las dos regiones, y la sustancia difunde a favor de gradiente desde el sitio de producción al sitio de utilización.
El movimiento de H2O a través de la membrana se conoce como ósmosis y, al igual que en la difusión simple, las moléculas de agua difunden a favor de gradiente a través de una membrana selectivamente permeable (membrana que permite el pasaje de algunas sustancias mientras bloquea el de otras).
La mayoría de las moléculas orgánicas de importancia biológica tienen grupos funcionales polares y, por lo tanto, son hidrofílicas, con lo que no pueden atravesar libremente la barrera lipídica por difusión simple. Aunque los iones individuales, como el sodio (Na+) y el cloruro (Cl~) son bastante pequeños, en solución acuosa se encuentran rodeados por moléculas de agua; tanto el tamaño como las cargas de los agregados resultantes evitan que los iones se deslicen a través de las aberturas que permiten el pasaje de las moléculas de agua. El transporte de estos agregados y de todas las moléculas hidrofílicas depende de proteínas integrales de membrana que actúan como transportadores, transfiriendo a las moléculas hacia uno y otro lado. Para el traslado de iones pequeños existen las proteínas “canal”, mientras que para el paso de monómeros se necesitan proteínas “carrier”.
Las proteínas de la membrana celular y de los orgánulos son altamente selectivas; una proteína determinada puede aceptar una molécula mientras que excluye a otra casi idéntica. Algunas proteínas de transporte pueden trasladar sustancias a través de la membrana solamente si hay un gradiente de concentración favorable. Este acarreo mediado por transportador se conoce como difusión facilitada, y es un proceso pasivo que no requiere despliegue energético por parte de la célula.
Trasporte activo: las moléculas o iones se mueven contra un gradiente de concentración, proceso que requiere energía y proteínas diferentes de las que se utilizan para la difusión facilitada.
- Bomba de sodio-potasio: en la mayoría de las células, el Na+ se mantiene a una concentración más baja dentro de la célula y el K+ se mantiene a una concentración más alta. El bombeo de iones Na+ y K+ es llevado a cabo por una proteína de transporte, que se cree existe en dos configuraciones alternativas. Una configuración tiene una cavidad que se abre al interior de la célula, en la que pueden encajar los iones de Na+; la otra tiene una cavidad que se abre hacia afuera, en la cual encajan los iones de K+. El Na+ dentro de la célula se une a la proteína de transporte. Simultáneamente, una reacción de liberación de energía que implica al ATP da como resultado que un grupo fosfato se una a la proteína. Esto provoca su desplazamiento a la configuración alternativa y la liberación del Na+ en el lado externo de la membrana. Ahora, la proteína de transporte está lista para captar K+, lo cual da como resultado la liberación del grupo fosfato de la proteína, haciendo así que ésta vuelva a la primera configuración y libere el K+ dentro de la célula. Este proceso generará un gradiente de iones Na+ y K+ a través de la membrana.
- Transporte en masa: (no trabajan ni a favor ni en contra del gradiente de concentración pero sí utilizan ATP)
• Endocitosis: la membrana plasmática engloba una gota o partícula y forma una vesícula y la lleva al interior del citoplasma. Se utiliza para captar partículas grandes, incluidos microorganismos completos. A través de la fagocitosis la célula crea proyecciones de la membrana y el citosol llamadas pseudópodos que rodean la partícula solida, una vez rodeada se fusionanformando una vesícula alrededor de la partícula llamada vesícula fagocitica o fagosoma. El material sólido dentro de la vesícula es seguidamente digerido por enzimas liberadas por los lisosomas.
• Exocitosis: una vesícula formada por el aparato de Golgi se mueve a la superficie de la célula, la membrana de la vesícula se fusiona con la membrana plasmática y la vesícula se abre liberando el material al fluido extracelular. La membrana de la vesícula secretora se fusiona con la membrana celular liberando el contenido de la misma.