TRANSPORTE CELULAR

La estructura y formación de las células dependen de forma crucial de las membranas, que no solo separan el interior de la célula de su entorno, sino que también definen los comportamientos internos de las células eucariotas, incluyendo las organelas del núcleo y el citoplasma. la formación de membranas biológicas se basa en las propiedades de los lípidos y todas las membranas celulares comparten una misma organización estructural: bicapas de fosfolípidos con proteínas asociadas, estas proteínas de membranas son responsables de muchas funciones especializadas, algunas actúan como receptores que permiten a la célula responder a señales externas, algunas son responsables del transporte selectivo de moléculas a través de la membrana y otras participan en el transporte de electrones y en la fosforilacion oxidativa. Además las proteínas de las membranas controlan las interacciones entre células de organismos pluricelulares.

Ilustración 1. Visión general de la membrana celular

ESTRUCTURA DE LA MEMBRANA CELULAR

Los bloques fundamentales de todas las membranas celulares son los fosfolipidos, que son moleclas anfipaticas, que consisten en dos cadenas de acidos grasos hidrofobos ligadas a un grupo de cabeza hidrofiloque contiene fosfato. debido a que sus colas de acidos grasos son escasamente solubles en agua, los fosfolipidos forman bicapas espontaneamente en soluciones acuosas, con las colas hidrofobas enterradas en el interioir de la membrana y los grupos polares de cabeza expuestos en ambos lados en contacto con el agua, dichas bicapas fosfolipidicas forman una barrera estable entre dos compartimientos acuosos y representan la estructura basica de todas las membranas biologicas.

Ilustración 2. Estructura de la bicapa de lípidos

Las proteínas, son el otro constituyente principal de las membranas celulares. el modelo actual de la estructura de la membrana las muestra como un mosaico fluido en la que las proteínas están insertadas en una bicapa lipídica, mientras los fosfolípidos proporcionan la organización estructural básica de las membranas, las proteínas de membranas desempeñan las funciones específicas de las diferentes membranas de la célula. Estas proteínas se dividen en dos tipos generales basándose en la naturaleza de su asociación con la membrana. (Las proteínas integrales de membrana) están ubicadas directamente dentro de la bicapa lipídica, (las proteínas periféricas de membrana) no están insertadas en la bicapa lipídica, pero están asociadas con la membrana indirectamente, generalmente a través de interacciones con las proteínas integrales de membrana y (proteínas trans-membrana)  atraviesan la bicapa lipídica con partes expuestas en ambos lados de la membrana. Las proteínas que atraviesa la membrana son habitualmente regiones helicoidales de entre 20 a 25 aminoácidos no polares.

Ilustración 3. Estructura de las proteinas

TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANAS CELULARES

La permeabilidad selectiva de las membranas biológicas a las moléculas pequeñas, permite a la célula controlar y mantener su composición interna. Solo las moléculas pequeñas no cargadas pueden difundir libremente a través de las bicapas de fosfolípidos. Las moléculas pequeñas no polares como el oxígeno y el dióxido de carbono son solubles en la bicapa lipídica y por tanto pueden cruzar fácilmente las membranas celulares. Las moléculas polares pequeñas no cargadas, como el agua, también pueden difundir a través de las membranas, pero moléculas no cargadas mayores, como la glucosa, no pueden. Las moléculas cargadas como los iones son incapaces de difundir a través de una bicapa de fosfolípidos independientemente de su tamaño.

Las moléculas pasan a través de las membranas gracias a la actuación de proteínas específicas trans-membrana, que actúan como transportadores, estas proteínas de transporte determinan la permeabilidad selectiva de las membranas celulares y de este modo desempeñan un papel crucial en la función de la membrana. Contiene múltiples regiones que atraviesan la membrana formando un conducto a través de la bicapa lipídica, permitiendo que moléculas polares o cargadas atraviesen la membrana por un poro proteínico sin interaccionar con las cadenas hidrófobas de ácidos grasos de los fosfolípidos de membrana.

Hay dos tipos de proteínas de transporte de membrana: los canales proteínicos forman poros abiertos a través de la membrana, permitiendo libremente el paso de cualquier molécula del tamaño adecuado. Los canales iónicos, permiten el paso de iones inorgánicos como (sodio, potasio, calcio, cloro) a través de la membrana plasmática. Los poros formados por estos canales proteínicos no están permanente abiertos, más bien pueden ser abiertos o cerrados selectiva-mente en respuesta a señales extra-celulares, permitiendo a la célula controlar el movimiento de iones a través de la membrana. En contraste con los canales proteínicos, las proteínas transportadoras unen y transportan selectiva-mente moléculas pequeñas específicas, como la glucosa. En vez de formar canales abiertos, las proteínas de transporte actúan  como enzimas para facilitar el paso de moléculas específicas a través de las membranas. En particular, las proteínas de transporte unen moléculas específicas y después experimentan cambios conformacionales que abren canales a través de los cuales la molécula que será transportada puede pasar a través de la membrana y ser liberada en el otro lado.

Ilustración 4. Mecanismo de transporte de sustancias

El proceso de transporte es importante para la célula porque le permite expulsar de su interior los desechos del metabolismo y adquirir nutrientes, gracias a la capacidad de la membrana celular de permitir el paso o salida de manera selectiva de algunas sustancias. Las vías de transporte a través de la membrana celular y los mecanismos básicos para las moléculas de pequeño tamaño son:

TRANSPORTE PASIVO

Se define como el movimiento libre de moléculas a través de la membrana a favor de un gradiente de concentración. Este transporte se produce por difusión pasiva y se produce de dos maneras:

• Por disolución en la capa lipídica (sustancias lipo-solubles).
• Por los poros polares de la membrana (sustancias hidro-solubles).

Ósmosis:

La ósmosis es un tipo especial de transporte pasivo en el cual sólo las moléculas de agua son transportadas a través de la membrana. El movimiento de agua se realiza desde un punto en que hay menor concentración a uno de mayor para igualar concentraciones. De acuerdo al medio en que se encuentre una célula, la ósmosis varía. La función de la ósmosis es mantener hidratada a la membrana celular. Dicho proceso no requiere gasto de energía. En otras palabras la ósmosis u ósmosis es un fenómeno consistente en el paso del solvente de una disolución desde una zona de baja concentración de soluto a una de alta concentración del soluto, separadas por una membrana semipermeable.

TRANSPORTE ACTIVO

En transporte activo se realiza a expensas de un gradiente de H+ (potencial electroquímico de protones) previamente creado a ambos lados de la membrana, por procesos de respiración y fotosíntesis; por hidrólisis de ATP mediante ATP hidrolasas de membrana. El transporte activo varía la concentración intracelular y ello da lugar un nuevo movimiento osmótico de rebalanceo por hidratación. Los sistemas de transporte activo son los más abundantes entre las bacterias, y se han seleccionado evolutivamente debido a que en sus medios naturales la mayoría de los procariotas se encuentran de forma permanente o transitoria con una baja concentración de nutrientes. Los sistemas de transporte activo están basados en permeasas específicas e inducibles. El modo en que se acopla la energía metabólica con el transporte del soluto aún no está dilucidado, pero en general se maneja la hipótesis de que las permeasas, una vez captado el sustrato con gran afinidad, experimentan un cambio conformacional dependiente de energía que les hace perder dicha afinidad, lo que supone la liberación de la sustancia al interior celular. El transporte activo de moléculas a través de la membrana celular se realiza en dirección ascendente o en contra de un gradiente de concentración (Gradiente químico) o en contra un gradiente eléctrico de presión (gradiente electroquímico), es decir, es el paso de sustancias desde un medio poco concentrado a un medio muy concentrado. Para desplazar estas sustancias contra corriente es necesario el aporte de energía procedente del ATP. Las proteínas portadoras del transporte activo poseen actividad ATPasa, que significa que pueden escindir el ATP (Adenosin Tri Fosfato) para formar ADP (dos Fosfatos) o AMP (un Fosfato) con liberación de energía de los enlaces fosfato de alta energía. Comúnmente se observan tres tipos de transportadores: Uniportadores: son proteínas que transportan una molécula en un solo sentido a través de la membrana. Antiportadores: incluyen proteínas que transportan una sustancia en un sentido mientras que simultáneamente transportan otra en sentido opuesto. Simportadores: son proteínas que transportan una sustancia junto con otra, frecuentemente un protón (H+).

Como ejemplo de transporte activo, en la célula existe un mecanismo conocido como bomba de Na+ -K+ que mantiene las concentraciones adecuadas de sodio y potasio en la célula, en contra de su gradiente de concentración y/o eléctrico. Este mecanismo de transporte es muy importante para el correcto funcionamiento celular, ya que permite regular las concentraciones de iones en la célula, la carga eléctrica y el mantenimiento del potencial de la membrana, entre otros aspectos.

• Exocitosis:

La exocitosis es el proceso celular por el cual las vesículas situadas en el citoplasma se fusionan con la membrana citoplasmática, liberando su contenido. La exocitosis se observa en muy diversas células secretoras, tanto en la función de excreción como en la función endocrina. También interviene la exocitosis en la secreción de un neurotransmisor a la brecha sináptica, para posibilitar la propagación del impulso nervioso entre neuronas. La secreción química desencadena una despolarización del potencial de membrana, desde el axón de la célula emisora hacia la dendrita (u otra parte) de la célula receptora. Este neurotransmisor será luego recuperado por endocitosis para ser reutilizado. Sin este proceso, se produciría un fracaso en la transmisión del impulso nervioso entre neuronas. Este proceso, hace parte de la formación de Estalagmitas

• Endocitosis:

La endocitosis es el proceso celular, por el que la célula mueve hacia su interior moléculas grandes o partículas, englobándolas en una invaginación de su membrana citoplasmática, formando una vesícula que luego se desprende de la pared celular y se incorpora al citoplasma. Esta vesícula, llamada endosoma, luego se fusiona con un lisosoma que realizará la digestión del contenido vesicular. Existen dos procesos:

• Pinocitosis:

La pinocitosis es un proceso que consiste en la incorporación de proteínas y otras sustancias solubles en vesículas con un alto contenido de agua.

• Fagocitosis:

Es el mecanismo de endocitosis que se produce cuando se engloban sustancias de tamaño relativamente grandes como bacterias, polvo atmosférico, partículas virales y cuerpos extraños. Además constituye un mecanismo de defensa cuando es desarrollada por los leucocitos de la sangre, o una forma de nutrición, como en el caso de algunos protistas.

Endocitosis mediada por receptor o ligando: es de tipo específica, captura macromoléculas específicas del ambiente, fijándose a través de proteínas ubicadas en la membrana plasmática (especificas). Una vez que se unen a dicho receptor, forman las vesículas y las transportan al interior de la célula. La endocitosis mediada por receptor resulta ser un proceso rápido y eficiente.

Video 1.Mecanismo de transporte Activo y Pasivo