La membrana celular

A pesar de las diferencias en estructura y función, todas las células vivas en organismos multicelulares tienen una membrana celular circundante. A medida que la capa externa de su piel separa su cuerpo de su entorno, la membrana celular (también conocida como membrana plasmática) separa el contenido interno de una célula de su entorno exterior. Esta membrana celular proporciona una barrera protectora alrededor de la célula y regula qué materiales pueden pasar dentro o fuera.

Estructura y composición de la membrana celular.

La membrana celular es una estructura extremadamente flexible compuesta principalmente de fosfolípidos consecutivos (una "bicapa"). El colesterol también está presente, lo que contribuye a la fluidez de la membrana, y hay varias proteínas incrustadas dentro de la membrana que tienen una variedad de funciones.

Una sola molécula de fosfolípido tiene un grupo fosfato en un extremo, llamado "cabeza", y dos cadenas de ácidos grasos que forman las colas de lípidos. El grupo fosfato está cargado negativamente, lo que hace que la cabeza sea polar e hidrófila, o "amante del agua". Una molécula hidrofílica (o región de una molécula) es aquella que es atraída por el agua. Las cabezas de fosfato son atraídas por las moléculas de agua de los entornos extracelular e intracelular. Las colas de lípidos, por otro lado, no están cargadas o no son polares, y son hidrófobas o “temen al agua”. Una molécula hidrófoba (o región de una molécula) se repele y es repelida por el agua. Algunas colas lipídicas consisten en ácidos grasos saturados y algunas contienen ácidos grasos insaturados. Esta combinación se suma a la fluidez de las colas que están constantemente en movimiento. Los fosfolípidos son, por lo tanto, moléculas anfipáticas. Una molécula anfipática es aquella que contiene tanto una región hidrofílica como una hidrofóbica. De hecho, el jabón elimina las manchas de aceite y grasa porque tiene propiedades anfipáticas. La porción hidrofílica se puede disolver en agua mientras que la porción hidrofóbica puede atrapar grasa en micelas que luego se pueden lavar.

Estructura de fosfolípidos: Una molécula de fosfolípidos consiste en una "cabeza" de fosfato polar, que es hidrofílica y una "cola" de lípidos no polar, que es hidrófoba. Los ácidos grasos insaturados provocan torceduras en las colas hidrofóbicas.

La membrana celular consta de dos capas adyacentes de fosfolípidos. Las colas lipídicas de una capa se enfrentan a las colas lipídicas de la otra capa, uniéndose en la interfaz de las dos capas. Las cabezas de fosfolípidos están orientadas hacia afuera, una capa expuesta al interior de la célula y una capa expuesta al exterior. Debido a que los grupos fosfato son polares e hidrófilos, son atraídos por el agua en el líquido intracelular. El fluido intracelular (ICF) es el fluido interior de la célula. Los grupos fosfato también son atraídos por el fluido extracelular. El fluido extracelular (ECF) es el ambiente fluido fuera del recinto de la membrana celular. El líquido intersticial (IF) es el término dado al líquido extracelular no contenido dentro de los vasos sanguíneos. Debido a que las colas lipídicas son hidrofóbicas, se encuentran en la región interna de la membrana, excluyendo el líquido acuoso intracelular y extracelular de este espacio. La membrana celular tiene muchas proteínas, así como otros lípidos (como el colesterol), que están asociados con la bicapa de fosfolípidos. Una característica importante de la membrana es que permanece fluida; Los lípidos y las proteínas en la membrana celular no están rígidamente bloqueados en su lugar.

Bicapa de fosfolípidos: La bicapa de fosfolípidos consta de dos láminas adyacentes de fosfolípidos, dispuestas cola a cola. Las colas hidrofóbicas se asocian entre sí, formando el interior de la membrana. Las cabezas polares contactan el fluido dentro y fuera de la célula.

Proteínas de membrana

La bicapa lipídica forma la base de la membrana celular, pero está salpicada de diversas proteínas. Dos tipos diferentes de proteínas que se asocian comúnmente con la membrana celular son las proteínas integrales y la proteína periférica. Como su nombre lo indica, una proteína integral es una proteína que está incrustada en la membrana. Una proteína de canal es un ejemplo de una proteína integral que permite selectivamente que materiales particulares, como ciertos iones, entren o salgan de la célula.

Membrana celular: La membrana celular de la célula es una bicapa de fosfolípidos que contiene muchos componentes moleculares diferentes, incluidas proteínas y colesterol, algunos con grupos de carbohidratos unidos.

Otro grupo importante de proteínas integrales son las proteínas de reconocimiento celular, que sirven para marcar la identidad de una célula para que otras células puedan reconocerla. Un receptor es un tipo de proteína de reconocimiento que puede unirse selectivamente a una molécula específica fuera de la célula, y esta unión induce una reacción química dentro de la célula. Un ligando es la molécula específica que se une y activa un receptor. Algunas proteínas integrales cumplen funciones duales como receptor y como canal de iones. Un ejemplo de interacción receptor-ligando son los receptores en las células nerviosas que unen neurotransmisores, como la dopamina. Cuando una molécula de dopamina se une a una proteína receptora de dopamina, se abre un canal dentro de la proteína transmembrana para permitir que ciertos iones fluyan hacia la célula.

Algunas proteínas de membrana integrales son las glicoproteínas. Una glicoproteína es una proteína que tiene moléculas de carbohidratos unidas, que se extienden hacia la matriz extracelular. Las etiquetas de carbohidratos adjuntas en las glicoproteínas ayudan en el reconocimiento celular. Los carbohidratos que se extienden desde las proteínas de membrana e incluso desde algunos lípidos de membrana forman colectivamente el glucocalix. El glicocalix es un recubrimiento de aspecto difuso alrededor de la célula formado por glicoproteínas y otros carbohidratos unidos a la membrana celular. El glicocalix puede tener varios roles. Por ejemplo, puede tener moléculas que permiten que la célula se una a otra célula, puede contener receptores de hormonas o puede tener enzimas para descomponer los nutrientes. Los glucocalyces encontrados en el cuerpo de una persona son productos de la composición genética de esa persona. Dan a cada uno de los billones de células del individuo la "identidad" de pertenecer al cuerpo de la persona. Esta identidad es la forma principal en que las células de defensa inmunitaria de una persona "saben" que no atacan las células del cuerpo de la persona, pero también es la razón por la que los órganos donados por otra persona podrían ser rechazados.

Las proteínas periféricas se encuentran típicamente en la superficie interna o externa de la bicapa lipídica, pero también se pueden unir a la superficie interna o externa de una proteína integral. Estas proteínas suelen realizar una función específica para la célula. Algunas proteínas periféricas en la superficie de las células intestinales, por ejemplo, actúan como enzimas digestivas para descomponer los nutrientes a tamaños que pueden pasar a través de las células y al torrente sanguíneo.

Transporte a través de la membrana celular

Una de las grandes maravillas de la membrana celular es su capacidad para regular la concentración de sustancias dentro de la célula. Estas sustancias incluyen iones como Ca⁺⁺, Na⁺, K⁺ y Cl^–; nutrientes que incluyen azúcares, ácidos grasos y aminoácidos; y productos de desecho, particularmente dióxido de carbono (CO₂), que deben salir de la celda.

La estructura de la bicapa lipídica de la membrana proporciona el primer nivel de control. Los fosfolípidos están muy juntos y la membrana tiene un interior hidrófobo. Esta estructura hace que la membrana sea selectivamente permeable. Una membrana que tiene permeabilidad selectiva permite que solo las sustancias que cumplen ciertos criterios pasen a través de ella sin ayuda. En el caso de la membrana celular, solo los materiales no polares relativamente pequeños pueden moverse a través de la bicapa lipídica (recuerde, las colas lipídicas de la membrana son no polares). Algunos ejemplos de estos son otros lípidos, oxígeno y gases de dióxido de carbono y alcohol. Sin embargo, los materiales solubles en agua, como glucosa, aminoácidos y electrolitos, necesitan ayuda para atravesar la membrana porque son repelidos por las colas hidrofóbicas de la bicapa de fosfolípidos. Todas las sustancias que se mueven a través de la membrana lo hacen mediante uno de dos métodos generales, que se clasifican en función de si se requiere o no energía. El transporte pasivo es el movimiento de sustancias a través de la membrana sin el gasto de energía celular. Por el contrario, el transporte activo es el movimiento de sustancias a través de la membrana utilizando energía del trifosfato de adenosina (ATP).

Transporte pasivo

Para comprender cómo las sustancias se mueven pasivamente a través de la membrana celular, es necesario comprender los gradientes de concentración y la difusión. Un gradiente de concentración es la diferencia en la concentración de una sustancia a través de un espacio. Las moléculas (o iones) se extenderán / difundirán desde donde están más concentradas hasta donde están menos concentradas hasta que estén distribuidas por igual en ese espacio. (Cuando las moléculas se mueven de esta manera, se dice que bajan su gradiente de concentración). La difusión es el movimiento de partículas desde un área de mayor concentración a un área de menor concentración. Un par de ejemplos comunes ayudarán a ilustrar este concepto. Imagina estar dentro de un baño cerrado. Si se rociara una botella de perfume, las moléculas de aroma se difundirían naturalmente desde el lugar donde dejaron la botella a todos los rincones del baño, y esta difusión continuaría hasta que no quede más gradiente de concentración. Otro ejemplo es una cucharada de azúcar colocada en una taza de té. Finalmente, el azúcar se difundirá por todo el té hasta que no quede ningún gradiente de concentración. En ambos casos, si la habitación es más cálida o el té más caliente, la difusión se produce aún más rápido a medida que las moléculas chocan entre sí y se extienden más rápido que a temperaturas más frías. Tener una temperatura corporal interna de alrededor de 98.6 ° F también ayuda a la difusión de partículas dentro del cuerpo.

Siempre que exista una sustancia en mayor concentración en un lado de una membrana semipermeable, como las membranas celulares, cualquier sustancia que pueda moverse hacia abajo en su gradiente de concentración a través de la membrana lo hará. Considere sustancias que pueden difundirse fácilmente a través de la bicapa lipídica de la membrana celular, como los gases oxígeno (O₂) y CO₂. El O₂ generalmente se difunde en las células porque está más concentrado fuera de ellas, y el CO₂ generalmente se difunde fuera de las células porque está más concentrado dentro de ellas. Ninguno de estos ejemplos requiere energía por parte de la célula y, por lo tanto, utilizan el transporte pasivo para moverse a través de la membrana.

Antes de continuar, debe revisar los gases que pueden difundirse a través de la membrana celular. Debido a que las células utilizan rápidamente el oxígeno durante el metabolismo, generalmente hay una menor concentración de O₂ dentro de la célula que fuera. Como resultado, el oxígeno se difundirá desde el líquido intersticial directamente a través de la bicapa lipídica de la membrana y hacia el citoplasma dentro de la célula. Por otro lado, debido a que las células producen CO₂ como un subproducto del metabolismo, las concentraciones de CO₂ aumentan dentro del citoplasma; por lo tanto, el CO₂ se moverá desde la célula a través de la bicapa lipídica hasta el líquido intersticial, donde su concentración es más baja. Este mecanismo de moléculas que se mueven a través de una membrana celular desde el lado donde están más concentradas hacia el lado donde están menos concentradas es una forma de transporte pasivo llamado difusión simple.

Difusión simple a través de la membrana celular (plasma): La estructura de la bicapa lipídica permite que sustancias pequeñas y sin carga, como oxígeno y dióxido de carbono, y moléculas hidrofóbicas como los lípidos, pasen a través de la membrana celular, bajando su gradiente de concentración, por simple difusión.

Las grandes moléculas polares o iónicas, que son hidrófilas, no pueden cruzar fácilmente la bicapa de fosfolípidos. Las moléculas polares muy pequeñas, como el agua, pueden cruzarse por difusión simple debido a su pequeño tamaño. Los átomos o moléculas cargados de cualquier tamaño no pueden atravesar la membrana celular mediante difusión simple, ya que las colas hidrofóbicas en el interior de la bicapa de fosfolípidos repelen las cargas. Los solutos disueltos en agua a ambos lados de la membrana celular tenderán a difundir sus gradientes de concentración, pero debido a que la mayoría de las sustancias no pueden pasar libremente a través de la bicapa lipídica de la membrana celular, su movimiento está restringido a canales de proteínas y mecanismos de transporte especializados en la membrana. . La difusión facilitada es el proceso de difusión utilizado para aquellas sustancias que no pueden cruzar la bicapa lipídica debido a su tamaño, carga y / o polaridad. Un ejemplo común de difusión facilitada es el movimiento de glucosa hacia la célula, donde se usa para producir ATP. Aunque la glucosa puede estar más concentrada fuera de una célula, no puede atravesar la bicapa lipídica por difusión simple porque es grande y polar. Para resolver esto, una proteína transportadora especializada llamada transportador de glucosa transferirá moléculas de glucosa a la célula para facilitar su difusión hacia adentro.

Difusión facilitada: (a) La difusión facilitada de sustancias que cruzan la membrana celular (plasma) se lleva a cabo con la ayuda de proteínas tales como proteínas de canal y proteínas transportadoras. Las proteínas del canal son menos selectivas que las proteínas transportadoras, y generalmente discriminan ligeramente entre su carga en función del tamaño y la carga. (b) Las proteínas transportadoras son más selectivas, a menudo solo permiten cruzar un tipo particular de molécula.

Como ejemplo, aunque los iones de sodio (Na⁺) están altamente concentrados fuera de las células, estos electrolitos están cargados y no pueden pasar a través de la bicapa lipídica no polar de la membrana. Su difusión se ve facilitada por proteínas de membrana que forman canales de sodio (o "poros"), de modo que los iones Na⁺ pueden moverse hacia abajo en su gradiente de concentración desde el exterior de las células hacia el interior de las células. Hay muchos otros solutos que deben someterse a una difusión facilitada para ingresar a una célula, como los aminoácidos, o para salir de una célula, como los desechos. Debido a que la difusión facilitada es un proceso pasivo, no requiere gasto de energía por parte de la célula.

El agua también puede moverse libremente a través de la membrana celular de todas las células, ya sea a través de canales de proteínas o deslizándose entre las colas de lípidos de la membrana misma. La ósmosis es la difusión de agua a través de una membrana semipermeable.

Osmosis: Es la difusión de agua a través de una membrana semipermeable por su gradiente de concentración. Si una membrana es permeable al agua, aunque no a un soluto, el agua igualará su propia concentración al difundirse al lado de menor concentración de agua (y por lo tanto al lado de mayor concentración de soluto). En el vaso de precipitados a la izquierda, la solución en el lado derecho de la membrana es hipertónica.

El movimiento de las moléculas de agua no está regulado por las células, por lo que es importante que las células estén expuestas a un entorno en el que la concentración de solutos fuera de las células (en el líquido extracelular) sea igual a la concentración de solutos dentro de las células (en el citoplasma). Se dice que dos soluciones que tienen la misma concentración de solutos son isotónicas (igual tensión). Cuando las células y sus entornos extracelulares son isotónicos, la concentración de moléculas de agua es la misma fuera y dentro de las células, y las células mantienen su forma (y función) normales.

La ósmosis ocurre cuando hay un desequilibrio de solutos fuera de una célula versus dentro de la célula. Se dice que una solución que tiene una mayor concentración de solutos que otra solución es hipertónica, y las moléculas de agua tienden a difundirse en una solución hipertónica. Las células en una solución hipertónica se contraerán a medida que el agua salga de la célula por ósmosis. En contraste, una solución que tiene una concentración más baja de solutos que otra solución se dice que es hipotónica, y las moléculas de agua tienden a difundirse fuera de una solución hipotónica. Las células en una solución hipotónica absorberán demasiada agua y se hincharán, con el riesgo de estallar eventualmente. Un aspecto crítico de la homeostasis en los seres vivos es crear un entorno interno en el que todas las células del cuerpo estén en una solución isotónica. Varios sistemas de órganos, particularmente los riñones, trabajan para mantener esta homeostasis.

Concentración de soluciones: Una solución hipertónica tiene una concentración de soluto más alta que otra solución. Una solución isotónica tiene una concentración de soluto igual a otra solución. Una solución hipotónica tiene una concentración de soluto más baja que otra solución.

Otro mecanismo además de la difusión para transportar pasivamente materiales entre compartimentos es la filtración. A diferencia de la difusión de una sustancia desde donde está más concentrada a menos concentrada, la filtración utiliza un gradiente de presión hidrostática que empuja el fluido, y los solutos dentro de él, desde un área de presión más alta a un área de presión más baja. La filtración es un proceso extremadamente importante en el cuerpo. Por ejemplo, el sistema circulatorio usa filtración para mover el plasma y las sustancias a través del revestimiento endotelial de los capilares y hacia los tejidos circundantes, suministrando nutrientes a las células. La presión de filtración en los riñones proporciona el mecanismo para eliminar los desechos del torrente sanguíneo.             

Transporte activo

Para todos los métodos de transporte descritos anteriormente, la célula no gasta energía. Las proteínas de membrana que ayudan en el transporte pasivo de sustancias lo hacen sin el uso de ATP. Durante el transporte activo, se requiere ATP para mover una sustancia a través de una membrana, a menudo con la ayuda de portadores de proteínas, y generalmente contra su gradiente de concentración.

Uno de los tipos más comunes de transporte activo involucra proteínas que sirven como bombas. La palabra "bomba" probablemente evoca pensamientos de usar energía para bombear el neumático de una bicicleta o una pelota de baloncesto. Del mismo modo, se requiere energía del ATP para que estas proteínas de membrana transporten sustancias (moléculas o iones) a través de la membrana, generalmente contra sus gradientes de concentración (desde un área de baja concentración a un área de alta concentración).

La bomba de sodio-potasio, que también se llama Na⁺/K⁺ ATPase, transporta el sodio fuera de una célula mientras mueve el potasio a la célula. La bomba de Na⁺/K⁺ es una bomba de iones importante que se encuentra en las membranas de muchos tipos de células. Estas bombas son particularmente abundantes en las células nerviosas, que constantemente bombean iones de sodio y atraen iones de potasio para mantener un gradiente eléctrico a través de sus membranas celulares. Un gradiente eléctrico es una diferencia en la carga eléctrica a través de un espacio. En el caso de las células nerviosas, por ejemplo, el gradiente eléctrico existe entre el interior y el exterior de la célula, con el interior cargado negativamente (a alrededor de -70 mV) en relación con el exterior. El gradiente eléctrico negativo se mantiene porque cada bomba de Na + / K + mueve tres iones Na⁺ fuera de la celda y dos iones K⁺ dentro de la celda por cada molécula de ATP que se usa. Este proceso es tan importante para las células nerviosas que representa la mayoría de su uso de ATP.

Bomba de sodio y potasio: Se encuentra en muchas membranas celulares (plasmáticas). Impulsada por ATP, la bomba mueve los iones de sodio y potasio en direcciones opuestas, cada uno contra su gradiente de concentración. En un solo ciclo de la bomba, se extraen tres iones de sodio y se importan dos iones de potasio a la célula.

Las bombas de transporte activas también pueden funcionar junto con otros sistemas de transporte activos o pasivos para mover sustancias a través de la membrana. Por ejemplo, la bomba de sodio-potasio mantiene una alta concentración de iones de sodio fuera de la célula. Por lo tanto, si la célula necesita iones de sodio, todo lo que tiene que hacer es abrir un canal de sodio pasivo, ya que el gradiente de concentración de los iones de sodio los conducirá a difundirse en la célula. De esta manera, la acción de una bomba de transporte activa (la bomba de sodio y potasio) potencia el transporte pasivo de iones de sodio al crear un gradiente de concentración. Cuando el transporte activo impulsa el transporte de otra sustancia de esta manera, se llama transporte activo secundario.

Los Symporters son transportadores activos secundarios que mueven dos sustancias en la misma dirección. Por ejemplo, el simportador de glucosa en sodio utiliza iones de sodio para "atraer" las moléculas de glucosa hacia la célula. Debido a que las células almacenan glucosa para obtener energía, la glucosa está típicamente en una concentración más alta dentro de la célula que afuera. Sin embargo, debido a la acción de la bomba de sodio y potasio, los iones de sodio se difundirán fácilmente en la célula cuando se abra el symporter. La inundación de iones de sodio a través del symporter proporciona la energía que permite que la glucosa se mueva a través del symporter y dentro de la célula, contra su gradiente de concentración.

Otras formas de transporte activo no implican portadores de membrana. La endocitosis (llevar "a la célula") es el proceso de una célula que ingiere material envolviéndolo en una porción de su membrana celular y luego pellizcando esa porción de membrana. Una vez pellizcado, la porción de membrana y su contenido se convierte en una vesícula intracelular independiente. Una vesícula es un saco membranoso, un orgánulo esférico y hueco limitado por una membrana bicapa lipídica. La endocitosis a menudo trae materiales a la célula que deben descomponerse o digerirse. La fagocitosis ("comer células") es la endocitosis de partículas grandes. Muchas células inmunes participan en la fagocitosis de los patógenos invasores. Al igual que los pequeños Pac-men, su trabajo es patrullar los tejidos del cuerpo en busca de materia no deseada, como invadir células bacterianas, fagocitarlas y digerirlas. A diferencia de la fagocitosis, la pinocitosis ("consumo de células") lleva líquido que contiene sustancias disueltas a una célula a través de las vesículas de membrana.

Tres formas de endocitosis: La endocitosis es una forma de transporte activo en el que una célula envuelve materiales extracelulares utilizando su membrana celular. (a) En la fagocitosis, que es relativamente no selectiva, la célula absorbe una gran partícula. (b) En la pinocitosis, la célula absorbe pequeñas partículas en el líquido. (c) En contraste, la endocitosis mediada por receptor es bastante selectiva. Cuando los receptores externos se unen a un ligando específico, la célula responde mediante endocitosis del ligando.

La fagocitosis y la pinocitosis absorben grandes porciones de material extracelular y, por lo general, no son muy selectivas en las sustancias que aportan. Las células regulan la endocitosis de sustancias específicas a través de la endocitosis mediada por receptores. La endocitosis mediada por receptores es la endocitosis de una porción de la membrana celular que contiene muchos receptores específicos para una determinada sustancia. Una vez que los receptores de la superficie se hayan unido a cantidades suficientes de la sustancia específica (el ligando del receptor), la célula endocitará la parte de la membrana celular que contiene los complejos receptor-ligando. El hierro, un componente requerido de la hemoglobina, es endocitosado por los glóbulos rojos de esta manera. El hierro está unido a una proteína llamada transferrina en la sangre. Los receptores específicos de transferrina en las superficies de los glóbulos rojos se unen a las moléculas de hierro-transferrina y la célula endocitosa los complejos receptor-ligando.

A diferencia de la endocitosis, la exocitosis (extracción "de la célula") es el proceso de un material de exportación de células que utiliza el transporte vesicular. Muchas células fabrican sustancias que deben secretarse, como una fábrica que fabrica un producto para la exportación. Estas sustancias se empaquetan típicamente en vesículas unidas a la membrana dentro de la célula. Cuando la membrana de la vesícula se fusiona con la membrana celular, la vesícula libera su contenido en el líquido intersticial. La membrana de la vesícula se convierte en parte de la membrana celular. Las células del estómago y el páncreas producen y secretan enzimas digestivas a través de la exocitosis. Las células endocrinas producen y secretan hormonas que se envían a todo el cuerpo, y ciertas células inmunes producen y secretan grandes cantidades de histamina, una sustancia química importante para las respuestas inmunes.

Exocitosis: es muy parecida a la endocitosis a la inversa. El material destinado a la exportación se empaqueta en una vesícula dentro de la célula. La membrana de la vesícula se fusiona con la membrana celular, y el contenido se libera en el espacio extracelular.

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