Transporte de Membrana

La función más importante de las proteínas de la membrana es la de medio de transporte para las distintas sustancias que entran y salen de la célula.    Existen varios tipos de proteínas integrales, las cuales principalmente se dedican al transporte de sustancias, por ejemplo hay transportadoras de iones ( ionóforos o canales iónicos ), transportadoras de sustancias orgánicas ( facilitadoras o carrier ) y transportadoras de agua ( acuaporinas )

En general el movimiento de estas sustancias  obedece a las mismas leyes que gobiernan las propiedades de la materia y la energía en el  universo. El movimiento de las sustancias se puede estudiar al aplicar la SEGUNDA LEY DE LA  TERMODINÁMICA o LEY DE LA ENTROPÍA, la cual dice que en cualquier sistema la dirección en  la que se mueven las sustancias depende de la concentración relativa de las mismas, de manera  que se favorezca el máximo grado de desorden al final. De esta manera y de forma gradual ( se  establece una gradiente ) las sustancias se van a mover de la zona en que se encuentran en mayor  cantidad ( concentración ) a la que tiene menor cantidad.     Así se puede estudiar diferentes tipos de  movimiento.

Difusión: Es la migración de partículas  en general a favor de la gradiente de  concentración, es decir desde donde se  encuentran en mayor cantidad hacia  donde se encuentran en menor cantidad.

Los fenómenos de difusión se puede  dividir en 2 tipos: 

DIÁLISIS: Consiste en el movimiento a  favor de la gradiente de sales o iones  por medio de IONÓFOROS o CANALES  IÓNICOS, que son proteínas integrales  que funcionan espontáneamente.

ÓSMOSIS:  La ósmosis e s el movimiento de agua desde una región MENOS CONCENTRADA DE SOLUTO (medio  HIPOTÓNICO ) a otra MÁS concentrada ( medio HIPERTÓNICO ). La ósmosis se realiza a través  de una proteína integral especializada que se conoce con el nombre de ACUAPORINA. En general  ambos fenómenos ( ósmosis y diálisis ) se producen a la vez.  

Las Acuaporinas (AQP). Canales para el paso de agua. Son proteiías de entre 250 y 300 aminoácidos que se organizan en seis segmentos de estructura a-hélice para forman un poro.

Aunque cada acuaporina constituye por sí sola un canal, en la membrana celular estas proteínas se ensamblan en grupos de cuatro unidades.

La mayoría de las MOLÉCULAS ORGÁNICAS DE IMPORTANCIA BIOLÓGICA no pueden atravesar  libremente la barrera lipídica por DIFUSIÓN SIMPLE. De modo similar, los iones que son de  importancia crucial en la vida de la célula no pueden difundir a través de la membrana. 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 y, tanto el tamaño como las cargas de los  agregados resultantes impiden que los iones se deslicen a través de aberturas momentáneas. 

Tanto la difusión facilitada como la difusión simple son impulsadas por una gradiente de  potencial químico. Las moléculas sin carga son transportadas simplemente a favor de la  gradiente, desde una región de mayor concentración a una de concentración menor. Pero, si el  soluto transportado tiene carga (iones) su transporte no sólo depende de su gradiente de  concentración sino también de la diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana  (diferencia de carga eléctrica a ambos lados de la membrana debida a la distribución desigual de  iones). 

La fuerza total que mueve el soluto en este caso es la resultante de la combinación de ambas  gradientes: eléctrica y el química. La gradiente resultante se denomina GRADIENTE  ELECTROQUÍMICA. Casi todas las membranas plasmáticas tienen una diferencia de potencial  eléctrico, llamado potencial de membrana, en el que el lado citoplasmático de la membrana es  negativo respecto al lado externo

Proteínas Canal

Son proteínas de transmembránicas que forman en su interior un canal, que permite el paso de iones. Estos canales se abren según un tipo de señal especifica. Dependiendo del tipo de señal encontramos:

Canales iónicos dependientes del ligando: El ligando ( sustancia química que  los activa ) se une a una región receptora en la proteína canal y de forma especifica, provocando cambios en su conformación que permiten la apertura del canal, y por tanto la difusión de iones. 

Canales iónicos voltaje-dependientes : Se abren en respuesta a los cambios de potencial de membrana, como ocurre en las neuronas, en donde la apertura y cierre de los canales de Na+ y K+ permite la propagación del impulso nervioso.

Canales iónicos mecanodependientes: Se activan en respuesta estímulos mecánicos como por ejemplo los que se producen por el roce de un tejido con una superficie o por un campo vibratorio.

DIFUSIÓN FACILITADA

Existe un tipo más de difusión en el cual se  transportan sustancias mas complejas, las  proteínas que realizan este transporte se  conocen como "CARRIER" y se encuentran en  la membrana plasmática o en la membrana  que rodea a las organelas siendo altamente  selectivas. Las proteínas "CARRIER" O

FACILITADORAS son muy similares a las  enzimas que son también altamente  selectivas.

El TRANSPORTE TRANSMEMBRÁNICO también se puede explicar de acuerdo a la dirección de en  la cual se trasporta y de acuerdo a la cantidad de sustancias transportadas, según se puede  apreciar en el siguiente esquema:

Estos mecanismos se pueden encontrar en  proteínas que transportan a favor de gradiente  y en las bombas, las cuales son proteínas que  funcionan en contra de gradiente.

TRANSPORTE ACTIVO:

Es el paso de sustancias químicas a través de la membrana por medio de proteínas integrales EN  CONTRA DE GRADIENTE. En la difusión simple y la difusión facilitada, las moléculas o iones se  mueven a favor de una gradiente electroquímica. La energía potencial de esta gradiente dirige  estos procesos que son, en lo que concierne a la célula, pasivos. En el transporte activo, por el  contrario, las moléculas o los iones se mueven contra una gradiente electroquímica. Para impulsar  el transporte activo es necesaria la energía liberada por reacciones químicas celulares, es decir se  invierte ATP o energía metabólica. 

Por ejemplo la bomba Na+ / K+, este tipo de  transporte necesita de energía ( ATP ). El  transporte activo requiere siempre un gasto  de energía, que en algunos casos es liberada  de la molécula de ATP y en otros casos  proviene de la energía potencial eléctrica  asociada con el gradiente de concentración  de un ión a través de la membrana. Por  ejemplo, la glucosa es transportada desde la luz del intestino al citoplasma de las células  del epitelio intestinal. Este proceso de  absorción de glucosa se realiza aunque la  concentración de glucosa sea mayor en el  interior de la célula, es decir contra su  gradiente de concentración. Este tipo de  transporte es un cotransporte de glucosa y  sodio (Na+). 

La BOMBA DE SODIO-POTASIO está presente en todas las células animales. La mayoría de las  células mantienen una gradiente de concentración de iones sodio (Na+) y potasio (K+) a través de  la membrana celular: el Na+ se mantiene a una concentración más baja dentro de la célula y el K+  se mantiene a una concentración más alta. El gradiente generado por la bomba tiene asociada una  energía potencial eléctrica que puede ser aprovechada en el transporte activo de otras sustancias  que deben atravesar la membrana contra gradiente de concentración. La energía para el  movimiento de la glucosa contra su gradiente de concentración es aportada por la energía  potencial eléctrica asociada al gradiente de concentración de Na+ generado, a su vez, por la  bomba de sodio-potasio.

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Active Transport



Passive Transport



Osmosis and Diffusion

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TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA

Estructura y Composición de la Membrana Plasmática

Para llevar a cabo las reacciones químicas necesarias en el mantenimiento de la vida, la célula necesita mantener un medio interno apropiado y que sea básicamente diferente del exterior. Esto es posible porque las células se encuentran separadas del mundo exterior por una estructura limitante, la membrana plasmática. La membrana plasmática es una estructura  que funciona como una cubierta celular.

Su principal función consiste en  que por medio de ella se puede regular el contenido de la célula. Puede hacer esto porque tanto los alimentos, los nutrientes, así como los desechos que la misma produce deben atravesar la membrana. La membrana, permite el paso de ciertas sustancias hacia la la célula pero impide el paso de otras.  Adicionalmente, las células eucariotas tienen membranas internas ( además de la membrana plasmática ) que forman y delimitan compartimentos.  Estos compartimentos  permiten que se llevan a cabo las actividades bioquímicas de la célula. Las restantes membranas también constituyen barreras selectivas para el pasaje de sustancias.  Estas estructuras membranosas reciben el nombre de Organelas.  Solamente las células eucariotas poseen organelas.

Para REGULAR el paso de sustancias la membrana se basa principalmente en su estructura química así como como la solubilidad de las partículas que la atraviesan en lípidos, la carga eléctrica de la partícula, principalmente.

Charles Ernest Overton, en 1895, descubrió que las sustancias liposolubles penetraban en las células más fácilmente que las que no lo eran. Además que la membrana presentaba gran resistencia al paso de la corriente eléctrica. Estos descubrimientos llevaron a que dedujera la existencia de una membrana formada por lípidos.   

Charles Ernest Overton (1865–1933)

En 1897, Irving Langmuir ( premio noble de química 1932 ) estudio el comportamiento de los fosfolípidos en agua y observó que los grupos polares se disponen perpendicularmente a ella.

Irving Langmuir ( 1881 – 1957 )

En el 1925, E. Gorter y F. Grendel extrajeron  los lípidos de la membrana del eritrocito, y al extenderlos sobre agua notaron que estos ocupaban una superficie dos veces mayor a la superficie del eritrocito, deduciendo de esta forma que la membrana estaba formada por una bicapa lipídica.

Kenneth Stewart Cole, en 1932, estudio la tensión superficial de las membranas de óvulos de erizo de mar y notó que era más pequeña que la tensión superficial teórica de la capa lipídica. En realidad es mayor pero se confundieron al hacer los cálculos, aunque su interpretación fue correcta concluyeron que la membrana plasmática tenía que estar formada por otros componentes además de los lípidos.

Kenneth Stewart Cole ( 1900 – 1984)

Para el año 1935,  Hugh Davson (1909 – 1996)  y James Frederic Danielli (1911 - 1984) , propusieron una estructura de la membrana en forma de emparedado en la que los fosfolípidos estarían en el centro formando una bicapa y estarían rodeados por proteínas y para que había habido intercambio propusieron poros en la membrana plasmática. Años después ( en 1959 ) Jammes David Robertson, formuló el concepto de unidad de membrana, que sugiere que todas las membranas son iguales, tanto las plasmáticas como las internas. Sin embargo hay componentes singulares en las diferentes membranas.

Jammes David Robertson ( 1923 - 1995)

Seymour Jonathan Singer & Garth Nicolson,  en 1972 propusieron el modelo de mosaico fluido de membrana, en  este modelo las proteínas, lípidos e hidratos de carbono se sitúan en una configuración estable. Los lípidos forman la bicapa lipídica y las proteínas adoptan una configuración en la membrana según la interacción de sus partes con las moléculas que las rodea.

Nicholson & Singer

Composición Química de la Membrana

La membrana plasmática se encuentra constituida principalmente por dos capas de Fosfolípidos, moléculas de Colesterol y diversos tipos de proteínas ( tanto proteínas simples como proteínas conjugadas )

Cuando se observa la membrana plasmática a través de micrografías, es posible observar una estructura densa – clara - densa. Básicamente, todas las células existentes parecen mostrar esta estructura de tres capas.

Propiedades de los componentes de membrana

Los fosfilópidos se disponen en una bicapa, la separación de la bicapa produce una capa externa capa E y una capa interna capa P, en principio ambas capas están formadas por los mismos tipos de fosfolípidos sin embargo la abundancia de los mismos varía según la capa

Los fosolípidos son moléculas que poseen la cualidad de poseer dos regiones distintas respecto a sus propiedades, la cabeza del fosfolípido es de naturaleza Hidrófila ( afin al agua ) y se encuentra formada por una molécula de glicerol, un grupo fosfato y una sustancia nitrogenada.  Esta estructura es de naturaleza polar  por lo que resulta soluble en agua.  

La otra región del fosfolípido se encuentra formada por dos cadenas de ácidos grasos y se representan como las “ patas “ de los fosfolípidos, esta región es más de naturaleza lipídica por lo que resulta insoluble en agua.  Por tanto los fosfolípidos presentan la capacidad de tener dos regiuones distintas en cuanto a su solubilidad.  Característica que les permite al disponerse en una bicapa, representar una barrera química para el agua ( y las sustancias solubles en ella ).

El colesterol

El nombre de «colesterol» procede del griego kole (bilis) y stereos (sólido), por haberse identificado por primera vez en los cálculos de la vesícula biliar por Chevreul quien le dio el nombre de «colesterina», término que solamente se conservó en el alemán (Cholesterin).   Es un lípido esteroide, constituida por cuatro anillos de carbono denominados A, B, C y D.  En la molécula de colesterol se puede distinguir una cabeza polar constituida por el grupo hidroxilo y una cola o porción no polar formada por los anillos y los sustituyentes alifáticos unidos a estos.

En las membranas las moléculas de colesterol se encuentran intercaladas entre los fosfolípidos, y su función principal es la de regular la fluidez de la bicapa inmovilizando las colas hidrofóbicas próximas a la regiones polares.

Proteínas de membrana

Las proteínas que se pueden encontrar en la membrana son principalmente de dos tipos:

1. Proteínas integrales: son aquellas que cruzan la membrana y aparecen a ambos lados de la bicapa. La mayor parte de estas proteínas son glicoproteinas ( unidas a carbohidratos ), en donde este carbohidrato de la molécula está siempre de cada al exterior de la célula

2. Proteínas periféricas: están no se extienden a lo ancho de la bicapa sino que están unidas a las superficies interna o externa de la misma y se separan fácilmente de la misma

La naturaleza de las proteínas de membrana determina su función:

Canales: proteínas integrales (generalmente glicoproteínas) que actúan como poros por los que determinadas sustancias pueden entrar o salir de la célula

Transportadoras: son proteínas que cambian de forma para dar paso a determinados productos (

Receptores: Son proteínas integrales que reconocen determinadas moléculas a las que se unen o fijan. Estas proteínas pueden identificar una hormona, un neurotransmisor o un nutriente que sea importante para la función celular. La molécula que se une al receptor se llama ligando.

Enzimas: pueden ser integrales o periféricas y sirven para catalizar reacciones a en la superficie de la membrana

Anclajes del citolesqueleto: son proteínas periféricas que se encuentran en la parte del citosol de la membrana y que sirven para fijar los filamentos del citoesqueleto.

Marcadores de la identidad de la célula: son glicoproteínas y glicolípidos características de cada individuo y que permiten identificar las células provenientes de otro organismo. Por ejemplo, las células sanguíneas tienen unos marcadores ABO que hacen que en una transfusión sólo sean compatibles sangres del mismo tipo. Al estar hacia el exterior las cadenas de carbohidratos de glicoproteínas y glicolípidos forma una especie de cubierta denominada glicocalix

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MEMBRANA PLASMATICA



Membrana Celular ( en inglés )



Fluid Mosaic Model

Para Leer Más

Modelo de Membrana
https://mmegias.webs.uvigo.es/5-celulas/ampliaciones/3-modelo-membrana.php

Membrana Celular
http://www.efn.uncor.edu/departamentos/divbioeco/anatocom/Biologia/Celula/Componentes%20celulares/Membrana%20celular.htm

la Membrana Celular
http://www.biologia.edu.ar/cel_euca/la_membrana_celular.htm

Videos Apoyo Membrana Celular

Videos que complementan el tema de estructura de la membrana plasmática