Transporte por vesículas

vesículas junto al Aparato de Golgi

Las vesículas son organelas que forma un compartimento, separado del citosol por una bicapa lipídica similar a la Membrana Plasmática. Son por lo general una membrana que se forma de manera natural como resultado de las propiedades de los distintos lípidos de membrana ( como los fosfolípidos por ejemplo).  Este tipo de estructuras lipídicas son similares a las micelas ( formadas por una sola capa de fosfolípidos ), pero reciben el nombre de liposomas ( por tener dos capas de fosfolípidos )

La mayoría de las vesículas se han especializado en funciones concretas las cuales dependen de los materiales que contienen. En general la función de las vesículas es almacenar, transportar o digerir productos y residuos celulares. Son una herramienta fundamental de la célula para la organización del metabolismo.   Muchas vesículas se originan principalmente desde en el Aparato de Golgi, sin embargo también pueden provenir de  los retículos  endoplasmáticos, o se forman a partir de partes de la membrana plasmática.

El cruce a través de la membrana celular, con o sin ayuda de proteínas de transporte, es uno de  los principales modos en que las sustancias entran y salen de la célula, pero no es el único. Hay  otro tipo de proceso de transporte que involucra vesículas que se forman a partir de la membrana  celular o se fusionan con ella. Por ejemplo, las vesículas se mueven desde los COMPLEJOS DE  GOLGI a la SUPERFICIE de la célula. Cuando una vesícula alcanza la superficie celular, su  membrana se fusiona con la membrana citoplasmática y expulsa su contenido al exterior. Este  proceso es conocido como EXOCITOSIS. El transporte por medio de vesículas también puede  operar en sentido contrario. En la 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.

 

esquema de los principales mecanismos de transporte transmembránico

Siempre las fibras del citoesqueleto ( principalmente las de  actina y miosina ) intervienen en el proceso de transporte vesicular.

CLASIFICACIÓN DEL TRANSPORTE VESICULAR

En general ( en muchos sitios donde se discute el tema en la WEB y en los mismos textos ) se confunde la clasificación del transporte por vesículas.  Se clasifica de acuerdo a dos criterios:

LA SUSTANCIA TRANSPORTADA:  Pinocitosis y Fagocitosis

LA DIRECCIÓN DEL TRANSPORTE:  Exocitosis y Endocitosis

TRANSPORTE SEGÚN LA SUSTANCIA TRANSPORTADA

Se reconocen dos formas distintas la FAGOCITOSIS ("cuerpo comiendo"), la   PINOCITOSIS ("cuerpo bebiendo"), además se presenta la ENDOCITOSIS MEDIADA POR RECEPTORES, en ésta ultima se puede dar la PINOCITOSIS o bien la FAGOCITOSIS; todas  ellas  requieren energía.

FAGOCITOSIS.

En la FAGOCITOSIS, se da el transporte ( hacia afuera o hacia adentro ) de sustancias sólidas o partículas de gran tamaño.

En la entrada de sustancias el contacto entre la  membrana plasmática y una partícula sólida  induce la formación de prolongaciones celulares  ( pseudópodos, lobópodos o alguna otra variación ), que envuelven la partícula, englobándola en una  vesícula. Luego, uno o varios lisosomas se  fusionan con la misma y vacían sus ENZIMAS  HIDROLÍTICAS en el interior.  

La FAGOCITOSIS también se puede dar en el sentido contrario, cuando una célula se deshace de un sólido, como por ejemplo la salida de cristales en muchas células vegetales.

PINOCITOSIS

La PINOCITOSIS es un proceso que  permite a determinadas células y organismos  unicelulares obtener del exterior, para alimentarse  o para otro fin, líquidos orgánicos y sustancias disueltas en éstos. En la  PINOCITOSIS, la membrana celular se invagina,  formando una vesícula alrededor del líquido del  medio externo que será incorporado a la célula. Se  puede observar en células especializadas en la  función nutritiva, por ejemplo las de la mucosa  intestinal.

ENDOCITOSIS MEDIADA POR RECEPTORES

En la ENDOCITOSIS MEDIADA por receptores, las  sustancias que serán transportadas al interior de la  célula deben primero acoplarse a las moléculas  receptoras específicas. Los receptores se  encuentran concentrados en zonas particulares de  la membrana (depresiones) o se agrupan después  de haberse unido a las moléculas que serán  transportadas. Cuando las depresiones están llenas  de receptores ( por ejemplo clatrina ) con sus moléculas especificas  unidas, se ahuecan y se cierran formando una  vesícula .

TRANSCITOSIS.

Es el conjunto de fenómenos que permiten a una sustancia atravesar todo el citoplasma celular desde un polo al otro de la célula. Implica el doble proceso endocitosis-exocitosis. Es propio de células endoteliales que constituyen los capilares sanguíneos, transportándose así las sustancias desde el medio sanguíneo hasta los tejidos que rodean los capilares.

TRANSPORTE SEGÚN LA SUSTANCIA DIRECCION

El transporte vesicular según la dirección se divide en:  EXOCITOSIS (  cuerpo afuera ) y la  ENDOCITOSIS ( cuerpo adentro ),

ENDOCITOSIS

La endocitosis es un proceso celular, por el que la célula introduce moléculas grandes o partículas, y lo hace englobándolas en una invaginación de la membrana plasmática, formando una vesícula que termina por desprenderse e incorporarse al citoplasma.  

EXOCITOSIS

La exocitosis es el proceso celular por el cual las vesículas situadas en el citoplasma se fusionan con la membrana citoplasmática y liberan su contenido. Esto sucede cuando llega una señal extracelular.  La exocitosis se observa en muy diversas células secretoras, tanto en la función de excreción como en la función endocrina.

Para leer más
Membrana Plasmática
http://www.genomasur.com/lecturas/Guia04.htm

Tráfico vesicular  EXOCITOSIS
http://webs.uvigo.es/mmegias/5-celulas/5-exocitosis.php

Tráfico vesicular ENDOCITOSIS
http://webs.uvigo.es/mmegias/5-celulas/5-endocitosis.php

MECANISMOS DE TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA
http://edu.jccm.es/ies/alonsoquijano/PaginaVieja/websdelosdepartamentos/webdebiologiaygeologia/biologia/transporte_membrana.htm

Videos

Amoeba Feeds! ( FAGOCITOSIS )



Endocytosis & Exocytosis



exocitosis



Receptor-Mediated Endocytosis



Transcitosis

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.

Videos

Transporte de membrana




Transporte de membrana



Active Transport



Passive Transport



Osmosis and Diffusion

Para leer más

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La membrana y el Transporte celular

TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA

Estudio de la Osmosis

Estudio de las Membranas biológicas

Para poder cumplir con sus funciones, las células deben mantener un estado más o menos constante en medio de un ambiente generalmente cambiante. Para mantener la homeostasis, la membrana celular se encarga de regular el flujo de materiales dentro y fuera de la célula.  Algunas de estas sustancias pueden pasar con facilidad, mientras que a otras el paso a través de la membrana les resulta un asunto más complicado.  Precisamente por este fenómeno, y por el hecho de que no todas las sustancias químicas puedan atravesar la membrana plasmática, se define a esta última como poseedora de una permeabilidad diferencial.  Los ambientes interno y externo de una célula son soluciones acuosas en donde se hallan disueltos iones, moléculas inorgánicas y una gran variedad de compuestos orgánicos. 

El movimiento de sustancias se hace en la mayoría de las veces a favor de gradiente químico y en forma espontánea, es decir de regiones en donde estas moléculas se encuentran en alta concentración a regiones donde su concentración es menor.  Por ejemplo cuando un gas se libera en una habitación, eventualmente se distribuirá homogéneamente por todo el espacio de la misma, y cuando un cristal de sal ( NaCl ) se disuelve en un volumen de agua, los iones de sodio y cloruro se distribuirán uniformemente en el volumen de agua.  Este tipo de difusión, que resulta del movimiento azaroso de las moléculas del soluto y del solvente que no requieren de la adición de energía, se conoce como difusión pasiva.

El movimiento de los iones en la solución que circunda la célula a través de la membrana se conoce con el nombre de diálisis ( en nuestro caso difusión ) y se efectúa espontáneamente a favor de gradiente de concentración.

Existe también un tipo de difusión en donde las partículas del soluto se mueven en contra de gradiente de concentración, pero para que este fenómeno se lleve a cabo se requiere de la intervención de energía adicional, esto se conoce con el nombre de transporte activo.  Por ejemplo los eritrocitos humanos contienen aproximadamente 30 veces más potasio que su ambiente inmediato externo, el plasma sanguíneo.  Esto ocurre porque el potasio es trasladado en contra de gradiente por proteínas de membrana en el caso del transporte activo como la bomba sodio potasio.

Un caso especial de difusión que ocurre en los sistemas biológicos es la ósmosis.  La definición más simple para este fenómeno es simplemente el paso de moléculas de agua a través de la membrana semipermeable de una región en donde se hallan en mayor concentración a otra región en donde se hallen en menor concentración.

Estos dos fenómenos ( la difusión y la ósmosis ) son resultado de la actividad cinética de las moléculas o los iones involucrados, sin embrago también se ven afectadas por una variedad de otros factores como por ejemplo la temperatura del medio, la masa molecular y el tamaño de las moléculas involucradas,  además factores propios de las moléculas como por ejemplo su solubilidad relativa y estructura química.  

El objetivo de esta práctica es el de familiarizar al estudiante con los fenómenos de difusión y ósmosis, y examinar algunos factores que tienden a regularlos.

Parte A: Difusión

En una probeta de 50 mL con agua deje caer un cristal de una sal coloreada ( permanganato de potasio). Deje en reposo.  Observe la  difusión a intervalos diferentes durante el período de laboratorio.  Anote los resultados de la difusión.  

 Difusión del permangantao de Potasio

En la segunda parte tome 5 tubos de ensayo grandes y numérelos, llénelos hasta un 75% con agua a temperatura ambiente.   Agregue a cada uno un número de gotas de colorante igual al número del tubo de ensayo ( 1 gota en el tubo 1, 2 gotas en el tubo 2 y así sucesivamente ).   Mida el intervalo de tiempo en el que se llevó a cabo la difusión completa del colorante a través de todo el tubo.  Esto será llamado velocidad de difusión.  Repita este procedimiento para cada tubo de ensayo. Anote sus resultados. ¿ A qué conclusión llega respecto de la velocidad de difusión respecto a la concentración ? Repita el procedimiento anterior pero ahora con agua a  45 C. Haga un gráfico lineal donde pueda comparar el efecto de la temperatura en la velocidad de difusión.

Parte B: Turgencia y plasmólisis de los eritrocitos

Con una lanceta esterilizada, haga una pequeña incisión en la yema de un dedo.

 

Tome una muestra de sangre y distribúyala en tres portaobjetos agregue luego una gota de diferentes soluciones de NaCl 0,30%, 0,85% y 4,00% respectivamente.

Observe alrededor las gotas de sangre al microscopio en amplificación de alto poder.  Compare el aspecto y el tamaño de los eritrocitos, dibújelos.

Anote sus resultados.   ¿ Qué resultados obtuvo en esta parte ? Explique en qué fundamenta su hipótesis.

Video de Eritrocitos en un medio hipotónico

 

Video de Eritrocitos en un medio hipertónico

Video Isotonic Solution, Hypertonic Solution, Hypotonic Solution

Parte C: Turgencia y plasmólisis en hojas de Elodea 

Coloque en cada uno de los tres portaobjetos de la sección anterior un trozo de Elodea  y agregue una gota de solución 0,30 %, 0,85 % y 4,00 % de NaCl respectivamente. Enfoque la primera en alto poder, se puede observar como algunas de sus células muestran un movimiento citoplasmático llamado ciclosis.

Video de la ciclosis

El citoplasma que es transparente muestra con claridad los cloroplastos.  Al seguir el movimiento de los cloroplastos se puede rastrear el movimiento citoplasmático, mientras se desplaza dentro de la pared celular.   Dibuje una célula de Elodea indicando el movimiento citoplasmático intracelular. Rotule todas las partes que pueda identificar.  Esa hoja de Elodea que se observó se encuentra en una gota de agua, lo cual es un medio hipotónico con respecto al protoplasma de las células.  El agua puede pasar libremente a través de la membrana y pared celular y la célula está  turgente. 

Elodea 400X Medio Hipotónico 0,30% 

Repita el procedimiento para los dos portaobjetos restantes.

Elodea 400X Medio Isotónico 0,85% 

Elodea 400X Medio Hipertónico 4,00%