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3.5: Transporte Pasivo

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    Las membranas plasmáticas deben permitir que ciertas sustancias entren y salgan de una célula, al tiempo que evitan que entre material dañino y que salga material esencial. En otras palabras, las membranas plasmáticas son permeables selectivamente, permiten que algunas sustancias pasen pero no otras. Si perdieran esta selectividad, la célula ya no sería capaz de sostenerse, y sería destruida. Algunas células requieren mayores cantidades de sustancias específicas que otras células; deben tener una forma de obtener estos materiales a partir de los fluidos extracelulares. Esto puede suceder pasivamente, ya que ciertos materiales se mueven hacia adelante y hacia atrás, o la celda puede tener mecanismos especiales que aseguren el transporte. La mayoría de las células gastan la mayor parte de su energía, en forma de trifosfato de adenosina (ATP), para crear y mantener una distribución desigual de iones en los lados opuestos de sus membranas. La estructura de la membrana plasmática contribuye a estas funciones, pero también presenta algunos problemas.

    Las formas más directas de transporte de membrana son pasivas. El transporte pasivo es un fenómeno natural y no requiere que la célula gaste energía para lograr el movimiento. En el transporte pasivo, las sustancias se mueven de un área de mayor concentración a un área de menor concentración en un proceso llamado difusión. Se dice que un espacio físico en el que hay una concentración diferente de una sola sustancia tiene un gradiente de concentración.

    Permeabilidad Selectiva

    Las membranas plasmáticas son asimétricas, lo que significa que a pesar de la imagen especular formada por los fosfolípidos, el interior de la membrana no es idéntico al exterior de la membrana. Las proteínas integrales que actúan como canales o bombas funcionan en una dirección. Los carbohidratos, unidos a lípidos o proteínas, también se encuentran en la superficie exterior de la membrana plasmática. Estos complejos de carbohidratos ayudan a que la célula se una a las sustancias que la célula necesita en el líquido extracelular. Esto se suma considerablemente a la naturaleza selectiva de las membranas plasmáticas.

    Recordemos que las membranas plasmáticas tienen regiones hidrófilas e hidrófobas. Esta característica ayuda al movimiento de ciertos materiales a través de la membrana y dificulta el movimiento de otros. El material soluble en lípidos puede deslizarse fácilmente a través del núcleo lipídico hidrófobo de la membrana. Sustancias como las vitaminas liposolubles A, D, E y K pasan fácilmente a través de las membranas plasmáticas en el tracto digestivo y otros tejidos. Los fármacos liposolubles también obtienen una fácil entrada en las células y se transportan fácilmente a los tejidos y órganos del cuerpo. Las moléculas de oxígeno y dióxido de carbono no tienen carga y pasan por simple difusión.

    Las sustancias polares, a excepción del agua, presentan problemas para la membrana. Si bien algunas moléculas polares se conectan fácilmente con el exterior de una célula, no pueden pasar fácilmente a través del núcleo lipídico de la membrana plasmática. Adicionalmente, mientras que los iones pequeños podrían deslizarse fácilmente a través de los espacios en el mosaico de la membrana, su carga les impide hacerlo. Los iones como sodio, potasio, calcio y cloruro deben tener un medio especial para penetrar las membranas plasmáticas. Los azúcares simples y los aminoácidos también necesitan ayuda con el transporte a través de las membranas plasmáticas.

    Difusión

    La difusión es un proceso pasivo de transporte. Una sola sustancia tiende a moverse de un área de alta concentración a un área de baja concentración hasta que la concentración es igual a través del espacio. Usted está familiarizado con la difusión de sustancias a través del aire. Por ejemplo, piensa en alguien que abra una botella de perfume en una habitación llena de gente. El perfume está en su concentración más alta en la botella y está en su punto más bajo en los bordes de la habitación. El vapor de perfume se difundirá, o se extenderá, de la botella, y poco a poco, cada vez más personas olerán el perfume a medida que se propaga. Los materiales se mueven dentro del citosol de la célula por difusión, y ciertos materiales se mueven a través de la membrana plasmática por difusión (Figura\(\PageIndex{1}\)). La difusión no consume energía. Más bien, las diferentes concentraciones de materiales en diferentes áreas son una forma de energía potencial, y la difusión es la disipación de esa energía potencial a medida que los materiales bajan sus gradientes de concentración, de alto a bajo.

    La parte izquierda de esta ilustración muestra una sustancia en un lado de una membrana solamente. La parte media muestra que, después de algún tiempo, parte de la sustancia se ha difundido a través de la membrana plasmática. La parte derecha muestra que, después de más tiempo, una cantidad igual de la sustancia está a cada lado de la membrana.
    Figura\(\PageIndex{1}\): La difusión a través de una membrana permeable sigue el gradiente de concentración de una sustancia, desplazando la sustancia de un área de alta concentración a una de baja concentración. (crédito: modificación de obra de Mariana Ruiz Villarreal)

    Cada sustancia separada en un medio, como el fluido extracelular, tiene su propio gradiente de concentración, independiente de los gradientes de concentración de otros materiales. Adicionalmente, cada sustancia se difundirá de acuerdo a ese gradiente.

    Varios factores afectan la velocidad de difusión.

    • Extensión del gradiente de concentración: Cuanto mayor sea la diferencia de concentración, más rápida será la difusión. Cuanto más se acerca al equilibrio la distribución del material, más lenta se vuelve la velocidad de difusión.
    • Masa de las moléculas difundiendo: Las moléculas más masivas se mueven más lentamente, porque les resulta más difícil moverse entre las moléculas de la sustancia por la que se mueven; por lo tanto, se difunden más lentamente.
    • Temperatura: Las temperaturas más altas aumentan la energía y por lo tanto el movimiento de las moléculas, aumentando la velocidad de difusión.
    • Densidad del solvente: A medida que aumenta la densidad del solvente, la velocidad de difusión disminuye. Las moléculas se ralentizan porque tienen más dificultades para atravesar el medio más denso.

    CONCEPT EN ACCIÓN

    Para una animación del proceso de difusión en acción, vea este breve video sobre el transporte de membrana celular.

    Transporte facilitado

    En el transporte facilitado, también llamado difusión facilitada, el material se mueve a través de la membrana plasmática con la ayuda de proteínas transmembranales bajando por un gradiente de concentración (de concentración alta a baja) sin el gasto de energía celular. Sin embargo, las sustancias que sufren transporte facilitado no se difundirían de otro modo fácil o rápidamente a través de la membrana plasmática. La solución para mover sustancias polares y otras sustancias a través de la membrana plasmática descansa en las proteínas que abarcan su superficie. El material que se transporta se une primero a receptores de proteínas o glicoproteínas en la superficie exterior de la membrana plasmática. Esto permite que el material que necesita la célula se elimine del fluido extracelular. Las sustancias se pasan luego a proteínas integrales específicas que facilitan su paso, debido a que forman canales o poros que permiten que ciertas sustancias pasen a través de la membrana. Las proteínas integrales involucradas en el transporte facilitado se denominan colectivamente proteínas de transporte, y funcionan como canales para el material o vehículos.

    Osmosis

    La ósmosis es la difusión del agua a través de una membrana semipermeable de acuerdo con el gradiente de concentración del agua a través de la membrana. Mientras que la difusión transporta material a través de las membranas y dentro de las células, la ósmosis transporta solo agua a través de una membrana y la membrana limita la difusión de solutos en el agua. La ósmosis es un caso especial de difusión. El agua, al igual que otras sustancias, pasa de un área de mayor concentración a una de menor concentración. Imagínese un vaso de precipitados con una membrana semipermeable, separando los dos lados o mitades (Figura\(\PageIndex{2}\)). A ambos lados de la membrana, el nivel del agua es el mismo, pero hay diferentes concentraciones a cada lado de una sustancia disuelta, o soluto, que no puede atravesar la membrana. Si el volumen del agua es el mismo, pero las concentraciones de soluto son diferentes, entonces también hay diferentes concentraciones de agua, el disolvente, a cada lado de la membrana.

    Se muestran dos vasos de precipitados, cada uno dividido en mitades izquierda y derecha por una membrana semipermeable. El primer vaso tiene la misma cantidad de agua en ambos lados, pero más soluto en el agua en el lado derecho de la membrana y menos soluto en el agua en el lado izquierdo. En el segundo vaso de precipitados, el agua se ha movido del lado izquierdo de la membrana al lado derecho, haciendo que la concentración de soluto sea la misma en ambos lados, pero el nivel del agua mucho más bajo en el lado izquierdo.
    Figura\(\PageIndex{2}\): En ósmosis, el agua siempre se mueve de un área de mayor concentración (de agua) a una de menor concentración (de agua). En este sistema, el soluto no puede pasar a través de la membrana selectivamente permeable.

    Un principio de difusión es que las moléculas se mueven alrededor y se esparcirán uniformemente por todo el medio si pueden. Sin embargo, solo el material capaz de atravesar la membrana se difundirá a través de ella. En este ejemplo, el soluto no puede difundirse a través de la membrana, pero el agua sí. El agua tiene un gradiente de concentración en este sistema. Por lo tanto, el agua se difundirá por su gradiente de concentración, cruzando la membrana hacia el lado donde está menos concentrada. Esta difusión del agua a través de la membrana —osmosis— continuará hasta que el gradiente de concentración del agua llegue a cero. La ósmosis procede constantemente en los sistemas vivos.

    Tonicidad

    La tonicidad describe la cantidad de soluto en una solución. La medida de la tonicidad de una solución, o la cantidad total de solutos disueltos en una cantidad específica de solución, se llama su osmolaridad. Tres términos —hipotónico, isotónico e hipertónico— se utilizan para relacionar la osmolaridad de una célula con la osmolaridad del líquido extracelular que contiene las células. En una solución hipotónica, como el agua del grifo, el fluido extracelular tiene una concentración menor de solutos que el fluido dentro de la célula, y el agua ingresa a la célula. (En los sistemas vivos, el punto de referencia es siempre el citoplasma, por lo que el prefijo hipo - significa que el fluido extracelular tiene una menor concentración de solutos, o una osmolaridad menor, que el citoplasma celular.) También significa que el fluido extracelular tiene una mayor concentración de agua que la célula. En esta situación, el agua seguirá su gradiente de concentración y entrará en la celda. Esto puede hacer que una célula animal estalle o se lise.

    En una solución hipertónica (el prefijo hiper - se refiere al fluido extracelular que tiene una mayor concentración de solutos que el citoplasma de la célula), el fluido contiene menos agua que la célula, como el agua de mar. Debido a que la célula tiene una menor concentración de solutos, el agua saldrá de la célula. En efecto, el soluto está sacando el agua de la celda. Esto puede hacer que una célula animal se marchite o se crene.

    En una solución isotónica, el fluido extracelular tiene la misma osmolaridad que la célula. Si la concentración de solutos de la célula coincide con la del fluido extracelular, no habrá movimiento neto de agua dentro o fuera de la célula. Las células sanguíneas en soluciones hipertónicas, isotónicas e hipotónicas adquieren apariencias características (Figura\(\PageIndex{3}\)).

    CONEXIÓN ARTE

    Ilustración de glóbulos rojos en soluciones hipotónicas, isotónicas e hipertónicas. En la solución hipertónica, las células se marchitan y toman una apariencia puntiforme. En la solución isotónica, las células son de apariencia normal. En la solución hipotónica, las células se hinchan y una se ha roto.
    Figura\(\PageIndex{3}\): La presión osmótica cambia la forma de los glóbulos rojos en soluciones hipertónicas, isotónicas e hipotónicas. (crédito: modificación de obra de Mariana Ruiz Villarreal)

    Un médico inyecta a un paciente lo que el médico piensa que es solución salina isotónica. El paciente muere, y la autopsia revela que muchos glóbulos rojos han sido destruidos. ¿Crees que la solución que el doctor inyectó fue realmente isotónica?

    Algunos organismos, como plantas, hongos, bacterias y algunos protistas, tienen paredes celulares que rodean la membrana plasmática y previenen la lisis celular. La membrana plasmática sólo puede expandirse hasta el límite de la pared celular, por lo que la célula no lisará. De hecho, el citoplasma en las plantas es siempre ligeramente hipertónico en comparación con el ambiente celular, y el agua siempre entrará en una célula si hay agua disponible. Esta afluencia de agua produce presión de turgencia, que endurece las paredes celulares de la planta (Figura\(\PageIndex{4}\)). En plantas no leñosas, la presión de turgencia apoya a la planta. Si las células vegetales se vuelven hipertónicas, como ocurre en la sequía o si una planta no se riega adecuadamente, el agua saldrá de la célula. Las plantas pierden presión de turgencia en esta condición y se marchitan.

    La parte izquierda de esta imagen muestra una célula vegetal bañada en una solución hipertónica de manera que la membrana plasmática se ha alejado completamente de la pared celular, y la vacuola central se ha encogido. La parte media muestra una célula vegetal bañada en una solución isotónica; la membrana plasmática se ha alejado un poco de la pared celular y la vacuola central se ha encogido. La parte derecha muestra una célula vegetal en una solución hipotónica. La vacuola central es grande y la membrana plasmática se presiona contra la pared celular.
    Figura\(\PageIndex{4}\): La presión de turgencia dentro de una célula vegetal depende de la tonicidad de la solución en la que se baña. (crédito: modificación de obra de Mariana Ruiz Villarreal)

    Resumen de la Sección

    Las formas pasivas de transporte, difusión y ósmosis, mueven material de pequeño peso molecular. Las sustancias se difunden de áreas de alta concentración a áreas de baja concentración, y este proceso continúa hasta que la sustancia se distribuye uniformemente en un sistema. En soluciones de más de una sustancia, cada tipo de molécula se difunde según su propio gradiente de concentración. Muchos factores pueden afectar la velocidad de difusión, incluyendo el gradiente de concentración, los tamaños de las partículas que se están difundiendo y la temperatura del sistema.

    En los sistemas vivos, la difusión de sustancias dentro y fuera de las células está mediada por la membrana plasmática. Algunos materiales se difunden fácilmente a través de la membrana, pero otros se ven obstaculizados, y su paso solo es posible gracias a los canales y portadores de proteínas. La química de los seres vivos ocurre en soluciones acuosas, y equilibrar las concentraciones de esas soluciones es un problema continuo. En los sistemas vivos, la difusión de algunas sustancias sería lenta o difícil sin proteínas de membrana.

    Conexiones de arte

    Figura\(\PageIndex{3}\): Un médico inyecta a un paciente lo que cree que es solución salina isotónica. El paciente muere, y la autopsia revela que muchos glóbulos rojos han sido destruidos. ¿Crees que la solución que el doctor inyectó fue realmente isotónica?

    Contestar

    No, debió haber sido hipotónico, ya que una solución hipotónica provocaría que el agua entrara en las células, con lo que las haría estallar.

    Glosario

    gradiente de concentración
    un área de alta concentración frente a un área de baja concentración
    difusión
    un proceso pasivo de transporte de material de bajo peso molecular por su gradiente de concentración
    transporte facilitado
    un proceso mediante el cual el material desciende por un gradiente de concentración (de alta a baja concentración) usando proteínas integrales de membrana
    hipertónico
    describe una solución en la que el fluido extracelular tiene mayor osmolaridad que el fluido dentro de la célula
    hipotónico
    describe una solución en la que el fluido extracelular tiene menor osmolaridad que el fluido dentro de la célula
    isotónico
    describe una solución en la que el fluido extracelular tiene la misma osmolaridad que el fluido dentro de la célula
    osmolaridad
    la cantidad total de sustancias disueltas en una cantidad específica de solución
    ósmosis
    el transporte de agua a través de una membrana semipermeable de un área de alta concentración de agua a un área de baja concentración de agua a través de una membrana
    transporte pasivo
    un método de transporte de material que no requiere energía
    selectivamente permeable
    la característica de una membrana que permite pasar algunas sustancias pero no otras
    soluto
    una sustancia disuelta en otra para formar una solución
    tonicidad
    la cantidad de soluto en una solución.

    Colaboradores y Atribuciones


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