3.1: La Membrana Celular

Objetivos de aprendizaje

• Describir los componentes moleculares que componen la membrana celular
• Explicar las principales características y propiedades de la membrana celular
• Diferenciar entre materiales que pueden y no pueden difundir a través de la bicapa lipídica
• Comparar y contrastar diferentes tipos de transporte pasivo con el transporte activo, proporcionando ejemplos de cada

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 tu piel separa tu 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 entrar o salir.

Estructura y Composición de la Membrana Celular

La membrana celular es una estructura extremadamente flexible compuesta principalmente por fosfolípidos espalda con espalda (una “bicapa”). También está presente el colesterol, lo que contribuye a la fluidez de la membrana, y existen diversas 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 lado a lado de ácidos grasos que componen las colas lipídicas (Figura\(\PageIndex{1}\)). El grupo fosfato está cargado negativamente, haciendo 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 tanto de los ambientes extracelulares como intracelulares. Las colas lipídicas, por otro lado, están sin carga, o no polares, y son hidrofóbicas, o “temerosas del agua”. Una molécula hidrófoba (o región de una molécula) 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 tanto, moléculas anfipáticas. Una molécula anfipática es aquella que contiene tanto una región hidrófila como una hidrófoba. De hecho, el jabón funciona para eliminar las manchas de aceite y grasa porque tiene propiedades anfipáticas. La porción hidrófila puede disolverse en agua mientras que la porción hidrófoba puede atrapar grasa en micelas que luego se pueden lavar.

Figura\(\PageIndex{1}\): Estructura de fosfolípidos. Una molécula de fosfolípido consiste en una “cabeza” de fosfato polar, que es hidrófila y una “cola” lipídica no polar, que es hidrofóbica. Los ácidos grasos insaturados producen torceduras en las colas hidrofóbicas.

La membrana celular consiste en dos capas adyacentes de fosfolípidos. Las colas lipídicas de una capa se enfrentan a las colas lipídicas de la otra capa, reuniéndose en la interfaz de las dos capas. Las cabezas de fosfolípidos se enfrentan hacia afuera, una capa expuesta al interior de la célula y una capa expuesta al exterior (Figura Fluido\(\PageIndex{2}\)). Because the phosphate groups are polar and hydrophilic, they are attracted to water in the intracellular fluid. 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. Líquido intersticial (IF) es el término que se le da al fluido 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 fosfolipídica. Una característica importante de la membrana es que permanece fluida; los lípidos y proteínas en la membrana celular no están rígidamente bloqueados en su lugar.

Figura\(\PageIndex{2}\): Bicapa Fospolipídea. La bicapa de fosfolípidos consiste en dos láminas adyacentes de fosfolípidos, dispuestas cola a cola. Las colas hidrófobas se asocian entre sí, formando el interior de la membrana. Las cabezas polares entran en contacto con el fluido dentro y fuera de la célula.

Proteínas de membrana

La bicapa lipídica forma la base de la membrana celular, pero está rociada con diversas proteínas. Dos tipos diferentes de proteínas que se asocian comúnmente con la membrana celular son las proteínas integrales y la proteína periférica (Figura\(\PageIndex{3}\)). Como su nombre 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, pasen dentro o fuera de la célula.

Figura\(\PageIndex{3}\): Membrana Celular. La membrana celular de la célula es una bicapa de fosfolípidos que contiene muchos componentes moleculares diferentes, incluyendo 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 pueda ser reconocida por otras células. 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 canal iónico. Un ejemplo de una interacción receptor-ligando son los receptores en las células nerviosas que se unen a 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 integrales de membrana son glicoproteínas. Una glicoproteína es una proteína que tiene moléculas de carbohidratos unidas, las cuales se extienden hacia la matriz extracelular. Las etiquetas de carbohidratos unidas en las glicoproteínas ayudan en el reconocimiento celular. Los carbohidratos que se extienden a partir de proteínas de membrana e incluso de algunos lípidos de membrana forman colectivamente el glicocáliz. El glicocáliz es un recubrimiento de apariencia borrosa alrededor de la célula formado a partir de glicoproteínas y otros carbohidratos unidos a la membrana celular. El glicocáliz puede tener diversos papeles. Por ejemplo, puede tener moléculas que permiten que la célula se una a otra célula, puede contener receptores para hormonas, o podría tener enzimas para descomponer los nutrientes. Los glicocalices que se encuentran 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 pertenencia al cuerpo de la persona. Esta identidad es la principal manera en que las células de defensa inmune de una persona “saben” no atacar a las propias 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 incluyendo azúcares, ácidos grasos y aminoácidos; y productos de desecho, particularmente dióxido de carbono (CO ₂) , que deberá salir de la celda.

La estructura bicapa lipídica de la membrana proporciona el primer nivel de control. Los fosfolípidos están estrechamente empaquetados 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 cumplan ciertos criterios pasen a través de ella sin ayuda. En el caso de la membrana celular, solo materiales relativamente pequeños y no polares 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, gases de oxígeno y dióxido de carbono, y alcohol. Sin embargo, los materiales solubles en agua, como la glucosa, los aminoácidos y los electrolitos, necesitan algo de ayuda para cruzar la membrana porque son repelidos por las colas hidrófobas de la bicapa fosfolipídica. Todas las sustancias que se mueven a través de la membrana lo hacen por uno de dos métodos generales, los cuales 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. En contraste, el transporte activo es el movimiento de sustancias a través de la membrana utilizando energía del trifosfato de adenosina (ATP).

Transporte Pasivo

Para entender cómo las sustancias se mueven pasivamente a través de una membrana celular, es necesario comprender los gradientes de concentración y 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 se distribuyen 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 de 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. Eventualmente el azúcar se difundirá por todo el té hasta que no quede gradiente de concentración. En ambos casos, si la habitación está más cálida o el té más caliente, la difusión se produce aún más rápido ya que las moléculas chocan entre sí y se extienden más rápido que a temperaturas más frías. Tener una temperatura corporal interna alrededor de 98.6 ° F, por lo tanto, 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 bajar su gradiente de concentración a través de la membrana lo hará. Considera sustancias que pueden difundirse fácilmente a través de la bicapa lipídica de la membrana celular, como los gases oxígeno (O ₂) y CO ₂. O ₂ generalmente se difunde en las células porque está más concentrado fuera de ellas, y el CO ₂ normalmente se difunde fuera de las células porque está más concentrado dentro de ellas. Ninguno de estos ejemplos requiere energía alguna por parte de la célula, y por lo tanto utilizan el transporte pasivo para moverse a través de la membrana.

Antes de continuar, es necesario revisar los gases que pueden difunderse a través de una membrana celular. Debido a que las células consumen rápidamente el oxígeno durante el metabolismo, normalmente hay una concentración más baja de O ₂ dentro de la célula que en el exterior. Como resultado, el oxígeno se difundirá desde el fluido 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 CO ₂ como subproducto del metabolismo, las concentraciones de CO ₂ se elevan dentro del citoplasma; por lo tanto, el CO ₂ se moverá de la célula a través de la bicapa lipídica y al líquido intersticial, donde su la concentración es menor. Este mecanismo de dispersión de moléculas desde donde están más concentradas hasta donde están menos concentradas es una forma de transporte pasivo llamada difusión simple (Figura\(\PageIndex{4}\)).

Figura\(\PageIndex{4}\): Difusión simple a través de la membrana celular (plasma). La estructura de la bicapa lipídica permite que solo pequeñas sustancias no polares como el oxígeno y el dióxido de carbono pasen a través de la membrana celular, bajando su gradiente de concentración, por simple difusión.

Los solutos disueltos en agua a ambos lados de la membrana celular tenderán a difundirse por 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 se restringe a canales proteicos y transporte especializado mecanismos en la membrana. La difusión facilitada es el proceso de difusión utilizado para aquellas sustancias que no pueden atravesar la bicapa lipídica debido a su tamaño y/o polaridad (Figura\(\PageIndex{5}\)). A common example of facilitated diffusion is the movement of glucose into the cell, where it is used to make ATP. Although glucose can be more concentrated outside of a cell, it cannot cross the lipid bilayer via simple diffusion because it is both large and polar. To resolve this, a specialized carrier protein called the glucose transporter will transfer glucose molecules into the cell to facilitate its inward diffusion.

Figura\(\PageIndex{5}\): Difusión facilitada. a) La difusión facilitada de sustancias que cruzan la membrana celular (plasmática) se lleva a cabo con la ayuda de proteínas como las proteínas de canal y las proteínas transportadoras. Las proteínas de canal son menos selectivas que las proteínas transportadoras, y generalmente discriminan levemente 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 sodio (Na ⁺) están altamente concentrados fuera de las células, estos electrolitos están polarizados 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 manera que los iones Na ⁺ pueden bajar su gradiente de concentración desde el exterior de las células hasta el interior de las células. Hay muchos otros solutos que deben sufrir difusión facilitada para entrar en 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 proteicos o deslizándose entre las colas lipídicas de la membrana misma. La ósmosis es la difusión del agua a través de una membrana semipermeable (Figura\(\PageIndex{6}\)).

Figura\(\PageIndex{6}\): Osmosis. La ósmosis es la difusión del 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 difundiéndola al lado de menor concentración de agua (y por lo tanto al lado de mayor concentración de soluto). En el vaso de precipitados de la izquierda, la solución del lado derecho de la membrana es hipertónica.

El movimiento de las moléculas de agua no está regulado en sí mismo por las células, por lo que es importante que las células estén expuestas a un ambiente en el que la concentración de solutos fuera de las células (en el fluido 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 ambientes 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 (Figura\(\PageIndex{7}\)). Las células en una solución hipertónica se marcharán a medida que el agua salga de la célula por ósmosis. Por el contrario, una solución que tiene una menor concentración 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 tomarán demasiada agua y se hincharán, con el riesgo de estallar eventualmente. Un aspecto crítico de la homeostasis en los seres vivos es crear un ambiente interno en el que todas las células del cuerpo estén en una solución isotónica. Diversos sistemas de órganos, particularmente los riñones, trabajan para mantener esta homeostasis.

Figura\(\PageIndex{7}\): Concentración de Soluciones. Una solución hipertónica tiene una concentración de soluto mayor que otra solución. Una solución isotónica tiene una concentración de soluto igual a otra solución. Una solución hipotónica tiene una concentración de soluto menor 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 al fluido, y a los solutos dentro de él, de un área de mayor presión a un área de menor presión. La filtración es un proceso extremadamente importante en el cuerpo. Por ejemplo, el sistema circulatorio utiliza la filtración para mover el plasma y las sustancias a través del revestimiento endotelial de los capilares y hacia los tejidos circundantes, suministrando los 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 celda 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 básquetbol. De manera similar, 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 hasta un área de alta concentración).

La bomba de sodio-potasio, que también se llama Na ⁺ /K ⁺ ATPasa, transporta el sodio fuera de una célula mientras mueve el potasio hacia la célula. La bomba Na ⁺ /K ⁺ es una bomba de iones importante que se encuentra en las membranas de muchos tipos de celdas. Estas bombas son particularmente abundantes en las células nerviosas, que están constantemente bombeando iones de sodio y tirando de 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, estando el interior cargado negativamente (alrededor de -70 mV) con respecto al exterior. El gradiente eléctrico negativo se mantiene debido a que cada bomba Na ^{+ /K +} mueve tres iones Na ⁺ fuera de la célula y dos iones K ⁺ hacia la célula por cada molécula de ATP que se utiliza (Figura\(\PageIndex{8}\) ). Este proceso es tan importante para las células nerviosas que representa la mayor parte de su uso de ATP.

Figura\(\PageIndex{8}\): Bomba de Sodio-Potasio. La bomba de sodio-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 extruyen tres iones de sodio y se importan dos iones de potasio a la celda.

Las bombas de transporte activo también pueden trabajar 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 sodio, todo lo que tiene que hacer es abrir un canal pasivo de sodio, ya que el gradiente de concentración de los iones de sodio los impulsará a difundirse en la célula. De esta manera, la acción de una bomba de transporte activa (la bomba de sodio-potasio) potencia el transporte pasivo de iones de sodio mediante la creación de un gradiente de concentración. Cuando el transporte activo alimenta el transporte de otra sustancia de esta manera, se denomina transporte activo secundario.

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

Por el contrario, los antitransportadores son sistemas secundarios de transporte activo que transportan sustancias en direcciones opuestas. Por ejemplo, el antiportador de iones sodio-hidrógeno utiliza la energía de la inundación interna de iones de sodio para mover los iones de hidrógeno (H ⁺) fuera de la célula. El antitransportador de sodio-hidrógeno se utiliza para mantener el pH del interior de la célula.

Otras formas de transporte activo no involucran portadores de membrana. La endocitosis (introducir “dentro de la célula”) es el proceso de una célula que ingiere material envolviéndola en una porción de su membrana celular, y luego pellizcando esa porción de membrana (Figura\(\PageIndex{9}\)). 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 unido por una membrana bicapa lipídica. La endocitosis a menudo trae materiales a la célula que deben descomponerse o digerirse. La fagocitosis (“alimentación de células”) es la endocitosis de partículas grandes. Muchas células inmunes participan en la fagocitosis de patógenos invasores. Al igual que los pequeños Pac-men, su trabajo es patrullar los tejidos corporales en busca de materia no deseada, como invadir células bacterianas, fagocitarlas y digerirlas. A diferencia de la fagocitosis, la pinocitosis (“consumo de células”) lleva líquidos que contienen sustancias disueltas a una célula a través de vesículas de membrana.

Figura\(\PageIndex{9}\): 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 partícula grande. (b) En la pinocitosis, la célula absorbe pequeñas partículas en líquido. (c) Por el contrario, la endocitosis mediada por receptores es bastante selectiva. Cuando los receptores externos se unen a un ligando específico, la célula responde endocitando el ligando.

La fagocitosis y la pinocitosis toman grandes porciones de material extracelular y, por lo general, no son altamente 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 por una porción de la membrana celular que contiene muchos receptores que son específicos para una determinada sustancia. Una vez que los receptores de superficie han unido cantidades suficientes de la sustancia específica (el ligando del receptor), la célula endocitotizará 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 se une 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.

En contraste con la endocitosis, la exocitosis (sacar “de la célula”) es el proceso de una célula exportadora de material mediante transporte vesicular (Figura\(\PageIndex{10}\)). Muchas células fabrican sustancias que deben ser secretadas, 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 vesicular se convierte entonces en parte de la membrana celular. Las células del estómago y páncreas producen y secretan enzimas digestivas mediante exocitosis (Figura\(\PageIndex{11}\)). Las células endocrinas producen y secretan hormonas que se envían por todo el cuerpo, y ciertas células inmunes producen y secretan grandes cantidades de histamina, una sustancia química importante para las respuestas inmunitarias.

Figura\(\PageIndex{10}\): Exocitosis. La exocitosis es muy parecida a la endocitosis a la inversa. El material destinado a la exportación se envasa en una vesícula dentro de la célula. La membrana de la vesícula se fusiona con la membrana celular y los contenidos se liberan en el espacio extracelular.

Figura\(\PageIndex{11}\): Productos enzimáticos de células pancreáticas. Las células acinares pancreáticas producen y secretan muchas enzimas que digieren los alimentos. Los diminutos gránulos negros en esta micrografía electrónica son vesículas secretoras llenas de enzimas que serán exportadas de las células vía exocitosis. LM × 2900. (Micrografía proporcionada por la Facultad de Medicina Regentes de la Universidad de Michigan © 2012)

ENFERMEDADES DE LA...

Celular: Fibrosis Quística

La fibrosis quística (FQ) afecta aproximadamente a 30,000 personas en Estados Unidos, con alrededor de 1,000 nuevos casos reportados cada año. La enfermedad genética es más conocida por su daño a los pulmones, causando dificultades respiratorias e infecciones pulmonares crónicas, pero también afecta al hígado, páncreas e intestinos. Hace apenas 50 años, el pronóstico para los niños nacidos con FQ era muy sombrío, una esperanza de vida rara vez superior a los 10 años. Hoy en día, con los avances en el tratamiento médico, muchos pacientes con FQ viven hasta los 30 años.

Los síntomas de la FQ son el resultado de un mal funcionamiento del canal iónico de la membrana llamado regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística, o CFTR. En personas sanas, la proteína CFTR es una proteína integral de membrana que transporta iones Cl ^— fuera de la célula. En una persona que tiene FQ, el gen para el CFTR está mutado, así, la célula fabrica una proteína de canal defectuosa que normalmente no se incorpora a la membrana, sino que es degradada por la célula.

El CFTR requiere ATP para funcionar, haciendo de su transporte Cl ^— una forma de transporte activo. Esta característica desconcertó a los investigadores durante mucho tiempo porque los iones Cl ^— en realidad están fluyendo por su gradiente de concentración cuando se transportan fuera de las células. El transporte activo generalmente bombea iones contra su gradiente de concentración, pero el CFTR presenta una excepción a esta regla.

En el tejido pulmonar normal, el movimiento de Cl ^—fuera de la célula mantiene un ambiente rico en Cl ^—, cargado negativamente inmediatamente fuera de la célula. Esto es particularmente importante en el revestimiento epitelial del sistema respiratorio. Las células epiteliales respiratorias secretan moco, que sirve para atrapar polvo, bacterias y otros desechos. Un cilio (plural = cilios) es uno de los apéndices similares a pelos que se encuentran en ciertas células. Los cilios en las células epiteliales mueven el moco y sus partículas atrapadas por las vías respiratorias lejos de los pulmones y hacia el exterior. Para poder moverse efectivamente hacia arriba, el moco no puede ser demasiado viscoso; más bien debe tener una consistencia fina y acuosa. El transporte de Cl ^— y el mantenimiento de un ambiente electronegativo fuera de la célula atraen iones positivos como Na ⁺ al espacio extracelular. La acumulación de iones Cl ^— y Na ⁺ en el espacio extracelular crea moco rico en solutos, que tiene una baja concentración de moléculas de agua. Como resultado, a través de la ósmosis, el agua se mueve de las células y la matriz extracelular al moco, “adelgazándolo”. Es así como, en un sistema respiratorio normal, la mucosidad se mantiene suficientemente diluida para ser impulsada fuera del sistema respiratorio.

Si el canal CFTR está ausente, los iones Cl ^— no se transportan fuera de la célula en números adecuados, evitando así que extraigan iones positivos. La ausencia de iones en el moco secretado resulta en la falta de un gradiente normal de concentración de agua. Por lo tanto, no hay presión osmótica que arrastre el agua hacia el moco. El moco resultante es espeso y pegajoso, y el epitelio ciliado no puede eliminarlo efectivamente del sistema respiratorio. Los pasadizos en los pulmones se bloquean con moco, junto con los escombros que transporta. Las infecciones bacterianas ocurren más fácilmente porque las células bacterianas no son transportadas de manera efectiva de los pulmones.

Revisión del Capítulo

La membrana celular proporciona una barrera alrededor de la célula, separando sus componentes internos del entorno extracelular. Está compuesto por una bicapa fosfolipídica, con “colas” lipídicas internas hidrofóbicas y “cabezas” de fosfato externas hidrofílicas. Diversas proteínas de membrana se encuentran dispersas por toda la bicapa, ambas insertadas dentro de ella y unidas a ella periféricamente. La membrana celular es selectivamente permeable, permitiendo que solo un número limitado de materiales se difunda a través de su bicapa lipídica. Todos los materiales que cruzan la membrana lo hacen mediante procesos de transporte pasivos (que no requieren energía) o activos (que requieren energía). Durante el transporte pasivo, los materiales se mueven por simple difusión o por difusión facilitada a través de la membrana, bajando su gradiente de concentración. El agua pasa a través de la membrana en un proceso de difusión llamado ósmosis. Durante el transporte activo, la energía se gasta para ayudar al movimiento del material a través de la membrana en una dirección contra su gradiente de concentración. El transporte activo puede realizarse con la ayuda de bombas de proteínas o mediante el uso de vesículas.

Preguntas de Enlace Interactivo

Visita este enlace para ver la difusión y cómo es impulsada por la energía cinética de las moléculas en solución. ¿Cómo afecta la temperatura a la velocidad de difusión y por qué?

Respuesta: Las temperaturas más altas aceleran la difusión porque las moléculas tienen más energía cinética a temperaturas más altas.

Preguntas de revisión

P. Debido a que están incrustados dentro de la membrana, los canales iónicos son ejemplos de ________.

A. proteínas receptoras

B. proteínas integrales

C. proteínas periféricas

D. glicoproteínas

Respuesta: B

P. La difusión de sustancias dentro de una solución tiende a mover esas sustancias ________ su gradiente ________.

A. arriba; eléctrico

B. arriba; electroquímico

C. abajo; presión

D. abajo; concentración

Respuesta: D

P. Las bombas de iones y la fagocitosis son ejemplos de ________.

A. endocitosis

B. transporte pasivo

C. transporte activo

D. difusión facilitada

Respuesta: C

P. Escoja la respuesta que mejor complete la siguiente analogía: La difusión es ________ ya que la endocitosis es a ________.

A. filtración; fagocitosis

B. ósmosis; pinocitosis

C. solutos; fluido

D. gradiente; energía química

Respuesta; B

Preguntas de Pensamiento Crítico

P. ¿Qué materiales pueden difunderse fácilmente a través de la bicapa lipídica y por qué?

A. Solo los materiales relativamente pequeños y no polares pueden difundirse fácilmente a través de la bicapa lipídica. Las partículas grandes no pueden encajar entre los fosfolípidos individuales que se empaquetan juntos, y las moléculas polares son repelidas por los lípidos hidrófobos/no polares que recubren el interior de la bicapa.

P. ¿Por qué se dice que la endocitosis mediada por receptores es más selectiva que la fagocitosis o la pinocitosis?

A. La endocitosis mediada por receptores es más selectiva porque las sustancias que se llevan a la célula son los ligandos específicos que podrían unirse a los receptores endocitosos. La fagocitosis o pinocitosis, por otro lado, no tienen tal especificidad receptor-ligando, y traen cualquier material que suceda que esté cerca de la membrana cuando está envuelta.

P. ¿Qué tienen en común la ósmosis, la difusión, la filtración y el movimiento de iones lejos de una carga similar? ¿De qué manera se diferencian?

A. Estos cuatro fenómenos son similares en el sentido de que describen el movimiento de sustancias por un determinado tipo de gradiente. La ósmosis y difusión implican el movimiento del agua y otras sustancias por sus gradientes de concentración, respectivamente. La filtración describe el movimiento de las partículas por un gradiente de presión, y el movimiento de iones lejos de carga similar describe su movimiento hacia abajo en su gradiente eléctrico.

Glosario

transporte activo

forma de transporte a través de la membrana celular que requiere entrada de energía celular

anfipático

describe una molécula que exhibe una diferencia de polaridad entre sus dos extremos, dando como resultado una diferencia en la solubilidad en agua

membrana celular

membrana que rodea todas las células animales, compuesta por una bicapa lipídica intercalada con diversas moléculas; también conocida como membrana plasmática

proteína de canal

proteína que abarca la membrana que tiene un poro interno que permite el paso de una o más sustancias

gradiente de concentración

diferencia en la concentración de una sustancia entre dos regiones

difusión

movimiento de una sustancia de un área de mayor concentración a una de menor concentración

gradiente eléctrico

diferencia en la carga eléctrica (potencial) entre dos regiones

endocitosis

importación de material en la célula mediante la formación de una vesícula unida a la membrana

exocitosis

exportación de una sustancia fuera de una célula mediante la formación de una vesícula unida a la membrana

Fluido extracelular (ECF)

líquido exterior a las células; incluye el líquido intersticial, el plasma sanguíneo y el líquido que se encuentran en otros depósitos en el cuerpo

difusión facilitada

difusión de una sustancia con la ayuda de una proteína de membrana

glicocáliz

recubrimiento de moléculas de azúcar que rodea la membrana celular

glicoproteína

proteína que tiene uno o más carbohidratos unidos

hidrofílico

describe una sustancia o estructura atraída por el agua

hidrofóbico

describe una sustancia o estructura repelida por el agua

hipertónico

describe una concentración de solución que es mayor que una concentración de referencia

hipotónico

describe una concentración de solución que es menor que una concentración de referencia

proteína integral

proteína asociada a membrana que abarca todo el ancho de la bicapa lipídica

líquido intersticial (IF)

líquido en los pequeños espacios entre las células no contenidas dentro de los vasos sanguíneos

líquido intracelular (ICF)

líquido en el citosol de las células

isotónico

describe una concentración de solución que es la misma que una concentración de referencia

ligando

molécula que se une con especificidad a una molécula receptora específica

ósmosis

difusión de moléculas por su concentración a través de una membrana selectivamente permeable

transporte pasivo

forma de transporte a través de la membrana celular que no requiere entrada de energía celular

proteína periférica

proteína asociada a membrana que no abarca el ancho de la bicapa lipídica, sino que está unida periféricamente a proteínas integrales, lípidos de membrana u otros componentes de la membrana

fagocitosis

endocitosis de partículas grandes

pinocitosis

endocitosis de líquido

receptor

molécula de proteína que contiene un sitio de unión para otra molécula específica (llamada ligando)

endocitosis mediada por receptores

endocitosis de ligandos unidos a receptores unidos a membrana

permeabilidad selectiva

característica de cualquier barrera que permita que ciertas sustancias crucen pero excluya otras

bomba de sodio-potasio

(también, Na ⁺ /K ⁺ ATP-asa) bomba de proteínas incrustadas en la membrana que utiliza ATP para mover Na ⁺ fuera de una célula y K ⁺ dentro de la célula

vesícula

estructura unida a membrana que contiene materiales dentro o fuera de la celda