4. Procesos de transporte a través de la membrana

Avances tecnológicos de la región Las formas como se indagan las causas del problema biológico que se estudia desempeñan un papel muy importante en su identificación, que pueden conducir a la formulación lógica de la hipótesis, lo que también conlleva a un buen diseño del experimento para comprobar la hipótesis y consecuentemente al análisis e interpretación correctos de los datos que arroje la actividad experimental. Por eso, con justa razón se afirma que el éxito de la investigación depende de la indagación que se haga del problema biológico y del trabajo de laboratorio. La investigación se inicia con el planteamiento del problema, que motiva una revisión de la información bibliográfica disponible, para después formularse una explicación tentativa de resolución del problema (hipótesis) y proceder al diseño del experimento mediante un plan detallado que especifique el tipo de organismo, material y equipo que se utilizará en la experimentación, así como el procedimiento a seguir. La investigación termina con la información e interpretación de los resultados que se obtengan.

Aprende a ser con la biología

A continuación, emplea el método científico; diseña una investigación biológica que tenga como referencia algún avance tecnológico de tu región. Al final elabora un reporte sobre los resultados que obtengas.

4. PROCESOS DE TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA

Toda célula posee una membrana como barrera que delimita el exterior con su interior y que además le permite interactuar de forma selectiva con el medio que le rodea. A esta barrera se le conoce como membrana citoplasmática o celular. Esta capacidad que poseen las células de separar selectivamente dos medios diferentes la tienen también los órganos membranosos como el retículo endoplásmico, la membrana nuclear, el aparato de Golgi o las mitocondrias. En adelante nos referiremos en especial a las características y los mecanismos de transporte que suceden en la membrana citoplasmática. La membrana citoplasmática posee características moleculares específicas que evitan que el contenido celular escape y se mezcle con el exterior o que productos externos sean introducidos indiscriminadamente. De igual forma, tiene la capacidad de obtener nutrientes del medio y excretar los desechos, así como de muchos otros procesos de interacción con el exterior; incluso de comunicación con otras células.

Para realizar muchas de estas funciones se llevan a cabo mecanismos de transporte: simples y especializados. Para entender éstos se requiere comprender la estructura molecular de la membrana citoplasmática.

Estructura de la membrana

La membrana citoplasmática es delgada, transparente e inapreciable en el microscopio óptico, tanto que permite observar al interior de la célula el núcleo y otras estructuras.

Figura 1.13

Otra característica de la membrana es su plasticidad, la cual se hace evidente al puncionar la membrana con una pipeta especializada y no ponchar la célula, o como la capacidad de esta membrana de deformarse sin romperse y volver a su estado original, como sucede cuando la célula se reproduce. En 1972, S. Jonathan Singer y Garth Nicholson propusieron el modelo de mosaico fluido para la membrana citoplasmática, que es el más aceptado en la actualidad. Postula que la estructura de la membrana está formada por una bicapa lipídica con características moleculares particulares que le confieren fluidez, impermeabilidad y selectividad al mismo tiempo. A continuación describiremos algunas características de la membrana en las que radica parte de su función. La membrana está compuesta de una bicapa lipídica de un grosor cercano a los 5 nm (aproximadamente lo equivalente a 50 átomos). Estructura de la membrana plasmática con la bicapa lipídica y las proteínas. Los lípidos de esta bicapa lipídica son de naturaleza anfipática, es decir, poseen una cara hidrofílica (afín al agua) y otra hidrofóbica (repelente al agua). La porción hidrofílica de la molécula reside en la cabeza del lípido. La característica hidrofílica de la cabeza se debe a que aquí se encuentran moléculas polares (balance desigual de cargas positivas y negativas), lo que permite que reaccionen con el agua formando uniones electrostáticas y puentes de hidrógeno. La porción hidrofóbica está ubicada en las dos colas de la molécula. Éstas poseen moléculas apolares, lo que significa que sus átomos no poseen (o poseen poca) carga, por lo que no pueden interactuar con el agua. Los lípidos más abundantes en la membrana citoplasmática son los llamados fosfolípidos. En éstos la cabeza hidrofílica está unida a las colas hidrofóbicas por un grupo fosfato. Existen muchos tipos de fosfolípidos, el más representativo en la membrana es el conocido como fosfatidilcolina, su cabeza hidrofílica está compuesta por una molécula de colina unida al grupo fosfato. En la membrana, además de los lípidos, existen otras moléculas anfipáticas como el colesterol y los glucolípidos. Por otra parte, la membrana cuenta con proteínas dispuestas de diversas formas (fig. 1.13) y cuyas funciones son: • Proteínas de transporte. Permiten el paso selectivo de elementos hacia fuera y hacia adentro de la célula. • Proteínas receptoras. Permiten el acoplamiento de moléculas que funcionan como señales químicas de diferentes procesos metabólicos, endocrinológicos, inmunológicos, nerviosos, etcétera. • Enzimas. Catalizan diferentes reacciones desde la membrana citoplasmática. • De unión. Permiten la interacción célula-célula. Estas proteínas pueden estar dispuestas en la membrana de las siguientes formas: • Proteínas transmembranales. Atraviesan de un lado al otro (interior-exterior) a la membrana y poseen también regiones hidrofóbicas e hidrofílicas.

• Proteínas citosólicas. Se encuentran en la cara interna de la membrana, en contacto con ella y con el citoplasma. • Proteínas externas. Se localizan fuera de la membrana en contacto con ella y con la matriz extracelular. • Proteínas unidas a otras proteínas. Son proteínas citosólicas o externas en contacto con proteínas transmembranales.

Transporte a través de la membrana

Transporte pasivo Toda célula requiere el intercambio de material por medio del transporte a través de su membrana para crecer, desarrollarse y reproducirse, ya que gracias a este proceso se pueden obtener nutrientes del medio, excretar los desechos e interactuar con otras células. El transporte de diferentes iones y moléculas a través de la membrana, se da por medio del empleo de sistemas que requieran gasto de energía (transporte activo) o con sistemas que no lo requieran (transporte pasivo). En el transporte pasivo, el desplazamiento de los elementos es siempre a favor de gradiente, es decir, se dirigen de un lugar de mayor concentración a uno de menor para obtener, al final, un equilibrio entre ambos. Del transporte pasivo existen tres modalidades principales: ósmosis, difusión y difusión facilitada.

Ósmosis Para entender este proceso necesitamos definir algunos términos. En el ambiente celular el agua es considerada el solvente universal, en ésta están disueltos diversos iones y moléculas a los cuales se les conoce como solutos. Si se tienen dos soluciones, una con mayor concentración de solutos (y menor cantidad de agua o solvente) y otra con menor cantidad de soluto (y mayor cantidad de solvente), entonces decimos que la primera es una solución hipertónica y la segunda es hipotónica. Las células eucariotas normalmente viven en soluciones isotónicas; es decir, que se guarda la misma tonicidad o mantiene equilibrada la concentración de soluto y solvente entre la célula y el medio exterior (fig. 1.14). Como sabemos, la barrera que separa el medio exterior del interior de la célula es la membrana citoplasmática, que al ser semipermeable permite el paso de ciertos elementos como el agua. Esto lo logra ya sea por medio de la difusión simple o a través de proteínas llamadas canales. Si una célula se encuentra en un medio hipertónico (con mayor cantidad de soluto que solvente), el agua del interior de la célula (que es un medio isotónico) se encuentra en mayor cantidad en comparación al exterior (y parece hipotónico). Por tanto, el agua intracelular trataría de difundirse hacia el exterior, en otras palabras, el agua se desplazaría del sitio donde se encuentra en mayor cantidad hacia el sitio con menor cantidad, a este proceso se le conoce como ósmosis (fig. 1.15).

Evaluación formativa

Indica la respuesta correcta. 1. Es la composición de la membrana citoplasmática, según el modelo del mosaico fluido. ( ) a) Una bicapa lipídica con moléculas de proteínas b) Una bicapa de proteínas con moléculas de lípidos c) Una capa de fosfolípidos y diversos tipos de proteínas d) Una capa de proteínas y diversos tipos de lípidos 2. Origen de la naturaleza anfipática de los lípidos de la membrana. ( ) a) Su cabeza es hidrofílica y sus dos colas hidrofóbicas b) Su cabeza es apolar y sus dos colas polares c) Sus dos colas reaccionan con el agua y su cabeza no d) Sus dos colas tienen carga eléctrica y su cabeza no 3. Son proteínas que permiten el paso del material que la célula requiere o elimina a través de la membrana. ( ) a) Receptora b) De unión c) De transporte d) Enzimas

Figura 1.14 Ósmosis, efecto de soluciones a) isotónicas, b) hipertónicas y c) hipertónicas sobre eritrocitos.

Figura 1.15 Ósmosis, las moléculas de agua se desplazan a favor de su gradiente de concentración, de un punto con mayor número de moléculas de agua hacia donde hay una menor cantidad.

Figura 1.16 Figura 1 1.16 Difusión a través de membrana En el caso anterior, la célula sufriría pérdida de su volumen, deformándose y tornándose arrugada, y, finalmente, se colapsaría; a esto se le llama estado de plasmólisis. Por otro lado, si se coloca una célula en un medio hipotónico (con mayor concentración de agua que de soluto) el interior de la célula que es isotónico tendría mayor cantidad de soluto y menor cantidad de agua, en relación con su exterior parecería hipertónica. Por tanto, el agua exterior tendería a desplazarse hacia el interior de la célula (del sitio con mayor número de moléculas de agua hacia el sitio con menor cantidad) y propiciaría el fenómeno conocido como estado de turgencia; es decir, la célula se hinchará y reventará por el exceso de agua. La ósmosis se define como el proceso de transporte pasivo de moléculas de agua a través de una membrana semipermeable, y siempre a favor de su gradiente de concentración (la dirección del transporte va de la solución hipotónica a otra hipertónica con respecto a la primera), hasta lograr el estado de equilibrio y sin gasto de energía.

Difusión La difusión se define como el paso libre de moléculas pequeñas y no polares a través de la membrana y a favor de un gradiente de concentración y sin gasto de energía (fig. 1.16). Los ejemplos clásicos de moléculas que difunden a través de membranas son el oxígeno y el dióxido de carbono. En menor grado algunas moléculas polares sin carga, como el agua y el etanol.

Ejemplo de moléculas que difunden con mayor dificultad son el glicerol y la glucosa. Moléculas que no pueden ser difundidas son los iones y moléculas cargadas.

DIFUSIÓN Y ÓSMOSIS

Objetivo

• Identificar los procesos de difusión y ósmosis como transporte pasivo.

Consideraciones teóricas

El transporte pasivo es el acarreo de moléculas a favor del gradiente de concentración, es decir, de un medio de mayor concentración molecular a uno de menor concentración, sin gasto de energía. Los procesos de difusión y ósmosis se realizan por transporte pasivo. El proceso de difusión consiste en el movimiento de las moléculas o iones de su medio de mayor a menor concentración tendiente a igualar las diferencias y alcanzar un equilibrio. Por ósmosis se realiza el movimiento de las moléculas de un solvente, generalmente agua, de su medio de mayor a menor concentración a través de una membrana semipermeable, hasta alcanzar el estado de equilibrio.

Material

• Vaso de precipitado • Cristales de sulfato de cobre • Embudo de separación • Buche de gallina, membrana de colodión o papel celofán

Procedimiento

En un vaso de precipitado con agua coloca algunos cristales de sulfato de cobre; observa qué sucede, registra tus observaciones y explica la causa de la reacción. Cubre la boca de un embudo de separación con buche de gallina, membrana de colodión u hoja de celofán, perfectamente sujeta con una liga. En el interior del embudo (en forma invertida) introduce una sustancia que contenga algún colorante (medio hipertónico). Introduce la parte del embudo donde se encuentra colocado el buche de gallina, membrana de colodión o papel celofán dentro de un vaso de precipitado que contenga agua destilada (medio hipotónico). Sujeta el embudo con un soporte universal y registra tus observaciones. Elabora un reporte general de la práctica.

Difusión facilitada Este tipo de transporte emplea proteínas canales o proteínas transportadoras sin gasto de energía y a favor de un gradiente de concentración, que continúa hasta el equilibrio, al no requerir energía también se trata de un transporte pasivo (fig. 1.17).

Figura 1.17 Cuando la molécula se une a la proteína de transporte, ésta cambia su forma y facilita el paso de la molécula a través de la membrana.

Las proteínas transportadoras poseen partes móviles y sufren un cambio en su conformación tridimensional mientras desplazan la molécula que difunden. El desplazamiento de moléculas a través de estas proteínas transportadoras se basa en la capacidad de los solutos de “encajar” a un sitio de unión de las proteínas. Las proteínas de canal forman poros hidrofílicos por los que pa- san las moléculas que difunden. El desplazamiento de moléculas a través de estas proteínas de canal se basa en el tamaño y la carga eléctrica de la molécula.

Transporte activo Se define como transporte activo el desplazamiento a través de una membrana de iones o moléculas en contra de su gradiente de concentración o de su potencial eléctrico, para lo cual necesita un gasto

de energía (fig. 1.18). El transporte activo lo podemos clasificar en primario y secundario dependiendo de la naturaleza de su fuente de energía. Transporte activo primario. Este sistema emplea como fuente de energía la hidrólisis del ATP. Son las clásicas bombas, por ejemplo, la bomba de sodio-potasio. En este tipo de transporte la bomba posee un sitio de unión con uno de los fosfatos del ATP, después de la hidrólisis del ATP hacia ADP + Pi, el Pi se queda en la molécula transportadora y se induce el cambio conformacional de ésta para permitir la entrada o salida del elemento a transportar. Transporte activo secundario. Emplea como fuente de energía la almacenada como producto del gradiente químico y no al ATP.

Figura 1.18 Transporte activo. Las proteínas transportadoras de la membrana transfieren las moléculas hacia adentro o fuera de la célula, en contra del gradiente de concentración, con gasto de energía.

Estas bombas, al movilizar iones y moléculas en contra de su gradiente de concentración, generan una diferencia entre la concentración iónica citosólica y la extracelular, produciendo así gradientes iónicos a través de membrana. Las proteínas encargadas del transporte secundario movilizan una molécula o ion en contra de su gradiente de concentración, al mismo tiempo que desplazan uno o más iones (en el mismo sentido o sentido contrario), pero éste sí va a favor de su gradiente de concentración. Existen dos tipos de estas proteínas: Antiporte. Estas proteínas transportadoras desplazan una molécula o ion en contra de su gradiente de concentración, y al mismo tiempo mueven en sentido contrario uno o más iones a favor de su gradiente de concentración (fig. 1.19). Simporte. Estas proteínas transportadoras desplazan una molécula o ion en contra de su gradiente de concentración, y simultáneamente mueven en el mismo sentido uno o más iones a favor de su gradiente de concentración (fig. 1.20).

Evaluación formativa

Parte I. Elabora un análisis comparativo sobre las características, función y proceso del transporte pasivo y transporte activo; posteriormente, explica en qué consiste y cómo se da el fenómeno de la ósmosis utilizando diversos ejemplos de la vida cotidiana, finalmente, menciona cuál es la importancia que ésta tiene en la fisiología celular de los seres vivos. Parte II. Relaciona ambas columnas. Escribe en cada paréntesis la letra de la opción correcta. 1. Es un medio hipertónico. ( ) a) El que contiene menor cantidad de solutos b) El que contiene mayor cantidad de solutos c) La sustancia con mayor cantidad de solvente d) La sustancia con cantidades iguales de soluto y solvente 2. Propicia en la célula el estado de plasmólisis. ( ) a) Pérdida de agua después de colocarse en un medio hipertónico b) Incremento de agua después de colocarse en un medio hipertónico c) Cuando mantiene equilibrada la concentración de soluto y solvente d) El medio externo hipotónico, el interno hipertónico 3. Es el transporte pasivo de moléculas de agua en su medio de mayor a menor concentración a través de una membrana semipermeable. ( ) a) Difusión b) Difusión facilitada c) Ósmosis d) Simporte 4. Proceso de desplazamiento de moléculas, sin gasto de energía a favor de un gradiente de concentración, por medio de proteínas de transporte, que al cambiar su forma facilita el paso a través de la membrana. ( ) a) Ósmosis b) Difusión c) Difusión facilitada d) Antiporte 5. Es el acarreo de iones o moléculas a través de la membrana en contra de su gradiente de concentración con gasto de energía. ( ) a) Difusión c) Transporte pasivo b) Difusión facilitada d) Transporte activo

Figura 1.19 Transporte activo secundario del tipo antiporte. Las moléculas son desplazadas en sentido contrario. Fuente: http://www.vscht.cz/eds/knihy/ uid_es-002/figures/antiport.01.jpg

Figura 1.20 Transporte activo secundario del tipo simporte. Las moléculas son desplazadas en el mismo sentido. Fuente: http://www.vscht.cz/eds/knihy/ uid_es-002/figures/antiport.01.jpg