31 Enero 2017 | 9 mins | rivel_co Membrana

Como el contenido celular está completamente rodeado por su membrana, toda comunicación entre la célula y el exterior, está mediada por su estructura. Por lo tanto, la membrana debe conservar los materiales disueltos dentro de la célula para que no escapen, y debe permitir el intercambio necesario de materiales hacia dentro y fuera de la célula.

Se conocen varios procesos diferentes mediante los cuales las sustancias se desplazan a través de las membranas:

• Difusión simple por la bicapa lipídica
• Difusión simple por un conducto acuoso recubierto por proteína
• Difusión facilitada por un transportador proteínico
• Transporte activo que requiere una bomba proteínica impulsada por energía

• Permeabilidad de bicapas lipídicas
• Canales iónicos
• Difusión facilitada
• Transporte activo

Permeabilidad de bicapas lipídicas

El interior hidrófobo de la bicapa lipídica crea una barrera para el paso de la mayoría de las moléculas hidrófilas, incluidos los iones. En general, cuanto menor sea el tamaño de la molécula y mayor sea la solubilidad en aceite (cuanto más hidrófoba o no polar sea) mayor será su velocidad de difusión a través de la membrana. De aquí, podemos decir que:

• Las moléculas no polares pequeñas, como el oxígeno molecular y el dióxido de carbono, se disuelven con rapidez en la bicapa lipídica, y en consecuencia, difunden con rapidez a través de ella.
• Las moléculas polares sin carga, también difunden con rapidez a través de una bicapa lipídica si su tamaño es lo suficientemente pequeño.
• Al contrario, las bicapas lipídicas son muy impermeables a todos los iones y moléculas cargadas por más pequeñas que sean.

Las membranas celulares permiten el paso del agua y las moléculas no polares pequeñas mediante la difusión simple.

Algunos conceptos

Difusión

Proceso espontáneo en el que una sustancia se desplaza de una región de alta concentración a otra de baja concentración, lo que al final elimina la diferencia de concentración entre las dos regiones.

Gradiente químico

Es determinado por la diferencia en la concentración de la sustancia entre ambos compartimentos.

Gradiente de potencial eléctrico

Establecido por la diferencia en la carga.

Gradiente electroquímico

Combinación de gradiente químico y gradiente eléctrico.

Coeficiente de partición

Medida simple de la polaridad o no polaridad de una sustancia.

Proporción entre la solubilidad de una sustancia en un solvente no polar (como octanol o un aceite vegetal) y su solubilidad en agua en condiciones en las que el solvente no polar y el agua están mezclados.

Membrana semipermeable

Diferencia o distinción de una membrana en la penetrabilidad del agua frente a los solutos.

Hipertónico

Sinónimo de hiperosmótico.

Cuando dos compartimentos con distinta concentración de un soluto se separan por una membrana semipermeable, se dice que el compartimento con la mayor concentración de soluto es hipertónico en relación con el compartimento con menor concentración de soluto.

Hipotónico

Sinónimo de hipoosmótico

Cuando dos compartimentos con distinta concentración de un soluto se separan por una membrana semipermeable, se dice que el compartimento con la menor concentración de soluto es hipotónico en relación con el compartimento con mayor concentración de soluto.

Isotónico

Sinónimo de isoosmótico

Cuando dos compartimentos con la misma concentración de un soluto se separan por medio de una membrana semipermeable, se dice que los compartimentos son isotónicos en relación uno con otro.

Presión de turgencia

Presión interna en una célula que empuja contra la pared circundante, es decir, al exterior.

Plasmólisis

Proceso en el que la membrana plasmática se separa de la pared celular circundante, por ejemplo si se coloca una célula vegetal en un medio hipertónico.

Conductancia

Movimiento rápido de iones a través de la membrana.

Canales iónicos

En su sentido más sencillo, podemos dar como definición a los canales o conductos iónicos lo siguiente:

Conducto iónico

Aberturas en la membrana que son permeables a iones específicos.

Sin embargo, su funcionamiento es más complejo que eso. La mayor parte de los canales iónicos, son muy selectivos para permitir que sólo un tipo particular de ión pase por el poro. La difusión de iones por un conducto siempre es a favor de la corriente, o sea, de una estado de mayor energía a uno de menor energía. Se dice que este tipo de conductos tienen una compuerta porque casi todos los conductos iónicos identificados hasta ahora, pueden encontrarse en una conformación abierta o cerrada.

El paso de una pequeña molécula hidrosoluble de un lado a otro de la membrana celular, es posible mediante un canal hidrófilo a través del cual pueda desplazarse la molécula.

Una pequeña cantidad de proteínas canal pueden formar poros relativamente grandes como las proteínas que forman uniones comunicantes (gap) entre dos células vecinas y las porinas que forman canales en la membrana externa de las mitocondrias y algunas bacterias. Casi todas estas proteínas son canales iónicos relacionados exclusivamente con el transporte de iones inorgánicos, sobre todo NA⁺, K⁺, CL^- y Ca²⁺

Una diferencia importante de los canales iónicos y los poros acuosos es que los primeros poseen selectividad iónica, que determina que pasen algunos iones inorgánicos pero no otros. Esta selectividad depende del diámetro y la conformación de los canales iónicos y de la distribución de los aminoácidos cargados que los revisten.

Debido a las anteriores características, los canales son específicos para cada tipo de ion. En soluciones acuosas, todos los iones están rodeados por una pequeña cubierta de moléculas de aguay para poder pasar a través del canal, deben perder la mayor cantidad de moléculas de agua asociadas. En esta parte del canal, los iones establecen contactos muy importantes, aunque también y transitorios con los átomos que revisten las paredes del filtro selectivo.

La segunda diferencia importante entre los poros acuosos simples y los canales iónicos, consiste en que los últimos no están continuamente abiertos. Lo que sucede con estos canales, e que se abren durante un lapso breve para luego volver a cerrarse. La apertura y cierre de la compuerta de la mayoría de los canales iónicos están regulados por distintos factores.

Algo destacable de los canales de este tipo, por sobre las proteínas de transporte, es la velocidad. Debido a que un canal iónico abierto no necesita sufrir un cambio de conformación para que un ión pase a través de él, a lo largo de un canal iónico pueden pasar más de un millón de iones por segundo, es decir, una velocidad mil veces mayor a la velocidad máxima de transporte asociada con cualquiera de las proteínas transportadoras conocidas.

Hay tres tipos principales de canales iónicos.

Conductos activados por voltaje

Cuyo estado de conformación depende de la diferencia en la carga iónica a ambos lados de la membrana.

Conductos activados por ligando

Cuyo estado de conformación depende de la unión de una molécula específica, llamada ligando, que casi nunca es el soluto que pasa por el conducto. Algunos conductos de este tipo, se abren o cierran después de la unión de una molécula con la superficie externa del conducto; otros se abren o cierran después de la unión del ligando con la superficie interna del conducto.

Por ejemplo, los neurotransmisores como la acetilcolina, actúan en la superficie externa de ciertos conductos catiónicos, mientras que los nucleótidos cíclicos como el AMP cíclico (cAMP), actúan sobre la superficie interna de ciertos conductos iónicos para calcio.

Conductos mecanoactivados

Cuyo estado de conformación depende de las fuerzas mecánicas (como estiramiento) que se aplican a la membrana. Por ejemplo, los miembros de una familia de conductos catiónicos se abren por el movimiento de estereocilios en las células vellosas del oído interno como respuesta al sonido o movimientos de la cabeza.

Difusión facilitada

Las sustancias siempre se difunden a través de una membrana de una región de mayor concentración a otra con menor concentración.

Sin embargo, la difusión no siempre es a través de la bicapa lipídica o por un conducto. En muchos casos la sustancia se une primero en forma selectiva con una proteína que abarca toda la membrana llamada transportador activo que facilita el proceso de difusión. Como actúan en forma pasiva, o sea sin acoplarse con un sistema liberador de energía, los transportadores facilitados pueden mediar el desplazamiento de solutos por igual en ambas direcciones.

Proteínas transportadoras

Sólo permite el paso de solutos que encajen en un sitio de unión de la proteína y luego transfiere estas moléculas a través de la membrana una a la vez, mediante cambios de su propia concentración, como una de esas puertas giratorias. Además, estas proteínas fijan solutos con un grado alto de especificidad mediante un mecanismo comparable con el de la fijación de una enzima a su sustrato.

Proteínas de canal

El mecanismo de discriminación en este tipo, se basa sobre todo en el tamaño y la carga eléctrica de la molécula. Si el canal está abierto, toda molécula lo suficientemente pequeña que posea la carga adecuada podrá pasar sin problemas, como por una puerta convencional abierta.

La difusión facilitada tiene muchas similitudes con una reacción catalizada por una enzima, por ejemplo:

• Ambos son selectivos para las moléculas con las que operan
• Ambos tienen cinética con saturación
• La actividad de ambos puede regularse

Transporte activo

A diferencia del desplazamiento mediado por un sistema de difusión facilitada que transporta la sustancia por igual en cualquier sentido, el transporte activo produce movimiento de iones sólo en un sentido.

Bomba de sodio y potasio

O más correctamente llamada enzima Na⁺/K⁺-ATP-asa, es la encargada del gran exceso de iones Na⁺ fuera de la célula, y el gran exceso de iones K⁺ en el interior.

Muchos estudios indicaron que la proporción de sodio y potasio, bombeados por la Na⁺/K⁺-ATP-asa no es 1:1, sino 3:2.

Por cada ATP que se hidroliza, se bombean tres iones sodio fuera y se bombean dos iones potasio hacia el interior.

Debido a lo anterior, la Na⁺/K⁺-ATP-asa es electrogénica, lo que significa que contribuye en forma directa a la separación de cargas a través de la membrana.

El funcionamiento de la bomba de sodio y potasio, puede verse resumido como:

1. Los 3 iones sodio se unen con la proteína en el interior de la membrana.
2. El ATP se hidroliza y el fosfato se transfiere a la proteína.
3. La proteína cambia su conformación, permitiendo que los iones sodio se expulsen al espacio externo.
4. Los iones potasio se unen con la proteína en el exterior de la membrana.
5. El grupo fosfato se pierde, por lo que la proteína regresa a su conformación inicial.
6. Los iones potasio se difunden al interior de la célula.