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Transporte de membrana-OLDVERSION - Biología

Transporte de membrana-OLDVERSION - Biología



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Resumen de la sección

La química de los seres vivos ocurre en soluciones acuosas y equilibrar las concentraciones de esas soluciones es un problema continuo. Algunos materiales se difunden fácilmente a través de la membrana, pero otros se ven obstaculizados y su paso es posible gracias a proteínas especializadas, como canales y transportadores.

Transporte a través de la membrana

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 Ca2+, N / A+, K+y Cl; nutrientes que incluyen azúcares, ácidos grasos y aminoácidos; y productos de desecho, particularmente dióxido de carbono (CO2), que debe salir de la celda.

Subproblema de desafío de diseño:

Controlar lo que entra y sale de la celda.

La estructura bicapa lipídica de la membrana proporciona el primer nivel de control. Los fosfolípidos están fuertemente empaquetados y la membrana tiene un interior hidrofóbico. 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 él sin ayuda. En el caso de la membrana celular, solo los materiales apolares relativamente pequeños pueden moverse a través de la bicapa lipídica a velocidades biológicamente relevantes (recuerde, las colas lipídicas de la membrana son apolares). Las velocidades de transporte de varias moléculas se tabulan en la sección Membranas. Todas las sustancias que se mueven a través de la membrana lo hacen mediante uno de dos métodos generales, que se clasifican en función de si el proceso de transporte es exergónico o endergónico. Transporte pasivo es el movimiento exergónico de sustancias a través de la membrana. A diferencia de, transporte activo es el movimiento endergónico de sustancias a través de la membrana que se acopla a una reacción exergónica.

Transporte pasivo

Transporte pasivo no requiere que la célula gaste energía. En el transporte pasivo, las sustancias se mueven de un área de mayor concentración a un área de menor concentración, por el gradiente de concentración y energéticamente favorable. Dependiendo de la naturaleza química de la sustancia, diferentes procesos pueden estar asociados con el transporte pasivo.

Difusión

Difusión es un proceso de transporte pasivo. Una sola sustancia tiende a moverse de un área de alta concentración a un área de baja concentración hasta que la concentración es igual en un espacio. Está familiarizado con la difusión de sustancias a través del aire. Por ejemplo, piense en alguien que abre una botella de amoníaco en una habitación llena de gente. El gas amoniaco se encuentra en su concentración más alta en la botella; su concentración más baja se encuentra en los bordes de la habitación. El vapor de amoníaco se difundirá o se esparcirá fuera de la botella y, gradualmente, más y más personas olerán el amoníaco a medida que se esparza. 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 1. La difusión a través de una membrana permeable mueve una sustancia desde un área de alta concentración (líquido extracelular, en este caso) hacia su gradiente de concentración (hacia el citoplasma). Cada sustancia separada en un medio, como el líquido extracelular, tiene su propio gradiente de concentración, independiente de los gradientes de concentración de otros materiales. Además, cada sustancia se difundirá de acuerdo con ese gradiente. Dentro de un sistema, habrá diferentes tasas de difusión de las diferentes sustancias en el medio (Atribución: Mariana Ruiz Villareal, modificada)

Factores que afectan la difusión

Si no están restringidas, las moléculas se moverán y explorarán el espacio al azar a una velocidad que depende de su tamaño, su forma, su entorno y su energía térmica. Este tipo de movimiento subyace al movimiento difusivo de las moléculas a través del medio en el que se encuentren. La ausencia de un gradiente de concentración no significa que este movimiento se detenga, solo que puede no haber neto movimiento del número de moléculas de un área a otra, una condición conocida como equilibrio dinámico.

Los factores que influyen en la difusión incluyen:

  • 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.
  • Forma, tamaño y masa de las moléculas que se difunden: Las moléculas grandes y pesadas se mueven más lentamente; por lo tanto, se difunden más lentamente. Lo contrario suele ser cierto para las moléculas más pequeñas y ligeras.
  • Temperatura: Las temperaturas más altas aumentan la energía y por lo tanto el movimiento de las moléculas, aumentando la velocidad de difusión. Las temperaturas más bajas disminuyen la energía de las moléculas, disminuyendo así la velocidad de difusión.
  • Densidad del disolvente: a medida que aumenta la densidad de un disolvente, la velocidad de difusión disminuye. Las moléculas se ralentizan porque tienen más dificultades para atravesar el medio más denso. Si el medio es menos denso, aumentan las tasas de difusión. Dado que las células utilizan principalmente la difusión para mover materiales dentro del citoplasma, cualquier aumento en la densidad del citoplasma disminuirá la velocidad a la que los materiales se mueven en el citoplasma.
  • Solubilidad: como se mencionó anteriormente, los materiales no polares o solubles en lípidos atraviesan las membranas plasmáticas con mayor facilidad que los materiales polares, lo que permite una velocidad de difusión más rápida.
  • Superficie y grosor de la membrana plasmática: el aumento de la superficie aumenta la velocidad de difusión, mientras que una membrana más gruesa la reduce.
  • Distancia recorrida: cuanto mayor es la distancia que debe recorrer una sustancia, más lenta es la velocidad de difusión. Esto impone una limitación superior al tamaño de la celda. Una célula grande y esférica morirá porque los nutrientes o los desechos no pueden alcanzar o salir del centro de la célula, respectivamente. Por lo tanto, las células deben ser de tamaño pequeño, como en el caso de muchos procariotas, o aplanadas, como ocurre con muchos eucariotas unicelulares.

Transporte facilitado

En transporte facilitado, también llamada difusión facilitada, los materiales se difunden a través de la membrana plasmática con la ayuda de proteínas de membrana. Existe un gradiente de concentración que permite que estos materiales se difundan dentro o fuera de la célula sin gastar energía celular. En el caso de que los materiales sean iones o moléculas polares, compuestos que son repelidos por las partes hidrófobas de la membrana celular, las proteínas de transporte facilitado ayudan a proteger estos materiales de la fuerza repulsiva de la membrana, lo que les permite difundirse en la célula.

Nota: posible debate

Compare y contraste la difusión pasiva y la difusión facilitada.

Canales

Las proteínas integrales involucradas en el transporte facilitado se denominan colectivamente proteínas de transporte, y funcionan como canales para el material o portadores. En ambos casos, son proteínas transmembrana. Las diferentes proteínas de canal tienen diferentes propiedades de transporte. Algunos han evolucionado para tener una especificidad muy alta por la sustancia que se transporta, mientras que otros transportan una variedad de moléculas que comparten algunas características comunes. El "pasillo" interior de proteínas de canal han evolucionado para proporcionar una barrera de baja energía para el transporte de sustancias a través de la membrana a través de la disposición complementaria de los grupos funcionales de aminoácidos (tanto de la columna vertebral como de las cadenas laterales). El paso a través del canal permite que los compuestos polares eviten la capa central apolar de la membrana plasmática que de otro modo ralentizaría o impediría su entrada en la célula. Si bien en un momento dado, cantidades significativas de agua atraviesan la membrana tanto hacia adentro como hacia afuera, la velocidad de transporte de las moléculas de agua individuales puede no ser lo suficientemente rápida para adaptarse a las condiciones ambientales cambiantes. Para tales casos, la naturaleza ha desarrollado una clase especial de proteínas de membrana llamadas acuaporinas que permiten que el agua pase a través de la membrana a una velocidad muy alta.

Figura 2: El transporte facilitado hace que las sustancias desciendan por sus gradientes de concentración. Pueden atravesar la membrana plasmática con la ayuda de las proteínas del canal. (Atribución: Mariana Ruiz Villareal, modificada).

Las proteínas del canal están abiertas en todo momento o están "cerradas". Este último controla la apertura del canal. Varios mecanismos pueden estar involucrados en el mecanismo de activación. Por ejemplo, la unión de un ión específico o una pequeña molécula a la proteína del canal puede desencadenar la apertura. Los cambios en la "tensión" de la membrana local o los cambios en el voltaje a través de la membrana también pueden ser desencadenantes para abrir o cerrar un canal.

Diferentes organismos y tejidos en especies multicelulares expresan diferentes conjuntos de proteínas de canal en sus membranas dependiendo de los entornos en los que viven o de la función especializada que desempeñan en un organismo. Esto proporciona a cada tipo de célula un perfil de permeabilidad de membrana único que evoluciona para complementar sus "necesidades" (nótese el antropomorfismo). Por ejemplo, en algunos tejidos, los iones de sodio y cloruro pasan libremente a través de canales abiertos, mientras que en otros tejidos se debe abrir una puerta para permitir el paso. Esto ocurre en el riñón, donde ambas formas de canales se encuentran en diferentes partes de los túbulos renales. Las células involucradas en la transmisión de impulsos eléctricos, como las células nerviosas y musculares, tienen canales abiertos para el sodio, potasio y calcio en sus membranas. La apertura y cierre de estos canales cambia las concentraciones relativas en los lados opuestos de la membrana de estos iones, lo que resulta en un cambio en el potencial eléctrico a través de la membrana que conduce a la propagación del mensaje en el caso de las células nerviosas o en la contracción muscular en el caso de las células musculares. .

Proteínas Carrie

Otro tipo de proteína incrustada en la membrana plasmática es una proteína transportadora. Esta proteína, con el nombre adecuado, se une a una sustancia y, al hacerlo, desencadena un cambio de su propia forma, moviendo la molécula unida desde el exterior de la célula hacia su interior; dependiendo del gradiente, el material puede moverse en la dirección opuesta. Las proteínas portadoras son típicamente específicas para una sola sustancia. Esta selectividad se suma a la selectividad general de la membrana plasmática. El mecanismo de función a escala molecular de estas proteínas sigue siendo poco conocido.

Figura 3: Algunas sustancias pueden descender por su gradiente de concentración a través de la membrana plasmática con la ayuda de proteínas transportadoras. Las proteínas portadoras cambian de forma a medida que mueven moléculas a través de la membrana. (Atribución: Mariana Ruiz Villareal, modificada).

Las proteínas transportadoras juegan un papel importante en la función de los riñones. La glucosa, el agua, las sales, los iones y los aminoácidos que necesita el cuerpo se filtran en una parte del riñón. Este filtrado, que incluye glucosa, se reabsorbe luego en otra parte del riñón con la ayuda de proteínas transportadoras. Debido a que solo hay un número finito de proteínas transportadoras de glucosa, si hay más glucosa presente en el filtrado de la que las proteínas pueden manejar, el exceso no se reabsorbe y se excreta del cuerpo en la orina. En un individuo diabético, esto se describe como "derramar glucosa en la orina". Un grupo diferente de proteínas transportadoras llamadas proteínas transportadoras de glucosa, o GLUT, están involucradas en el transporte de glucosa y otros azúcares hexosa a través de las membranas plasmáticas dentro del cuerpo.

Las proteínas transportadoras y de canal transportan materiales a diferentes velocidades. Las proteínas de canal se transportan mucho más rápidamente que las proteínas transportadoras. Las proteínas de canal facilitan la difusión a una velocidad de decenas de millones de moléculas por segundo, mientras que las proteínas transportadoras funcionan a una velocidad de mil a un millón de moléculas por segundo.

Nota: una nota de agradecimiento

Las tasas de transporte que acabamos de comentar son asombrosas. Recuerde que estos catalizadores moleculares están en la escala de decenas de nanómetros (10-9 metros) y que están compuestos por una cadena auto-plegable de 20 aminoácidos y la selección relativamente pequeña de grupos funcionales químicos que llevan.

Ósmosis

Ósmosis es el movimiento del agua a través de una membrana semipermeable según el gradiente de concentración de agua a través de la membrana, que es inversamente proporcional a la concentración de solutos. 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. No es sorprendente que las acuaporinas que facilitan el movimiento del agua desempeñen un papel importante en la ósmosis, principalmente en los glóbulos rojos y las membranas de los túbulos renales.

Mecanismo

La ósmosis es un caso especial de difusión. El agua, como otras sustancias, se mueve de un área de alta concentración a una de baja concentración. Una pregunta obvia es ¿qué hace que el agua se mueva? Imagínese un vaso de precipitados con una membrana semipermeable que separa los dos lados o mitades. En ambos lados de la membrana, el nivel del agua es el mismo, pero hay diferentes concentraciones de una sustancia disuelta, o sustancia disoluta, que no puede atravesar la membrana (de lo contrario, las concentraciones en cada lado se equilibrarían con el soluto que atraviesa la membrana). Si el volumen de la solución en ambos lados de la membrana es el mismo, pero las concentraciones de soluto son diferentes, entonces hay diferentes cantidades de agua, el solvente, en cada lado de la membrana.

Figura 4: En ósmosis, el agua siempre se mueve de un área de mayor concentración de agua a una de menor concentración. En el diagrama que se muestra, el soluto no puede atravesar la membrana selectivamente permeable, pero el agua sí.

Para ilustrar esto, imagine dos vasos llenos de agua. Uno tiene una sola cucharadita de azúcar, mientras que el segundo contiene un cuarto de taza de azúcar. Si el volumen total de las soluciones en ambas tazas es el mismo, ¿cuál taza contiene más agua? Debido a que la gran cantidad de azúcar en la segunda taza ocupa mucho más espacio que la cucharadita de azúcar en la primera taza, la primera taza contiene más agua.

Volviendo al ejemplo del vaso de precipitados, recuerde que tiene una mezcla de solutos a cada lado de la membrana. Un principio de difusión es que las moléculas se mueven 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 de agua a través de la membrana, la ósmosis, continuará hasta que el gradiente de concentración de agua llegue a cero o hasta que la presión hidrostática del agua equilibre la presión osmótica. La ósmosis procede constantemente en los sistemas vivos.

Tonicidad

Tonicidad describe cómo una solución extracelular puede cambiar el volumen de una célula al afectar la ósmosis. La tonicidad de una solución a menudo se correlaciona directamente con la osmolaridad de la solución. Osmolaridad describe la concentración total de soluto de la solución. Una solución con baja osmolaridad tiene un mayor número de moléculas de agua en relación con el número de partículas de soluto; una solución con alta osmolaridad tiene menos moléculas de agua con respecto a las partículas de soluto. En una situación en la que las soluciones de dos osmolaridades diferentes están separadas por una membrana permeable al agua, aunque no al soluto, el agua se moverá desde el lado de la membrana con menor osmolaridad (y más agua) hacia el lado con mayor osmolaridad (y menos agua). Este efecto tiene sentido si recuerda que el soluto no puede moverse a través de la membrana y, por lo tanto, el único componente del sistema que puede moverse, el agua, se mueve a lo largo de su propio gradiente de concentración. Una distinción importante que concierne a los sistemas vivos es que la osmolaridad mide el número de partículas (que pueden ser moléculas) en una solución. Por lo tanto, una solución que está turbia con células puede tener una osmolaridad más baja que una solución que es transparente, si la segunda solución contiene más moléculas disueltas que células.

Soluciones hipotónicas

Se utilizan tres términos, hipotónico, isotónico e hipertónico, para relacionar la osmolaridad de una célula con la osmolaridad del líquido extracelular que contiene las células. en un hipotónicoEn esta situación, el líquido extracelular tiene menor osmolaridad que el líquido dentro de la célula y el agua entra en la célula. (En los sistemas vivos, el punto de referencia es siempre el citoplasma, por lo que el prefijo hipo- significa que el líquido extracelular tiene una menor concentración de solutos, o una menor osmolaridad, que el citoplasma celular. También significa que el líquido extracelular tiene una mayor concentración de agua en la solución que la célula. En esta situación, el agua seguirá su gradiente de concentración y entrará en la celda.

Soluciones hipertónicas

En cuanto a un hipertónico solución, el prefijo hiper- se refiere al líquido extracelular que tiene una osmolaridad más alta que el citoplasma de la célula; por lo tanto, el líquido contiene menos agua que la celda. Debido a que la celda tiene una concentración de agua relativamente más alta, el agua saldrá de la celda.

Soluciones isotónicas

En un isotónico solución, el líquido extracelular tiene la misma osmolaridad que la célula. Si la osmolaridad de la célula coincide con la del líquido extracelular, no habrá movimiento neto de agua dentro o fuera de la célula, aunque el agua seguirá entrando y saliendo. Los glóbulos y las células vegetales en soluciones hipertónicas, isotónicas e hipotónicas adquieren apariencias características.

Conexión:

Figura 5: La presión osmótica cambia la forma de los glóbulos rojos en soluciones hipertónicas, isotónicas e hipotónicas. (crédito: Mariana Ruiz Villareal)

Un médico inyecta a un paciente lo que el médico cree que es una solución salina isotónica. El paciente muere y una autopsia revela que se han destruido muchos glóbulos rojos. ¿Cree que la solución que le inyectó el médico fue realmente isotónica?

Enlace al aprendizaje:

Para ver un video que ilustra el proceso de difusión de soluciones, visite este sitio.

Tonicidad en sistemas vivos

En un entorno hipotónico, el agua entra en una célula y la célula se hincha. En una condición isotónica, las concentraciones relativas de soluto y solvente son iguales en ambos lados de la membrana. No hay movimiento neto de agua; por lo tanto, no hay ningún cambio en el tamaño de la celda. En una solución hipertónica, el agua sale de una célula y la célula se encoge. Si la hipo o hipercondición se vuelve excesiva, las funciones de la célula se ven comprometidas y la célula puede ser destruida.

Un glóbulo rojo estallará, o se lisará, cuando se hincha más allá de la capacidad de expansión de la membrana plasmática. Recuerde, la membrana se asemeja a un mosaico, con espacios discretos entre las moléculas que la componen. Si la célula se hincha y los espacios entre los lípidos y las proteínas se vuelven demasiado grandes, la célula se romperá.

Por el contrario, cuando una cantidad excesiva de agua sale de un glóbulo rojo, la célula se encoge o crena. Esto tiene el efecto de concentrar los solutos que quedan en la célula, haciendo que el citosol sea más denso e interfiriendo con la difusión dentro de la célula. La capacidad de la célula para funcionar se verá comprometida y también puede resultar en la muerte de la célula.

Varios seres vivos tienen formas de controlar los efectos de la ósmosis, un mecanismo llamado osmorregulación. Algunos organismos, como plantas, hongos, bacterias y algunos protistas, tienen paredes celulares que rodean la membrana plasmática y previenen la lisis celular en una solución hipotónica. La membrana plasmática solo puede expandirse hasta el límite de la pared celular, por lo que la célula no se lisará. De hecho, el citoplasma de las plantas siempre es ligeramente hipertónico al entorno celular y el agua siempre entrará en una célula si hay agua disponible. Esta entrada de agua produce una presión de turgencia que endurece las paredes celulares de la planta. En plantas no leñosas, la presión de turgencia apoya la planta. Por el contrario, si la planta no se riega, el líquido extracelular se volverá hipertónico, lo que hará que el agua salga de la célula. En esta condición, la celda no se encoge porque la pared celular no es flexible. Sin embargo, la membrana celular se desprende de la pared y contrae el citoplasma. Se llama plasmólisis. Las plantas pierden presión de turgencia en esta condición y se marchitan.

Figura 6: La presión de turgencia dentro de una célula vegetal depende de la tonicidad de la solución en la que se baña. (Crédito: modificación del trabajo de Mariana Ruiz Villareal)
Figura 7: Sin agua adecuada, la planta de la izquierda ha perdido la presión de turgencia, visible en su marchitamiento; la presión de turgencia se restaura regando (derecha). (crédito: Victor M. Vicente Selvas)

Muchos invertebrados marinos tienen niveles internos de sal adaptados a su entorno, lo que los hace isotónicos con el agua en la que viven. Los peces, sin embargo, deben gastar aproximadamente el cinco por ciento de su energía metabólica para mantener la homeostasis osmótica. Los peces de agua dulce viven en un ambiente que es hipotónico para sus células. Estos peces ingieren sal activamente a través de sus branquias y excretan orina diluida para eliminar el exceso de agua. Los peces de agua salada viven en el ambiente inverso, que es hipertónico para sus células, y secretan sal a través de sus branquias y excretan orina altamente concentrada.

En los vertebrados, los riñones regulan la cantidad de agua en el cuerpo. Los osmorreceptores son células especializadas en el cerebro que controlan la concentración de solutos en la sangre. Si los niveles de solutos aumentan más allá de cierto rango, se libera una hormona que retarda la pérdida de agua a través del riñón y diluye la sangre a niveles más seguros. Los animales también tienen altas concentraciones de albúmina, que es producida por el hígado, en su sangre. Esta proteína es demasiado grande para pasar fácilmente a través de las membranas plasmáticas y es un factor importante en el control de las presiones osmóticas aplicadas a los tejidos.

Ejercicio 1

Un médico inyecta a un paciente lo que el médico cree que es una solución salina isotónica. ¿Cree que la solución que le inyectó el médico fue realmente isotónica?

Preguntas de revisión

Ejercicio 2

La fuerza principal que impulsa el movimiento de difusión es el __________.

  1. temperatura
  2. tamaño de partícula
  3. gradiente de concentración
  4. superficie de la membrana

Ejercicio 3

¿Qué problema enfrentan los organismos que viven en agua dulce?

  1. Sus cuerpos tienden a absorber demasiada agua.
  2. No tienen forma de controlar su tonicidad.
  3. Solo el agua salada plantea problemas a los animales que viven en ella.
  4. Sus cuerpos tienden a perder demasiada agua en su entorno.

Respuesta libre

Ejercicio 4

¿Por qué el agua se mueve a través de una membrana?

Transporte activo

Resumen de la sección

El gradiente combinado que afecta a un ion incluye su gradiente de concentración y su gradiente eléctrico. Un ión positivo, por ejemplo, podría tender a difundirse en una nueva área, por su gradiente de concentración, pero si se difunde en un área de carga neta positiva, su difusión se verá obstaculizada por su gradiente eléctrico. Cuando se trata de iones en soluciones acuosas, se debe considerar una combinación de gradientes electroquímicos y de concentración, en lugar de solo el gradiente de concentración. Las células vivas necesitan ciertas sustancias que existen dentro de la célula en concentraciones mayores que las que existen en el espacio extracelular. Mover sustancias por sus gradientes electroquímicos requiere energía de la celda. El transporte activo utiliza energía almacenada en ATP para alimentar este transporte. El transporte activo de materiales de tamaño molecular pequeño utiliza proteínas integrales en la membrana celular para mover los materiales: estas proteínas son análogas a las bombas. Algunas bombas, que realizan transporte activo primario, se acoplan directamente con ATP para impulsar su acción. En el cotransporte (o transporte activo secundario), la energía del transporte primario se puede utilizar para mover otra sustancia al interior de la célula y ascender por su gradiente de concentración.

Transporte activo

Transporte activo Los mecanismos requieren el uso de la energía celular, generalmente en forma de trifosfato de adenosina (ATP). Si una sustancia debe entrar en la célula contra su gradiente de concentración, es decir, si la concentración de la sustancia dentro de la célula es mayor que su concentración en el líquido extracelular (y viceversa), la célula debe usar energía para mover la sustancia. Algunos mecanismos de transporte activo mueven materiales de pequeño peso molecular, como los iones, a través de la membrana. Otros mecanismos transportan moléculas mucho más grandes.

Moverse contra un degradado

Para mover sustancias contra una concentración o gradiente electroquímico, la celda debe usar energía. Esta energía se obtiene del ATP generado a través del metabolismo celular. Mecanismos de transporte activos, denominados colectivamente zapatillas, trabajan contra gradientes electroquímicos. Pequeñas sustancias pasan constantemente a través de las membranas plasmáticas. El transporte activo mantiene las concentraciones de iones y otras sustancias que necesitan las células vivas frente a estos movimientos pasivos. Gran parte del suministro de energía metabólica de una célula se puede gastar en el mantenimiento de estos procesos. (La mayor parte de la energía metabólica de un glóbulo rojo se utiliza para mantener el desequilibrio entre los niveles de sodio y potasio exterior e interior que requiere la célula). Debido a que los mecanismos de transporte activo dependen del metabolismo de la célula para obtener energía, son sensibles a muchos venenos metabólicos que interfieren con el suministro de ATP.

Existen dos mecanismos para el transporte de material de pequeño peso molecular y moléculas pequeñas. Transporte activo primario mueve iones a través de una membrana y crea una diferencia de carga a través de esa membrana, que depende directamente del ATP. Transporte activo secundario describe el movimiento de material que se debe al gradiente electroquímico establecido por el transporte activo primario que no requiere ATP directamente.

Proteínas portadoras para transporte activo

Una adaptación importante de la membrana para el transporte activo es la presencia de proteínas transportadoras específicas o bombas para facilitar el movimiento: existen tres tipos de estas proteínas o transportadores. A uniportador lleva un ion o molécula específicos. A simportador lleva dos iones o moléculas diferentes, ambos en la misma dirección. Un antiportador también lleva dos iones o moléculas diferentes, pero en diferentes direcciones. Todos estos transportadores también pueden transportar moléculas orgánicas pequeñas no cargadas como la glucosa. Estos tres tipos de proteínas transportadoras también se encuentran en difusión facilitada, pero no requieren ATP para funcionar en ese proceso. Algunos ejemplos de bombas para transporte activo son Na+-K+ ATPasa, que transporta iones de sodio y potasio, y H+-K+ ATPasa, que transporta iones de hidrógeno y potasio. Ambas son proteínas transportadoras antiportadoras. Otras dos proteínas transportadoras son Ca2+ ATPasa y H+ ATPasa, que transporta solo calcio y solo iones de hidrógeno, respectivamente. Ambos son bombas.

Figura 9: Un uniportador lleva una molécula o ión. Un simportador transporta dos moléculas o iones diferentes, ambos en la misma dirección. Un antiportador también transporta dos moléculas o iones diferentes, pero en diferentes direcciones. (crédito: modificación del trabajo de “Lupask” / Wikimedia Commons)

Transporte activo primario

En el transporte activo primario, la energía se deriva directamente de la descomposición del ATP. A menudo, el transporte activo primario, como el que se muestra a continuación, que funciona para transportar iones de sodio y potasio, permite que se produzca el transporte activo secundario (que se analiza en la sección siguiente). El segundo método de transporte todavía se considera activo porque depende del uso de energía del transporte primario.

Figura 10: El transporte activo primario mueve iones a través de una membrana, creando un gradiente electroquímico (transporte electrogénico). (crédito: modificación del trabajo de Mariana Ruiz Villareal)

Una de las bombas más importantes en las células animales es la bomba de sodio-potasio (Na+-K+ ATPasa), que mantiene el gradiente electroquímico (y las concentraciones correctas de Na+ y K+) en células vivas. La bomba de sodio-potasio mueve K+ en la celda mientras mueve Na+ al mismo tiempo, en una proporción de tres Na+ por cada dos K+ iones entraron. El Na+-K+ La ATPasa existe en dos formas, dependiendo de su orientación hacia el interior o exterior de la célula y su afinidad por los iones de sodio o potasio. El proceso consta de los siguientes seis pasos.

  1. Con la enzima orientada hacia el interior de la célula, el portador tiene una alta afinidad por los iones de sodio. Tres iones se unen a la proteína.
  2. El ATP es hidrolizado por la proteína transportadora y se le adhiere un grupo fosfato de baja energía.
  3. Como resultado, el portador cambia de forma y se reorienta hacia el exterior de la membrana. La afinidad de la proteína por el sodio disminuye y los tres iones de sodio abandonan el portador.
  4. El cambio de forma aumenta la afinidad del portador por los iones de potasio y dos de estos iones se unen a la proteína. Posteriormente, el grupo fosfato de baja energía se separa del portador.
  5. Con el grupo fosfato eliminado y los iones de potasio unidos, la proteína transportadora se reposiciona hacia el interior de la célula.
  6. La proteína transportadora, en su nueva configuración, tiene una menor afinidad por el potasio y los dos iones se liberan en el citoplasma. La proteína ahora tiene una mayor afinidad por los iones de sodio y el proceso comienza de nuevo.

Varias cosas han sucedido como resultado de este proceso. En este punto, hay más iones de sodio fuera de la célula que dentro y más iones de potasio dentro que fuera. Por cada tres iones de sodio que salen, entran dos iones de potasio. Esto hace que el interior sea un poco más negativo en relación con el exterior. Esta diferencia de cargo es importante para crear las condiciones necesarias para el proceso secundario. La bomba de sodio-potasio es, por tanto, una bomba electrogénica (una bomba que crea un desequilibrio de carga), creando un desequilibrio eléctrico a través de la membrana y contribuyendo al potencial de la membrana.

Enlace al aprendizaje

Visite el sitio para ver una simulación del transporte activo en una ATPasa de sodio y potasio.

Transporte Activo Secundario (Co-transporte)

El transporte activo secundario trae iones de sodio y posiblemente otros compuestos al interior de la célula. A medida que las concentraciones de iones de sodio se acumulan fuera de la membrana plasmática debido a la acción del proceso de transporte activo primario, se crea un gradiente electroquímico. Si existe una proteína de canal y está abierta, los iones de sodio pasarán a través de la membrana. Este movimiento se utiliza para transportar otras sustancias que pueden unirse a la proteína de transporte a través de la membrana. Muchos aminoácidos, así como la glucosa, ingresan a la célula de esta manera. Este proceso secundario también se utiliza para almacenar iones de hidrógeno de alta energía en las mitocondrias de las células vegetales y animales para la producción de ATP. La energía potencial que se acumula en los iones de hidrógeno almacenados se traduce en energía cinética a medida que los iones surgen a través de la proteína de canal ATP sintasa, y esa energía se utiliza para convertir ADP en ATP.

Figura 11: Un gradiente electroquímico, creado por el transporte activo primario, puede mover otras sustancias en contra de sus gradientes de concentración, un proceso llamado cotransporte o transporte activo secundario. (crédito: modificación del trabajo de Mariana Ruiz Villareal)

Si el pH fuera de la célula disminuye, ¿esperaría que la cantidad de aminoácidos transportados a la célula aumente o disminuya?

Conexiones

Ejercicio 5

La inyección de una solución de potasio en la sangre de una persona es letal; esto se usa en la pena capital y la eutanasia. ¿Por qué cree que una inyección de solución de potasio es letal?

Ejercicio 6

Si el pH fuera de la célula disminuye, ¿esperaría que la cantidad de aminoácidos transportados a la célula aumente o disminuya?

Preguntas de revisión

Ejercicio 7

El transporte activo debe funcionar continuamente porque __________.

  1. las membranas plasmáticas se desgastan
  2. no todas las membranas son anfifílicas
  3. transporte facilitado se opone al transporte activo
  4. La difusión consiste en mover constantemente solutos en direcciones opuestas.

Ejercicio 8

¿Cómo hace la bomba de sodio-potasio que el interior de la célula se cargue negativamente?

  1. expulsando aniones
  2. tirando aniones
  3. expulsando más cationes de los que se ingieren
  4. absorbiendo y expulsando un número igual de cationes

Ejercicio 9

¿Cómo se llama la combinación de un gradiente eléctrico y un gradiente de concentración?

  1. gradiente potencial
  2. potencial eléctrico
  3. potencial de concentración
  4. gradiente electroquímico

Respuesta libre

Ejercicio 10

¿De dónde obtiene la célula la energía para los procesos de transporte activo?

Ejercicio 11

¿Cómo contribuye la bomba de sodio-potasio a la carga negativa neta del interior de la célula?


Ver el vídeo: Difusión simple y facilitada Transporte pasivo (Agosto 2022).