La ósmosis y el transporte activo

Una célula tiene muchos requisitos para crecer y replicarse, e incluso las células que no están creciendo o replicándose activamente requieren nutrientes del ambiente para funcionar. Muchos de los requisitos de la célula son moléculas que se pueden encontrar fuera de la célula, como agua, azúcares, vitaminas y proteínas.

La membrana celular tiene importantes funciones protectoras y estructurales, y actúa para mantener los contenidos celulares separados del ambiente exterior. La bicapa lipídica de la membrana celular está compuesta por fosfolípidos, que tienen colas hidrófobas (solubles en aceite, "temerosas del agua") que forman una barrera para muchos solutos y moléculas en el ambiente. Esta característica de la membrana celular permite que el ambiente interno de la célula se diferencie del ambiente externo, pero también actúa como una barrera importante para tomar ciertas moléculas del ambiente y expulsar los desechos.

Sin embargo, la bicapa lipídica no representa un problema para todas las moléculas. Las moléculas no polares hidrófobas (o solubles en aceite) pueden difundirse libremente a través de la membrana celular sin impedimentos. Esta clase de moléculas incluye gases tales como oxígeno (O2), dióxido de carbono (CO2) y óxido nítrico (NO). Las moléculas orgánicas hidrófobas más grandes también pueden pasar a través de la membrana plasmática, incluidas ciertas hormonas (como el estrógeno) y las vitaminas (como la vitamina D). Las moléculas polares pequeñas (incluida el agua) están parcialmente impedidas por la bicapa lipídica, pero aún pueden pasar.

Para las moléculas que pueden pasar libremente a través de la membrana celular, el hecho de que viajen dentro o fuera de la célula depende de su concentración. La tendencia de las moléculas a moverse de acuerdo con su gradiente de concentración (que es de mayor concentración a menor concentración) se denomina difusión. Esto significa que las moléculas fluirán fuera de la célula si hay más dentro de la célula que fuera. Del mismo modo, si hay más fuera de la célula, las moléculas fluirán hacia la célula hasta que se encuentre un equilibrio. Por ejemplo, considere una célula muscular. Durante el ejercicio, la célula convierte el O2 en CO2. A medida que la sangre oxigenada ingresa al músculo, el O2 viaja desde donde la concentración es mayor (en la sangre) a donde es menor (en las células musculares). Al mismo tiempo, el CO2 sale de las células musculares (donde está más alto) a la sangre (donde está más bajo). La difusión no requiere gasto energético. La difusión del agua recibe un nombre especial, ósmosis.

Para moléculas polares más grandes y cualquier molécula cargada, entrar y salir de la célula es más difícil ya que no pueden pasar a través de la bicapa lipídica. Esta clase de moléculas incluye iones, azúcares, aminoácidos (los componentes básicos de las proteínas) y muchas más cosas que la célula necesita para sobrevivir y funcionar. Para solucionar este problema, la célula tiene proteínas de transporte que permiten que estas moléculas entren y salgan de la célula. Estas proteínas transportadoras constituyen el 15-30% de las proteínas en la membrana celular.

Las proteínas de transporte tienen diferentes formas y tamaños, pero todas se extienden a través de la bicapa lipídica, y cada proteína de transporte tiene un tipo específico de molécula que transporta. Hay proteínas transportadoras (que también se conocen como transportadores o permeasas), que se unen a un soluto o molécula en un lado de la membrana y lo transportan al otro lado de la membrana. Una segunda clase de proteínas de transporte incluye proteínas de canal. Las proteínas del canal forman aberturas hidrófilas ("amantes del agua") en la membrana para permitir que las moléculas polares o cargadas fluyan a través de ellas. Tanto las proteínas de canal como las proteínas portadoras facilitan el transporte tanto dentro como fuera de la célula.

Las moléculas pueden viajar a través de proteínas de transporte de alta concentración a menor concentración. Este proceso se denomina transporte pasivo o difusión facilitada. Es similar a la difusión de moléculas no polares o agua directamente a través de la bicapa lipídica, excepto que requiere proteínas de transporte.

A veces, una célula necesita cosas del entorno que están presentes en concentraciones muy bajas fuera de la célula. Alternativamente, una célula puede requerir concentraciones extremadamente bajas de un cierto soluto dentro de la célula. Si bien la difusión permitiría que las concentraciones dentro y fuera de la célula se muevan hacia el equilibrio, un proceso llamado transporte activo Ayuda a concentrar un soluto o molécula dentro o fuera de la célula. El transporte activo requiere gasto de energía para mover una molécula contra su gradiente de concentración. Hay dos formas principales de transporte activo en células eucariotas. El primer tipo consiste en bombas accionadas por ATP. Estas bombas utilizan la hidrólisis de ATP para transportar una clase específica de soluto o molécula a través de la membrana para concentrarla dentro o fuera de la célula. El segundo tipo (llamados cotransportadores) acopla el transporte de una molécula contra su gradiente de concentración (de bajo a alto) con el transporte de una segunda molécula a su gradiente de concentración (de alto a bajo).

Las células también utilizan el transporte activo para mantener la concentración adecuada de iones. La concentración de iones es muy importante para las propiedades eléctricas de la célula, ya que controla la cantidad de agua en las células y otras funciones importantes de los iones. Por ejemplo, los iones de magnesio (MG2 +) son muy importantes para muchas proteínas involucradas en la reparación y el mantenimiento del ADN. El calcio (Ca2 +) también es importante en muchos procesos celulares, y el transporte activo ayuda a mantener un gradiente de calcio de 1: 10,000.El transporte de iones a través de la bicapa lipídica depende no solo del gradiente de concentración, sino también de las propiedades eléctricas de la membrana, donde las cargas similares se repelen. La bomba de sodio-potasio ATPasa o Na + -K + mantiene una mayor concentración de sodio fuera de la célula. Casi un tercio del requerimiento de energía de la célula se consume en este esfuerzo. Este enorme gasto de energía para el transporte activo de iones corrobora la importancia de mantener un equilibrio de moléculas en la función celular adecuada.

Resumen

Osmosis Es la difusión pasiva del agua a través de la membrana celular y no requiere proteínas de transporte. UNAtransporte colectivo es el movimiento de las moléculas contra su gradiente de concentración (de baja a alta concentración) o contra su gradiente eléctrico (hacia una carga similar) y requiere transportadores de proteínas y la energía agregada, ya sea por hidrólisis de ATP o por acoplamiento al transporte cuesta abajo de otro soluto.