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Transporte activo a través de la membrana

Las células crecen y tienen todas sus funciones por medio del intercambio de algunas moléculas, la membrana plasmática es una barrera que ayuda a controlar el paso de moléculas tanto al interior como exterior de la célula.

Se necesita que muchas moléculas solubles en agua atraviesen la membrana plasmática, para poder así importar algunos carbohidratos y proteínas, eliminar productos de desecho y regular la concentración intracelular de iones orgánicos. Alguna pequeña cantidad de solutos, pueden propagarse a través de la bicapa lipídica pero la mayoría no y su transporte esta regulado por proteínas de transporte de membrana.

Encontramos dos tipos principales de proteínas de membrana que regulan el proceso de transporte:

• Proteínas transportadoras tiene partes móviles y ayudan a desplazar pequeñas moléculas de lado a lado de la membrana modificando s conformacion.

• Proteínas de canal forman poros hidrófilicos muy pequeños en la membrana por donde pueden pasar los solutos por un proceso de difusión. Casi todos solo permiten el paso de iones inorgánicos y se llaman canales iónicos.

Principios del transporte de la membrana

Las concentraciones de los iones en el interior de una célula varian mucho de las que estan fuera de ella.

Las células tienen una composición iónica interna que varia mucho de su medio externo y esta diferencia es fundamental para su supervivencia y función celulares. Los iones inorgánicos como son el Na+, K+, Ca2+, Cl+ y H+ son iones abundantes del entorno celular. Para que una célula no pueda destruirse por medio de las fuerzas eléctricas sera necesario que las cargas positivas del interior se equilibren con la cantidad de cargas negativas; auqnue existen breves diferencias entre las cargas negativas y positivas ática, que ejercen efectos eléctricos importantes.

Esta distribución de diferencia ente los iones en el interior y exterior de las células se pue de controlar parte por la actividad de las proteínas de transporte de membrana y en parte por las características de permeabilidad de la bicapa lipídica propiamente dicha.

Imagen sacada del libro Biologia Molecualr de la celula 3ra edicion. Alberts,Bray.1996

Las bicapas lipídicas son impermeables a los solutos y a los iones:

El interior hidrófobico de la bicapa esta crea una barrera para que pasen muchas moleculas como iones aunque su velocidad depende que tan grande sea la moleculas y caracteristicas propias como solubilidad ,tamaño velocidad ,etc

1. Las moléculas que no son polares pequeñas. Por ejemplo el oxígeno molecular y dióxido de carbono, se disuelven con rapidez y en consecuencia se difunden fácilmente a través de ellas.

2. Las moléculas polares s que no tienen carga se difunden con rapidez a través de una bicapa lipídica si su tamaño es muy pequeño.

3. En cambio las bicapas lipídicas son muy impermeables a todos los iones y moléculas cargadas aunq ue sean muy chicas por más pequeñas que sean. La carga de las moléculas y la fuerte atracción eléctrica que ejercen sobre las moléculas del agua impiden que estos elementos ingresen en la fase hidrocarbonada de la bicapa lipídica.

Las membranas dan el paso del agua y las moléculas no polares es mediante la difusión simple, pero para que las células puedan incorporar nutrientes y eliminar desechos se necesita que las membranas dejen pasar muchas otras moléculas, tales como iones, azúcares , aminoácidos, nucleótidos y diversos metabolitos celulares estas moléculas pasan a través de la bicapa lipídica muy lento y por eso se necesitan proteinas de transporte especificas para que la atraviesen de manera eficiente.

Hay dos tipos de proteinas de transporte de dos dos clases: proteínas transportadoras y proteínas de canales.

Las proteínas de transporte estan en muchos tipos de forma. Cada proteína tiene una via muy especifica de paso para una determinada molécula. Y las vias proteicas son muy selectivas y solo permiten el apso de una molecula por lo que cada tipo de membrana tiene una proteian de transporte .

Se dividen en dos tipos principales de proteinas transoportadoras y proteínas de canal. La diferencia es como pasan unos solutos mientras que otros son rechazados est o depende de una el tamaño la carga electrica etc, las proteínas transportadoras solo permiten el paso de solutos que encajen en el sitio de unión de la proteína y luego transfieren transferirlas a través de la membrana de una por una cambiando su misma conformacion.

Los solutos atraviesan las membranas por dos tipos de trnsporte : transporte pasivo o transporte activo.

El factor que dice que solutos pasan tanto al interior o al exterior en la dirección de transporte depende de la concentración relativa del soluto ambos lados de la membrana. Las moléculas de desplazan cuenta abajo de un sitio de mayor concentracion a uno de menor . Estos desplazamientos son considerados pasivos ya que no requieren otra fuera que los ayude a impulsarse.

Pero para desplazar un soluto en contra de su gradiente se necesita que la proteian sea impulsada por una fuerza proporcionada por energia y a este transporte se le llama transporte activo y solo algunas proteinas pueden aprovechar energia para hacer este transporte.

Funciones de las proteínas transportadoras :

Se necesita conocer la estructura tridimensional de la proteína para concoer su funcion.. Hasta el presente solo se conoce un subgrupo muy pequeño. Una de estas es la bacteriorrodopsina y la bomba que traslada el Ca2+.

El transporte pasivo puede ser impulsado por gradientes de concentración y por fuerza eléctricas.

Los solutos atraviesan membrana por el transporte pasivo o transporte activo y las proteínas transportadoras hacen mas faciles estos procesos. Un ejemplo de este tipo de transporte pasivo es el transportador de glucosa presente en las células hepáticas de mamífero la proteína puede adoptar dos conformaciones y pasan de una forma a la otra de manera reversible y forma aleatoria.

Cuando hay bastante cantidad de glucosa en el exterior de la células hepáticas, las moléculas de glucosa son fijadas en sitios de unión que han sido expuestos en la parte externa de las células; cuadno la proteína cambia de conformación, permite que transpórte las moléculas de glucosa hacia el interior celular y las libere en el citosol, y ahi la concentración de glucosa es reducida .Cuadno tenemos poca glucosa la hormona glucagón estimula a las células hepáticas para producir glucosa mediante la hidrólisis del glucógeno. El flujo de glucosa es bidireccional y la dirección que adopte dependerá del gradiente de concentración.

Con el caso de las moléculas con carga eléctrica, iones orgánicos de pequeño tamaño o iones inorgánicos, se suma otra fuerza impulsora. La mayoría de las membranas tienen un voltaje en ellas, o una diferencia potencial eléctrico entre ambos lados de la membrana es el potencial de membrana.se da una fuerza sobre cualquier molécula portadora de una carga eléctrica fuerza que impulsa a un soluto cargado a través de la membrana es la resultante de dos fuerzas: una generada por el gradiente de concentración y otra generada por el voltaje a través de la membrana. Se denomina gradiente electroquímico de un soluto dado, este determina la dirección del transporte pasivo a través de la membrana. Para algunos iones de voltaje y el gradiente de concentración actúan en la misma dirección y genera un gradiente electroquímico de magnitud relativamente elevada.

Cuando los gradientes de voltaje y concentración ejercen efectos opuestos, el gradiente electroquímico resultante puede ser bajo.

Transporte Pasivo

Gradiente de Concentracion

Difusion de Iones

El transporte activo moviliza solutos en contra sus gradientes electroquímicos

El transporte activo de solutos en contra del gradiente electroquímico mantenimiento de la composición iónica intracelular y para importar solutos que se encuentras en una menos concentración en el exterior que en el interior de las células. Hay tres mecanismos: los transportadores acoplados que acoplan el transporte de un soluto con el transporte “cuesta abajo” de otro soluto; las bombas impulsadas por ATP acoplan el transporte “cuesta arriba” de un soluto con la hidrólisis de ATP y las bombas impulsadas por la luz, acoplan el trasporte “cuesta arriba” de un soluto con un impulso energético luminoso

Gradiente Electroquimico

Transporte activo secundario

Esta película se ha tomado de http://www.stolaf.edu/people/giannini/biological anamations.html , Prof. John L.Giannini, Biology Department, St.Olaf College, Northfield, MN., EE.UU.; con permiso del autor. Traducción del texto y comentarios añadidos por Angel Herráez, Universidad de Alcalá

Las células animales utilizan el gradiente Na+ para captar nutrientes en forma activa

Las proteínas transportadoras que llevan acabo esto son denominados transportadores acoplados. Se pueden acoplar los movimientos de un ion inorgánico con los de otro , los movimientos de un ion inorgánico con los de uno orgánico o los movimientos de un ion orgánico con los de otro orgánico. Si el transportador desplaza ambos solutos hacia la misma direcciónpor la membrana se denomina simportador, pero si los desplaza en opuestas recibe el nombre de antiportador . Una proteína transportadora, que solo traslada un tipo de soluto a través de la membrana se denomina uniportador.

En las células animales el ingreso de Na tiene un importnacia en la celula ya que su gradiente electroquímico elevado para atraer otros solutos hacia el interior de la célula. Un ejemplo, las células epiteliales del intestino transfieren la glucosa desde la luz intestinal por del epitelio del intestino. Tienen contransporte de glucosa de Na+ lo que permite captar glucosa en forma activa desde la luz intestinal aunque las concentración de glucosa sea mas grande en el interior de las células que en la luz intestinal. Si las células solo tuvieran este simportador no podrían liberar glucosa para que f ser usada por otras delulas del cuerpo.. En consecuencia, estas células poseen dos tipos de transportadores de glucosa. En dominio apical de la membrana plasmática, orientado hacia la luz intestinal, poseen simportadores de glucosa-Na+ los cuales captan glucosa en forma activa y determinan una concentración de glucosa elevada en el citosol. En el basal y lateral de la membrana plasmática hay uniportadores de glucosa pasivos que liberan la glucosa en respuesta a un gradiente de concentración para que puedan utilizarla otros tejidos del cuerpo.Los antiportadores de Na+ son importantes en para la función celular. : el intercambiador de Na+ y H+ en la membrana plasmática de muchas células usa el flujo de Na+ para bombear H+ fuera de la célula.

La bomba de Na+-K+ contribuye al mantenimiento de equilibrio osmótico de las células animales

La membrana plasmática es permeable al agua. El movimiento del agua de una región con baja concentración de soluto (alta concentración de agua) a una región con alta concentración de soluto (baja concentración de agua) se le llama ósmosis. La fuerza que impulsa este desplazamiento agua equivale nos da la diferencia de la presión del agua y se titulan con el nombre de presión osmótica. .Hay células que manejas los problemas de osmosis de distintas formas . Las células vegetales no se inflan porque tienen una pared celular resistente lo que les permite tolerar muchas presion osmotica en su membrana plasmatica.La ósmosis, con el transporte activo de iones hacia el interior de la célula, da una presion de tiurgencia que mantinene a las celulas veggetales desitndidaMucha presencia de agua en protozoarios que fluye de forma continua hacia el interior de la célula por ósmosis este es recolectado en vacuolas contráctiles que descargan su contenido en el medio extracelular.Lo cual permite que la vacuola se llene de una solución con abundante contenido de solutos, lo que determina un arrastre de agua por ósmosis, y y recupera los solutos por el proceso de bombeo activo hacia el citosol antes de que la vacuola se vacíe en el exterior. Como en todas las celulas animales de la bomba Na+-K+ es vital para el mantenimiento del equilibrio osmótico.

La concentración intracelular de Ca+ se mantiene en un nivel reducido por la acción de bombas de Ca+.

La entrada de Ca+ a través de las membranas celulares tiene una importancia fundamental ya que posee la capacidad de unirse firmemente a otras moléculas de las células y alterar sus niveles de actividad. La entrada de Ca+ en el citosol a través de canales de Ca+ actúa como señal que desenvuelve otros procesos intracelulares, como la secreción de moléculas señalizadoras y la concentración de las células musculares.

Cuanto menor sea la concentración basal de Ca+ que este libre en el citosol mayor es la sensibilidad de la célula a un aumento del nivel citosólico de Ca+.

La bomba de Ca+ es una ATPasa que pasa por procesos de fosforilación y desfosforilación en el ciclo de bombeo.

Los gradientes de H+ se utilizan para impulsar el transporte a través de la membrana de plantas, hongos y bacterias.

Las células vegetales, hongos y bacterias no tienen bombas de Na+-K+. Entonces los casos de el transporte de solutos hacia el interior de la célula depende de un gradiente electroquímico de protones en lugar del de Na+. Este es generado por bombas de H+ que se encuentran en la membrana plasmática que expulsan H+ de la célula y asi generan un gradiente electroquímico de protones, con una mayor concentración de H+ en el medio extracelular que en el medio intracelular; durante este proceso la bomba de H+ también da pH ácido en la célula.

Las plantas, hongos y muchas otras bacterias generan el gradiente de H+ mediante ATPasas de la membrana plasmática que usan energía derivada de la hidrolisis de ATP para expulsa H+ hacia el exterior de la célula; estas ATPasas se asemejan a las bombas de Na+-K+ y de Ca2+ que estan en las células de los mamíferos de los cuales hablamos.

En las membranas de algunos orgánulos intracelulares, como los lisosomas de las células animales y las vacuolas centrales de células vegetales y fúngicas, encontrmaos un tipo diferente de H+-ATPasa su función consiste en bombear H+ desde el citosol hacia el orgánulo cuya finalidad de mantener un pH neutro en el citosol y un pH ácido en el interior del orgánulo.

Canales iónicos y potencial de membrana

La forma más sencilla de permitir el paso de una pequeña molécula hidrosoluble de un lado a otro de la membrana celular es crear un canal hidrófilo ehecho por las proteínas de canal, que forman poros acuosos transmembrana que permiten el movimiento pasivo de moléculas hidrosolubles pequeñas hacia el interior o el exterior de las células o los orgánulos.

Pocas cantidades de proteínas de canal pueden formar poros grandes, como las proteínas que forman uniones de hendidura entre dos células vecinas y las porinas que forman canales de la membrana externa de las mitocondrias y algunas bacterias. Pero, conducirán a fugas catastróficas si conectan directamente el citosol de una célula con el espacio extracelular. Por lo que la mayoría de las proteínas de canal presentes en la membrana plasmática de las células de animales y vegetales son diferentes y poseen poros estrechos y altamente selectivos. Casi todas estas proteínas son canales iónicos relacionados exclusivamente con el transporte de iones inorgánicos, sobre todo Na+, K+, Cl- yCa2+.