9 Membranas Biológicas y Transporte

8/17/2019 9 Membranas Biológicas y Transporte

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CÉLULA I/Membranas Biológicas y TransporteGonzalo Vázquez Palacios

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3. MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y TRANSPORTE

Resulta difícil explicar la estructura y función de células y organelos celulares sin considerar elpapel que desempeña la membrana celular. Para llevar a cabo las reacciones químicas necesarias en elmantenimiento de la vida, la célula necesita mantener un medio interno apropiado. Esto es posible porquelas células se encuentran separadas del mundo exterior por una membrana limitante: la membranaplasmática. Además, la presencia de membranas internas en las células eucariotas proporcionacompartimientos adicionales que limitan ambientes únicos en los que se llevan al cabo funcionesaltamente específicas, necesarias para la supervivencia celular. Sin la existencia de las membranas habríasido imposible que la vida en la tierra evolucionara hasta alcanzar su estado actual.

Las membranas celulares no son paredes rígidas, sino estructuras complejas y dinámicas compuestas por moléculas que poseen características especiales. Tales características hacen posible laexistencia de interacciones selectivas entre los sistemas de membrana internos en la célula, y de la célula

con el medio que la rodea. Entre otras funciones de la membrana celular, se destacan la regulación deltransporte de moléculas hacia adentro y afuera de la célula, la transmisión de señales e información entreel medio y el interior de la célula, la capacidad de actuar como sistema de transferencia y almacenamientode energía y el reconocimiento de la célula con su entorno.

Con el fin de entender los mecanismos mediante los cuales las membranas celulares realizandichas funciones, es necesario hacer una revisión de los conocimientos acerca de la estructura ycomposición de las membranas en general. Aunque este tema se centra principalmente en la estructura yfunción de la membrana plasmática, gran parte de los conceptos que se vierten también se aplican alsistema de membranas interno.

Organización de las membranas biológicas.Una de las cosas más sorprendentes

que se descubren al observar una micrografíaelectrónica para comparar los tamaños de lasdistintas estructuras celulares, es el hecho deque la membrana plasmática parece serexcesivamente delgada. Efectivamente, lamembrana plasmática tiene un grosor nomayor de 5 nm (El nanómetro es la unidad delongitud que equivale a una milmillonésimaparte de un metro. La abreviatura del

nanómetro es nm. (1 nm = 1x10-9

m)Mucho antes de que se inventara elmicroscopio electrónico ya se sabía que lasmembranas estaban compuestas de proteínasy lípidos. Ya entre 1920 y 1930 se aceptabaque la parte central de la membranaplasmática estaba formada de lípidos,principalmente fosfolípidos. Además, el estudio de la membrana de los eritrocitos (que sólo tienenmembrana plasmática) y la comparación del área de superficie de membrana con el número total demoléculas de lípidos por célula permitió a los investigadores arribar a la conclusión de que la membrana secompone de fosfolípidos, y que su grosor no es mayor que el de dos moléculas de éstos. Debido a que la

mayor parte de las proteínas tiene un diámetro mayor a 10 nm, uno de los principales problemas paracomprender la estructura básica de las membranas consistía en determinar la forma en que las moléculasse disponían en un espacio tan pequeño.


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En 1972, S.T. Singer y G.L. Nicholson1 propusieron un modelo de estructura de membranas quesintetizaba las propiedades conocidas de las membranas biológicas. Según este modelo del mosaicofluido1, que ha tenido gran aceptación, las membranas constan de una bicapa lipídica (esencialmente

una doble capa de fosfolípidos) en la cual están inmersas diversas proteínas.Esta bicapa lipídica constituye la estructura básica de la membrana y actúa de barrerarelativamente impermeable al paso de la mayoría de las moléculas hidrosolubles. Las moléculas proteicas,que normalmente se hallan “disueltas” en la bicapa lipídica, actúan como mediadores o facilitadores decasi todas las funciones de la membrana, ya sea transportando moléculas específicas a través de ella ocatalizando reacciones asociadas a la membrana, como la síntesis de ATP. Algunas proteínas actúancomo eslabones estructurales que relacionan la membrana plasmática al citoesqueleto y/o con la matrizextracelular de las células adyacentes, mientras que otras proteínas actúan como receptores que reciben ytransducen las señales químicas procedentes del entorno celular.

En la actualidad se sabe que los lípidos de membrana tienen propiedades especiales que lespermiten formar estructuras de doble capa, y que estas estructuras permiten la integración de membranas

biológicas. Pero, ¿Cómo es posible que los lípidos se comporten en esa forma?

Bicapa lipídicaLos lípidos son insolubles en agua pero se disuelven fácilmente en disolventes orgánicos.

Constituyen aproximadamente el 50% de la masa de la mayoría de las membranas plasmáticas de lascélulas animales, siendo casi todo el resto proteínas. Existen 109 moléculas lipídicas en la membranaplasmática de una célula animal pequeña.Las propiedades físicas de los fosfolípidos, en particular la forma en que dichas moléculas se asocian enel agua, son las que permiten laformación de capas dobles. Ya seha mencionado que los

fosfolípidos están formados pordos cadenas de ácidos grasosunidas a dos de los tres carbonosde la molécula del glicerol. Lasdos cadenas de ácidos grasos dela molécula son hidrófobas (noafines al agua) y pueden tenerdiferente longitud (usualmentecontienen de 14 a 24 átomos decarbono). Normalmente una deestas cadenas presenta uno omás dobles enlaces cis (es decir,es insaturada) mientras que la otranormalmente no tiene doblesenlaces (es saturada). Las diferencias en longitud y grado de instauración entre las colas hidrocarbonadasson importantes porque afectan la capacidad de las moléculas de fosfolípidos para empaquetarse,modificando su fluidez (como veremos más adelante). El tercer carbono del glicerol está unido porintermedio de un grupo fosfato a una molécula orgánica hidrofílica (afín al agua), que generalmentecontiene un átomo de nitrógeno o un hidrato de carbono. Las moléculas de este tipo, con una regiónhidrofóbica y otra hidrofílica, se denominan moléculas anfipáticas. Todas las moléculas que conforman elcentro de la membrana tienen características anfipáticas.

1 Singer, SJ; Nicolson, GL (Febrero de 1972) «The fluid mosaic model of the structure of cell membranes» Science. Vol. 175. n.º23. pp. 720 –723.


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Debido a que las moléculas del tipo de los fosfolípidos tienen un extremo que se asocia libremente con elagua y otro que no lo hace, cuando se encuentran dispersas en agua adoptan, por lo general, unaconformación de capa doble. La estructura en bicapa permite que los grupos del extremo hidrofílico se

asocien libremente con el medio acuoso, y que las cadenas hidrofóbicas de ácidos grasos permanezcanen el interior de la estructura, lejos de las moléculas de agua. No todos los lípidos son capaces de formarbicapas: algunos forman micelas con las colas hidrocarbonadas hacia el interior, como es el caso de losácidos grasos libres. Los triglicéridos, por ejemplo, son hidrófobos, de manera que forman gotas de aceitedentro de la célula. Las características más importantes de los lípidos que forman bicapas son, entonces:a) ser claramente dipolares, exhibiendo un polo hidrofóbico y otro hidrofílico, lo que hace que susmoléculas sean fuertemente anfipáticas, y b) su forma les permite asociarse con el agua en forma de unaestructura de doble capa.

Estas bicapas lipídicas tienden a cerrarse sobre si mismas formando compartimientos herméticos,eliminando así los bordes libres en los que las colas hidrofóbicas podrían estar en contacto con el agua.Por esta misma razón los compartimientos formados por bicapas lipídicas tienden a cerrarse de nuevo

después de haber sido rotos, propiedades denominadas de autoensamblaje y autosellado. Además unabicapa lipídica tiene otras características que hacen de ella una estructura ideal para constituir membranascelulares, de las cuales una de las más importantes es su fluidez, crucial para muchas funciones.

La bicapa lipídica como un líquido bidimensionalUna característica importante de las bicapas de fosfolípidos es que en determinadas condiciones

se comportan como cristales líquidos. Las bicapas tienen propiedades semejantes a los cristales, perotambién tienen propiedades semejantes a los líquidos, porque a pesar de la ordenada disposición de susmoléculas los grupos hidrocarbonados están en movimiento constante. Por lo tanto, una molécula sedesplaza rápidamente de un punto al otro en un mismo lado de la estructura. Este movimiento confiere a labicapa la propiedad de un fluido bidimensional '. En condiciones normales, esto significa que una molécula

de fosfolípido puede atravesar la superficie de una célula eucariota en pocos segundos.Las propiedades de líquido de la bicapa lipídica también permiten el desplazamiento de las

moléculas que se encuentran insertas en ella sobre el planode la membrana (siempre que no estén ancladas mediantealgún otro mecanismo, como en algunas conexionesintercelulares).

La fluidez de las membranas celulares esbiológicamente importante. Algunos procesos de transporte yactividades enzimáticas pueden detenerse cuando laviscosidad de la membrana (parámetro inversamenterelacionado con la fluidez) se incrementa más allá de un nivelcrítico umbral. La fluidez de la bicapa depende tanto de su composición como de la temperatura. Unamenor longitud de las cadenas reduce la tendencia de las colas a interaccionar entre sí y los doblesenlaces cis producen pliegues en las cadenas hidrocarbonadas que dificultan su empaquetamiento, deforma que las membranas permanecen fluidas a temperaturas más bajas.

La mayor parte de las membranas biológicas se encuentran en un estado cristalino líquido; sinembargo, a temperaturas bajas, las fuerzas de Van der Waals1 entre las cadenas de hidrocarburosdispuestas una cerca de otra convierten las bicapas de fosfolípidos en un gel sólido. Bacterias, levaduras yotros organismos cuyas temperaturas varían con la de su entorno controlan la composición de ácidosgrasos de sus lípidos de membrana para mantener una fluidez relativamente constante. Si la temperatura

1 Ocurren entre dipolos inducidos no permanentes de enlaces covalentes poco polares, como C H. Cuando los orbitalesmoleculares de dos enlaces apolares se ponen en contacto, las nubes de electrones se rechazan mutuamente y se inducendipolos, lo que establece una fuerza de atracción débil. Conforme los átomos se alejan, los dipolos desaparecen y se pierde lafuerza de van der Waals

1 Singer, SJ; Nicolson, GL (Febrero de 1972) «The fluid mosaic model of thestructure of cell membranes» Science. Vol. 175. n.º 23. pp. 720 –723.


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disminuye sintetizan ácidos grasos insaturados, de manera de evitar la pérdida de fluidez de susmembranas por efecto de la disminución de la temperatura.

Los principales fosfolípidos que se encuentran en las membranas son la fosfatid i lcolina,

fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina y esfingomielina. La razón por la cual hay tal variedad de fosfolípidosquizás se deba a que serían necesarios para los distintos tipos de proteínas que se hallan asociadas a lamembrana, que únicamente podrían funcionar en presencia de grupos polares específicos, como los quebrinda la cabeza polar de los distintos tipos de fosfolípidos. Algunos fosfolípidos como el fosfatidilinositol,son funcionalmente importantes pero se hallan en cantidades relativamente pequeñas A menudo lasmembranas plasmáticas bacterianas están compuestas por un único tipo de fosfolípido y no contienencolesterol. Contrariamente, la composición de la membrana celular de la mayoría de las célulaseucarióticas es más variada conteniendo además algún esterol (colesterol en las células animales) y glicolípidos. Las membranas plasmáticas de algunas células animales contienen cantidadesespecialmente elevadas de colesterol, hasta una proporción de más de una molécula de colesterol porcada molécula de fosfolípido. Las moléculas de colesterol se acomodan entre los fosfolípidos y actúan

como "amortiguadores de fluidez". A bajas temperaturas las moléculas de colesterol se interponen entrelas cadenas de hidrocarburos, con lo cual evitan quese acerquen y formen interacciones de van derWaals, los cuales provocarían la cristalización de lamembrana. Por otro lado, a temperaturas elevadas,las moléculas de colesterol restringen el movimientoexcesivo de las cadenas de ácidos grasosdisminuyendo la fluidez de la membrana.

Las bicapas lipídicas, sobre todo las que seencuentran en estado de cristal líquido, tienentambién otras propiedades biológicas importantes.

Las bicapas tienden a resistir la formación deextremos libres: como resultado tienden aautosellarse y casi en cualquier circunstancia formanvesículas cerradas espontáneamente. Por último, en

condiciones apropiadas, las bicapas son capaces de fusionarse con otras. La fusión de membranas es unfenómeno celular muy importante y que requiere de membranas en estado fluido para producirse. Cuandouna vesícula se fusiona con otra membrana, ambas bicapas y sus compartimientos forman unacontinuidad. Esto permite tanto la transferencia de material de un compartimiento a otro, o el movimientode una vesícula secretora hacia afuera de la célula, mediante un proceso Ilamado exocitosis. De modosimilar, aunque inverso, la endocitosis permite la incorporación de grandes moléculas del exterior mediantela formación de vesículas en alguna porción de la membrana.

Otro aspecto importante es que la bicapa lipídica es asimétrica, hecho que tiene una obviarelación funcional y se refiere a la diferente composición lipídica de cada una de sus monocapas. En losglóbulos rojos, la mayoría de las moléculas lipídicas que tienen colina en su grupo cabeza (fosfatidilcolinay esfingomielina) se encuentran en la mitad exterior de la bicapa, mientras que la mayoría de lasmoléculas de fosfolípido que contienen un grupo amino (fosfatidiletanolamina y fosfatidilserina) se hallanen la mitad interior. Algunos fosfolípidos, como el fosfatidilinositol, actúan como intermediarios en elproceso de señalización celular: ante estímulos extracelulares, el fosfatidilinositol ubicado en el interior dela membrana es primero fosforilado en dos oportunidades y luego hidrolizado en trifosfato de inositol ydiacilglicerol. Ambos fragmentos de la molécula actúan dentro de la célula como mensajeros solubles quepermiten la difusión de la señal hacia el interior de la célula.

Como ya se ha mencionado, la síntesis de fosfolípidos ocurre en el retículo endoplásmico liso y esallí donde se genera la asimetría por traslocadores que trasladan específicamente moléculas defosfolípidos de una capa a la otra. Los fosfolípidos son sintetizados en la cara externa (citosólica). Si bien


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se sintetizan tanto fosfatidilcolina como el resto de los fosfolípidos, sólo la fosfatidilcolina pasa a la carainterna de la membrana del retícu lo gracias a un traslocador fosfolipídico específico (una “flipasa”). La

pérdida de la asimetría de la membrana es una señal de muerte celular, ya que la exposición de

fosfatidilserina en la monocapa externa es un índice de apoptosis o muerte celular programada quefavorece la fagocitosis de estas células por macrófagos.

También existen glicolípidos en la membrana. Se presentan probablemente en las membranasplasmáticas de todas las células animales, constituyendo el 5% de las moléculas de lípido de la monocapaexterna y son las moléculas que presentan una asimetría mas marcada en cuanto a su distribución en lasmembranas celulares. Estas moléculas se encuentran exclusivamente en la mitad no citoplasmática de lamembrana plasmática. En la membrana plasmática, los grupos azúcares quedan al descubierto en lasuperficie de la célula, lo que sugiere que deben desempeñar una función en las interacciones de la célulacon su entorno. Debido a que los azúcares se añaden en la cara luminal del aparato de Golgi, al formarsela vesícula de transporte el residuo glicosídico queda hacia el interior de la misma, pero cuando ésta sefusiona con la membrana plasmática, la porción glicosilada, que es hidrófila, queda hacia el exterior de la

célula. Hay variados tipos de glicolípidos: los más complejos contienen oligosacáridos con uno o másresiduos de ácido siálico que les proporciona carga negativa. Estos lípidos son más abundantes en lamembrana plasmática de células nerviosas.

La función de los glicolípidos puede ser variada: en las células epiteliales tapizan la cara que da alepitelio, donde las condiciones son extremas (bajos o altos valores de pH, enzimas degradativas),protegerían la integridad de las propias proteínas de membrana; también cumplen funciones aislantes,como ocurre en la membrana que rodea el axón de las células nerviosas, tapizada totalmente porglicolípidos en la cara externa. La presencia de carga eléctrica negativa en su molécula es responsabletambién de la concentración de iones, especialmente Ca+2 en la superficie externa. Además desempeñanuna importante función en procesos de reconocimiento celular, ayudando a su vez a las células a unirse ala matriz extracelular y a otras células.

Proteínas de membranaAunque la estructura básica de las membranas biológicas es provista por los fosfolípidos, la

mayoría de las funciones específicas de la membrana son llevadas a cabo por proteínas. De acuerdo conello, las cantidades y tipos de proteínas de membrana son muy variables: en la membrana mielínica, quesirve de aislación eléctrica al axón de la neurona, menos del 25% son proteínas, en tanto que en lasmembranas donde hay transducción energética (mitocondrias y cloroplastos) el porcentaje alcanza al 75%.En promedio, hay un 50% de lípidos y otro tanto de proteínas, pero como las proteínas son mucho másgrandes, la relación numérica es de alrededor de 50 moléculas de fosfolípidos por cada molécula deproteína.

Al principio, los investigadores encontraban difícil pensar que las proteínas se asociaran en otrositio que no fuese la superficie exterior de las membranas. Sin embargo en estudios fisicoquímicos de lasproteínas de membrana se mostró que gran parte de éstas son del tipo globular; esto significa que sondemasiado voluminosas como para asociarse sólo a la superficie de las membranas. Por último, seobtuvieron pruebas por las cuales puede afirmarse que algunas proteínas se asocian con las membranasde tal manera que una región (o dominio) de ellas se encuentra de un lado de la membrana y otra en ellado opuesto. Por lo tanto, el modelo de la estructura de membrana más razonable es aquél en el que seforma un mosaico de proteínas, en el cual gran parte de éstas son móviles y se extienden dentro o aambos lados de la bicapa lipídica.

Hoy se sabe que existen dos tipos de proteínas de membrana: proteínas integrales ointrínsecas y proteínas periféricas o extrínsecas. Las proteínas integrales de membrana poseen

algunas regiones insertadas en las regiones hidrófobas de la bicapa lipídica. Algunas atraviesan toda lamembrana, de manera que gran parte de ellas se encuentra en alguno de los lados de la membrana; estasproteínas integrales se llaman también proteínas transmembrana. Algunas otras proteínas integrales


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poseen solo una pequeña porción dentro de la bicapa que sirve como ancla y el resto de la molécula en elcitoplasma o hacia la superficie celular. Otras están casi por completo insertas en la región hidrófoba yposeen cadenas polipeptídicas que atraviesan una y otra vez (incluso hasta doce veces) la bicapa lipídica.

Las proteínas integrales de membrana son capaces de insertarse en la bicapa lipídica debido aque las porciones que lo hacen son hidrófobas y, por tanto, son compatibles con el interior de lamembrana. Cuando alguna proteína de membrana contiene una porción hidrofílica, ésta generalmente seencuentra en protrusión por fuera de la superficie de la membrana, en contacto con el medio acuoso 2.

También las proteínas transmembránicas pueden estar unidas por una cadena de ácido graso a lacara interna de la membrana, pasar una sola vez a través de la misma (1) o muchas veces (2), estarsolubles en el citosol pero ancladas a la cara interna por un resto acilo3 o prenilo (3), o haber sidosintetizadas como proteínas transmembrana en el retículo endoplásmico rugoso y unidas a un resto deglicosilfosfatidilinositol, que las ancla a la cara externa de la membrana (4).

En las proteínas integrales, la parte que se halla dentro de la membrana usualmente adopta unaestructura en -hélice, con predominio de aminoácidos hidrofóbicos. Además este enrollamiento aseguraque todas las uniones peptídicas (que son polares) estén disminuidas en su polaridad debido a laformación de puentes de hidrógeno. Sólo hacen falta 20-30 aminoácidos para atravesar la membrana enforma de -hélice y sólo unos diez para hacerlo en forma de hoja -plegada. La mayoría de las proteínasintegrales atraviesan la membrana en forma de hélices , pero algunas (como las porinas de bacterias yde mitocondrias) forman láminas que se disponen en forma de barril ( “-bar rel”). Las proteínasintegrales de membrana pueden ser solubilizadas por medio de detergentes, que en agua forman micelas.

El otro tipo de proteínas de membrana, las proteínas periféricas, pueden eliminarse de ésta sinalterar la estructura de la doble capa. Por lo general se unen a regiones expuestas de proteínas integrales.Las proteínas periféricas están usualmente asociadas por interacciones no covalentes a otras proteínastransmembránicas y se pueden ubicar hacia adentro (5) o hacia fuera (6) de la membrana.

Si bien las proteínas pueden migrar dentro de la membrana, existen distintos dispositivos por loscuales las células pueden confinar a las proteínas dentro de determinados dominios membranosos. En lascélulas epiteliales que tapizan el intestino y los túbulos renales, las proteínas que miran hacia la luz del

2 La diferencia entre proteínas solubles y proteínas ligadas a membranas no consiste en que una contenga aminoácidoshidrófobos y la otra no, sino en que en aquéllas los aminoácidos hidrófobos se encuentran en el interior de la molécula, lejos

del medio acuoso, en tanto que en éstas las porciones hidrófobas de los aminoácidos se presentan en la superficie de lamolécula, en contacto con las cadenas de ácidos grasos de la bicapa lipídica

3 Un grupo acilo es un grupo derivado de un oxoácido, normalmente un ácido carboxílico, por eliminación de al menos un grupohidroxilo. Los derivados de un ácido carboxílico tienen como fórmula general R-CO-.


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tubo no pueden pasar hacia las paredes laterales o hacia la cara opuesta de la célula debido a laexistencia de uniones estrechas (se verán más adelante) que les impiden el paso. Sin embargo no es elúnico medio, aunque en algunos casos no se conoce el mecanismo que impide la migración libre: en

espermatozoides de mamíferos las proteínas del ápice, del resto de la cabeza y de la cola forman tresdominios perfectamente individualizables con anticuerpos fluorescentes, pero se desconoce cuál es lafunción de dichas proteínas y las fuerzas que impiden su migración. Otros ejemplos de confinamiento deproteínas en determinadas zonas de la membrana están dadas por asociación de proteínas con elcitoesqueleto (glóbulos rojos), o con la matriz extracelular, o con ambos, o puede haber interacciones entreproteínas de dos células distintas en zonas de membrana contiguas.

Asimetría de proteínas de las membranasUna de las pruebas más evidentes de que las proteínas se insertan en la bicapa lipídica proviene

del estudio con microscopía electrónica por el método de criofractura, el cual prácticamente permite a losinvestigadores observar las membranas de "adentro hacia afuera". Al comparar, con el método descrito,

las dos superficies de una membrana, se muestra que en una de estas superficies hay gran cantidad departículas, en tanto que en la otra superficie se observan muy pocas. Estas partículas son proteínasembebidas en la doble capa de lípidos. De aquí se deduce que las proteínas presentes en una membranabiológica están distribuidas de manera asimétrica. Cada lado de la membrana tiene característicasdiferentes debido a que cada proteína de membrana se orienta en la bicapa en un solo sentido. Estaasimetría está dada por la forma tan específica en que se forman e intercambian las membranas de unaparte de la célula a otra.

Los hidratos de carbono se encuentran unidos a las porciones de las proteínas expuestas en lasuperficie celular, y no a las que se internan al citoplasma. Esta distribución asimétrica de los hidratos decarbono se debe a la forma en que las glucoproteínas se insertan en las membranas al ser sintetizadas.Como se dijo, las proteínas de la membrana plasmática son producidas por ribosomas del retículo

endoplásmico rugoso (RER) y se insertan en la membrana de éste durante su síntesis. Los hidratos decarbono se añaden a las proteínas en el lumen del RER. Si se sigue de cerca la gemación y fusión demembrana que forman parte del proceso de transporte se podrá observar que la porción proteica enprotrusión hacia el compartimiento interno (cisterna) del RER también estará expuesta al interior delcomplejo de Golgi, donde se encuentran las enzimas que modifican los hidratos de carbono de lasproteínas. La porción proteica permanecerá en el compartimiento interior al separarse del complejo deGolgi para ser empaquetada en una vesícula secretora. Cuando la vesícula secretora se fusiona con lamembrana plasmática, la porción de la proteína que contiene el hidrato de carbono, orientado hacia elinterior de la vesícula, se convertirá en parte de la proteína de membrana expuesta en la superficie celular.

Funciones de las proteínas de membrana ¿Por qué motivo la membrana plasmática requiere de tantas proteínas distintas? La diversidad de

proteínas en una membrana refleja el número de funciones que se llevan a cabo en ella.Habitualmente la manera en que una proteína se asocia a la bicapa lipídica es un indicativo de la

función de la proteína. Así, sólo las proteínas transmembrana pueden actuar a ambos lados de la bicapa otransportar moléculas a través de ellas. Las proteínas de la membrana plasmática pueden ser clasificadasen diferentes grupos, de acuerdo a la función que desempeñan:a) Proteínas de adhesión celular, que unen firmemente las membranas de células adyacentes y actúan

como puntos de anclaje con componentes del citoesqueleto.b) canales proteicos entre dos células (uniones de hendidura, permiten el paso de moléculas pequeñas

entre dos células vecinas.

c) Proteínas de transporte que permiten el transporte selectivo de moléculas esenciales, ya sea enforma pasiva o en forma activa mediante procesos que requieren de energía.


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d) Proteínas transductoras receptoras de señales, que se unen a moléculas portadoras de señalesexternas y que luego transfieren el mensaje al interior de la célula.

e) Bombas dependientes de ATP, que transportan activamente iones de un compartimiento a otro,

constituyendo así un mecanismo de almacenamiento de energía (se verán en mitocondrias ycloroplastos).f) Algunas proteínas intrínsecas de la membrana actúan como enzimas, con sitios activos localizados

en la superficie de la membrana o en el interior de ella.

PASO DE LOS MATERIALES A TRAVÉS DE LAS MEMBRANAS (Transporte de membrana)Debido a su interior hidrofóbico, la bicapa lipídica de una célula constituye una barrera altamenteimpermeable a la mayoría de las moléculas polares. Esta función de barrera es de especial importancia, yaque permite a una célula mantener en su citosol ciertos solutos a concentraciones diferentes a las queestán en el fluido extracelular y en cada uno de los compartimientos intracelulares. Sin embargo, parapoder utilizar esta barrera las células han tenido que desarrollar sistemas para transportar específicamentemoléculas hidrosolubles a través de la membrana y así poder ingerir nutrientes esenciales, excretar losproductos de deshecho del metabolismo y regular las concentraciones intracelulares de iones. El

transporte de iones inorgánicos y de pequeñas moléculasorgánicas hidrosolubles a través de la bicapa lipídica seconsigue mediante proteínas transmembrana especializadas,

cada una de las cuales es responsable de la transferencia deuna molécula o un ion específico o de un grupo de moléculasafines.

El hecho de que una membrana permita el paso deciertas sustancias depende de su estructura y del tamaño ycarga eléctrica de las moléculas. Se dice que una membrana espermeable para alguna sustancia si permite que ésta la cruce eimpermeable si no permite el paso de dicha sustancia. Unamembrana selectivamente permeable permite el paso dealgunas sustancias pero no el de otras. Todas las membranasbiológicas (aquellas que rodean a las células, núcleos,

vacuolas, mitocondrias, cloroplastos y otros organeloscelulares) son selectivamente permeables.


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Al reaccionar a las condiciones ambientales cambiantes o a las diversas necesidades de la célula,la membrana puede constituir una barrera al paso de un compuesto determinado en cierto momento,mientras promueve activamente su paso en otro momento. Mediante la regulación del tráfico químico de

esa manera, la célula controla su propia composición interna de iones y moléculas que puede ser muydiferente a la del exterior. En el mundo abiótico, los materiales se mueven pasivamente por procesosfísicos como la difusión. En los seres bióticos, los materiales también se mueven activamente por procesosfisiológicos como transporte activo, exocitosis y endocitosis. Esos procesos fisiológicos activosdemandan un gasto de energía por parte de la célula.

DifusiónAlgunas sustancias se desplazan hacia adentro y afuera de las células, y se mueven dentro de

éstas por medio de un proceso llamado difusión simple, el cual se basa en el desplazamiento al azar.Cuando se deja caer un terrón de azúcar en un vaso de precipitado lleno con agua, las moléculas de aquélse disuelven y luego comienzan a difundirse hacia toda el agua del recipiente, como consecuencia de que

las moléculas de azúcar individuales se desplazan al azar en todas direcciones. En última instancia, ladifusión ocasiona una distribución uniforme de las moléculas de azúcar en toda el agua del vaso. Por lotanto, puede decirse que la difusión implica el movimiento neto de partículas en favor de un gradiente deconcentración (diferencia de concentración de una sustancia de un punto a otro).

La velocidad de difusión está en función del tamaño y forma de las moléculas, de sus cargaseléctricas y de la temperatura. Al aumentar la temperatura, las moléculas se mueven con mayor rapidez yaumenta la proporción de difusión. Este movimiento de las partículas pequeñas (llamado movimientobrowniano) constituye un modelo que explica el mecanismo de difusión de las moléculas.

DiálisisLa difusión de un soluto (una sustancia disuelta) a través de una membrana diferencialmente

permeable se llama diálisis. Para demostrar la diálisis se utiliza una bolsa de celofán, llena con unasolución de azúcar, que luego se sumerge en un matraz que contiene agua pura. Si la membrana decelofán es permeable a azúcar y al agua, las moléculas de azúcar pasarán a través de ella hasta que laconcentración de azúcar en el agua de los dos lados de la membrana sea exactamente igual. A partir deese momento, las moléculas de soluto (así como también las moléculas de agua) seguirán pasando através de la membrana, pero ya no habrá ningún cambio neto en las concentraciones, ya que la velocidadde movimiento será igual en ambos sentidos. La diálisis renal es una aplicación práctica de este proceso;los productos de desecho, que se difunden a través de las membranas artificiales del aparato, puedenretirarse del organismo, pero los eritrocitos, proteínas sanguíneas y otras moléculas grandes, no sedifunden a través de la membrana y por tanto se retendrán en el organismo.

El celofán con frecuencia se utiliza como "membrana artificial" Está compuesto por moléculas depolisacáridos y puede formar una lámina delgada que permite el paso de moléculas de agua. Estasmembranas se fabrican con permeabilidad variable para diferentes solutos.

Con suficiente tiempo, prácticamente cualquier molécula acabará difundiendo a través de la bicapalipídica. Sin embargo la velocidad a la que se produce esta difusión varía enormemente dependiendo enparte del tamaño de la molécula y principalmente de su solubilidad relativa. En general cuanto menor ymenos soluble en agua sea una molécula (es decir, cuanto más hidrofóbica o no polar) más rápidamentedifunde a través de la bicapa. Las moléculas pequeñas no polares (O2, CO2) se disuelven fácilmente en labicapa lipídica y por lo tanto difunden con rapidez. Las moléculas polares no cargadas también difundenrápidamente a través de la bicapa lipídica si su tamaño es reducido: por ejemplo agua, etanol y ureaatraviesan rápidamente una bicapa, el glicerol lo hace con menor rapidez y la glucosa prácticamente no la

atraviesa.Las moléculas de agua, por ejemplo, pueden desplazarse fácilmente a través de una bicapalipídica fluida, pasando a través de brechas que se forman cuando una cadena de ácido graso se mueve


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momentáneamente. Por el contrario, las bicapas lipídicas son altamente impermeables a todas lasmoléculas cargadas (iones) por muy pequeñas que sean; la carga y el grado de hidratación les impidepenetrar la fase hidrocarbonada de la bicapa.

ÓsmosisLa ósmosis es una variedad especial de difusión y en consecuencia transporte pasivo, que implica

el movimiento de moléculas solventes (en este caso, el agua) a través de una membrana de permeabilidadselectiva. Las moléculas de agua pasan libremente en cualquier dirección, pero al igual que en todos losprocesos de difusión, el movimiento neto ocurre a partir de la región de mayor concentración a la demenor, separadas por una membrana semipermeable, para igualar concentraciones. De acuerdo al medioen que se encuentre una célula, la ósmosis varía. Dicho proceso no requiere gasto de energía.

Permeabilidad de la bicapa lipídica a diferentes sustancias

Tipo de molécula Ejemplo PermeabilidadHidrófoba N2, O2• hidrocarburos Permeabilidad librePolar pequeña H20, CO2, glicerol, urea Permeabilidad librePolar grande Glucosa y otros monosacáridos

y disacáridos sin cargaNo permeable

Iones y moléculas con carga Aminoácidos, H+, HCO-3, Ca+,Cl-; Mg+

No permeable

Los principios que intervienen en el proceso de ósmosis se ilustran mediante la utilización de unaparato llamado tubo en U. El tubo en U se divide en dos secciones por una membrana de permeabilidad

selectiva que impide el paso de las moléculas de soluto (glucosa, sal y otras) En una parte del tubo secoloca una solución de agua y solutos; en la otra se coloca agua pura. La solución de agua y solutoscontiene una concentración de agua menor a la del agua pura, porque las moléculas de soluto han"diluido" las moléculas de agua. Por tanto, hay un movimiento neto de moléculas de agua del lado delagua pura (con mayor concentración de moléculas de agua) hacia el lado del agua con soluto (que tienemenor concentración de moléculas de agua), como resultado de esto el nivel de líquido del lado del aguapura disminuye, mientras que se eleva el del lado del agua con soluto. Sin embargo, aún existe unadiferencia en la concentración de las moléculas de agua entre ambos lados, debido a que las moléculas desoluto no pueden moverse a través de la membrana. El movimiento neto de agua continuará, y el nivel delíquido del lado del agua con soluto seguirá aumentando. En condiciones no sujetas a la gravedad, esteproceso continuaría indefinidamente, pero en la tierra, el peso de la columna de líquido en aumento

finalmente ejercerá una presión suficiente para detener el cambio en los niveles de líquido, aunque lasmoléculas de agua continuarán pasando a través de la membrana en ambas direcciones.La presión osmótica de una solución está relacionada con la tendencia que presenta el agua de

moverse hacia dicha solución mediante ósmosis. En el ejemplo del tubo en U se podría medir la presiónosmótica insertando un pistón del lado del agua con soluto y midiendo la presión necesaria que debeejercer el pistón para evitar el aumento en el nivel del líquido de dicho lado del tubo. Una solución con unaalta concentración de soluto tendrá una baja concentración de agua y una elevada presión osmótica; encambio, una solución con una baja concentración de soluto tendrá una elevada concentración de agua yuna baja presión osmótica.

Soluciones isotónicas, hipertónicas e hipotónicas

Con frecuencia deseamos comparar las presiones osmóticas de dos soluciones. En todocompartimiento de una célula viva se encuentran disueltas sales, azúcares y otras sustancias que leconfieren a dicho líquido una determinada presión osmótica. Cuando una célula se coloca en una solución


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cuya presión osmótica es igual a la suya, no hay movimiento neto de moléculas de agua, ni hacia afuera nihacia adentro de ella; por tanto, la célula no se hincha ni se encoge. Se dice que el líquido en el cual secolocó la célula es un líquido isotónico (es decir que tiene presión osmótica igual) con respecto al líquido

del interior de la célula. Normalmente, el plasma de la sangre (componente líquido de ella) y los demáslíquidos corporales son isotónicos con respecto al líquido intracelular; es decir, contienen unaconcentración de agua igual a la del líquido intracelular. Una solución de cloruro de sodio al 0,9% (llamadasolución salina fisiológica) es isotónica respecto a las células humanas y a las células de otros mamíferos.Los eritrocitos humanos colocados en una solución de cloruro de sodio al 0,9% no se encogen ni sehinchan.

Concentración de solutosen la Solución A

Concentración desolutos en la Solución B

Tonicidad Dirección demovimiento del agua

Mayor Menor A es hipertónica respecto a B;B es hipotónica respecto a A

B hacia A

Mayor Mayor B es hipertónica respecto a A.

A es hipotónica respecto a B

A hacia B

Igual Igual Isotónica No hay movimientoneto

Si el líquido circundante tiene unaconcentración de solutos mayor que la dellíquido intracelular y, por tanto, una presiónosmótica mayor que la de éste se dice que esuna solución hipertónica; una célula colocadaen una solución hipertónica pierde agua y portanto, se encoge. Así, los eritrocitos humanos

colocados en una solución de cloruro de sodioal 1,3% pierden agua y se encogen. Cuandouna célula con pared celular se coloca en unmedio hipertónico pierde agua, y entonces sucontenido disminuye dentro de la pared celular;este proceso se llama plasmólisis. Dichofenómeno se observa en las plantas cuando sedepositan grandes cantidades de sales ofertilizantes en la tierra o agua que las rodea. Si

el líquido circundante posee una concentración de solutos menor que la del líquido intracelular, y por lotanto tiene una presión osmótica menor que la de éste, se denomina solución hipotónica; en estascircunstancias, el líquido se desplazará hacia el interior de la célula, provocando que ésta se hinche,ejerciendo presión contra las membranas celulares llamada presión de turgencia, las cuales se ponentensas, fenómeno llamado turgencia (del latín turgens- turgentis; hinchar). En una solución de cloruro desodio al 0,6%, el agua entra hacia el interior de los eritrocitos, provocando el hinchamiento de éstos yeventualmente su ruptura o lisis (visualizado por la disolución de la hemoglobina en el líquido hipotónico,que lo colorea de rojo). Las paredes celulares rígidas de células vegetales, algas, bacterias y hongoshacen posible que esos organismos vivan sin reventar en un medio externo muy diluido, que contenga unaconcentración muy baja de solutos. Debido a las sustancias disueltas en el citoplasma, las células sonhipertónicas respecto al medio externo (el medio circundante es hipotónico respecto al citoplasma.). Elagua tiende a difundir hacia el interior de las células por ósmosis, llenando sus vacuolas centrales ydistendiéndolas. La presión de turgencia es un factor importante en el sostén del cuerpo de las plantasherbáceas. Por este motivo, una flor se marchita cuando la presión de turgencia de sus células disminuye(las células han sufrido plasmólisis) por falta de agua.

EN SOLUCI N

ISOTÓNICA

EN SOLUCI N

HIPERTÓNICA

EN SOLUCI N

HIPOTÓNICA


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Transporte mediado de moléculas pequeñasLa membrana celular es relativamente impermeable a casi todas las grandes moléculas polares.

Esto constituye una ventaja biológica para la célula, ya que casi todos los compuestos metabolizados ensu interior son polares y la impermeabilidad de la membrana impide su pérdida por difusión. Paratransportar nutrientes polares, como glucosa y aminoácidos, a través de la membrana lipídica hacia elinterior de la célula, han aparecido a lo largo de la evolución sistemas de proteínas transportadoras que seunen a esas moléculas y facilitan su pasaje a través de la membrana. El paso de solutos a través de lamembrana celular por el sistema de transporte se llama transporte mediado.

Transporte Pasivo (Difusión facilitada)Algunas moléculas son demasiado grandes como para difundir a través de los canales de la

membrana y demasiado insolubles en lípidos como para poder difundir a través de la capa de fosfolípidos.Tal es el caso de azúcares como la glucosa, aminoácidos, nucleótidos y muchos metabolitos. En los casos

más simples, la célula utiliza la energía almacenada por el gradiente de concentración de una sustancia

cuya concentración es mayor en el líquido extracelular que en el intracelular. En estas circunstancias,mientras la membrana sea permeable a dicha sustancia, ésta se desplazará hacia el interior de la célula.Para que esto suceda se necesita de la presencia de proteínas especiales de membrana. Este tipo detransporte se llama transporte pasivo o difusión facilitada.

La difusión facilitada depende de la existencia de proteínas transportadoras, las cuales secombinan temporalmente con la molécula de soluto para acelerar el paso de ésta a través de la membranacelular. Cada proteína está destinada al transporte de un tipo particular de molécula y con frecuencia deuna cierta especie molecular, por lo que presentan especificidad. La proteína transportadora no se

modifica por esta acción; después de transportar la molécula de soluto, queda libre para unirse a unanueva molécula. Todas las proteínas de transporte estudiadas son proteínas transmembranales. Ladifusión facilitada es mucho más rápida que la difusión simple y depende:

Comparación entre un transporte pasivo a favor del gradiente electroquímico y el transporteactivo en contra del gradiente electroquímico


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* Del gradiente de concentración de la sustancia a ambos lados de la membrana* Del número de proteínas transportadoras existentes en la membrana* De la rapidez con que estas proteínas hacen su trabajo

El transporte de las moléculas deglucosa en los eritrocitos es un buenejemplo de difusión facilitada portransportador. Las moléculas quetransportan glucosa son glucoproteínas;éstas comprenden un 2% de las proteínastotales de la membrana. Las célulasmantienen una baja concentración internade glucosa mediante la adición inmediatade un fosfato a las moléculas de glucosaque entran en ellas: de esta manera

convierten dichas moléculas en fosfatosde glucosa con elevada carga eléctrica y,así, no pueden regresar al otro lado de lamembrana. El mecanismo de transportede glucosa no se comprende a fondo.Parece que la proteína transportadora noforma un “hoyo” en la membrana para quela glucosa pase a través de él; si tal fuerael caso, otras moléculas similares a la glucosa y algunas moléculas más pequeñas que ésta tambiénpodrían pasar a través del "hoyo". Al parecer, lo que ocurre es que la glucosa se une de modo específico auna porción de proteína expuesta en la superficie celular externa, y con esto, modifica la conformación de

la proteína, de manera que se abre un canal dentro de la proteína misma (o entre varias subunidades de lamisma cadena polipeptídica), que permite el paso de la molécula de glucosa para liberarla en el interior dela célula. Según este modelo, una vez que la glucosa se libera en el interior de la célula, la proteínarecupera su conformación original y está lista para unirse nuevamente a una molécula de glucosa en lasuperficie celular. Otra clase de proteínas transportadoras son las formadoras de canal; estas no se unenal soluto sino que forman poros hidrofílicos que atraviesan la bicapa lipídica, que al estar abiertospermiten que determinados solutos (habitualmente iones inorgánicos de tamaño y carga apropiados)puedan pasar a su través y por lo tanto atravesar la membrana).

Transporte activoAlgunas moléculas se transportan a través de la célula mediante el proceso de difusión; a otras las

requiere la célula en concentraciones mayores a su concentración extracelular. Estas moléculas seincorporan mediante mecanismos detransporte activo. Este mecanismoexige una fuente de energía debido aque el transporte activo implica el"bombeo" de una molécula en contra desu gradiente de concentración (de unazona de baja concentración hacia unade concentración elevada). Por tanto,los sistemas de transporte activo

utilizan energía generada por elmetabolismo celular en forma detrifosfato de adenosina (ATP) o bien


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utilizan algún otro tipo de energía almacenada, derivada de la hidrólisis del ATP. Los sistemas detransporte activo están basados en permeasas específicas e inducibles. Las permeasas son enzimas quetransportan sustancias a través de la membrana celular, sea hacia el interior o hacia el exterior de la célula

al mismo tiempo que rompen por hidrolisis un enlace fosfato del ATP.Un ejemplo de transporte activo es la bomba de calcio esta es una proteína de la membranacelular de todas las células eucariotas. Su función consiste en transportar calcio iónico (Ca 2+) hacia elexterior de la célula, gracias a la energía proporcionada por la hidrólisis de ATP, con la finalidad demantener la baja concentración de Ca2+ en el citoplasma que es unas diez mil veces menor que en elmedio externo, necesaria para el normal funcionamiento celular. Se sabe que las variaciones en laconcentración intracelular del Ca2+ (segundo mensajero) se producen como respuesta a diversosestímulos y están involucradas en procesos como la contracción muscular, la expresión genética, ladiferenciación celular, la secreción, y varias funciones de las neuronas. Dada la variedad de procesosmetabólicos regulados por el Ca2+, un aumento de la concentración de Ca2+ en el citoplasma puedeprovocar un funcionamiento anormal de los mismos. Si el aumento de la concentración de Ca2+ en la fase

acuosa del citoplasma se aproxima a un décimo de la del medio externo, el trastorno metabólico producidoconduce a la muerte celular. El calcio es el mineral más abundante del organismo, además de cumplirmúltiples funciones.

Uno de los ejemplos más sorprendentes de los mecanismos de transporte activo es la bomba desodio y potasio que se observa en todas las células animales. Esta bomba consta de una proteínaespecífica, localizada en la membrana plasmática, que utiliza ATP para intercambiar iones de sodio delinterior de la célula por iones de potasio de su exterior. Esto provoca un desequilibrio en la concentraciónde iones de sodio y potasio en los lados opuestos de la membrana, de manera que en condicionesnormales, la concentración de potasio sea de 10 a 15 veces mayor en el interior que en el exterior de lacélula y a la inversa para el sodio. Las células son capaces de utilizar estos enormes gradientes deconcentración para generar un potencial eléctrico (separación de cargas eléctricas) a través de la

membrana, el cual constituye la base para la transmisión de los impulsos eléctricos necesarios para latransmisión de los impulsos nerviosos. Estos gradientes de concentración también almacenan energía, lacual puede utilizarse para la conducción de otros mecanismos de transporte activo. El gradienteelectroquímico producido por estas bombas es tan importante que de hecho algunas células (p. ej., lascélulas nerviosas) utilizan el 70% de su energía en el funcionamiento de este sistema de transporte.

El uso de los potenciales electroquímicos con tales propósitos no es exclusivo de la membranaplasmática de las células animales. Las células de plantas y hongos también utilizan bombas impulsadaspor ATP con las cuales "bombean" protones del citoplasma hacia el exterior de la célula. La salida deprotones (con carga positiva) del interior de la célula provoca una enorme diferencia en la concentraciónde ellos, de manera que el exterior tiene carga positiva y el interior negativo. Como se verá más adelante,estas bombas de protones que utilizan ATP, usadas en sentido inverso para producir ATP en bacterias,mitocondrias y cloroplastos, constituyen el principal transductor de energía en todas las células, desde lasbacterias hasta las células de plantas y animales complejos.

La hipótesis aceptada en la actualidad sostiene que la bomba de sodio y potasio (y otras bombasque requieren ATP) está formada por proteínas transmembranales que se extienden a través ella. Laproteína tiene centros de unión para el Na+ y el ATP en su superficie citoplasmática y para K + en susuperficie externa. Después de una serie de cambios en su conformación son capaces de intercambiarsodio por potasio a través de la membrana celular. A diferencia de la difusión facilitada, parte de loscambios de conformación de la proteína durante el ciclo de bombeo requieren de la energía liberada por elATP. Parece que la energía se transfiere del ATP a la bomba mediante la formación de un enlacecovalente entre uno de los fosfatos del ATP y la proteína, seguido por la retirada del mismo en etapas más

avanzadas del ciclo de bombeo. Debido al bombeo de 3 iones Na+

positivamente cargados hacia elexterior de la célula cada dos que bombea hacia el interior, se dice que la bomba es electrogénica, esdecir dirige una corriente neta a través de la membrana tendiendo a crear un potencial eléctrico, con el


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interior negativo con relación al exterior. Por otra parte la bomba tiene un papel directo regulando elvolumen celular a través de sus efectos osmóticos, que pueden hacer que la célula se hinche o seretraiga. Por último, también se utiliza para dirigir el transporte de azúcares y aminoácidos hacia el interior

de la célula, como se verá a continuación.

Transporte activo secundario ocotransporte

Algunas proteínas de transporteactúan como transportadores acoplados,en los que la transferencia de un solutodepende de la transferencia simultánea osecuencial de un segundo soluto, ya seaen la misma dirección (transporteunidireccional) o en dirección opuesta

(bidireccional).En el sistema de transporte más simple, conocido como uniporte, un soluto en particular se mueve

directamente a través de la membrana en una dirección. En el tipo de cotransporte conocido comosimporte dos solutos diferentes se mueven a través de la membrana, simultáneamente y en el mismosentido. Así, las proteínas transportadoras actúan como transportadores acoplados. Frecuentemente, ungradiente de concentración, que involucra a uno de los solutos transportados, impulsa el transporte delotro; por ejemplo, un gradiente de concentración de iones Na+ frecuentemente impulsa el cotransporte demoléculas de glucosa. En otro tipo de sistema de cotransporte, conocido como antiporte, dos solutosdiferentes se mueven a través de la membrana, simultánea o secuencialmente en sentidos opuestos. Labomba o ATPasa Na+-K+ es un ejemplo de sistema de cotransporte antiport o antiporte.

Sistemas de transporte múltiple integrado

En algunas células se observa el funcionamiento de más de un sistema de transporte para unasustancia determinada. Por ejemplo, el transporte de la glucosa del intestino hacia el torrente circulatoriose lleva a cabo a través de una delgada capa de células epiteliales que recubren la luz del intestino y queposeen regiones especializadas, o dominios, en su membrana plasmática. La superficie de estas células,expuesta en el intestino, posee una gran cantidad de microvellosidades o protrusiones digitiformes queincrementan con eficacia la superficie de membrana disponible para absorción. El transporte de glucosa enesta zona de la superficie celular es parte de un sistema de transporte activo que se efectúa encotransporte con el sodio. La concentración intracelular de sodio se mantiene baja por función de unabomba de sodio y potasio en la superficie opuesta de la célula, que bombea el sodio hacia el torrente

circulatorio. Gracias a su elevada concentración dentro de la célula, la glucosa puede ser transportadahacia el torrente circulatorio mediante difusión facilitada.

La localización de dos proteínas diferentes que participan en el transporte de glucosa en dosregiones distintas de una misma membrana plasmática se produce gracias a la presencia de unionesespecializadas en la célula (“uniones estrechas”, se verá en el módulo 6). Si una célula careciera de unmecanismo específico para determinar este proceso, entonces las proteínas estarían distribuidas al azaren ambas superficies de la célula; luego, no habría transporte neto de glucosa.


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Transporte de grandes moléculas a través de las membranas o transporte en masa

En la difusión simple, en la difusión facilitada y en el transporte activo las moléculas individuales ylos iones pasan a través de la membrana celular. Sin embargo, en ocasiones también es necesario eldesplazamiento de cantidades más grandes de material o de partículas de alimento o incluso de célulascompletas, hacia afuera o adentro de una célula. Esto implica un gasto de energía por parte de la célula yen ocasiones conlleva también la fusión de membranas. En la endocitosis, la célula incorpora materiales

hacia su interior. La endocitosis es el proceso celular, por el que la célula mueve hacia su interiormoléculas grandes o partículas, englobándolas en una invaginación de su membrana citoplasmática,formando una vesícula que luego se desprende de la membrana celular y se incorpora al citoplasma. Estavesícula, llamada endosoma, luego se fusiona con un lisosoma que realizará la digestión del contenidovesicular.

Existen tres procesos de endocitosis:1. Pinocitosis: ("bebido por células"), consiste en la ingestión de líquidos y solutos mediante

pequeñas vesículas. En este tipo de endocitosis, la célula incorpora materiales disueltos. Algunospliegues de la membrana plasmática engloban gotas de líquido, las cuales emergen en elcitoplasma celular en forma de pequeñas vesículas. El contenido líquido de estas vesículas selibera lentamente en el citoplasma celular y las vesículas van disminuyendo poco a poco de

tamaño, hasta el punto en que parecen desvanecerse.2. Fagocitosis: (literalmente "ingesta de células") consiste en la ingestión de grandes partículas

sólidas (como bacterias o nutrientes) que se engloban en grandes vesículas (fagosomas) que se

La distribución asimétrica de las proteínas transportadoras en la membrana plasmática de una célulaepitelial intestinal da lugar al transporte transcelular de glucosa a través del epitelio intestinal


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desprenden de la membrana celular. La fagocitosis es el mecanismo utilizado por protozoarios yleucocitos para ingerir partículas, incluso algunas tan grandes como una bacteria completa.Durante la ingestión, los pliegues de la membrana celular engloban a la partícula, que se ha unido

a la superficie celular, y forman una vacuola o vesícula alrededor de ella. Una vez que lamembrana ha encerrado a la partícula en cuestión, se fusiona en el punto de contacto e ingresaen el citoplasma. Posteriormente la membrana de la vesícula se fusiona con la membrana dellisosoma (que contienen enzimas hidrolíticas), donde el material es ingerido y degradado. A vecestambién se degradan por este mecanismo organelos celulares (una mitocondria, en el ejemplo),envolviendo al organelo en una vesícula formada con membranas del retículo endoplásmico; aeste proceso se lo denomina autofagocitosis.

3. Endocitosis mediada por receptor o ligando: es de tipo específica, captura macromoléculas delambiente, fijándose a través de proteínas receptoras ubicadas en la membrana plasmática. Luego,las moléculas ligadas al receptor emigran hacia las depresiones revestidas, que son regiones de

la superficie citoplásmica de la membrana recubiertas con estructuras en forma de cepillo(proteínas denominadas clatrinas), momentáneamente forman una estructura en forma de cestoalrededor de ellas. Algunos segundos después, las vesículas son liberadas dentro del citoplasma;sin embargo, el recubrimiento se separa de ellas, dejando a las vesículas libres en él. En seguida,las vesículas se fusionan con otras vesículas semejantes y forman endosomas, vesículas másgrandes que transportan materiales libres, que no están unidos a los receptores de membrana.Los endosomas forman dos tipos de vesículas: unas contienen receptores que pueden regresar ala membrana; otras, que contienen las partículas ingeridas, se fusionan con los lisosomas ydespués son procesadas por la célula. La endocitosis mediada por receptor resulta ser un procesorápido y eficiente. La endocitosis mediada por receptores es un proceso importante: por su medio,

Endocitosis mediada por receptores


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las células animales incorporan hacia su interior el colesterol del torrente circulatorio. Gran partedel mecanismo de esta variedad de endocitosis fue detallada en estudios del receptor delipoproteínas de baja densidad (LDL, “low density lipoproteins”). El LDL está constituido por

proteína flanqueada por moléculas de fosfolípidos y colesterol; en el centro hay un acumulo demoléculas de colesterol esterificado con ácidos grasos de cadena larga. Las partículas de proteínade baja densidad (LDL) se unen a proteínas receptoras específicas en la membrana plasmática.Los complejos receptores de LDL se mueven a lo largo de la superficie y se agrupan en la regiónde placas recubiertas con clatrina de la membrana plasmática. La endocitosis de tales placasrecubiertas da por resultado la formación de vesículas recubiertas en el citoplasma celular.Algunos segundos después el recubrimiento de clatrina se elimina y las vesículas se fusionan conotras similares hasta formarse grandes vesículas (endosomas jóvenes “early endosomes”). Enestas estructuras, los receptores y las partículas de LDL se disocian, separan y dirigen haciadiferentes regiones de la vesícula. A partir de los endosomas se forman nuevas vesículas. Lasvesículas que contienen los receptores se desplazan hacia la superficie y se fusionan con la

membrana plasmática, en la cual los receptores son reciclados. Las vesículas que contienenpartículas de LDL se fusionan con los lisosomas. Finalmente el colesterol se libera por medio dediversas enzimas hidrolíticas: sólo entonces puede utilizarlo la célula. Las personas conincapacidad hereditaria para la producción de receptores de membrana para el LDL (puede faltarel gen o fabricar un receptor defectuoso, incapaz de unirse a la cubierta de clatrinas) sonpropensas a arterioesclerosis prematura y a sufrir ataques cardíacos.El reciclaje del receptor de LDL a la membrana plasmática a través de la formación de vesículas

ilustra un problema común a todas las células que emplean los mecanismos de endocitosis y exocitosis.En las células que secretan sustancias en forma continua, unaporción equivalente de membrana debe incorporarse al interiorde la célula por cada vesícula que se fusiona con la membrana

plasmática; de no ocurrir así, la superficie de la célula estaríaen expansión constante, aunque el crecimiento de la célulaesté limitado. Existe una situación similar para las células querealizan endocitosis. Los macrófagos, por ejemplo, incorporanen forma de vesículas el equivalente del total de su volumen encerca de 30 minutos, y requieren un reciclamiento similar paraque las células mantengan su área de superficie y su volumen.

La exocitosis es el proceso celular por el cual lasvesículas situadas en el citoplasma se fusionan con lamembrana citoplasmática, liberando su contenido. En laexocitosis una célula expulsa productos de desecho oproductos específicos de secreción (como hormonas, p. ej.insulina), mediante la fusión de una vesícula con la membranaplasmática de la célula. La exocitosis consiste en la fusión de lamembrana de la vesícula secretora con la membrana plasmática.Este es también un mecanismo primario de crecimiento de lamembrana plasmática. La exocitosis se observa en muy diversascélulas secretoras, tanto en la función de excreción como en lafunción endocrina. También interviene la exocitosis en lasecreción de un neurotransmisor a la brecha sináptica, para

posibilitar la propagación del impulso nervioso entre neuronas. La secreción química desencadena unadespolarización del potencial de membrana, desde el axón de

Neurona A (transmisora) a neurona B (receptora)

1. Mitocondria2. Vesícula sináptica con neurotransmisores

3. Autoreceptor

4. Sinapsis con neurotransmisores liberados

(Serotonina)

5. Receptores Post-sinápticos activados por

neurotransmisores (inducción de un Potencial postsináptico)

6. Canal de calcio

7. Exocitosis de una vesícula

8. neurotransmisor recapturado.

http://es.wikipedia.org/wiki/Mitocondriahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ves%C3%ADcula_sin%C3%A1pticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Neurotransmisorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Sinapsishttp://es.wikipedia.org/wiki/Serotoninahttp://es.wikipedia.org/wiki/Serotoninahttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Potencial_postsin%C3%A1ptico&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Potencial_postsin%C3%A1ptico&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Canal_de_calciohttp://es.wikipedia.org/wiki/Canal_de_calciohttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Potencial_postsin%C3%A1ptico&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Potencial_postsin%C3%A1ptico&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Serotoninahttp://es.wikipedia.org/wiki/Sinapsishttp://es.wikipedia.org/wiki/Neurotransmisorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Ves%C3%ADcula_sin%C3%A1pticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Mitocondria


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la célula emisora hacia la dendrita (u otra parte) de la célula receptora. Este neurotransmisor será luegorecuperado por endocitosis para ser reutilizado. Sin este proceso, se produciríaun fracaso en latransmisión del impulso nervioso entre neuronas.

La secreción puede ser constitutiva, como cierto tipo de proteínas que son regularmentesecretadas por la célula, o ser una secreción regulada, cuando es necesario que una sustancia externa(una señal, como una hormona o un neurotransmisor) desencadene un proceso (transducción de señal)que finaliza con la secreción de una sustancia producida por la célula que es requerida en el medioextracelular.


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BIBLIOGRAFIA

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McGraw-Hill.Stryer L.(1992). Bioquímica. Ed. Reverté. 3ra Edic.1992.

CUESTIONARIO TEÓRICO1. ¿Por qué se dice que las membranas celulares no son paredes rígidas sino estructuras complejas y

dinámicas?2. ¿Cómo podría explicar el “modelo del mosaico fluido” y cuál es su relación con el comportamiento de las

membranas biológicas?3. ¿Qué características tiene una sustancia anfipática? ¿Todas las moléculas que integran la membrana

plasmática son anfipáticas?

4. ¿La membrana plasmática es simétrica o asimétrica? ¿Cuál es el efecto funcional de este hecho?5. ¿Cuál es la función de las proteínas presentes en la membrana plasmática? ¿Qué tipos de proteínas de

membrana conoce?6. ¿Cómo explica que si en la membrana plasmática hay un 50% de lípidos y otro tanto de proteínas, la

relación numérica sea de alrededor de 50 moléculas de fosfolípidos por cada molécula de proteína?7. Explique por qué es falsa esta expresión: “la diferencia entre proteínas solubles y proteínas ligadas a

membranas consiste en que una no contiene aminoácidos hidrofóbicos y la otra sí” 8. ¿Qué diferencias existen entre los fenómenos de difusión, diálisis y ósmosis?9. ¿De qué depende que una solución sea isotónica, hipotónica o hipertónica?10. Los iones, azúcares, aminoácidos, nucleótidos y muchos metabolitos ingresan a la célula por el

mecanismo de difusión facilitada. ¿Es necesario algún componente especial en la membranaplasmática para que esto suceda?

11. ¿A qué se denomina “transporte activo” de moléculas a través de la membrana plasmática? Mencioneejemplos.

12. ¿Qué diferencia hay entre la endocitosis, la fagocitosis y la autofagia? ¿Qué es lo que tienen en común?13. Describa la endocitosis mediada por receptores.14. ¿En qué consiste un sistema de transporte múltiple integrado? Proporcione un ejemplo.15. ¿Qué entiende por exocitosis? ¿Qué diferencias existen entre una secreción constitutiva y una secreción

regulada?


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El transportador defectuoso de la fibrosis quística

UN ACERCAMIENTO A LAS MEMBRANAS

CELULARESSin importar qué tan pequeña sea una célula, esun ser vivo que lleva a cabo operacionespeligrosas. Piensa en las células de todo tu cuerpoy en cómo deben responder a algo tan comúncomo el agua. En todo momento deben desplazarel agua y los solutos en uno y otro sentido de sumembrana plasmática. Las sustancias que pasana través de la membrana deben sercuidadosamente seleccionadas, ya que delmantenimiento de las condiciones favorablesdepende la supervivencia de cada célula, en último

término, de todo el cuerpo. Cuando todo va bien,las células toman y expulsan las cantidadesprecisas, ni muy bajas, ni excesivas. Pero nosiempre salen bien las cosas. Existe un canalproteico, llamado CFTR, que como todos loscanales atraviesa la membrana plasmática de lascélulas epiteliales. Este tipo de células formado untejido formado por una o varias capas de célulasunidas entre si que recubren todas las superficieslibres del organismo, y constituyen el recubrimientointerno de las cavidades, órganos huecos,conductos del cuerpo y la piel y que también

forman las mucosas y las glándulas.

Representación esquemática del canal CFTR. Este secompone de 5 dominios: dos dominios membrana-llave,que forman el canal del ion cloruro; dos dominiosnucleótidos-vinculantes que unen e hidrolizan ATP, y undominio regulador.

En condiciones de salud, los iones cloruroatraviesan dichas células junto con el agua para

formar una delgada capa sobre la superficie deestos recubrimientos. La mucosidad, que lubrica

los tejidos y ayuda a evitar infecciones, se deslizalibremente y sin dificultad sobre la película acuosa.

En ocasiones, la codificación genética para elregulador de la conductancia transmembrana de lafibrosis quística, en inglés cystic fibrosistransmembrane conductance regulator o para losamigos CFTR, muta lo que provoca que el cloruroy el agua no atraviesen de manera adecuada losepitelios, de modo que no se forma el resbaladizorecubrimiento. En su ausencia, la mucosidad sehace espesa, se seca y su flujo se dificulta. Estoprovoca que, por ejemplo, se obstruyan losconductos del páncreas, que las enzimas

digestivas no puedan llegar al intestino delgado, enconsecuencia los alimentos no se digieren y noson absorbidos lo que genera a su vez que lapersona baje de peso. Las glándulas sudoríparasexcretan el exceso de sal alterando el equilibrio deagua y sodio del cuerpo, lo cual afecta al corazón ya todos los órganos con tejido epitelial. En losvarones ocasiona esterilidad.

¿Pero qué ocurre con las vías respiratorias? Por lo regular,las células ciliadas, con finas estructuras semejantes apelos, barren los gérmenes y partículas de polvo que

inhalamos y que son atrapadas en la capa de moco querecubre las vías aéreas. Pero en este caso no sucede así,se forman biocapas, estructuras espesas y pegajosasconstituidas de poblaciones de bacterias ancladas sobre elrecubrimiento mucoso. Las biocapas resisten fuertementelas defensas del cuerpo y a los antibióticos. LaPseudomona aeruginosa es la más eficiente de lascolonizadoras, y es la causante de infecciones crónicas. Lamayoría de los pacientes con fibrosis quística (FQ) muerenpor insuficiencia pulmonar y, en general no tienen unaexpectativa de vida mayor de 30 años.

La CFTR mutante es la proteína que inicia todos estoseventos de la FQ, que en la actualidad es uno de lostrastornos genéticos mortales más común en niños. De


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acuerdo con la AsociaciónMexicana de FQ, alrededor de400 niños nacen cada año en

México con esta enfermedad, sin embargo, con losrecursos e infraestructura actuales, solamente el 15% deellos son diagnosticados con vida, el resto, 85%, falleceantes de cumplir los 4 años de edad por complicacionesrespiratorias y desnutrición. Se cree que existenactualmente en nuestro país alrededor de 6,000 niños conFQ los cuales no tienen acceso a un tratamientoespecializado.

La CFTR pertenece a la familia de transportadores ABC,que son proteínas membranales presentes en todas lasespecies procariontes y eucariontes. El gen para CFTR,cuya alteración es responsable de esta enfermedad, tiene27 exones y se extiende sobre 250 kb del cromosoma 7(7q31) dando lugar a un RNAm de 6,5 kb. La mutación máscomún es una deleción de los tres nucleótidos que

componen al codón de la fenilalanina (F) en la posición 508del gen. Una persona con la mutación CFTRΔF508producirá la proteína CFTR que carece de este residuo defenilalanina, por lo que no funciona correctamente. En el70% de los pacientes con FQ, la pérdida de un soloaminoácido durante la síntesis de la proteína provoca estetrastorno mortal. Antes de que la CFTR sea llevada a lamembrana celular, se cree que es modificada por elsistema endomembranal. Copias de la proteína mutanteentran al retículo endoplásmico, pero las enzimas no lareconocen y destruyen el 99% de las mismas antes de quelleguen al aparato de Golgi. De este modo muy pocos

canales de CFTR llegan a su destino. Este canal tambiéncontribuye a problemas de sinusitis, esto es unainflamación crónica del recubrimiento de las cavidades delcráneo cercanas a la nariz.Con este ejemplo se puede ver cómo surgen problemas desalud cuando las células no tienen copias correctas de tansólo una de las proteínas de la membrana plasmática.Piénsalo un poco y podrás apreciar la precisión con la quela célula utiliza sus proteínas. Esta precisión también seextiende a las membranas de los compartimientoscelulares internos llamados organelos. Al comprender laestructura de las membranas celulares podrás conocer

también su funcionamiento y cómo se efectúa lasupervivencia al nivel fundamental de la vida.Para saber más:

1) Fibrosis quística: la frontera del conocimiento molecular y susaplicaciones clínicas. Lorena Orozco, et al. (2006). Rev InvClin 58(2): 139-152.http://www.scielo.org.mx/pdf/ric/v58n2/v58n2a7.pdf

2) Fibrosis quística: Guías clínicas para el diagnostico ytratamiento, Dr. José Luis Lezama Fernández (Editor).

Editorial Intersistemas. México D.F., 2008.http://www.fibrosisquistica.org.mx/home/data/docs/Fibrosis_Quistica.pdf

3) La fibrosis quística y el gen CFTR.http://atlasgeneticsoncology.org/Educ/CistFibID30032SS.html

4) CFTR: Más que un canal de cloro. Dr. Luis E. Vega-Briceño.Rev Chil Pediatr 2005; 76:464-70.http://www.neumologia-pediatrica.cl/pdf/201051/CFTR.pdf

5) CFTR: 15 años después del descubrimiento de un gen.VEGA-BRICEÑO Luis Enrique. Rev Med Hered 15 (3), 2004159.

http://www.scielo.org.pe/pdf/rmh/v15n3/v15n3tr1.pdfAsociación Mexicana de Fibrosis Quística A.C. (AMFQ)http://www.fibrosisquistica.org.mx/home/index.php?id=1
http://www.scielo.org.mx/pdf/ric/v58n2/v58n2a7.pdfhttp://www.scielo.org.mx/pdf/ric/v58n2/v58n2a7.pdfhttp://www.fibrosisquistica.org.mx/home/data/docs/Fibrosis_Quistica.pdfhttp://www.fibrosisquistica.org.mx/home/data/docs/Fibrosis_Quistica.pdfhttp://www.fibrosisquistica.org.mx/home/data/docs/Fibrosis_Quistica.pdfhttp://atlasgeneticsoncology.org/Educ/CistFibID30032SS.htmlhttp://atlasgeneticsoncology.org/Educ/CistFibID30032SS.htmlhttp://www.neumologia-pediatrica.cl/pdf/201051/CFTR.pdfhttp://www.neumologia-pediatrica.cl/pdf/201051/CFTR.pdfhttp://www.fibrosisquistica.org.mx/home/index.php?id=1http://www.fibrosisquistica.org.mx/home/index.php?id=1http://www.fibrosisquistica.org.mx/home/index.php?id=1http://www.neumologia-pediatrica.cl/pdf/201051/CFTR.pdfhttp://atlasgeneticsoncology.org/Educ/CistFibID30032SS.htmlhttp://www.fibrosisquistica.org.mx/home/data/docs/Fibrosis_Quistica.pdfhttp://www.fibrosisquistica.org.mx/home/data/docs/Fibrosis_Quistica.pdfhttp://www.scielo.org.mx/pdf/ric/v58n2/v58n2a7.pdf

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9 Membranas Biológicas y Transporte