Las diferencias entre la composición de los líquidos intra-extracelulares se deben a los mecanismos de transporte de las membranas celulares. Estas diferencias son las siguientes:

El líquido extracelular contiene una gran cantidad de sodio, calcio, bicarbonato y cloruro y una baja concentración de potasio.

En el líquido intracelular sucede lo contrario, tiene concentraciones más elevadas de fosfatos, magnesio, potasio y proteínas.

La membrana celular consiste en una bicapa lipídica con moléculas de proteínas «flotantes». La bicapa lipídica constituye una barrera para el movimiento de la mayoría de las sustancias hidrosolubles. No obstante, la mayoría de las sustancias liposolubles atraviesa directamente la bicapa lipídica, mientras que las moléculas de proteínas de la bicapa lipídica constituyen una vía de transporte alternativa.

Las proteínas de los canales proporcionan una vía acuosa para que las moléculas atraviesen la membrana.

Las proteínas transportadoras se unen a moléculas o iones específicos y después sufren cambios estructurales que desplazan las moléculas a través de la membrana.

El transporte a través de la membrana celular se produce mediante difusión o transporte activo.

Difusión significa movimiento molecular aleatorio, ya sea a través de espacios intermoleculares en una membrana celular o en combinación con una proteína transportadora. La energía que hace que se produzca la difusión es la energía del movimiento cinético normal de la materia

Transporte activo significa movimiento de sustancias a través de la membrana en combinación con una proteína transportadora, pero también contra un gradiente electroquímico. Este proceso requiere una fuente de energía adicional a la energía cinética.

Difusión La difusión es el movimiento continuo de moléculas en líquidos o gases . La difusión a través de la membrana celular se divide en los dos subtipos siguientes:

La difusión simple significa que las moléculas se mueven a través de la membrana sin unirse a proteínas transportadoras. La difusión simple puede producirse de dos formas:

o A través de los intersticios de la bicapa lipídica

o A través de los canales de agua que recorren la membrana celular.

La difusión facilitada precisa de una proteína transportadora. La proteína transportadora ayuda al paso de las moléculas a través de la membrana, probablemente al unirse químicamente con ellas y facilitar, así, su desplazamiento a través de la membrana.

La velocidad de difusión de una sustancia a través de la membrana celular es directamente proporcional a su liposolubilidad. La liposolubilidad del oxígeno, el nitrógeno, el dióxido de carbono, los gases anestésicos y la mayoría de los alcoholes es tan elevada que pueden disolverse directamente en la bicapa lipídica y difundirse a través de la membrana celular

El agua y otras moléculas insolubles en lípidos difunden a través de los canales proteicos de la membrana celular. El agua penetra con facilidad en la membrana celular y también puede atravesar los canales proteicos de transmembrana. Otras moléculas insolubles en lípidos (principalmente los iones) atraviesan los canales proteicos llenos de agua del mismo modo que las moléculas de agua, si son suficientemente pequeñas.

Los canales proteicos presentan una permeabilidad selectiva para el transporte de una o más moléculas específicas. Esta permeabilidad es consecuencia de las características del propio canal, como su diámetro y su forma, así como de la naturaleza de las cargas eléctricas que haya en sus superficies interiores.

La activación de los canales proteicos proporciona un medio para controlar su permeabilidad. Se piensa que las compuertas son extensiones similares a una compuerta de la molécula de la proteína transportadora, que pueden cerrar la abertura del canal o se pueden alejar de ella por un cambio estructural en la forma de la propia molécula proteica.

La apertura y el cierre de las compuertas están controlados, fundamentalmente, de dos maneras:

Activación por voltaje. En este caso la conformación molecular de la compuerta o de sus enlaces químicos responde al potencial eléctrico que se establece a través de la membrana celular. Por ejemplo, cuando hay una carga negativa intensa en el interior de la membrana celular, esto probablemente haga que las compuertas de sodio del exterior permanezcan firmemente cerradas; por el contrario, cuando el interior de la membrana pierde su carga negativa (se torna menos negativa) estas compuertas se abrirían súbitamente y permitirían que cantidades muy grandes de sodio entraran a través de los poros de sodio. Este es el mecanismo básico para generar los potenciales de acción nerviosos que son responsables de las señales nerviosas.

Activación química. Las compuertas de algunos canales proteicos se abren por la unión de una sustancia química a la proteína, lo que produce un cambio estructural en la molécula de la proteína que abre o cierra la compuerta. Esto se denomina activación química o activación por ligando. Uno de los casos más importantes de activación química es el efecto de la

acetilcolina sobre el denominado «canal de la acetilcolina» de la unión neuromuscular.

La difusión facilitada también se denomina difusión mediada por un transportador. Normalmente, una sustancia que se transporta de esta manera no puede atravesar la membrana sin la ayuda de una proteína transportadora específica.

La difusión facilitada implica los pasos siguientes: 1) la molécula que se transporta entra en un canal ciego y se une a un

receptor específico2) se produce un cambio estructural en la proteína transportadora, de

manera que el canal se abre en el lado opuesto de la membrana.

La difusión facilitada difiere de la difusión simple en la siguiente característica importante: la velocidad de la difusión simple aumenta de manera proporcional a la concentración de la sustancia que difunde. En la difusión facilitada la velocidad de difusión se acerca a un máximo a medida que aumenta la concentración de la sustancia que difunde. Esta velocidad máxima depende de la velocidad con que la molécula de la proteína transportadora puede sufrir los cambios estructurales.

Entre las sustancias más importantes que atraviesan las membranas celulares mediante difusión facilitada están la glucosa y la mayor parte de los aminoácidos.

Factores que influyen en la velocidad neta de difusión Las sustancias pueden difundir en ambas direcciones a través de la membrana celular. Por tanto, lo que habitualmente es importante es la velocidad neta de difusión de una sustancia en la dirección deseada. Esta velocidad neta está determinada por varios factores:

Permeabilidad. La permeabilidad de una membrana para una sustancia dada se expresa como la velocidad neta de difusión de la sustancia a través de cada unidad de superficie de la membrana para la diferencia de concentración de una unidad entre los dos lados de la membrana (cuando no hay diferencias eléctricas o de presión)

Diferencia de concentración. La velocidad de difusión neta a través de una membrana celular es proporcional a la diferencia de concentración de la sustancia que difunde a ambos lados de la membrana.

Potencial eléctrico. Si se aplica un potencial eléctrico a través de una membrana, las cargas eléctricas de los iones hacen que se muevan a través de la membrana aun cuando no haya ninguna diferencia de concentración que produzca el movimiento. Cuando se han desplazado grandes cantidades de iones a través de la membrana, se desarrolla una diferencia de concentración de dichos iones en la dirección contraria a la diferencia del potencial eléctrico. Cuando la diferencia de concentración aumenta a un nivel suficientemente alto, los dos efectos se contrarrestan entre sí, creando un estado de equilibrio electroquímico. La diferencia eléctrica que equilibra una diferencia de concentración dada se puede calcular con la ecuación de Nernst.

Ósmosis a través de membranas con permeabilidad selectiva: «difusión neta» de agua La ósmosis es el proceso de movimiento neto de agua causado por la diferencia de concentración del agua. El agua es, con mucho, la sustancia más abundante que difunde a través de la membrana celular. Sin embargo, la cantidad que difunde en ambas direcciones está equilibrada de manera tan precisa en condiciones normales que no se produce ni siquiera el más mínimo movimiento neto de agua. Por tanto, el volumen celular permanece constante. Sin embargo, en ciertas condiciones se puede producir una diferencia de concentración del agua a través de la membrana. Cuando esto ocurre, se produce movimiento neto de agua a través de la membrana celular, haciendo que la célula se hinche o que se contraiga dependiendo de la dirección del movimiento del agua. La diferencia de

presión necesaria para interrumpir la ósmosis es la presión osmótica. La presión osmótica ejercida por las partículas en una solución se determina por el número de partículas por unidad de volumen de líquido y no por la masa de las partículas. De media, la energía cinética de cada molécula o ión que golpea una membrana es la misma, sea cual sea su tamaño molecular. Por tanto, el factor que determina la presión osmótica de una solución es la concentración de la solución en función del número de partículas por unidad de volumen, pero no en función de la masa del soluto.

El osmol expresa la concentración en función del número de partículas. Un osmol es el peso molecular de 1 g de soluto no disociado. Por tanto, 180 g de glucosa, que es el peso molecular de 1 g de glucosa, equivalen a un osmol de glucosa porque la glucosa no se disocia en iones. De una solución que contiene un osmol del soluto disuelto en cada kilogramo de agua se dice que tiene una osmolalidad de 1 osmol por kilogramo, y una solución que tiene 1/1.000 osmoles disueltos por kilogramo tiene una osmolalidad de 1 miliosmol por kilogramo. La osmolalidad normal de 1 miliosmol por kilogramo. La osmolaldad normal de los liquidos extra e intracelular es de 300 miliosmoles por kilogramo, y la presión osmótica de dichos líquidos es de 5.500mmHg

«Transporte activo» de sustancias a través de las membranas El transporte activo puede desplazar una sustancia contra un gradiente electroquímico. Un gradiente electroquímico es la suma de todas las fuerzas de difusión que actúan en la membrana: las fuerzas causadas por una diferencia de concentración, por una diferencia eléctrica y por una diferencia de presión. Es decir, las sustancias no pueden difundir «a contracorriente». Cuando una membrana celular transporta una sustancia a contracorriente frente a un gradiente de concentración (o a contracorriente frente a un gradiente eléctrico o de presión), el proceso se denomina transporte activo

El transporte activo se divide en dos tipos, en función de la fuente de energía utilizada para efectuar el transporte. En ambos casos el transporte depende de las proteínas transportadoras que penetran en la membrana, lo que también se cumple para la difusión facilitada.

Transporte activo primario. La energía se obtiene directamente de la escisión del trifosfato de adenosina (ATP) o de algún otro compuesto de fosfato de alta energía.

Transporte activo secundario. La energía procede secundariamente de la energía que se ha almacenado en forma de diferencias de concentración iónica entre los dos lados de una membrana, que se generó originalmente mediante transporte activo primario. El gradiente electroquímico de sodio dirige la mayoría de los procesos de transporte activo secundarios.

Transporte activo primario La bomba sodio-potasio (Na+-K+) transporta iones sodio hacia el exterior de las células e iones potasio hacia el interior. Esta bomba se encuentra en todas las células corporales y es la responsable de mantener las diferencias de concentración de sodio y potasio a través de la membrana celular, así como de establecer un potencial eléctrico negativo dentro de las células. Esta bomba funciona del siguiente modo. Se unen tres iones de sodio a una proteína transportadora en el interior de la célula y se unen dos iones de potasio a la proteína transportadora en el exterior de la célula. La proteína transportadora tiene actividad ATPasa, y la unión simultánea de iones de sodio y potasio provoca la activación de la función ATPasa de la proteína. Dicha actividad escinde una molécula de ATP, dividiéndola en difosfato de adenosina (ADP) y liberando un enlace de energí a de fosfato de alta energía. Se piensa que esta energía liberada produce un cambio químico y estructural en la molécula transportadora proteica, transportando los tres iones sodio hacia el exterior y los dos iones potasio hacia el interior. La bomba Na+-K+ controla el volumen celular. La bomba Na+-K+ transporta tres moléculas de sodio hacia el exterior de la célula por cada dos moléculas de potasio bombeadas hacia el interior

Esta pérdida neta continuada de iones del interior de la célula inicia una fuerza osmótica que desplaza agua hacia el exterior de la célula. Además, la bomba Na+-K+ se activa automáticamente cuando la célula comienza a hincharse, moviendo hacia el exterior aún más iones que están llevándose el agua con ellos. Por tanto, la bomba Na+-K+ realiza una continua función de vigilancia del mantenimiento del volumen celular normal.

El cotransporte y el contratransporte son dos formas de transporte activo secundario. Cuando los iones sodio son transportados hacia el exterior de las células mediante transporte activo primario, habitualmente se desarrolla un gran gradiente de concentración de iones sodio. Este gradiente representa un almacén de energía porque el exceso de sodio en el exterior de la membrana celular siempre intenta difundir hacia el interior.

Cotransporte. La energía de la difusión de sodio puede arrastrar otras sustancias junto al sodio (en la misma dirección) a través de la membrana celular usando una proteína transportadora especial.

Contratransporte. El ión sodio y la sustancia que va a ser contratransportada se mueven hacia los lados opuestos de la membrana, con el sodio moviéndose siempre hacia el interior de la célula. Aquí, de nuevo, se necesita una proteína transportadora.

La glucosa y los aminoácidos pueden transportarse en la mayoría de las células utilizando el cotransporte con sodio. La proteína transportadora encargada posee dos lugares de unión en su lado exterior: uno para el sodio y otro para la glucosa o los aminoácidos. De nuevo, la concentración de iones sodio es muy alta en el exterior y muy baja en el interior, aportando la energía para el transporte. Una propiedad especial de la proteína transportadora es que no se producirá un cambio estructural que permita el movimiento de sodio hacia el interior hasta que también se enlace una molécula de glucosa o un aminoácido.

Los iones de calcio e hidrógeno pueden transportarse hacia el exterior de las células a través del mecanismo de contratransporte con sodio.

El contratransporte de calcio se produce en la mayoría de las membranas celulares mediante el movimiento de los iones sodio hacia el interior de la célula y los iones calcio hacia el exterior, unidos ambos a la misma proteína transportadora en un modo de contratransporte.

El contratransporte de hidrógeno se produce especialmente en los túbulos proximales de los riñones, en donde los iones sodio se mueven desde la luz del túbulo hacia el interior de las células tubulares y los iones hidrógeno se contratransportan hacia la luz.