Guía Teórica Biología Intercambio célula - ambiente PDF

1  MEMBRANA CELULAR La membrana celular se encuentra en todas las células y separa el interior de la célula del exterior. También existen membranas plasmáticas en organelos. La membrana celular se compone de una bicapa lipídica que es semipermeable y regula el transporte de mater...

1  MEMBRANA CELULAR La membrana celular se encuentra en todas las células y separa el interior de la célula del exterior. También existen membranas plasmáticas en organelos. La membrana celular se compone de una bicapa lipídica que es semipermeable y regula el transporte de materiales que entran y salen de la célula. Esta membrana separa el contenido celular del medio Célula externo. Su estructura básica FUERA Membrana celular contiene lípidos, proteínas y glúcidos formando una bicapa Núcleo lipídica que tiene una cara exterior, y una cara que mira hacia el citosol. La composición lipídica es variable entre los distintos tipos celulares y entre los organelos. Sin Proteínas DENTRO embargo, en las células eucariontes es posible encontrar fosfolípidos, glicolípidos y colesterol. En la imagen podemos ver un ejemplo de lo que se conoce como mosaico fluido, propuesto por Singer y Nicholson en 1973, un modelo que propone que la membrana plasmática está formada por fosfolípidos que forman una doble membrana y que tienen insertadas proteínas en la capa fluida, es decir, con movimiento y no fija. 2  Composición Lípidos Son aquellas principales macromoléculas que conforman la membrana celular y que poseen una región polar y una región apolar (esto se le conoce como “anfipático”), por lo que en solución acuosa se ensamblan espontáneamente formando una bicapa. Las cadenas laterales hidrofóbicas de los ácidos grasos miran hacia el interior estableciendo entre ellas interacciones hidrofóbicas. En cada cara de la membrana, el grupo hidrofílico (cabezas polares) queda orientado hacia el exterior, es decir, tomando contacto con el contenido hidrofílico, Entre ellos encontramos:  Fosfolípidos  Fosfoglicéridos  Esfingolípidos  Esteroides  Glicolípidos Proteínas Éstas han sido clasificadas de acuerdo con su facilidad de ser removidas por detergentes, entre ellas encontramos:  Proteínas periféricas: establecen un menor número de interacciones con la bicapa lipídica por lo que se remueven con facilidad  Proteínas integrales: establecen un mayor número de interacciones no covalentes por lo que se requiere de una mayor concentración de detergentes para sacarlas de la membrana. 3  TRANSPORTES POR MEMBRANA Introducción La célula constantemente necesita tener interacción con el medio, ya sea recibiendo productos o entregándolos. Los mecanismos que utilizarán dependen en gran parte de la gradiente de concentración, pero ¿qué es eso? La palabra “gradiente” ya nos dice algo: nos indica que hay una “diferencia”, en este caso, es de concentración, ya que es una proporción entre un soluto y un solvente. El solvente suele ser agua (a menos que se indique lo contrario), en el caso de la célula el líquido intracelular y el extracelular. Una forma de entender la gradiente de concentración es este resbalín, ¿es más fácil que bajen las bolitas o que suban? ¿Qué bajen las bolitas o que suban? Claramente es más fácil que bajen, porque están “más alto”. Así mismo, es más fácil que las moléculas pasen de donde hay más a donde hay menos. Por tanto, ¿en cuál la célula necesitará más energía? ¡Claramente para ir de donde hay menos a donde hay más! Para la célula será más fácil que un producto pase de donde hay más concentración a donde hay menos y no al revés, por esa razón, el gasto energético es muy bajo, por ello que se dice que no hay gasto de ATP. Por el contrario, será difícil para la célula ir “en contra de la corriente” de donde hay menos a donde hay más, por esa razón, el gasto energético es más alto, y se dice que hay gasto de ATP (existen ejemplos en que se utiliza otro tipo de energía). En resumen, cuando una sustancia se mueve A FAVOR de la gradiente, esta va de más a menos concentración y no hay gasto de ATP, a este evento se le conoce como transporte PASIVO. En este caso, la sustancia se transporta utilizando su energía cinética y permite el ahorro de la energía celular. Cuando se va EN CONTRA de la gradiente, se va de menos a más concentración y hay gasto de ATP, a este evento se le conoce como transporte ACTIVO. 4  Transporte pasivo La característica principal de este mecanismo es que va a favor de la gradiente de concentración, es decir, que va de donde hay más concentración de las moléculas a donde hay menos. La razón por la que se le llama a este proceso “pasivo” es porque se da sin “esfuerzo”. Imagina: si está esperando entrar a un concierto gratuito y abren la puerta, todos entrarán rápidamente y tú serás llevado “por la masa” Algo así pasa en el transporte pasivo. Lo anterior significa que, en este mecanismo, no habrá gasto energético al mover las moléculas. Por tanto: El transporte pasivo no tiene gasto de ATP. A continuación, se presentan algunos tipos de transporte pasivo: Difusión simple Es el paso de partículas a través de los fosfolípidos en forma sencilla hasta igualar concentraciones a ambos lados. Ocurre generalmente en moléculas apolares pequeñas, ya que éstas son solubles en los fosfolípidos, pues sus colas (ac. Grasos) también son apolares. Ejemplos: CO2, O2, H2O*. Si te das cuenta el agua es pequeña, pero es polar, por eso no pasa mucho por difusión simple. 5 Difusión facilitada Es el paso de partículas a través de proteínas hasta igualar concentraciones a ambos lados. Hay dos tipos de proteínas: 1. Los canales: estas son proteínas que dejan el espacio para el movimiento de las moléculas. 2. Carriers: son proteínas que sufren una pequeña modificación en su estructura para mover la molécula a su destino. Ocurre con aquellas moléculas que son polares y no tan pequeñas, que necesitan esta “facilitación” por parte de proteínas que las transportan a ++ - + + su destino. Ejemplos: Iones como Ca , Cl , K , Na , H2O. El agua suele usar mucho más este mecanismo, a través de canales llamados “acuaporinas”. Osmosis El concepto de osmosis se usa exclusivamente para referirnos al movimiento de agua. Es un transporte de tipo pasivo. La osmosis es un proceso especial, ya que cuando hay diferencias de concentración en presencia de agua es esta molécula quien tiende a movilizarse y no los solutos, ya que las membranas son permeables a ella, independiente de la cantidad total que haya en un lado u otro. La osmosis puede ocurrir por dos vías: 1) Difusión simple. 2) Difusión facilitada. En el caso de la difusión facilitada, utiliza canales llamados “acuaporinas”. 6  En la osmosis, el agua pasa por las membranas semipermeables desde donde hay menor concentración de solutos a donde hay más, para buscar el equilibrio. La membrana celular es una membrana semipermeable que permite el paso de agua, por tanto, el efecto de la diferencia de concentraciones afecta a la estructura celular. Existen tres tipos de medios en los cuales podemos ubicar una célula según su concentración:  Isotónico: (Iso = igual), es cuando la concentración de solutos es igual a la de la célula. Como la concentración es igual dentro y fuera de la célula la cantidad de agua que entra y sale es la misma.  Hipotónico: (hipo = debajo de), es cuando la concentración de solutos es menor a la de la célula. Como hay mayor concentración dentro de la célula, el agua ingresa a ella para disminuirla.  Hipertónico: (hiper = arriba de), es cuando la concentración de solutos es mayor a la de la célula. Como hay mayor concentración fuera de la célula, el agua sale de ella para disminuirla. Hipotónico isotónico Hipertónico Célula animal (sin pared celular) Célula vegetal (con pared celular) 7  TRANSPORTE ACTIVO La característica principal de este mecanismo es que va en contra de la gradiente de concentración, es decir, que va de donde hay menos concentración de las moléculas a donde hay más. La razón por la que llamamos a este proceso “activo” es porque se requiere un “esfuerzo”. Imagen: si estás en un concierto gratuito, con toda la gente entrando en masa y tu quisieras ir al baño que está afuera, todos entrarán rápidamente y tu necesitarías hacer un gran esfuerzo para que la masa no te lleve. Algo así pasa en el transporte activo. Lo anterior significa que, en este mecanismo, generalmente habrá gasto energético al mover las moléculas. Por tanto: el transporte activo suele tener gasto de ATP; aunque no siempre es así, cuando hay gasto se le denomina “transporte activo primario” y cuando no, “transporte activo secundario”, y ocurre porque puede ocupar otro gradiente como el electroquímico, o el de otra molécula que vaya en la misma dirección. Veremos los principales tipos de transporte activo. Por Proteínas (Bombas) Es el paso de partículas a través de proteínas llamadas bombas. Ejemplo: Bomba Sodio/potasio (3 moléculas de sodio por 2 de potasio). 8  Estos movimientos de molécula se clasifican en tres tipos, dependiendo en cuántas sustancias y en qué dirección se mueven. Transporte en masa (vesículas) Este tipo de transporte ocurre generalmente en partículas de gran tamaño o en cantidades grandes. Aquí se utilizan las famosas vesículas, sacos membranosos que pueden contener partículas grandes o varias partículas pequeñas. Existen clasificaciones para esto. Exocitosis Es la salida de partículas empaquetadas en vesículas provenientes del Golgi que se fusionan con la membrana plasmática liberando su contenido. Su objetivo es sacar cosas de la célula. 9 Endocitosis Su objetivo es ingresar cosas a la célula.  Fagocitosis: Es la entrada de partículas de gran tamaño, generalmente en estado sólido a través de vesículas formadas gracias a extensiones del citoplasma, llamadas pseudópodos. La vesícula formada se le llama fagosoma. Es como un abrazo a la partícula y luego la encierra y se la come.  Pinocitosis: Es la pequeña invaginación de la membrana celular para formación de vesículas, suele ocurrir con partículas pequeñas y líquidas, a veces ocurre por la identificación de ciertas moléculas por parte de la membrana. Ahí se llama mediana por receptores. 10  GRADIENTE ELECTROQUÍMICO Las células viven en un contexto, donde se encuentran otras células y un medio extracelular. Una de las propiedades de las células, es que logran mantener propiedades distintas dentro de ellas respecto al exterior y esto se da gracias a la membrana plasmática, la que cual (como ya se ha estudiado) es semipermeable y selectiva, dejando entrar solo aquello que la célula “quiera”. Es en este contexto, que surge el concepto “gradiente electroquímico”. Se entiende el concepto de gradiente como una diferencia, que en el contexto que se había estudiado, era una concentración determinada. Ahora, El gradiente electroquímico es una diferencia de cargas que se da a un lado y otro de la membrana combinado con concentración, provocado por las cargas que tienen las partículas que se encuentran a cada lado. Esto significa que no es solo la cantidad de moléculas en una porción de solvente que influye en su paso a través de la membrana, sino que también la carga que esta tenga, como ya se ha estudiado en el transporte a través de la membrana. La imagen que se presenta a continuación es una representación de una célula en su medio. Analízala antes de ver la siguiente página. 11 ¿Cómo se forma esta diferencia de cargas? Para que se pueda crear este gradiente es necesario que exista una barrera, que en este contexto le llamamos “resistencia”. La resistencia en el caso es la membrana plasmática, que al ser semipermeable no deja pasar cualquier sustancia a través de ella. Es así como en una célula en buenas condiciones suele haber sustancias orgánicas que tienen una carga que tiende a lo negativo y otros iones positivos, donde predomina + el K ; en “promedio” esto le da al medio intracelular una carga negativa. En el caso del medio extracelular, suele ser abundante en sales que al + - disociarse dejan, por ejemplo, iones de Na y Cl , aunque en su mayoría + se observa Na , dándole así una carga positiva al medio extracelular. Esta + + diferencia se mantiene gracias a la bomba Na /K. No solo se observan gradientes en las células con su medio, si no que, en otros contextos como, por ejemplo, dentro de la mitocondria, donde se produce una gradiente entre el espacio intermembranoso y la matriz. 12  APLICACIONES Gradiente electroquímico e impulso nervioso + Como existe más Na fuera de la célula + y dentro de ella es más negativo, los Na tienden a entrar a la célula cuando se les da + el paso. Así mismo, el K tiende a salir de la célula por concentración, sobre todo si el ambiente exterior se puso más “negativo” + por la entrada de Na. Esto se da gracia a la + + apertura de canales para Na y K respectivamente, que son regulados por el voltaje que hay al crearse este gradiente electroquímico, el cual es influenciado por el estímulo que se les da a los receptores nerviosos. Posterior al proceso descrito + + anteriormente, los Na quedan dentro y el K fuera, es la bomba Sodio-Potasio la que se encarga de volverlos a su lugar, ocupando + + ATP y pasando 3 Na por cada 2 K. Síntesis de ATP por la ATP Sintasa En las mitocondrias se lleva a cabo la síntesis de ATP y esto ocurre justamente a un gradiente electroquímico entre el espacio intermembranoso y la matriz. Aquí varios complejos se encargan de producir un exceso de H+ en el espacio intermembranoso y luego estos pasan violentamente por la ATP sintasa, la cual mueve sus astas y esa energía es la utilizada para formar el ATP. 13  TEMPERATURA A grandes rasgos y sin entregar una definición tan estricta desde el área de la física, la temperatura es la transferencia de calor y este último tiene relación con el movimiento de las moléculas. Por esa razón, mientras más se mueven las partículas de una sustancia, más calor tienen ,y por tanto, pueden transmitirlo a sustancias que tienen menos. Entendiendo que a mayor calor, más es energía, podemos ver varios efectos en las células que son relevantes, aquí algunos:  A mayor calor, las partículas se mueven más, tendiendo a atravesar la membrana con mayor facilidad, por lo que hasta cierto punto aumenta su difusión.  A menor calor, algunos lípidos de la membrana pierden fluidez.  A una exposición a cambios de temperatura las moléculas pueden cambiar su distribución espacial, como en el caso de las proteínas que desnaturalizan y pierden su función, o de algunos lípidos que se vuelven complejos de procesar.  A mayor calor, es más difícil mantener los gradientes electroquímicos.  El calor afecta en la hidratación celular. Esto tiene un gran efecto porque es el agua el que intenta mantener estable la temperatura celular.  La fiebre, por ejemplo, es un mecanismo que desencadena nuestro cuerpo para destruir células extrañas a nuestro sistema, ayudando a la dilatación de vasos sanguíneos y así el traslado de células del sistema inmune. Sin embargo, un descontrol extendido de la fiebre puede traer algunos efectos negativos en algunos tejidos. 14  Otros factores que afectan la difusión de sustancias Ciertos factores afectan la velocidad de difusión de las sustancias. A continuación se presentan los principales:  Gradiente de concentración: diferencia de concentración de una molécula en dos regiones distintas. Cuanto mayor sea la diferencia de concentración, más rápida será la velocidad de difusión.  Distancia: cuanto menor sea la distancia de difusión, más rápida será su velocidad. Esto se debe a que sus moléculas no tienen que viajar tanto para llegar a la otra región.  Superficie: Cuanto mayor sea la superficie, más rápida será la velocidad de difusión. Esto se debe a que, en un momento dado, más moléculas pueden difundirse a través de la superficie.  Proteínas de transporte: la difusión facilitada se basa en la presencia de proteínas de membrana. Cuanto mayor número proteínas haya en la una membrana, mayor será la velocidad de difusión facilitada. 15  Tabla resumen de mecanismos de transporte a través de la membrana celular Criterio Difusión Difusión facilitada Transporte a Transporte simple A través de A través de través de en masas canales carriers bombas Tipo de Pasivo Pasivo Pasivo Activo Activo transporte Gradiente de a en a en a en a en a en concentración favor contra favor contra favor contra favor contra favor contra X X X X X Gasto SI NO SI NO SI NO SI NO SI NO energético X X X X X celular Componente En los A través de A través de A través de A través de de la espacios proteínas de proteínas proteínas vesículas de entre los trasmembrana trasmembrana trasmembrana membrana membrana a fosfolípidos. denominadas denominadas denominadas plasmática. través del cual canal. proteínas bombas. ocurre el transportadoras transporte o carriers. Características Sustancias Sustancias Sustancias Sustancias Sustancias de de las pequeñas sin pequeñas con pequeñas con pequeñas con gran tamaño carga carga eléctrica carga eléctrica carga eléctrica molecular sustancias eléctrica. (iones) o (iones) o (iones) o (sólidas o que emplean sustancias de sustancias de sustancias de líquidas) dicho alto peso alto peso alto peso mecanismo molecular sin molecular sin molecular sin carga carga eléctrica. carga eléctrica. eléctrica. Ejemplos de Gases como el Moléculas Moléculas Transportan Transporta sustancias oxígeno y cargadas: polares como la iones o partículas más dióxido de iones como glucosa. moléculas en grandes cómo que emplean + + carbono. son el Na , K , contra de aminoácidos y el mecanismo Moléculas sin Ca++ y Cl- gradiente. proteínas. carga como el etanol y la urea 16 17