Permeabilidad selectiva
Definición de permeabilidad selectiva
La permeabilidad selectiva es una propiedad de las membranas celulares que solo permite que ciertas moléculas entren o salgan de la célula. Esto es importante para que la célula mantenga su orden interno independientemente de los cambios en el entorno. Por ejemplo, es posible que sea necesario importar o exportar agua, iones, glucosa y dióxido de carbono de la célula dependiendo de su actividad metabólica. De manera similar, es posible que las moléculas de señalización deban ingresar a la célula y las proteínas se deban liberar en la matriz extracelular. La presencia de una membrana selectivamente permeable permite que la célula ejerza control sobre el cuanto, el tiempo y la velocidad de movimiento de estas moléculas.
El movimiento a través de una membrana selectivamente permeable puede ocurrir de forma activa o pasiva. Por ejemplo, las moléculas de agua pueden moverse pasivamente a través de pequeños poros en la membrana. De manera similar, el dióxido de carbono liberado como subproducto de la respiración se difunde rápidamente fuera de la célula. Algunas moléculas se transportan activamente. Por ejemplo, las células del riñón gastan energía para reabsorber toda la glucosa, los aminoácidos y las vitaminas del filtrado glomerular incluso contra el gradiente de concentración. El fracaso de este proceso conduce a la presencia de glucosa o los subproductos del metabolismo de las proteínas en la orina; un signo revelador de diabetes.
Estructura de membranas selectivamente permeables
Las membranas celulares no se visualizan fácilmente con microscopios ópticos. Por lo tanto, las hipótesis sobre su existencia solo surgieron a fines del siglo XIX, casi doscientos años después de que se observaran las primeras células. En varios puntos, diferentes modelos han intentado explicar cómo la estructura de la membrana apoya su función. Inicialmente, se suponía que la membrana era una simple capa lipídica que delimitaba el citosol de la región extracelular. Posteriormente, los modelos incluyeron regiones gelatinosas semipermeables en un mar de lípidos para explicar el movimiento del agua, pero no las partículas cargadas. A partir de entonces, se propuso la presencia de poros, lo que permite que pequeñas moléculas se muevan libremente.
Actualmente, se dice que la membrana celular está hecha de una bicapa de fosfolípidos selectivamente permeable cuyos dominios hidrófilos se enfrentan a los entornos acuosos dentro y fuera de la célula, y los dominios hidrófobos se enfrentan entre sí para formar una bicapa. Esta bicapa lipídica está marcada por moléculas de colesterol, glicolípidos y proteínas que están ancladas o atraviesan toda la membrana. Estas proteínas forman canales, poros o compuertas para mantener la permeabilidad selectiva de iones, moléculas de señalización y macromoléculas según los requisitos de la célula.
La membrana nuclear tiene una estructura diferente a todas las demás membranas de la célula. Tiene complejos de poros nucleares, complejos multiproteicos en forma de cesta que son libremente permeables al agua pero que median estrictamente en el transporte nuclear de macromoléculas. Las importinas y exportinas son dos clases de proteínas que participan activamente en el transporte nuclear. Ambos son intensivos en energía y cada evento de transporte implica la hidrólisis de un enlace fosfato de alta energía en un trifosfato de guanosina. La direccionalidad del movimiento también necesita la presencia de una pequeña molécula llamada Ran, que tiene una afinidad diferencial por sus sustratos en función de si está unida a GTP o GDP.
Función de permeabilidad selectiva
La permeabilidad selectiva es crucial para crear un entorno claramente diferente dentro de la célula en comparación con la matriz extracelular. Es igualmente relevante para mantener la integridad de varios orgánulos dentro de la célula. Cada orgánulo es un pequeño compartimento con una función especializada que requiere concentraciones óptimas de proteínas, pequeñas moléculas e iones. Por ejemplo, la respiración celular dentro de una mitocondria requiere que las proteínas que ayudan en este proceso sean importadas selectivamente al orgánulo, y su química interna no debe verse afectada por los otros procesos metabólicos del citoplasma. Del mismo modo, después de una neuronatransmite una señal electroquímica, necesita recuperarse y volver a su potencial de reposo para permitir la siguiente ronda de actividad excitadora. Lo mismo sucede en todas las células del músculo cardíaco cada vez que el corazón late.
Estos cambios rápidos y a gran escala en las propiedades electroquímicas de estas células son necesarios para su función y necesitan la presencia de una membrana que sea selectivamente permeable.
La permeabilidad selectiva de las membranas es particularmente importante para el transporte a través de la membrana nuclear en células eucariotas. Las proteínas, los ácidos nucleicos y los nucleótidos involucrados en la transcripción deben transportarse de manera selectiva y eficiente al núcleo y los productos de la transcripción deben exportarse de manera oportuna. El núcleo tiene un microambiente distinto en comparación con el citoplasma y los mecanismos de transporte activo están trabajando para mantener esta distinción.
Proteínas que median la permeabilidad selectiva
La permeabilidad selectiva está mediada por proteínas especiales que atraviesan la membrana celular. Están involucrados en el movimiento de iones y moléculas pequeñas, así como en polímeros grandes como ARN y proteínas. Este movimiento puede ser pasivo o activo, con o sin gasto de energía.
Por ejemplo, los iones se transportan a través de membranas selectivamente permeables a través de canales y bombas. Mientras que los canales son para el transporte pasivo; las bombas de iones median el transporte activo primario contra un gradiente de concentración, con la hidrólisis de un enlace fosfato de alta energía.
El transporte activo también se puede acoplar al movimiento de otra molécula. Esto puede ser a través de una proteína simportadora, donde dos moléculas se transportan en la misma dirección, o una proteína antiportadora, donde las moléculas se desvían en direcciones opuestas. El principio en ambos casos es el mismo: la energía potencial almacenada en un gradiente electroquímico se utiliza para impulsar el transporte de otra molécula.
Transporte activo y pasivo a través de membranas selectivamente permeables
El transporte pasivo es de dos tipos: difusión libre o difusión facilitada, y el movimiento siempre se realiza a lo largo de un gradiente de concentración. La difusión libre se observa con mayor frecuencia en el movimiento de moléculas sin carga, como el dióxido de carbono o el etanol, a través de la membrana celular, sin la participación de otras moléculas.
La difusión facilitada requiere la presencia de otra molécula, generalmente una proteína, que actúa como portador y ayuda al sustrato a atravesar la membrana celular. Las proteínas portadoras se unen al sustrato en un lado de la membrana y cambian de conformación para liberar el sustrato en el otro lado. Los ejemplos clásicos de difusión facilitada son el movimiento de oxígeno a través de la unión a la hemoglobina o el transporte de agua a través de poros diminutos formados por acuaporinas.
La difusión del agua también se puede observar a nivel macroscópico. Por ejemplo, cuando las semillas se hinchan después de remojarlas en agua, estamos viendo el efecto general del agua que ingresa a la célula. De manera similar, las frutas que se dejan en un ambiente seco, como un refrigerador, se arrugan y encogen a medida que pierden agua. Muchos organismos, incluidos los humanos, tienen una capa cerosa sobre la piel para minimizar la pérdida de agua de sus células en un ambiente seco.
El transporte transmembrana también se puede realizar de forma activa, con gasto de energía. El transporte activo implica la hidrólisis del grupo fosfato terminal.en ATP o GTP para impulsar el movimiento de moléculas contra su gradiente de concentración. Por ejemplo, en la mayoría de las células, hay un gran exceso de iones de sodio en el entorno extracelular junto con un exceso de iones de potasio dentro de la célula. Esto se logra mediante una enzima transmembrana llamada Na + / K + ATPasa, que cataliza el movimiento de tres iones Na + fuera de la célula junto con la importación de dos iones K +. Para cada uno de estos ciclos de transporte, la enzima utiliza la energía liberada por la conversión de una molécula de ATP en ADP. Esto se denomina transporte activo primario, donde el movimiento se acopla directamente a la hidrólisis de un enlace fosfato de alta energía. Se utiliza un proceso similar para bombear protones contra su gradiente de concentración y esta es una parte crucial tanto de la fotosíntesis como de la respiración celular.
Los gradientes de iones H +, Na + y K + se utilizan para impulsar otros procesos, a través del transporte activo secundario, donde las concentraciones electroquímicas diferenciales proporcionan la fuerza impulsora para otros procesos intensivos en energía, como el transporte de aminoácidos o glucosa. Por ejemplo, la absorción de glucosa en el intestino está acoplada al transporte de iones Na +. Este es un ejemplo de simportación, donde tanto el ion sodio como la molécula de glucosa se importan a la célula. Los iones de sodio también están involucrados en el movimiento de otra molécula cargada: Ca2 +. El intercambiador de sodio-calcio utiliza el movimiento de Na + a lo largo de su gradiente para impulsar el contra transporte de Ca2 +. Esto es particularmente importante en el movimiento de iones de calcio en grandes cantidades, como en neuronas, células cardíacas, y para el mantenimiento de una baja concentración de calcio en el corazón.mitocondrias.
Términos de biología relacionados
- Microscopio electrónico: un microscopio que utiliza un haz de electrones para iluminar la muestra, logrando un aumento y una resolución extremadamente altos.
- Matriz extracelular: componente no celular de tejidos y órganos compuesto de agua, proteínas y polisacáridos, que proporciona apoyo físico, biomecánico y bioquímico a las células.
- Hidrófilo: una molécula que se siente atraída por el agua.
- Ran: una pequeña proteína que dirige el transporte a través de la membrana nuclear en función de su unión a los dinucleótidos y trinucleótidos de guanosina.
