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2020_Winter_Bis2a_Facciotti_Lecture_09 - Biología


Objetivos de aprendizaje asociados con 2020_Winter_Bis2a_Facciotti_Lecture_09

  • Explica cómo las moléculas entran y salen de las células.
  • Analice las diversas funciones funcionales que desempeña una membrana biológica.
  • Describe las cualidades y componentes de la membrana plasmática.
  • Definir las propiedades de las moléculas que pueden viajar a través de la membrana plasmática y contrastarlas con las propiedades que hacen que otras moléculas sean incapaces de penetrar en la membrana.
  • Compare y contraste la influencia de diferentes longitudes de cadena de fosfolípidos ygrado desaturación en lípidos de la membrana sobre la fluidez de la membrana.
  • Compare y contraste la difusión pasiva, la difusión facilitada y el transporte activo.
  • Analice las ventajas y las compensaciones asociadas con la difusión pasiva, la difusión facilitada y el transporte activo.
  • Predecir las propiedades de los grupos R en los aminoácidos.situadoen diferentes lugares dentro de los transportadores transmembrana.
  • Predecir cómo el cambio de un aminoácido específico o un grupo de aminoácidos dentro de una proteína transportadora transmembrana podría afectar su función.
  • Comprender el papel de la membrana plasmática en el mantenimiento de gradientes químicos y eléctricos.

Membranas

Las membranas plasmáticas encierran y definen los límites entre el interior y el exterior de las células. Ellosestán típicamente compuestosde dinámica bicapas de fosfolípidos en las que también se han formado otras moléculas y proteínas solubles en lípidos.sido incrustado. Estas bicapas son asimétricas: la hoja exterior se diferencia de la hoja interior en la composición de lípidos y en las proteínas y carbohidratos queson mostradosal interior o al exterior de la celda. Las proteínas, lípidos y azúcares que se muestran en la membrana celular permiten que las célulasser detectadopor e interactuar con socios específicos.

Varios factores influyen en la fluidez, la permeabilidad y otras propiedades físicas de la membrana. Estos incluyen la temperatura, la configuración de las colas de ácidos grasos (algunos

están retorcidos

por dobles enlaces), esteroles (es decir, colesterol) incrustados en la membrana y la naturaleza en mosaico de las muchas proteínas incrustadas en ella. La membrana plasmática es "selectivamente permeable". Esto significa que solo permite el paso de algunas sustancias y excluye otras. Además, la membrana plasmática debe, a veces, ser lo suficientemente flexible para permitir que ciertas células, como las amebas, cambien de forma y dirección a medida que se mueven por el medio ambiente, cazando organismos unicelulares más pequeños.

Haga clic en el siguiente enlace para ver una ameba en acción: Video de caza de amebas

Membranas celulares

Un subobjetivo en nuestro desafío de diseño de "construir una celda" es crear un límite que separe el "interior" de la celda del entorno "exterior". Este límite debe cumplir múltiples funciones que incluyen:

  1. Actúa como una barrera al impedir que algunos compuestos entren y salgan de la célula.
  2. Ser selectivamente permeableen ordenpara transportar compuestos específicos dentro y fuera de la célula.
  3. Recibe, detecta y transmite señales del entorno al interior de la célula.
  4. Proyecta el "yo" a los demás comunicando identidad a otras células cercanas.

Figura 1. El diámetro de un globo típico es de 25 cm y el grosor del plástico del globo de alrededor de 0,25 mm. Esta es una diferencia de 1000X. Una célula eucariota típica tendrá un diámetro celular de aproximadamente50 µmy un espesor de membrana celular de 5 nm. Esta es una diferencia de 10,000X.


La relación del grosor de la membrana en comparación con el tamaño de una célula eucariota promedio es mucho mayor en comparación con la de un globo estirado con aire. Pensareseel límite entre la vida y la no vida es tan pequeño, y aparentemente frágil, más que un globo, sugiere que estructuralmente la membrana debe ser relativamente estable. Extraiga la información que ya hemos cubierto en esta clase para reflexionar sobre cómo las membranas celulares logran ser tan estables.

Modelo de mosaico fluido

El modelo de mosaico fluido describe el movimiento dinámico de lanumerosoproteínas, azúcares y lípidos incrustados en la membrana plasmática de la célula.

A veces es útil comenzar nuestra discusión recordando el tamaño de la membrana celular en relación con el tamaño de la célula completa.celda. Las membranas plasmáticas varían de 5 a 10Nuevo Méjicode espesor. A modo de comparación, los glóbulos rojos humanos, visibles mediante microscopía óptica, son aproximadamente 8µmde ancho, o aproximadamente 1.000 veces más ancho que el grosor de una membrana plasmática. Esto significa que la barrera celular es muy delgada en comparación con el tamaño del volumen que encierra. A pesar de esta espectacular diferencia de tamaño, la membrana celular debesin embargotodavía lleva a cabo sus capacidades clave de barrera, transporte y reconocimiento celular y, por lo tanto, debe ser una estructura relativamente “sofisticada” y dinámica.

Figura 2. El modelo de mosaico fluido de la membrana plasmática describe la membrana plasmática como una combinación fluida de fosfolípidos, colesterol y proteínas. Carbohidratos unidos a lípidos (glicolípidos) yparalas proteínas (glicoproteínas) se extienden desde la superficie de la membrana que mira hacia afuera.

Los componentes principales de una membrana plasmática son lípidos (fosfolípidos y colesterol), proteinas, y carbohidratos. Los carbohidratos están presentes solo en la superficie exterior de la membrana plasmática yestán adjuntosa las proteínas, formando glucoproteínas, oparalípidos, formando glicolípidos. Las proporciones de proteínas, lípidos y carbohidratos en la membrana plasmática pueden variar según el organismo y el tipo de célula. En una célula humana típica, las proteínas representan un masivo 50 por ciento de la composición en masa, los lípidos (de todos los tipos) representan aproximadamente el 40 por ciento de la composición en masa y los carbohidratos representan el 10 por ciento restante de la composición en masa. Sin embargo, la especialización funcional celular puede hacer que estas proporciones de componentes varíen drásticamente. Por ejemplo, la mielina, una excrecencia de la membrana de células especializadas, aísla los axones de los nervios periféricos, contiene solo un 18 por ciento de proteínas y un 76 por ciento de lípidos.Por el contrario, elLa membrana interna mitocondrial contiene un 76 por ciento de proteínas y solo un 24 por ciento de lípidos y la membrana plasmática de los glóbulos rojos humanos es un 30 por ciento de lípidos.

Fosfolípidos

Fosfolípidos son componentes principales de la membrana celular. Fosfolípidos están hechos de glicerol columna vertebral a la que doscolas de ácidos grasos y un grupo fosfatohan sido adjuntados- Uno paraCada uno decada uno de los átomos de carbonos de glicerol. Por tanto, el fosfolípido es un anfipático molécula, lo que significa que tiene una parte hidrofóbica (colas de ácidos grasos) y una parte hidrofílica (grupo de cabeza de fosfato).

Asegúrese de observar en la Figura 3 a continuación que el grupo fosfato tiene un grupo R vinculado a uno de los átomos de oxígeno. R es una variable comúnmente utilizada en este tipo de diagramas para indicar que algún otro átomo o molécula está unido en esa posición. Esa parte de la molécula puede ser diferente en diferentes fosfolípidos, e impartirá una química diferente a toda la molécula. Sin embargo, por el momento, usted es responsable de poder reconocer este tipo de molécula (sin importar cuál sea el grupo R) debido a los elementos centrales comunes: la columna vertebral de glicerol, el grupo fosfato y las dos colas de hidrocarburos.

figura 3. Un fosfolípido es una molécula con dos ácidos grasos y unmodificadogrupo fosfato unido a una columna vertebral de glicerol.El fosfato puede modificarse mediante la adición de grupos químicos cargados o polares.. Varios grupos R químicos puedenmodificarel fosfato. Colina, serina y etanolaminason exhibidosaquí. Estos se unen al grupo fosfato en la posición marcada R a través de sus grupos hidroxilo.
Atribución:Marc T. Facciotti (trabajo propio)

Cuando muchos fosfolípidosestán juntos expuestosen un entorno acuoso, pueden organizarse espontáneamente en varias estructuras, incluidas micelas y bicapas de fosfolípidos. Esta última es la estructura básica de la membrana celular. En una bicapa de fosfolípidos, los fosfolípidos se asocian entre sí en dosopuestohojas. En cada hoja, las partes apolares de los fosfolípidos miran hacia adentro una hacia la otra, componiendo la parte interna de la membrana, y los grupos de cabezas polares se enfrentan de manera opuesta a los ambientes extracelular e intracelular acuoso.


Posible discusión NB Punto

Anteriormente en el curso, discutimos la Segunda Ley de la Termodinámica, que establece que la entropía general del universo siempre está aumentando. Aplicar esta ley en el contexto de la formación de la membrana bicapa lipídica. ¿Cómo es posible que los lípidos puedan organizarse espontáneamente en una estructura tan organizada en lugar de dispersarse en un estado más desordenado? O en otras palabras, si la segunda ley es cierta, ¿cómo es que la organización espontánea de los lípidos conduce a un aumento de la entropía?


Figura 4. En presencia de agua, algunos fosfolípidos se organizarán espontáneamente en una micela.Los lípidos se arreglaránde manera que sus grupos polares estarán en el exterior de la micela, y las colas no polares estarán en el interior. También se puede formar una bicapa lipídica, una hoja de dos capas de solo unos pocos nanómetros de espesor. La bicapa lipídicaconsiste endos capas de fosfolípidos organizadas de manera que todas las colas hidrofóbicas se alineen una al lado de la otra en el centro de la bicapa yestán rodeadospor los grupos de cabeza hidrófilos.
Fuente: Creado por Erin Easlon (trabajo propio)

Las proteínas constituyen el segundo componente principal de las membranas plasmáticas. Proteínas integrales de membrana, como sugiere su nombre, se integran completamente en la estructura de la membrana, y sus regiones hidrófobas que atraviesan la membrana interactúan con la región hidrófoba de la bicapa de fosfolípidos.

Algunas proteínas de membrana se asocian con solo la mitad de la bicapa, mientras que otras se extienden de un lado de la membrana al otro, yestán expuestosal medio ambiente a ambos lados. Las proteínas integrales de membrana pueden tener uno o más segmentos transmembrana típicamenteque consiste en20-25 aminoácidos. Dentro de los segmentos transmembrana, los grupos variables de aminoácidos hidrófobos se organizan para formar una superficie químicamente complementaria a las colas hidrófobas de los lípidos de la membrana.

Proteínas periféricasse encuentranen un solo lado de la membrana, pero nunca incrustar en la membrana. Pueden estar en el lado intracelular o extracelular, y asociarse débil o temporalmente con las membranas.

Figura 5. Las proteínas de las membranas integrales pueden tener uno o másα-helices (cilindros rosas) que atraviesan la membrana (ejemplos 1 y 2), o pueden tener β-hojas (rectángulos azules) que atraviesan la membrana (ejemplo 3). (crédito: "Foobar" / Wikimedia Commons)

Carbohidratos

Los carbohidratos son un tercer componente principal de las membranas plasmáticas. Ellosestánsiemprefundaren la superficie exterior de las células yestán obligadosya sea a proteínas (que forman glicoproteínas) oparalípidos (que forman glicolípidos).Estos carbohidratoslas cadenas puedenconsiste en2-60 unidades de monosacáridos y se puedencualquieralineal o ramificada. Junto con las proteínas periféricas, los carbohidratos forman sitios especializados en la superficie celular que permiten que las células se reconozcan entre sí.(uno de los requisitos funcionales básicos mencionados anteriormente.

Fluidez de la membrana

Las proteínas y lípidos integrales existen en la membrana como moléculas separadas y "flotan" en la membrana, moviéndosecon respecto aunos y otros. Sin embargo, la membrana no es como un globo; Debido a las propiedades elásticas de su plástico, un globo puede crecer y encoger fácilmente su superficie sin estallar y al mismo tiempo mantener la misma forma circular rugosa.Por el contrario, elmembrana de plasmano es capaz desoportar estiramiento o compresión isotrópica y puedeser fácilmente reventadocuando un desequilibrio de soluto entre el interior y el exterior hace que el agua entre repentinamente. Una pérdida repentina de agua hará que se arrugue y se arrugue, cambiando drásticamente la forma de la célula.esoes bastante rígido y puede reventar si se penetra o si una celda absorbe demasiada agua yla membrana se estiraMuy lejos. Sin embargo, debido a su naturaleza de mosaico, una aguja muy fina puede penetrar fácilmente una membrana plasmática sin hacer que estalle (los lípidos fluyen alrededor de la punta de la aguja), y la membrana se sellará automáticamente cuando la agujase extrae.

Diferentes organismos y tipos de células en organismos multicelulares pueden sintonizar la fluidez de su membrana para que sea más compatible con funciones especializadas y / o en respuesta a factores ambientales. Esta sintonía puedeser logradoajustando el tipo y la concentración de varios componentes de la membrana, incluidos los lípidos, sugrado desaturación, los lípidos, sugrado desaturación, las proteínas y otras moléculas como el colesterol. Hay otros dos factores que ayudan a mantener esta característica de fluido. Un factor es la naturaleza de los propios fosfolípidos. En su forma saturada, los ácidos grasos en las colas de fosfolípidos están saturados con átomos de hidrógeno. No hay dobles enlaces entre los átomos de carbono adyacentes, lo que da como resultado colas que son relativamente rectas.Por el contrario, insaturadoslos ácidos grasos no tienen un complemento completo de átomos de hidrógeno en sus colas de ácidos grasos y, por lo tanto, contienen algunos enlaces dobles entre átomos de carbono adyacentes; un doble enlace da como resultado un doblez en la cadena de carbonos de aproximadamente 30 grados.

Figura 6.Cualquier membrana celular dada estará compuestade una combinación de fosfolípidos saturados e insaturados. La proporción de los dos influirá en la permeabilidad y fluidez de la membrana. Una membrana compuesta decompletamenteLos lípidos saturados serán densos y menos fluidos, y una membrana compuesta decompletamentelos lípidos insaturados serán muy sueltos y muy fluidos.


Ácidos grasos saturados, con colas rectas,están comprimidosal disminuir las temperaturas, y se presionarán entre sí, formando una membrana densa y bastante rígida. Por el contrario, cuando los ácidos grasos insaturadosestán comprimidos, las colas "retorcidas" se alejan del codo adyacente a las moléculas de fosfolípidos, manteniendo algo de espacio entre las moléculas de fosfolípidos. Este "espacio para los codos" ayuda a mantener la fluidez en la membrana a temperaturas a las que las membranas con altas concentraciones de colas de ácidos grasos saturados se "congelarían" o solidificarían. La fluidez relativa de la membrana esparticularmenteimportante en un ambiente frío. Muchos organismos (los peces son un ejemplo)son capaces de adaptarsea ambientes fríos al cambiar la proporción de ácidos grasos insaturados en sus membranas en respuesta al descenso de la temperatura.

Colesterol

Las células animales tienen colesterol, un componente adicional de la membrana queayuda a mantenerfluidez. Colesterol, que se encuentra justo entre los fosfolípidos en elmembrana,tiende a humedecerlos efectos de la temperatura en la membrana.El colesterol endurece y aumenta la fluidez de la membrana, dependiendo de la temperatura. Las bajas temperaturas hacen que los fosfolípidos se compacten con más fuerza, creando una membrana más rígida.En este caso, las moléculas de colesterolservir paraespaciar los fosfolípidos y evitar que la membrana se conviertatotalmenterígido. Por el contrario, las temperaturas más altas contribuyen a que los fosfolípidos se alejen más entre sí y, por lo tanto, a una membrana más fluida, pero las moléculas de colesterol en la membrana ocupan espacio y evitan la disociación completa de los fosfolípidos.

Por tanto, el colesterol amplía, en ambas direcciones, el intervalo de temperatura en el que la membrana es adecuadamente fluida y, en consecuencia, funcional. El colesterol también tiene otras funciones, como organizar grupos de proteínas transmembrana en balsas de lípidos.

Figura 7. El colesterol encaja entre los grupos fosfolípidos dentro de la membrana.

Revisión de los componentes de la membrana.

Membranas arqueales

Una diferencia importante que distingue a las arqueas de los eucariotas y las bacterias es la composición de lípidos de su membrana. Aunque los eucariotas, las bacterias y las arqueas usan cadenas principales de glicerol en los lípidos de sus membranas, las arqueas usan largas cadenas isoprenoides (20-40 carbonosen longitud, derivado del lípido de cinco carbonos isopreno) eseestán adjuntosvía éter enlaces al glicerol, mientras que los eucariotas y las bacterias tienen ácidos grasos unidos al glicerol a través de ester vínculos.

Los grupos de cabezas polares difieren según el género o especie de Archaea yconsiste enmezclas de grupos glico (principalmente disacáridos) y / o grupos fosfo principalmente de fosfoglicerol, fosfoserina, fosfoetanolamina o fosfoinositol. La estabilidad inherente y las características únicas de los lípidos de las arqueas los han convertido en un biomarcador útil para las arqueas en muestras ambientales, aunque ahora se utilizan con mayor frecuencia enfoques basados ​​en marcadores genéticos.

Una segunda diferencia entre las membranas bacterianas y arqueales queestá asociadocon algunos arqueas esla presencia demembranas monocapa, como se muestra a continuación. Observe que la cadena isoprenoide está unida a las cadenas principales de glicerol en ambos extremos, formando una sola molécula.que consiste endos grupos de cabezas polares unidos a través de dos cadenas isoprenoides.

Figura 8. La superficie exterior de la membrana plasmática de arqueas no es idéntica a la superficie interior de la misma membrana.

Figura 9. Comparaciones de diferentestipos delípidos arqueales y lípidos bacterianos / eucariotas

Transporte a través de la membrana

Problema y subproblemas de desafío de diseño

Problema general: La membrana celular debe actuar simultáneamente como una barrera entre "IN" y "OUT" y controlar específicamente cuales sustancias entran y salen de la célula y con qué rapidez y eficacia lo hacen.

Subproblemas: Las propiedades químicas de las moléculas que deben entrar y salir de la célula son muy variables. Algunos subproblemas asociados con esto son: (a) Las moléculas grandes y pequeñas o conjuntos de moléculas deben poder atravesar la membrana. (b) Tanto las sustancias hidrófobas como las hidrófilas deben tener acceso al transporte. (c) Las sustancias deben poder atravesar la membrana con y contra gradientes de concentración.(d) Algunas moléculas tienen un aspecto muy similar (p. ej.N / A+ y K+) pero los mecanismos de transporte aún deben poder distinguir entre ellos.

Perspectiva de la historia de la energía

Podemos considerar el transporte a través de una membrana desde la perspectiva de una historia energética; es un procesodespués de todo. Por ejemplo, al comienzo del proceso, una sustancia X genérica puede estar dentro o fuera de la célula. Al final del proceso, la sustancia estará en el lado opuesto al que comenzó.

p.ej. X(en) ---> X(fuera),

donde dentro y fuera se refieren al interior de la celda y al exterior de la celda,respectivamente.

Aal principio, el asunto en el sistema podríaser muy complicadocolección de moléculas dentro y fuera de la célula pero con una molécula de X más dentro de la célula que fuera. Al final, hay una molécula más de X en el exterior de la célula y una menos en el interior. La energía en el sistema al principio.está almacenadoprincipalmente en las estructuras moleculares y sus movimientos y en los desequilibrios de concentración eléctricos y químicos a través de la membrana celular. El transporte de X fuera de la célula no cambiará significativamente las energías de las estructuras moleculares, pero cambiará la energía asociada con el desequilibrio de concentración o carga a través de la membrana. Es decir, el transporte, como todas las demás reacciones, será exergónico o endergónico. Finalmente, algunos mecanismos o conjuntos de mecanismos de transporte necesitaránser descrito.


Permeabilidad selectiva

Una de las grandes maravillas de la membrana celular es su capacidad para regular la concentración de sustancias dentro de la célula. Estas sustancias incluyen: iones como Ca2+,N / A+, K+y Cl; nutrientes que incluyen azúcares, ácidos grasos y aminoácidos; y productos de desecho, particularmente dióxido de carbono (CO2), que debe salir de la celda.

La estructura de la bicapa lipídica de la membrana proporciona el primer nivel de control. Los fosfolípidos se compactan firmemente y la membrana tiene un interior hidrófobo. Esta estructura sola crealo que se conoce comoa selectivamente permeable barrera, que solo permite que las sustancias que cumplan ciertos criterios físicos pasen a través de ella. En elcaso de la celdamembrana, sólo los materiales no polares relativamente pequeños pueden moverse a través de la bicapa lipídica a velocidades biológicamente relevantes (recuerde, las colas lipídicas de la membrana son apolares).

Permeabilidad selectiva de la membrana celular se refiere a su capacidad para diferenciar entre diferentes moléculas, permitiendo solo el paso de algunas moléculas mientras bloquea otras. Parte de esta propiedad selectiva proviene de las velocidades de difusión intrínsecas de diferentes moléculas a través de una membrana. Un segundo factor que afecta las tasas relativas de movimiento de varias sustancias a través de una membrana biológica es la actividad de varios transportadores de membrana basados ​​en proteínas, tanto pasivos como activos, queser discutidocon más detalle en las secciones siguientes. Primero, asumimos la noción de tasas intrínsecas de difusión a través de la membrana.

Permeabilidad relativa

El hecho de que diferentes sustancias puedan atravesar una membrana biológica a diferentes velocidades debería ser relativamente intuitivo. Existen diferencias en la composición del mosaico de las membranas en biología y diferencias en los tamaños, la flexibilidad y las propiedades químicas de las moléculas, por lo quees lógico quelas tasas de permeabilidad varían. Es un paisaje complicado. La permeabilidad de una sustancia a través de una membrana biológica puedemedirseexperimentalmente y podemos informar la tasa de movimiento a través de una membrana enlo que se conoce comocoeficientes de permeabilidad de la membrana.

Coeficientes de permeabilidad de la membrana

A continuación, trazamos una variedad de compuestos.

con respecto a

sus coeficientes de permeabilidad de la membrana (MPC) medidos frente a una simple aproximación bioquímica de una membrana biológica real. El coeficiente de permeabilidad informado para este sistema es la velocidad a la que se produce la difusión simple a través de una membrana y

esta reportado

en unidades de centímetros por segundo (cm / s). El coeficiente de permeabilidad es proporcional al coeficiente de partición e inversamente proporcional al espesor de la membrana.

Es importante que pueda leer e interpretar el siguiente diagrama. Cuanto mayor sea el coeficiente, más permeable será la membrana al soluto. Por ejemplo, el ácido hexanoico es muy permeable, un MPC de 0,9; El ácido acético, el agua y el etanol tienen MPC entre 0.01 y 0.001, y son menos permeables que el ácido hexanoico. Mientras que

iones,

como el sodio

N / A

+), tiene un MPC de 10-12

,

y cruzar la membrana a una velocidad comparativamente lenta.

Figura 1. Diagrama del coeficiente de permeabilidad de la membrana. El diagramafue tomadadeBioWikiy puedeser encontradoa http://biowiki.ucdavis.edu/Bioquímica...e_Permeabilidad.

Si bien existen ciertas tendencias o propiedades químicas que puedenestar aproximadamente asociadocon una permeabilidad compuesta diferente (las cosas pequeñas pasan "rápido", las cosas grandes "lentamente", las cosas sin carga, etc.), advertimos contra la generalización excesiva. Los determinantes moleculares de la permeabilidad de la membrana.son complicadose involucran muchos factores que incluyen: la composición específica de la membrana, temperatura, composición iónica, hidratación; las propiedades químicas del soluto; las posibles interacciones químicas entre el soluto en solución y en la membrana; las propiedades dieléctricas de los materiales; y las compensaciones energéticas asociadas con el movimiento de sustancias dentro y fuera de varios entornos. Entonces, en esta clase, en lugar de tratar de aplicar "reglas" y tratar de desarrollar demasiados "cortes" arbitrarios, nos esforzaremos por desarrollar un sentido general de algunas propiedades que pueden influir en la permeabilidad y dejar la asignación de permeabilidad absoluta a tasas informadas experimentalmente. Además, también intentaremos minimizar el uso de vocabulario que depende de un marco de referencia. Por ejemplo, decir que el compuesto A se difunde "rápidamente" o "lentamente" a través de una bicapa solo significa algo si los términos "rápido" o "lento"están definidos numéricamenteose entiende el contexto biológico.

Energética del transporte

Todas las sustancias que se mueven a través de la membrana lo hacen mediante uno de dos métodos generales, queestán categorizadosen función de si el proceso de transporte es exergónico o endergónico. Transporte pasivo es el movimiento exergónico de sustancias a través de la membrana. A diferencia de, transporte activo es el movimiento endergónico de sustancias a través de la membrana queestá acopladoa una reacción exergónica.

Transporte pasivo

Transporte pasivo no requiere que la celdagastarenergía. En el transporte pasivo, las sustancias se mueven de un área de mayor concentración a un área de menor concentración, por su gradiente de concentración.Dependiendo de la naturaleza química de la sustancia, podemos asociar diferentes procesos con el transporte pasivo.

Difusión

Difusión es un proceso pasivo de transporte. Una sola sustancia se mueve de un área de alta concentración a un área de baja concentración hasta que la concentración es igual en un espacio. Está familiarizado con la difusión de sustancias a través del aire. Por ejemplo, piense en alguien que abre una botella de amoníaco en una habitación llena de gente. El gas amoniaco se encuentra en su concentración más alta en la botella; su concentración más baja se encuentra en los bordes de la habitación. El vapor de amoníaco se difundirá o se esparcirá fuera de la botella; gradualmente, más y más personas olerán el amoníaco a medida que se esparce. Los materiales se mueven dentro del citosol de la célula por difusión y ciertos materiales se mueven a través de la membrana plasmática por difusión.

Figura 2. La difusión a través de una membrana permeable mueve una sustancia desde un área de alta concentración (líquido extracelular, en este caso) hacia su gradiente de concentración (hacia el citoplasma). Cada sustancia separada en un medio, como el líquido extracelular, tiene su propio gradiente de concentración, independiente de los gradientes de concentración de otros materiales. Además, cada sustancia se difundirá de acuerdo con ese gradiente. Dentro de un sistema, habrá diferentes velocidades de difusión de las diferentes sustancias en el medio.(crédito: modificación del trabajo porMariana ruizVillareal)
Factores que afectan la difusión

Si no están restringidas, las moléculas se moverán y explorarán el espacio al azar a una velocidad que depende de su tamaño, su forma, su entorno y su energía térmica. Esta

tipo de

movimiento subyace al movimiento difusivo de las moléculas a través de cualquier medio en el que se encuentren. La ausencia de un gradiente de concentración no significa que este movimiento se detenga, solo que puede que no haya neto movimiento del número de moléculas de un área a otra, una condición conocida como equilibrio dinámico.

Los factores que influyen en la difusión incluyen:

  • Extensión del gradiente de concentración: cuanto mayor sea la diferencia de concentración, más rápida será la difusión. Cuanto más se acerca al equilibrio la distribución del material, más lenta se vuelve la velocidad de difusión.
  • Forma, tamaño y masa de las moléculas que se difunden: Las moléculas grandes y pesadas se mueven más lentamente; por lo tanto, se difunden más lentamente. Lo contrario suele ser cierto para las moléculas más pequeñas y ligeras.
  • Temperatura: Las temperaturas más altas aumentan la energía y por lo tanto el movimiento de las moléculas, aumentando la velocidad de difusión. Las temperaturas más bajas disminuyen la energía de las moléculas, disminuyendo así la velocidad de difusión.
  • Densidad del disolvente: a medida que aumenta la densidad de un disolvente, la velocidad de difusión disminuye. Las moléculas se ralentizan porque tienen más dificultades para atravesar el medio más denso. Si el medio es menos denso, aumentan las tasas de difusión. Dado que las células utilizan principalmente la difusión para mover materiales dentro del citoplasma, cualquier aumento en la densidad del citoplasma disminuirá la velocidad a la que los materiales se mueven en el citoplasma.
  • Solubilidad: como se mencionó anteriormente, los materiales no polares o solubles en lípidos atraviesan las membranas plasmáticas con mayor facilidad que los materiales polares, lo que permite una velocidad de difusión más rápida.
  • Superficie y grosor de la membrana plasmática: el aumento de la superficie aumenta la velocidad de difusión, mientras que una membrana más gruesa la reduce.
  • Distancia recorrida: cuanto mayor es la distancia que debe recorrer una sustancia, más lenta es la velocidad de difusión. Esto impone una limitación superior al tamaño de la celda. Una célula grande y esférica morirá porque los nutrientes o los desechos no pueden alcanzar o salir del centro de la célula, respectivamente. Por lo tanto, las celdas deben serpequeño en tamaño, como con muchos procariotas, oser aplastado, como ocurre con muchos eucariotas unicelulares.

Transporte facilitado

En transporte facilitado, también llamada difusión facilitada, los materiales se difunden a través de la membrana plasmática con la ayuda de proteínas de membrana. Existe un gradiente de concentración que permite que estos materiales se difundan dentro o fuera de la celda singastandoenergía celular. Si los materiales son iones o moléculas polares (compuestos queson repelidospor las partes hidrófobas de la membrana celular), las proteínas de transporte facilitado ayudan a proteger estos materiales de la fuerza repulsiva de la membrana, lo que les permite difundirse en la célula.

Canales

Las proteínas integrales involucradas en el transporte facilitado se denominan colectivamentea como proteínas de transporte, y funcionan como canales para el material o portadores. En ambos casos, son proteínas transmembrana. Las diferentes proteínas de canal tienen diferentes propiedades de transporte. Algunos han evolucionado para tener una especificidad muy alta por la sustancia que se transporta, mientras que otros transportan una variedad de moléculas que comparten alguna característica común.(s). El "pasillo" interior de proteínas de canal han evolucionado para proporcionar una barrera de baja energía para el transporte de sustancias a través de la membrana a través de la disposición complementaria de los grupos funcionales de aminoácidos (tanto de la columna vertebral como de las cadenas laterales). El paso a través del canal permite que los compuestos polares eviten la capa central apolar de la membrana plasmática que, de otro modo, ralentizaría o impediría su entrada en la célula. Si bien en un momento dado, cantidades significativas de agua atraviesan la membrana tanto hacia adentro como hacia afuera, la velocidad de transporte de una molécula de agua individual puede no ser lo suficientemente rápida para adaptarse a las condiciones ambientales cambiantes. Para tales casos, la naturaleza ha desarrollado una clase especial de proteínas de membrana llamadas acuaporinas que permiten que el agua pase a través de la membrana a una velocidad muy alta.

figura 3. El transporte facilitado hace que las sustancias desciendan por sus gradientes de concentración. Pueden atravesar la membrana plasmática con la ayuda de las proteínas del canal. (crédito: modificación del trabajo porMariana ruizVillareal)
Las proteínas del canal están abiertas en todo momento o están "cerradas". Este último controla la apertura del canal.Pueden estar involucrados varios mecanismos

en el mecanismo de puerta. Los cambios en la "tensión" local de la membrana o los cambios en el voltaje a través de la membrana también pueden ser desencadenantes para abrir o cerrar un canal.

Diferentes organismos y tejidos en especies multicelulares expresan diferentes canales de proteínas en sus membranas dependiendo de los entornos en los que viven o de la función especializada que desempeñan en un organismo. Esto proporciona a cada tipo de célula un perfil de permeabilidad de membrana único que evoluciona para complementar sus "necesidades" (nótese el antropomorfismo). Por ejemplo, en algunos tejidos, los iones de sodio y cloruro pasan libremente a través de canales abiertos, mientras que en otros tejidos se debe abrir una puerta para permitir el paso. Esto ocurre en el riñón, donde ambas formas de canales se encuentran en diferentes partes de los túbulos renales. Las células involucradas en la transmisión de impulsos eléctricos, como las células nerviosas y musculares, tienen canales abiertos para el sodio, potasio y calcio en sus membranas. La apertura y cierre de estos canales cambia las concentraciones relativas en los lados opuestos de la membrana de estos iones, lo que da como resultado un cambio en el potencial eléctrico a través de la membrana que conduce a la propagación del mensaje con las células nerviosas o en la contracción muscular con las células musculares.

Proteínas portadoras

Otro tipo de proteína incrustada en la membrana plasmática es una proteína transportadora. Esta proteína, con el nombre adecuado, se une a una sustancia y, al hacerlo, desencadena un cambio de su propia forma, moviendo la molécula unida desde el exterior de la célula hacia su interior; dependiendo del gradiente, el material puede moverse en la dirección opuesta. Las proteínas portadoras son típicamente específicas para una sola sustancia. Esta selectividad se suma a la selectividad general de la membrana plasmática. El mecanismo de función a escala molecular de estas proteínas sigue siendo poco conocido.

Figura 4. Algunas sustanciasson capaces debajar su gradiente de concentración a través de la membrana plasmática con la ayuda de proteínas transportadoras. Las proteínas transportadoras cambian de forma a medida que mueven moléculas a través de la membrana.(crédito: modificación del trabajo porMariana ruizVillareal)

La proteína transportadora juega un papel importante en la función de los riñones. Glucosa, agua, sales, iones y aminoácidos que necesita el cuerpo.se filtranen una parte del riñón. Este filtrado, que incluye glucosa,luego se reabsorbeen otra parte del riñón con la ayuda de proteínas transportadoras. Debido a que solo hay un número finito de proteínas transportadoras de glucosa, si hay más glucosa presente en el filtrado de la que las proteínas pueden manejar, el excesono se reabsorbeyse excretadel cuerpo en la orina. En un individuo diabético,esto se describecomo "derramar glucosa en la orina". Un grupo diferente de proteínas transportadoras llamadas proteínas transportadoras de glucosa, o GLUT,estan involucradosen el transporte de glucosa y otros azúcares hexosa a través de las membranas plasmáticas dentro del cuerpo.

Las proteínas transportadoras y de canal transportan material a diferentes velocidades. Las proteínas de canal se transportan mucho más rápidamente que las proteínas transportadoras. Las proteínas de canal facilitan la difusión a una velocidad de decenas de millones de moléculas por segundo, mientras que las proteínas transportadoras funcionan a una velocidad de mil a un millón de moléculas por segundo.

Transporte activo

Transporte activo Los mecanismos requieren el uso de la energía celular, generalmente en forma de trifosfato de adenosina (ATP). Si una sustancia debe entrar en la célula contra su gradiente de concentración, es decir, si la concentración de la sustancia dentro de la célula es mayor que su concentración en el líquido extracelular (y viceversa), la célula debe usar energía para mover la sustancia. Algunos mecanismos de transporte activo mueven materiales de pequeño peso molecular, como los iones, a través de la membrana. Otros mecanismos transportan moléculas mucho más grandes.

Moviéndose contra un gradiente

Para mover sustancias contra una concentración o gradiente electroquímico, la celda debe usar energía. Los transportadores recolectan esta energía del ATP generado a través del metabolismo celular. Mecanismos de transporte activos, denominados colectivamente zapatillas, trabajan contra gradientes electroquímicos. Pequeñas sustancias pasan constantemente a través de las membranas plasmáticas. El transporte activo mantiene las concentraciones de iones y otras sustancias que necesitan las células vivas frente a estos movimientos pasivos. Gran parte del suministro de energía metabólica de una célula puedeser gastadomanteniendo estos procesos. (La mayor parte de la energía metabólica de un glóbulo rojo se usa para mantener el desequilibrio entre los niveles de sodio y potasio exterior e interior que requiere la célula). Debido a que los mecanismos de transporte activo dependen del metabolismo de la célula para obtener energía, son sensibles a muchos venenos metabólicos que interfieren con el suministro de ATP.

Existen dos mecanismos para el transporte de material de pequeño peso molecular y moléculas pequeñas. Transporte activo primario mueve iones a través de una membrana y crea una diferencia de carga a través de esa membrana, que depende directamente del ATP. Transporte activo secundario describe el movimiento de materialdebido ael gradiente electroquímico establecido por el transporte activo primario que no requiere ATP directamente.

Proteínas portadoras para transporte activo

Una adaptación importante de la membrana para el transporte activo son las proteínas transportadoras específicas o bombas para facilitar el movimiento: hay tres tipos de estas proteínas o transportadores. A uniportador lleva un ion o molécula específicos. A simportador lleva dos iones o moléculas diferentes, ambos en la misma dirección. Un antiportador también lleva dos iones o moléculas diferentes, pero en diferentes direcciones. Estos transportadores también pueden transportar moléculas orgánicas pequeñas no cargadas como la glucosa.Estos tres tipos de proteínas transportadoras también se encuentranen difusión facilitada, pero no requieren ATP para trabajar en ese proceso. Algunos ejemplos de bombas para transporte activo sonN / A+-K+ ATPasa, que transporta iones de sodio y potasio, y H+-K+ ATPasa, que transporta iones de hidrógeno y potasio. Ambas son proteínas transportadoras antiportadoras. Otras dos proteínas transportadoras son Ca2+ATPasa y H+ ATPasa, que transporta solo calcio y solo iones de hidrógeno, respectivamente. Ambos son bombas.

Figura 5. Auniportadorlleva una molécula o ión. Asimportadorlleva dos moléculas o iones diferentes, ambos en la misma dirección. Unantiportadortambién lleva dos moléculas o iones diferentes, pero en diferentes direcciones. (crédito: modificación del trabajo por "Lupask”/ Wikimedia Commons)

Transporte activo primario

En el transporte activo primario, la energía esa menudo- aunque nosolamente- derivadodirectamente de la hidrólisis de ATP. A menudo, el transporte activo primario, como el que se muestra a continuación, que funciona para transportar iones de sodio y potasio, permite que se produzca el transporte activo secundario (que se analiza en la sección siguiente).El segundo método de transporte todavía se consideraactiva porque depende del uso de energía del transporte primario.

Figura 6. El transporte activo primario mueve iones a través de una membrana, creando un gradiente electroquímico (transporte electrogénico). (crédito: modificación del trabajo porMariana ruizVillareal)

Una de las bombas más importantes en las células animales es la bomba de sodio-potasio (Na+-K+ ATPasa), que mantiene el gradiente electroquímico (y las concentraciones correctas deN / A+yK+) en células vivas. La bomba de sodio-potasio mueve K+ en la celda mientras mueve Na+ fueraal mismo tiempo,en una proporción de tres Na+ por cada dos K+ iones entraron. El Na+-K+La ATPasa existe en dos formas dependiendo de su orientación hacia el interior o exterior de la célula y su afinidad por los iones de sodio o potasio. El proceso comprende los siguientes seis pasos.

  1. Con la enzima orientada hacia el interior de la célula, el portador tiene una alta afinidad por los iones de sodio. Tres iones se unen a la proteína.
  2. ATPse hidrolizapor la proteína transportadora y un grupo fosfato de baja energía se adhiere a ella.
  3. Como resultado, el portador cambia de forma y se reorienta hacia el exterior de la membrana. La afinidad de la proteína por el sodio disminuye y los tres iones de sodio abandonan el portador.
  4. El cambio de forma aumenta la afinidad del portador por los iones de potasio y dos de estos iones se unen a la proteína. Posteriormente, el grupo fosfato de baja energía se desprende del portador.
  5. Con el grupo fosfato eliminado y los iones de potasio unidos, la proteína transportadora se reposiciona hacia el interior de la célula.
  6. La proteína transportadora, en su nueva configuración, tiene una menor afinidad por el potasio y libera los dos iones en el citoplasma. La proteína ahora tiene una mayor afinidad por los iones de sodio y el proceso comienza de nuevo.

Han sucedido varias cosas a causa de este proceso. Hay más iones de sodio fuera de la célula que dentro y más iones de potasio dentro que fuera. Por cada tres iones de sodio que se mueven, entran dos iones de potasio. Esto hace que el interior sea un poco más negativo en relación con el exterior. Esta diferencia de cargo es importante para crear las condiciones necesarias para el proceso secundario. La bomba de sodio-potasio es, por tanto, una bomba electrogénica (una bomba que crea un desequilibrio de carga), creando un desequilibrio eléctrico a través de la membrana y contribuyendo al potencial de la membrana.

Enlace al aprendizaje

Visite el sitio para ver una simulación del transporte activo en una ATPasa de sodio y potasio.

Transporte activo secundario (co-transporte)

El transporte activo secundario trae iones de sodio y posiblemente otros compuestos al interior de la célula. A medida que las concentraciones de iones de sodio se acumulan fuera de la membrana plasmática debido a la acción del proceso de transporte activo primario, se crea un gradiente electroquímico. Si existe una proteína de canal y está abierta, los iones de sodio regresarán a través de la membrana por el gradiente. Este movimiento se utiliza para transportar otras sustancias que pueden unirse a la proteína de transporte a través de la membrana. Muchos aminoácidos y glucosa entran a la célula de esta manera. Este proceso secundario también se utiliza para almacenar iones de hidrógeno de alta energía en las mitocondrias de las células vegetales y animales para la producción de ATP. La energía potencial que se acumula en los iones de hidrógeno almacenados se traduce en energía cinética a medida que los iones surgen a través de la proteína de canal ATP sintasa, y esa energía se utiliza para convertir ADP en ATP.

Figura 7. Un gradiente electroquímico, creado por transporte activo primario, puede mover otras sustancias en contra de sus gradientes de concentración, un proceso llamadoco-transporte o transporte activo secundario. (crédito: modificación del trabajo porMariana ruizVillareal)

Ósmosis

Ósmosis es el movimiento del agua a través de una membrana semipermeable según el gradiente de concentración de agua a través de la membrana, que es inversamente proporcional a la concentración de solutos. Mientras que la difusión transporta material a través de las membranas y dentro de las células, la ósmosis transporta solo agua a través de una membrana y la membrana limita la difusión de solutos en el agua. Las acuaporinas que facilitan el movimiento del agua juegan un papel importante en la ósmosis, principalmente en los glóbulos rojos y las membranas de los túbulos renales.

Mecanismo

La ósmosis es un caso especial de difusión. El agua, como otras sustancias, se mueve de un área de alta concentración a una de baja concentración. Una pregunta obviaqué eshace que el agua se mueva? Imagínese un vaso de precipitados con una membrana semipermeable que separa los dos lados o mitades. En ambos lados de la membrana, el nivel del agua es el mismo, pero hay diferentes concentraciones de una sustancia disuelta, o sustancia disoluta, que no puede atravesar la membrana (de lo contrario, las concentraciones en cada ladoestar equilibradopor el soluto que atraviesa la membrana). Si el volumen de la solución en ambos lados de la membrana es el mismo, pero las concentraciones de soluto son diferentes, entonces hay diferentes cantidades de agua, el solvente, a cada lado de la membrana.

Figura 8. En ósmosis, el agua siempre se mueve de un área de mayor concentración de agua a una de menor concentración. En el diagrama que se muestra, el soluto no puede atravesar la membrana selectivamente permeable, pero el agua sí.

Para ilustrar esto, imagine dos vasos llenos de agua. Uno tiene una sola cucharadita de azúcar, mientras que el segundo contiene un cuarto de taza de azúcar. Si el volumen total de las soluciones en ambas tazas es el mismo, ¿cuál taza contiene más agua? Debido a que la gran cantidad de azúcar en la segunda taza ocupa mucho más espacio que la cucharadita de azúcar en la primera taza, la primera taza contiene más agua.

Volviendo al ejemplo del vaso de precipitados, recuerde que tiene una mezcla de solutos a cada lado de la membrana. Un principio de difusión es que las moléculas se mueven y se esparcirán uniformemente por todo el medio si pueden. Sin embargo, solo el material capaz de atravesar la membrana se difundirá a través de ella. En este ejemplo, el soluto no puede difundirse a través de la membrana, pero el agua sí. El agua tiene un gradiente de concentración en este sistema. Por lo tanto, el agua se difundirá por su gradiente de concentración, cruzando la membrana hacia el lado donde está menos concentrada. Esta difusión de agua a través de la membrana, la ósmosis, continuará hasta que el gradiente de concentración de agua llegue a cero o hasta que la presión hidrostática del agua equilibre la presión osmótica. La ósmosis procede constantemente en los sistemas vivos.

Tonicidad

Tonicidad describe cómo una solución extracelular puede cambiar el volumen de una célula al afectar la ósmosis. La tonicidad de una solución a menudo se correlaciona directamente con la osmolaridad de la solución. Osmolaridad describe la concentración total de soluto de la solución. Una solución con baja osmolaridad tiene un mayor número de moléculas de agua en relación con el número de partículas de soluto; una solución con alta osmolaridad hamenosmoléculas de aguacon respecto apartículas de soluto. En una situación en la que soluciones de dos osmolaridades diferentesestán separadospor una membrana permeable al agua, aunque no al soluto, el agua se moverá desde el lado de la membrana con menor osmolaridad (y más agua) hacia el lado con mayor osmolaridad (y menos agua). Este efecto tiene sentido si recuerda que el soluto no puede moverse a través de la membrana y, por lo tanto, el único componente del sistema que puede moverse, el agua, se mueve a lo largo de su propio gradiente de concentración. Una distinción importante que concierne a los sistemas vivos es que la osmolaridad mide el número de partículas (que pueden ser moléculas) en una solución. Por tanto, una soluciónes decirturbio con células puede tener una osmolaridad más baja que una solución que es transparente si la segunda solución contiene más moléculas disueltas que células.

Para ver un video que ilustra el proceso de difusión de soluciones, visite este sitio.

Soluciones hipotónicas

Se utilizan tres términos, hipotónico, isotónico e hipertónico, para relacionar la osmolaridad de una célula con la osmolaridad del líquido extracelular que contiene las células. en un hipotónicosituación, el líquido extracelular hamás bajoosmolaridad que el líquido dentro de la célula, y el agua entra en la célula (en los sistemas vivos, el punto de referencia es siempre el citoplasma, por lo que el prefijo hipo- significa que el líquido extracelular tiene una menor concentración de solutos, o una menor osmolaridad, que el citoplasma celular). También significa que el líquido extracelular tiene una mayor concentración de agua en la solución que la célula. En esta situación, el agua seguirá su gradiente de concentración y entrará en la celda.

Soluciones hipertónicas

En cuanto a un hipertónico solución, el prefijo hiper- se refiere al líquido extracelular que tiene una osmolaridad más alta que el citoplasma de la célula; por lo tanto, el líquido contiene menos agua que la celda. Debido a que la celda tiene una concentración de agua relativamente más alta, el agua saldrá de la celda.

Soluciones isotónicas

En un isotónico solución, el líquido extracelular tiene la misma osmolaridad que la célula. Si la osmolaridad de la célula coincide con la del líquido extracelular, no habrá movimiento neto de agua dentro o fuera de la célula, aunque el agua seguirá entrando y saliendo. Las células sanguíneas y las células vegetales en soluciones hipertónicas, isotónicas e hipotónicas adquieren apariencias características; consulte la Figura 9 a continuación.


Figura 9. La presión osmótica cambia la forma de los glóbulos rojos en soluciones hipertónicas, isotónicas e hipotónicas. (crédito: Mariana Ruiz Villareal)


Posible discusión NB Punto

Por supuesto que existe algo como beber muy poca agua ... pero ¿hay algo como beber demasiada agua? Discuta lo que cree que sucede cuando bebe una cantidad excesiva de agua: ¿qué está sucediendo a nivel de la membrana celular? ¿Qué está pasando con el tamaño de la celda? ¿Beber demasiada agua es realmente un peligro para la salud? Predice lo que sucedería si cambiamos la bebida a Gatorade en lugar de agua.


Tonicidad en sistemas vivos

En un entorno hipotónico, el agua entra en una célula y la célula se hincha. En una condición isotónica, las concentraciones relativas de soluto y solvente son iguales en ambos lados de la membrana. No hay movimiento neto de agua; por lo tanto, no hay ningún cambio en el tamaño de la celda. En una solución hipertónica, el agua sale de una célula y la célula se encoge. Si la hipo o hipercondición se vuelve excesiva, las funciones de la célula se ven comprometidas y la célula puede ser destruida.

Un glóbulo rojo estallará o se lisará cuando se hincha más allá de la capacidad de expansión de la membrana plasmática. Recuerde, la membrana se asemeja a un mosaico, con espacios discretos entre las moléculas que la componen. Si la célula se hincha y los espacios entre los lípidos y las proteínas se vuelven demasiado grandes, la célula se romperá.

Por el contrario, cuando una cantidad excesiva de agua deja un glóbulo rojo, la célula se encoge. Esto tiene el efecto de concentrar los solutos que quedan en la célula, haciendo que el citosol sea más denso e interfiriendo con la difusión dentro de la célula. La capacidad de la célula para funcionarestar comprometidoy también puede resultar en la muerte de la célula.

Varios seres vivos tienen formas de controlar los efectos de la ósmosis, un mecanismo llamado osmorregulación. Algunos organismos, como plantas, hongos, bacterias y algunos protistas, tienen paredes celulares que rodean la membrana plasmática y previenen la lisis celular en una solución hipotónica. La membrana plasmática solo puede expandirse hasta el límite de la pared celular, por lo que la célula no se lisará. De hecho, el citoplasma de las plantas siempre es ligeramente hipertónico al entorno celular y el agua siempre entrará en una célula si hay agua disponible. Esta entrada de agua produce una presión de turgencia que endurece las paredes celulares de la planta. En plantas no leñosas, la presión de turgencia apoya la planta. Por el contrario, si la planta no se riega, el líquido extracelular se volverá hipertónico, lo que hará que el agua salga de la célula. En esta condición, la celda no se encoge porque la pared celular no es flexible. Sin embargo, la membrana celular se desprende de la pared y contrae el citoplasma. Se llama plasmólisis. Las plantas pierden presión de turgencia en esta condición y se marchitan.

Figura 10. La presión de turgencia dentro de una célula vegetal depende de la tonicidad de la solución en la que se baña. (Crédito: modificación del trabajo de Mariana Ruiz Villareal)

Figura 11. Sin agua adecuada, la planta de la izquierda ha perdido la presión de turgencia, visible en su marchitamiento; la presión de turgencia se restaura regando (derecha). (crédito: Victor M. Vicente Selvas)

La tonicidad es una preocupación para todos los seres vivos. Por ejemplo, los paramecios y las amebas, que son protistas que carecen de paredes celulares, tienen vacuolas contráctiles. Esta vesícula recoge el exceso de agua de la célula y la bombea, evitando que la célula explote al absorber agua de su entorno.

Figura 12. La vacuola contráctil de un paramecio, aquí visualizada mediante microscopía de luz de campo brillante con un aumento de 480x, bombea continuamente agua fuera del cuerpo del organismo para evitar que estalle en un medio hipotónico. (crédito: modificación del trabajo de los NIH; datos de la barra de escala de Matt Russell)

Muchos invertebrados marinos tienen niveles internos de sal adaptados a su entorno, lo que los hace isotónicos con el agua en la que viven. Los peces, sin embargo, deben gastar aproximadamente el cinco por ciento de su energía metabólica para mantener la homeostasis osmótica. Los peces de agua dulce viven en un ambiente que es hipotónico para sus células. Estos peces ingieren sal activamente a través de sus branquias y excretan orina diluida para eliminar el exceso de agua. Los peces de agua salada viven en el ambiente inverso, que es hipertónico para sus células, y secretan sal a través de sus branquias y excretan orina altamente concentrada.

En los vertebrados, los riñones regulan la cantidad de agua en el cuerpo. Los osmorreceptores son células especializadas en el cerebro que controlan la concentración de solutos en la sangre. Si los niveles de solutos aumentan más allá de cierto rango, se libera una hormona que retarda la pérdida de agua a través del riñón y diluye la sangre a niveles más seguros. Los animales también tienen altas concentraciones de albúmina, que es producida por el hígado, en su sangre. Esta proteína es demasiado grande para pasar fácilmente a través de las membranas plasmáticas y es un factor importante en el control de las presiones osmóticas aplicadas a los tejidos.

Los componentes y funciones de la membrana plasmática.
ComponenteLocalización
FosfolípidoTejido principal de la membrana
ColesterolEntre los fosfolípidos y entre las dos capas de fosfolípidos de las células animales.
Proteínas integrales(por ejemplo, integrinas)Incrustado dentro de la capa de fosfolípidos(s); puede o no penetrar a través de ambas capas
Proteínas periféricasEn la superficie interior o exterior de la bicapa de fosfolípidos; no incrustado dentro de los fosfolípidos
Carbohidratos(componentes de glicoproteínas y glicolípidos)Generalmente adjuntoa las proteínas de la capa exterior de la membrana