Capítulo 3. Cómo entran y salen sustancias de la célula
Los seres vivos y los intercambios de materia y energía
1. Los seres vivos son sistemas abiertos, es decir, intercambian materia y energía con su ambiente en forma permanente.
2. Las variables internas de los organismos pueden alcanzar estados de equilibrio con el entorno o estados estacionarios. Ambos son estables en el tiempo, pero los estados estacionarios están alejados del equilibrio y se disipan si se agota la fuente de energía que los mantiene.
3. Una forma de medir los intercambios entre los sistemas y su medio es a través de magnitudes denominadas flujos, que dan cuenta de la cantidad de materia o energía transportada por unidad de área y por unidad de tiempo.
4. Todo flujo es impulsado por una fuerza. Esta fuerza, que se puede expresar en términos de gradiente de potencial, determina la magnitud, la dirección y el sentido del flujo. Los flujos tienden a disipar los gradientes que los producen.
5. En los procesos de transporte de sustancias a través de membranas biológicas, la fuerza impulsora es el gradiente de potencial químico. En el caso particular de especies químicas que poseen carga eléctrica, la fuerza impulsora es el gradiente de potencial electroquímico.
6. El transporte pasivo de sustancias químicas es impulsado por un gradiente de potencial (químico o electroquímico) y se produce en forma espontánea desde zonas donde el potencial es mayor hacia zonas donde es menor. El transporte activo, en cambio, requiere un aporte externo de energía y se produce en sentido opuesto.
Fig. 3-5. Difusión de una gota de colorante en el agua
Inicialmente (tiempo t1), el potencial químico del colorante es máximo en la región donde está la gota y nulo en el resto del sistema. A medida que se produce el transporte (tiempo t2), el potencial químico del colorante disminuye en la región donde estaba la gota y aumenta en el resto del sistema hasta adquirir un valor uniforme en todo el sistema (tiempo t3).
El pasaje de sustancias a través de la membrana celular
7. En las células, el intercambio de sustancias con el medio ocurre a través de la membrana celular. La capacidad de una sustancia para atravesar los fosfolípidos de la membrana depende de la polaridad, del tamaño y de la carga.
Fig. 3-7. Permeabilidad de una bicapa de fosfolípidos frente a distintas sustancias
8. La difusión es el desplazamiento neto de moléculas desde zonas de mayor concentración hacia zonas de menor concentración (a temperatura y presión constantes). No requiere energía y es el principal mecanismo de movimiento de moléculas en las células. La ósmosis es la difusión de agua a través de una membrana selectivamente permeable.
9. El transporte de iones y moléculas hidrófilas a través de la membrana celular es facilitado por dos grandes clases de sistemas proteicos altamente específicos: los canales y los transportadores. Los canales forman conductos por los cuales se difunden las sustancias sin requerimientos de energía. La apertura de un canal se produce cuando estímulos químicos o eléctricos inducen cambios conformacionales en la proteína. El transporte de iones en los canales es impulsado por gradientes de potencial químico o electroquímico. Los transportadores tienen sitios a los que se unen las moléculas que serán transportadas. El transporte de estas moléculas puede ser impulsado por gradientes de potencial químico o electroquímico o con el empleo de fuentes de energía primarias, como la energía química, lumínica, etc.
Fig. 3-8. Transporte de sustancias a través de la membrana plasmática
(a) Difusión simple: la fuerza impulsora es el gradiente de potencial químico. (b) Difusión facilitada: la fuerza impulsora es el gradiente de potencial químico o electroquímico ayudada por una estructura proteica. (c) Transporte activo: la fuerza impulsora resulta de un aporte externo de energía que permite que el flujo se produzca desde zonas de menor potencial químico a zonas en las que éste es mayor. Tanto la difusión facilitada como el transporte activo se producen a través de proteínas integrales de membrana.
10. Algunas sustancias entran o salen de la célula dentro de pequeñas vesículas que se forman por plegamientos de la membrana celular mediante dos procesos: endocitosis y exocitosis. La endocitosis es un plegamiento de la membrana celular hacia adentro, alrededor del material que ingresará en la célula. Luego, el plegamiento se estrangula y se forma una vesícula que contiene a la partícula. La exocitosis es la fusión de ciertas vesículas internas con la membrana celular. De esta manera, el contenido de las vesículas se libera al exterior de la célula.