LISTA DE GRAFICOS Pág. Ilustración del modelo de la bomba Sodio – Potasio. (1) 17 Ilustración del movimiento de los iones a través de las membranas. 19 Ilustración de una neurona durante su potencial de acción. 26 Modelo de Danielli – Davson. 29 Modelo de mosaico fluido (Singer – Nicholson). 29 Fuerzas que actúan sobre los iones sodio, potasio y cloruro en una membrana. 32 Circuito equivalente de una membrana en reposo. 34 Ilustración del modelo de la bomba Sodio – Potasio. (2) 37 Gráfico de las conductancias de la membrana durante un potencial de acción al sodio y al potasio. 39 Variaciones del potencial de membrana cuando ocurre la despolarización y la hiperpolarización. 40 1
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LISTA DE GRAFICOS
Pág.
Ilustración del modelo de la bomba Sodio – Potasio. (1) 17
Ilustración del movimiento de los iones a través de las membranas. 19
Ilustración de una neurona durante su potencial de acción. 26
Modelo de Danielli – Davson. 29
Modelo de mosaico fluido (Singer – Nicholson). 29
Fuerzas que actúan sobre los iones sodio, potasio y cloruro en una membrana. 32
Circuito equivalente de una membrana en reposo. 34
Ilustración del modelo de la bomba Sodio – Potasio. (2) 37
Gráfico de las conductancias de la membrana durante un potencial de acción al
sodio y al potasio. 39
Variaciones del potencial de membrana cuando ocurre la despolarización y la
hiperpolarización. 40
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INTRODUCCION
La membrana es un órgano celular complejo, con funciones muy importantes; en
ella tienen gran importancia los lípidos polares: fosfolípidos y esfingolípidos. La membrana
define la permeabilidad selectiva y el transporte de distintos iones y moléculas, reconoce
mensajeros químicos, es lugar de diversas síntesis y de producción de ATP.
Aproximadamente el 80% del peso seco de las células corresponde a la membrana.
Una propiedad característica de las membranas es el llamado potencial de
membrana, que es la diferencia de potencial que existe entre dos fases separadas por una
membrana. Este potencial está originado por la presencia de una doble capa eléctrica en las
superficies de la membrana.
El término potencial hace referencia al hecho de que cualquier gradiente eléctrico
creado a través de la membrana celular representa una fuente de energía. El término
diferencia se asocia a la distinta distribución de cargas eléctricas dentro y fuera de la célula.
Todas las células vivas, incluso aquellas que no son excitables, presentan un gradiente
eléctrico entre el medio extra e intracelular y con ello un valor de potencial de membrana
en reposo.
Existen dos factores que contribuyen al potencial de membrana en reposo, uno de
ellos es la diferente distribución de los iones a través de la membrana, el otro es la
permeabilidad selectiva de la membrana plasmática al sodio y al potasio.
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OBJETIVOS GENERALES
Identificar la relación que ejerce la física sobre el potencial de membrana.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
- Explicar el origen de los procesos de transporte pasivo y activo de iones en
membrana celular en reposo.
- Representar el transporte pasivo de iones en membrana celular mediante un
circuito equivalente.
- Explicar las variaciones del potencial de membrana celular ante estímulos
despolarizantes y hiperpolarizantes.
METODOLOGIA
Esta investigación es de tipo Documental, ya que tiene la particularidad de utilizar
como fuente primaria de insumos, el documento escrito en sus diferentes formas ya sean
documentos impresos, electrónicos y audiovisuales. Las fuentes impresas incluyen: libros,
diccionarios, monografías, tesis y otros documentos. Las electrónicas, por su parte, son
fuentes de mucha utilidad, entre estas se encuentran las páginas Web. Finalmente, se
encuentran los documentos audiovisuales, entre los cuales cabe mencionar: mapas,
fotografías, ilustraciones.
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MARCO TEÓRICO
La membrana celular o plasmática es esencial en la vida celular. No solamente
define los límites de la célula, sino que además permite que la célula exista como una
entidad diferente de su entorno. Esta membrana regula el tránsito de sustancias hacia fuera
y hacia adentro de la célula. En las células eucarióticas, además, define los compartimientos
y organelas, lo que permite mantener las diferencias entre su contenido y el citosol.
Entre los modelos que tratan de explicar la estructura de la membrana biológica
están:
El de Overton, quien en 1895 descubre que las sustancias liposolubles penetran en
las células más fácilmente que las que no lo son. Además la membrana presenta gran
resistencia al paso de la corriente eléctrica. Estos descubrimientos llevaron a que dedujera
la existencia de una membrana formada por lípidos.
En 1897, Langmuir estudio el comportamiento de los fosfolípidos en agua y observó
que los grupos polares se disponen perpendicularmente a ella.
En el 1925, Gorter y Grendel sacaron los lípidos de la membrana de los eritrocitos y
al extenderlos sobre agua vieron que ocupaban una superficie dos veces mayor a la
superficie del eritrocito, deduciendo que la membrana estaba formada por una bicapa
lipídica.
Cole, en 1932, estudio la tensión superficial de las membranas de óvulos de erizo de
mar y vio que era más pequeña que la tensión superficial teórica de la capa lipídica. En
realidad es mayor pero se confundieron al hacer los cálculos, aunque su interpretación fue
correcta concluyeron que la membrana plasmática tenía que estar formada por otros
componentes a parte de los lípidos.
Danielli y Davson, 1935, propusieron una estructura de la membrana en forma de
sándwich en la que los fosfolípidos estarían en el centro formando una bicapa y estarían
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rodeados por proteínas y para que había habido intercambio propusieron poros en la
membrana plasmática.
Robertson, en 1959, formuló el concepto de unidad de membrana, que sugiere que
todas las membranas son iguales, tanto las plasmáticas como las citoplasmáticas. Sin
embargo hay componentes singulares en las diferentes membranas.
Singer y Nicholson, en 1972 propusieron el modelo de mosaico fluido de
membrana. Las proteínas, lípidos e hidratos de carbono se sitúan en una configuración
estable. Los lípidos forman la bicapa lipídica y las proteínas adoptan una configuración en
la membrana según la interacción de sus partes con las moléculas que las rodea.
Estas proteínas pueden ser de dos tipos:
Proteínas integrales: atraviesan por completo la membrana. También conocidas
como transmembrana.
Proteínas periféricas: no atraviesan la membrana y sobresalen en una de las
hemimembranas. También se consideran periféricas las proteínas que están unidas de
manera indirecta a un lado u otro de la membrana mediante interacciones con otras
proteínas o lípidos de la membrana. Las proteínas tienen propiedades hidrofílicas y
hidrofóbicas, a cuyo objeto se consideran anfipáticas. Los grupos polares de la proteína
quedan en la superficie de la membrana mientras que los residuos no polares permanecen
en contacto con las cadenas hidrofóbicas de los fosfolípidos. Los hidratos de carbono
quedan en el lado externo de la membrana formando el glucocálix. Que se diga que la
membrana es fluida se debe a que va a haber cierto grado de movimiento.
Características de la membrana.
• Tiene un grosor de unos 75 Å (angstrom).
• Es una membrana semipermeable, esto indica que sólo pasan algunas sustancias
(moléculas) a través de ella. Este pase se realiza de dos formas: perdiendo energía (con un
trabajo para la célula) o sin ella.
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• Es una estructura dinámica, es decir, tiene la capacidad de modificarse formando
poros y canales.
• Es una estructura trilaminar (dos líneas densas y delgadas que son la capa interna y
capa externa y una zona más clara entre ellas). Esto se conoce por el modelo del mosaico
fluido.
• No se ve con el microscopio óptico pero sí con el microscopio electrónico.
• Representa el límite entre el medio extracelular y el intracelular (gracias a su
estructura trilaminar).
• En las células vegetales se sitúa bajo otra capa, llamada pared celular.
Propiedades físicas.
Permeabilidad selectiva.
Determina qué tipo de sustancias pueden entrar y salir de la célula. El ingreso de
sustancias necesarias, el pasaje de agua y la salida de los productores de desecho, se verán
posibilitados y regulados por medio de la membrana plasmática.
La permeabilidad depende de los siguientes factores:
Solubilidad en los lípidos: Las sustancias que se disuelven en los lípidos
(moléculas hidrófobas, no polares) penetran con facilidad en la membrana dado que está
compuesta en su mayor parte por fosfolípidos.
Tamaño: la mayor parte de las moléculas de gran tamaño no pasan a través de la
membrana. Sólo un pequeño número de moléculas no polares de pequeño tamaño pueden
atravesar la capa de fosfolípidos.
Carga: Las moléculas cargadas y los iones no pueden pasar, en condiciones
normales, a través de la membrana. Sin embargo, algunas sustancias cargadas pueden pasar
por los canales proteicos o con la ayuda de una proteína transportadora.
También depende de las proteínas de membrana de tipo:
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Canales: algunas proteínas forman canales llenos de agua por donde pueden pasar
sustancias polares o cargadas eléctricamente que no atraviesan la capa de fosfolípidos.
Transportadoras: otras proteínas se unen a la sustancia de un lado de la membrana
y la llevan al otro lado donde la liberan.
Fluidez.
Es la capacidad de una molécula que forma parte de una membrana para
desplazarse por ella. Las membranas son fluidas, prácticamente son láminas de grasa,
donde las moléculas se encuentran en un estado de líquido viscoso. Esto implica que, en
teoría, las moléculas podrían difundir y desplazarse por ella sin restricciones.
Consideremos un glicerofosfolípido que está situado en la membrana plasmática en su
monocapa externa. Tendría dos posibilidades de movimiento: uno lateral donde se
desplazaría entre las moléculas contiguas, y otro en el que saltaría a la monocapa interna,
movimiento denominado"flip-flop". Los dos tipos de movimientos se han demostrado
experimentalmente en membranas artificiales pero uno es más frecuente que el otro. Una
molécula lipídica puede recorrer 30 micras en unos 20 segundos por difusión pasiva
lateral, es decir, podría dar la vuelta a una célula de tamaño medio en aproximadamente
un minuto. Sin embargo, los saltos entre monocapas son muy infrecuentes, se estima que
la posibilidad de que le ocurra a un lípido es de una vez al mes debido a que las cabezas
polares de los lípidos se encuentran con la barrera de las cadenas de ácidos grasos. El
colesterol posee, sin embargo, la capacidad de hacer movimientos "flip-flop" con relativa
facilidad.
La fluidez de la membrana puede variar con la composición química de sus
componentes. Así, generalmente, la menor longitud o la mayor cantidad de enlaces
insaturados de las cadenas de ácidos grasos, así como el aumento de la concentración de
colesterol, hacen que las membranas sean más fluidas. Por tanto, las células pueden
alterar la fluidez de su membrana modificando la composición química de éstas. Por
ejemplo, algunas bacterias son capaces de aumentar la concentración de ácidos grasos
insaturados (dobles enlaces) a temperaturas bajas, mientras que cuando suben los cambian
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por ácidos grasos saturados. La bajada de la temperatura disminuye la fluidez de la
membrana.
Podríamos pensar que las proteínas integrales de membrana también tienen la
posibilidad de una libre difusión lateral. Se ha comprobado que las proteínas tienen
numerosas restricciones a la movilidad, principalmente por culpa de las interacciones de
sus dominios intra y extracelulares con moléculas del citoesqueleto y de la matriz
extracelular, respectivamente. Estas interacciones anclan por tiempos más o menos
prolongados las proteínas de membrana a lugares concretos de la superficie celular. Las
células tienen otros mecanismos para confinar proteínas a determinados dominios
celulares. Por ejemplo, en las células epiteliales del digestivo ciertos transportadores y
enzimas están localizados sólo en la zona apical y otros en la basal gracias al cierre a
modo de cinturón que realizan las uniones estrechas. Tal asimetría es esencial para el
funcionamiento de la célula epitelial.
Recientemente se ha postulado una restricción adicional al movimiento de las
moléculas en las membranas de las células: las interacciones y asociaciones moleculares
entre las propias moléculas de las membranas. Los esfingolípidos y el colesterol se
pueden asociar entre sí espontáneamente haciendo que su movilidad disminuya y por
tanto se conviertan en una región membranosa más densa que el resto, como si de una
balsa en un mar se tratara. Se cree que estas asociaciones, denominadas balsas de lípidos
("lipid rafts"), son muy abundantes y dinámicas y hacen que las membranas celulares sean
en realidad un mosaico de dominios más densos que viajan entre los glicerofosfolípidos,
más fluidos. Hay experimentos que apoyan la idea de que ciertas proteínas tendrían mayor
apetencia por estas balsas y por tanto viajarían en el interior de ellas. Este confinamiento
de proteínas en dominios celulares es importante puesto que permitiría agrupar o segregar
conjuntos de proteínas que favorecerían o no el inicio de cascadas de señalización
intracelulares. Además, se postula que la alta concentración de ciertos tipos de lípidos en
dichas balsas crea un ambiente químico propicio para determinadas reacciones químicas o
interacciones moleculares. En cualquier caso tales dominios de esfingolípidos y colesterol
sólo se han postulado para la monocapa externa de la membrana plasmática, aunque
también se propone su existencia en las membranas de los orgánulos celulares donde
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algunas funciones del propio orgánulo estarían segregadas en distintos dominios de sus
membranas.
Asimetría.
Las membranas celulares son una bicapa lipídica con dos hemicapas. En las
membranas de los orgánulos y en la plasmática existe una hemicapa orientada hacia el
citosol y otra orientada hacia el interior del orgánulo o al exterior celular,
respectivamente. La composición en lípidos, glúcidos y proteínas periféricas es distinta en
ambas hemicapas. En la membrana plasmática, la hemicapa orientada hacia el exterior
contiene una mayoría de los lípidos que poseen colina, como la fosfatidicolina y la
esfingomielina, mientras que la fosfatidiletanolamina, fosfatidilinositol y la
fosfatidilserina se localizan en la hemicapa interna. Esto es interesante porque crean una
distribución diferente de cargas entre ambas superficies de la membrana, que contribuye
al potencial de membrana. Además, facilita la asociación específica de proteínas que
necesitan un ambiente eléctrico determinado y que es aportado por la naturaleza química
de las cabezas de los lípidos. Otro ejemplo es el lípido fosfatidil inositol, localizado en la
hemicapa interna, que al ser modificado por ciertas fosfolipasas se divide en dos
moléculas, una de las cuales viaja por el citosol y actúa como segundo mensajero.
También durante la apoptosis, muerte celular programada, los lípidos de la hemicapa
interna de la membrana citoplasmática son expuestos en la hemicapa externa, son
reconocidos entonces por los macrófagos y la célula es fagocitada. Los glúcidos se
localizan preferentemente en la hemicapa externa de la membrana plasmática, como
veremos más adelante. La asimetría en la distribución de moléculas entre ambas
hemicapas se produce también en diferentes orgánulos de la célula.
La asimetría que aportan las proteínas se produce durante su síntesis en el retículo
endoplasmático, aunque las proteínas asociadas a la cara citosólica se sintetizan en el
citosol. La distribución asimétrica de los lípidos se produce principalmente en el aparato
de Golgi y en otros compartimentos celulares, excepto el retículo endoplasmático, donde
hay una distribución simétrica en las dos hemicapas. Esta asimetría se mantiene por la
infrecuencia de los saltos de los lípidos entre hemicapas (movimiento "flip-flop"). La
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distribución de glúcidos, localizados sobre todo en la hemicapa externa de la membrana
plasmática, se produce en el retículo endoplasmático y en el aparato de Golgi.
Rotura y fusión.
Una de las propiedades más útiles de las membranas para la célula es la capacidad
de romperse y volver a ser fusionadas. Ello permite que los compartimentos intracelulares
puedan ser tremendamente plásticos, es decir, dividirse, fusionarse, pueden formar
vesículas membranosas en un compartimento que viajan a otro con el que se fusionan,
etcétera. Ésta es la base del transporte de moléculas entre compartimentos membranosos
que veremos en apartados posteriores, denominado transporte vesicular. Esta
característica de las membranas es también necesaria durante la etapa de la mitosis
denominada citocinesis donde la membrana citoplasmática debe crecer en superficie,
romperse y luego fusionarse para formar dos células hijas independientes.
Realmente estos procesos de rotura y de fusión de membranas están gobernados por las
proteínas, entre las que se destacan las SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor
attachment receptor), puesto que la bicapa lipídica es muy estable.
Reparación.
Numerosos procesos naturales o la manipulación experimental de las células
provocan la rotura de las membranas celulares. Pero también en los tejidos vivos
sometidos a tensiones hay un proceso de rotura de la membrana plasmática, como ocurre
frecuentemente en las células musculares. La célula cuenta con mecanismos para evitar
que su contenido citoplasmático salga al exterior y se rompan las diferencias entre el
medio interno y externo. Esto es letal para la célula si se prolonga más de unos cuantos
segundos.
Hay dos maneras de sellar la membrana según el tipo de daño que se produzca.
Cuando los daños son pequeños (normalmente menores a 0.2 µm) las propiedades de los
lípidos de la membrana son suficientes para repararlos. Ello es debido a que los lípidos en
el borde de la membrana adoptan una disposición inestable que fuerza a dichos bordes a
encontrarse y a sellarse. La rapidez con que este proceso ocurre depende de la tensión de la
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membrana, que depende a su vez de los puntos de anclaje, bien al citoesqueleto o a la
matriz extracelular. Cuando se produce una rotura entra calcio a favor de gradiente de
concentración que hace que el citoesqueleto se desorganice parcialmente en la zona dañada
y su efecto sobre la membrana disminuye, se rebaja así la tensión y aumenta la velocidad de
resellado. Cuando los daños son grandes (más de 0.2-0.5 µm) los bordes rotos libres de la
membrana están demasiado lejos para que se puedan autosellar y se pone en
funcionamiento un mecanismo de exocitosis masiva, es decir, fusión de vesículas con la
membrana plasmática, aunque en este caso también incluye grandes compartimentos
membranosos. El proceso sería el siguiente: la amplia rotura produce una gran entrada de
calcio, éste provoca la fusión de compartimentos membranosos próximos al lugar de la
rotura creándose un macrocompartimento, el cual terminaría por fusionarse con los bordes
de la membrana plasmática. Entre los compartimentos implicados en la fusión estarían los
endosomas, los lisosomas, vesículas próximas y otros compartimentos especializados de
distintos tipos celulares. Los lisosomas parecen especialmente importantes en este proceso.
Transporte de sustancias a través de las membrana biológicas.
Las sustancias cruzan las membranas mediante tres importantes procesos:
1.- Transporte Pasivo: cuando no se requiere energía para que la sustancia cruce la
membrana plasmática.
Los mecanismos de transporte pasivo son:
Difusión Simple.
Las moléculas en solución están dotadas de energía cinética y, por tanto tienen
movimientos que se realizan al azar. La difusión consiste en la mezcla de estas moléculas
debido a su energía cinética cuando existe un gradiente de concentración, es decir cuando
en una parte de la solución la concentración de las moléculas es más elevada. La difusión
tiene lugar hasta que la concentración se iguala en todas las partes y será tanto más rápida
cuanto mayor sea la energía cinética (que depende de la temperatura) y el gradiente de
concentración y cuanto menor sea el tamaño de las moléculas.
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Algunas sustancias como el agua, el oxígeno, dióxido de carbono, esteroides,
vitaminas liposolubles, urea, glicerina, alcoholes de pequeño peso molecular atraviesan la
membrana celular por difusión, disolviéndose en la capa de fosfolípidos.
Algunas sustancias iónicas también pueden cruzar la membrana plasmática por
difusión, pero empleando los canales constituídos por proteínas integrales llenas de agua.
Debido al pequeño tamaño de los canales, la difusión a través de estos es mucho más lenta
que a través de la bicapa fosfolipídica
Ósmosis.
Es otro proceso de transporte pasivo, mediante el cual, un disolvente - el agua en el
caso de los sistemas biológicos - pasa selectivamente a través de una membrana semi-
permeable. La membrana de las células es una membrana semi-permeable ya que permite el
paso del agua por difusión pero no la de iones y otros materiales. Si la concentración de
agua es mayor (o lo que es lo mismo la concentración de solutos menor) de un lado de la
membrana es mayor que la del otro lado, existe una tendencia a que el agua pase al lado
donde su concentración es menor.
El movimiento del agua a través de la membrana semi-permeable genera una
presión hidrostática llamada presión osmótica. La presión osmótica es la presión necesaria
para prevenir el movimiento neto del agua a través de una membrana semi-permeable que
separa dos soluciones de diferentes concentraciones.
La ósmosis puede entenderse muy bien considerando el efecto de las diferentes
concentraciones de agua sobre la forma de las células. Para mantener la forma de una
célula, por ejemplo un hematíe, esta debe estar rodeada de una solución isotónica, lo que
quiere decir que la concentración de agua de esta solución es la misma que la del interior de
la célula. En condiciones normales, el suero salino normal (0.9% de NaCl) es isotónico para
los hematíes.
Si los hematíes son llevados a una solución que contenga menos sales (se dice que
la solución es hipotónica), dado que la membrana celular es semi-permeable, sólo el agua
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puede atravesarla. Al ser la concentración de agua mayor en la solución hipotónica, el agua
entra en el hematíe con lo que este se hincha, pudiendo eventualmente estallar (este
fenómeno se conoce con el nombre de hemolisis. Por el contrario, si los hematíes se llevan
a una solución hipertónica (con una concentración de sales superior a la del hematíe) parte
del agua de este pasará a la solución produciéndose el fenómeno de crenación y quedando
los hematiés como "arrugados".
Ultrafiltración.
En este proceso de transporte pasivo, el agua y algunos solutos pasan a través de
una membrana por efecto de una presión hidrostática. El movimiento es siempre desde el
área de mayor presión al de menos presión. La ultrafiltración tiene lugar en el cuerpo
humano en los riñones y es debida a la presión arterial generada por el corazón. Esta
presión hace que el agua y algunas moléculas pequeñas (como la urea, la creatinina, sales,
etc.) pasen a través de las membranas de los capilares microscópicos de los glomérulos para
ser eliminadas en la orina. Las proteínas y grandes moléculas como hormonas, vitaminas,
etc., no pasan a través de las membranas de los capilares y son retenidas en la sangre.
Difusión facilitada.
Algunas moléculas son demasiado grandes como para difundir a través de los
canales de la membrana y demasiado insolubles en lípidos como para poder difundir a
través de la capa de fosfolípidos. Tal es el caso de la glucosa y algunos otros
monosacáridos. Estas sustancias, pueden sin embargo cruzar la membrana plasmática
mediante el proceso de difusión facilitada, con la ayuda de una proteína transportadora. En
el primer paso, la glucosa se une a la proteína transportadora, y esta cambia de forma,
permitiendo el paso del azúcar. Tan pronto como la glucosa llega al citoplasma, una kinasa
(enzima que añade un grupo fosfato a un azúcar) transforma la glucosa en glucosa-6-
fosfato. De esta forma, las concentraciones de glucosa en el interior de la célula son
siempre muy bajas, y el gradiente de concentración exterior - interior favorece la difusión
de la glucosa.
La difusión facilitada es mucho más rápida que la difusión simple y depende:
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del gradiente de concentración de la sustancia a ambos lados de la membrana.
del número de proteínas transportadoras existentes en la membrana.
de la rapidez con que estas proteínas hacen su trabajo.
2.- Transporte Activo: este se divide en dos tipos según el origen de la energía que
se utiliza para producir el transporte: transporte activo primario y transporte activo
secundario. Su importancia radica en que permite el transporte de sustancias en contra del
gradiente electroquímico de la célula, contribuye a mantener la concentración de sustancias
necesarias en el metabolismo celular y el potencial de membrana en reposo. En el
transporte activo primario la energía procede directamente de la escisión del trifosfato de
adenosina (ATP) o de algún otro compuesto de fosfato de alta energía. En el transporte
activo secundario la energía procede secundariamente de la energía que se ha almacenado
en forma de diferencias de concentración iónica de sustancias moleculares o iónicas
secundarias entre los dos lados de una membrana celular, que se generó originalmente
mediante transporte activo primario. En ambos casos el transporte depende de proteínas
transportadoras que penetran a través de la membrana celular, al igual que en la difusión
facilitada. Sin embargo, en el transporte activo la proteína transportadora funciona de
manera diferente al transportador de la difusión facilitada porque es capaz de impartir
energía a la sustancia transportadora para moverla contra el gradiente electroquímico.
Bomba Sodio – Potasio.
Entre las sustancias que se transportan mediante transporte activo primario están el
sodio, el potasio, el calcio, el hidrógeno, el cloruro y algunos otros iones.
El mecanismo de transporte activo que se ha estudiado con mayor detalle es la
bomba sodio – potasio (Na+ - K+), que es el proceso de transporte que bombea iones sodio
hacia afuera a través de la membrana celular de todas las células y al mismo tiempo
bombea iones potasio desde el exterior hacia el interior. Esta bomba es responsable de
mantener las diferencias de concentración de sodio y de potasio a través de la membrana
celular, así como de establecer un voltaje eléctrico negativo en el interior de las células.
Permite además, transmitir las señales nerviosas por todo el sistema nervioso. Entre los
componentes físicos básicos de la bomba sodio – potasio se encuentra una proteína
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transportadora que es un complejo formado por dos proteínas globulares distintas: una de
mayor tamaño denominada subunidad β, que tiene un peso molecular de aproximadamente
55.000. Aunque se desconoce la función de la proteína de menor tamaño (excepto que
podría anclar el complejo proteico a la membrana lipídica), la proteína de mayor tamaño
tiene tres características específicas que son importantes para el funcionamiento de la
bomba:
- Tiene tres puntos receptores para la unión de iones sodio en la porción de la
proteína que protruye hacia el interior de la célula.
- Tiene dos puntos receptores para iones potasio en el exterior.
- La porción interior de esta proteína cerca de los puntos de unión al sodio tiene
actividad ATPasa.
Para situar la bomba en perspectiva: cuando dos iones potasio se unen al exterior de
la proteína transportadora y tres iones sodio se unen al interior se activa la función ATPasa
de la proteína. Esta actividad escinde una molécula de ATP, dividiéndola en difosfato de
adenosina (ADP) y liberando un enlace de energía de fosfato de alta energía. Se piensa que
esta energía liberada produce un cambio químico y conformacional en la molécula
transportadora proteica, transportando los tres iones sodio hacia el exterior y los dos iones
potasio hacia el interior.
Como en el caso de otras enzimas, la bomba sodio – potasio ATPasa puede
funcionar a la inversa. Si se aumenta experimentalmente los gradientes electroquímicos de
sodio y de potasio lo suficiente como para que la energía que se almacena en sus gradientes
sea mayor que la energía química de la hidrólisis del ATP, estos iones se desplazarán según
sus gradientes de concentración y la bomba sodio – potasio sintetizará ATP a partir de ADP
y fosfato. Por tanto, la forma fosforilada de la bomba Sodio – Potasio puede donar su
fosfato al ADP para producir fosfato o puede utilizar la energía para modificar su
conformación y bombear sodio fuera de la célula y potasio hacia el interior de la célula. Las
concentraciones relativas de ATP, ADP y fosfato, así como los gradientes electroquímicos
de sodio y potasio, determinan la dirección de la reacción enzimática. En algunas células,
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como las células nerviosas eléctricamente activas, del 60% al 70% de las necesidades de
energía de las células puede estar dedicada a bombear sodio fuera de la célula y potasio
hacia el interior de la célula.
Una de las funciones más importantes de la bomba sodio – potasio es controlar el
volumen de todas las células. Sin la función de esta bomba la mayor parte de las células del
cuerpo se hincharían hasta explotar. El mecanismo para controlar el volumen es el
siguiente: en el interior de la célula hay grandes cantidades de proteínas y de otras
moléculas orgánicas que no pueden escapar de la célula. La mayor parte de ellas tiene carga
negativa y, por tanto, atrae grandes cantidades de potasio, sodio y también de otros iones
positivos. Todas estas moléculas e iones producen ósmosis de agua hacia el interior de la
célula. Salvo que este proceso se detenga, la célula se hinchará indefinidamente hasta que
explote. El mecanismo normal para impedirlo es la bomba sodio – potasio. La membrana es
mucho menos permeable a los iones sodio que a los iones potasio, de modo que una vez
que los iones sodio están en el exterior de la célula tienen una intensa tendencia a
permanecer ahí. Así, esto representa una pérdida neta de iones hacia el exterior de la célula,
lo que inicia también la ósmosis de agua hacia el exterior de la célula.
Si una célula comienza a hincharse por cualquier motivo, esto automáticamente
activa la bomba sodio – potasio, moviendo aún más iones hacia el exterior y transportando
agua con ellos. Por tanto, la bomba sodio – potasio realiza una función continua de
vigilancia para mantener el volumen celular normal.
El hecho de que la bomba sodio – potasio desplace tres iones de sodio hacia el
exterior por cada dos iones de potasio que desplaza hacia el interior significa que se
desplaza una carga positiva neta desde el interior de la célula hasta el exterior en cada ciclo
de bombeo. Esto genera positividad en el exterior de la célula, aunque deja un déficit de
iones positivos en el interior de la célula; es decir, produce negatividad en el interior. Por
tanto, se dice que la bomba sodio – potasio es electrógena porque genera un potencial
eléctrico a través de la membrana celular.
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Ilustración del modelo de la bomba Sodio – Potasio. (1)
3.-Transporte en masa.
Algunas sustancias más grandes como polisacáridos, proteínas y otras células
cruzan las membranas plasmáticas mediante varios tipos de transporte en masa:
Endocitosis: es el proceso mediante el cual la sustancia es transportada al interior de
la célula a través de la membrana. Se conocen tres tipos de endocitosis:
- Fagocitosis: en este proceso, la célula crea unas proyecciones de la membrana y el
citosol llamadas pseudópodos que rodean la partícula sólida. Una vez rodeada, los
pseudópodos se fusionan formando una vesícula alrededor de la partícula llamada vesícula
fagocítica o fagosoma. El material sólido dentro de la vesícula es seguidamente digerido
por enzimas liberadas por los lisosomas. Los glóbulos blancos constituyen el ejemplo más
notable de células que fagocitan bacterias y otras sustancias extrañas como mecanismo de
defensa.
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- Pinocitosis: en este proceso, la sustancia a transportar es una gotita o vésicula de
líquido extracelular. En este caso, no se forman pseudópodos, sino que la membrana se
repliega creando una vesícula pinocítica. Una vez que el contenido de la vesícula ha sido
procesado, la membrana de la vesícula vuelve a la superficie de la célula.
De esta forma hay un tráfico constante de membranas entre la superficie de la célula y su
interior.
- Endocitosis mediada por receptor: este es un proceso similar a la pinocitosis, con
la salvedad que la invaginación de la membrana sólo tiene lugar cuando una determinada
molécula, llamada ligando, se une al receptor existente en la membrana. Una vez formada
la vesícula endocítica está se une a otras vesículas para formar una estructura mayor
llamada endosoma. Dentro del endosoma se produce la separación del ligando y del
receptor: Los receptores son separados y devueltos a la membrana, mientras que el ligando
se fusiona con un liposoma siendo digerido por las enzimas de este último. Aunque este
mecanismo es muy específico, a veces moléculas extrañas utilizan los receptores para
penetrar en el interior de la célula.
- Exocitosis: Durante la exocitosis, la membrana de la vesícula secretora se fusiona
con la membrana celular liberando el contenido de la misma. Por este mecanismo las
células liberan hormonas, enzimas o neurotransmisores imprescindibles para la transmisión
nerviosa.
Movimiento de iones a través de membranas biológicas.
El movimiento de iones a través de membranas selectivamente permeables está
gobernado por dos fuerzas que pueden actuar en la misma dirección o en opuesta:
-Potencial eléctrico de membrana.
-Gradiente de concentración iónico.
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Ilustración del movimiento del Na+ a través de la membrana.
El movimiento de iones Na+ al interior de la célula se utiliza como energía para el
transporte de varios iones y de pequeñas moléculas catalizado por proteínas simporte y
antiporte.
Potencial de la membrana en reposo.
Con el avance de la tecnología, la aparición del osciloscopio de rayos catódicos y
muchos otros métodos, se pudo calcular el potencial de membrana en reposo para la fibra
nerviosa en unos -90 mV aproximadamente. Es decir, el potencial en el interior de la fibra
nerviosa es 90 mV más negativo que el potencial en el líquido extracelular fuera de la fibra.
Por esta razón, se dice que el interior es electronegativo con respecto al exterior de la fibra.
La presencia de una proteína de canal en la membrana celular permite el escape de
iones potasio e iones sodio, por lo que se llama “canales de escape sodio – potasio”. La
importancia de estos canales de escape sodio – potasio en reposo radica en el hecho de que
son 100 veces más permeables al potasio que al sodio.
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Teniendo en cuenta lo expuesto podemos analizar que será mayor la cantidad de
potasio en reposo que difunde a través de la membrana con respecto al sodio, siendo mayor
la cantidad de cargas positivas que salen si las comparamos con las que entran. Esto
produce una gran electronegatividad en el interior, la cual es de aproximadamente -86 mV.
Si comparamos esta cifra con la que corresponde al potencial de membrana en
reposo de un nervio, nos daremos cuenta de que aún faltan -4 mV para completar los -90
mV correspondientes al potencial en reposo del nervio.
Teniendo en cuenta la actividad de la bomba sodio - potasio, la cual es de naturaleza
electrógena ya que saca 3 iones de sodio (Na+) por cada 2 iones de potasio (K+) que mete al
interior, dejando un déficit neto de una carga positiva en el interior, lo cual me produce una
electronegatividad de aproximadamente -4 mV, y esto a su vez es sumado a los -86 mV
producto de la difusión de potasio y en menor proporción de sodio a través de los canales
de escape sodio – potasio, nos da un total de -90 mV que corresponden al potencial de
membrana en reposo de la fibra nerviosa.
En resumen, los potenciales de difusión aislados causados por la difusión de potasio
y de sodio darían un potencial de membrana alrededor de -86 mV, casi todos ellos
determinados por la difusión de potasio. Además, la bomba electrógena de sodio – potasio
contribuye al potencial de membrana con -4 mV adicionales, lo que da un potencial de
membrana en reposo de -90 mV.
Fuerzas que actúan sobre los iones.
Las fuerzas que actúan a través de la membrana celular sobre cada ion pueden ser
analizadas. Los iones Cl- se encuentran en mayor concentración en el límite exterior celular
que en el interior de la célula y tienden a difundirse a lo largo de este gradiente de
concentración hacia ella. Sin embargo, el interior de la célula es negativo con respecto al
exterior y los iones Cl- son expulsados hacia afuera de la célula a lo largo de este gradiente
eléctrico.
En el caso del K+, el gradiente de concentración es hacia afuera y el gradiente
eléctrico hacia adentro.
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La situación para el Na+ es completamente diferente que para el K+ y el Cl-. La
dirección del gradiente químico para el Na+ es hacia adentro, hacia el área donde su
concentración es menor, y el gradiente eléctrico está en la misma dirección.
Para que ocurra un equilibrio entre la energía vinculada al gradiente químico y la
energía vinculada al gradiente eléctrico, debe darse una condición en la cual, entre los dos
compartimientos, no exista diferencia de potencial electroquímico. Este es la suma del
trabajo que se puede hacer por gradiente químico y el trabajo que se puede hacer por
gradiente eléctrico. Así, el flujo de Cl- de 1 hacia 2 podría tener un flujo, igual y contrario,
de 2 hacia 1. Del mismo modo, el flujo neto de K+, que apareció por el gradiente eléctrico,
podría desaparecer por un flujo de 2 hacia 1.
El trabajo o energía vinculada al gradiente químico es:
En el compartimiento 1:
μ1 = RT ln C1
En el compartimiento 2:
μ2 = RT ln C2
Las concentraciones C1 y C2 son las concentraciones de un determinado ion, en
cada uno de los compartimientos, luego que se haya llegado al equilibrio.
El trabajo o energía vinculada con el gradiente eléctrico es:
E1 = z.F.V1
E2 = z.F.V2
Si llamamos μ1 y μ2 al potencial electroquímico de los compartimientos 1 y 2,
respectivamente, éste será:
μ1 = RT ln C1 + z F V1
μ2 = RT ln C2 + z F V2
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La diferencia de potencial electroquímico será:
∆ μ=μ1−μ 2=RT lnC 1C 2
+ zF (V 1−V 2)
Si, para que haya equilibrio, no debe haber diferencia de potencial electroquímico,
se debe cumplir que:
μ 1−μ 2=0 y RT lnC 1C 2
=−zF (V 1−V 2)
Dicho de otra manera, para que el gradiente de concentración de Cl-, en nuestro
caso, deje de determinar un flujo neto de 1 hacia 2 debe haber una cierta diferencia de
potencial eléctrico, que debe ser negativo en 2. Su valor debe ser tal que contrarreste, en
términos de energía, exactamente el valor de la energía debida a la diferencia de
concentración del Cl-.
La ecuación para calcular el potencial eléctrico de equilibrio: Ecuación de Nernst.
De la ecuación general de equilibrio anterior, cuando la energía química se iguala
con la energía eléctrica, se puede deducir que:
∆ μ=V 1−V 2=RTzF
lnC 1C 2
Y, en el ejemplo:
∆ μ=V 1−V 2=RTzF
lnCl−¿1
Cl−¿2 ¿¿
Donde, ∆V es la diferencia de potencial eléctrico, en voltios, necesaria para
mantener las concentraciones de cloruro, en 1 y 2, constantes, pese al gradiente de
concentración. Esto no quiere decir que, al aparecer este potencial, la concentración de
cloruro en 1 y 2 se mantendrán en el valor original (150 mEq/L en 1 y 0 en 2): para que
aparezca este potencial eléctrico tiene que haber pasado de 1 hacia 2, algo de Cl-.
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Las concentraciones a las que estamos haciendo referencia son las que se encuentran
cuando han cesado los flujos netos: en el equilibrio.
Cálculo de las concentraciones de equilibrio.
El potencial eléctrico (negativo en 2) ha movilizado K+ desde 1 hacia 2, por lo que
su concentración en 2 ha aumentado y su concentración en 1 ha disminuido. Se puede hacer
ahora otra pregunta: ¿en cuánto debe aumentar la concentración de K+ en 2 para que el
gradiente eléctrico deje de determinar un flujo de K+ de 1 hacia 2?
Será, nuevamente, cuando haya equilibrio electroquímico entre los dos compartimientos.
El equilibrio se logra cuando:
V 1−V 2= RTzF
lnK+¿ 2
K+¿1 ¿¿
de donde se puede deducir:
lnK+¿2
K+¿1 =−(V 1−V 2 ) zF
RT¿¿
y también:
K+¿2
K+¿1=e−( V 1−V 2) zF/RT ¿¿
Estas dos últimas expresiones son formas de la ecuación de Nernst y deben ser
entendidas como lo que son: ecuaciones de equilibrio. Nos dicen que potencial eléctrico se
necesita para equilibrar un gradiente de concentración y, al mismo tiempo, qué gradiente de
concentración se necesita para equilibrar un potencial eléctrico.
La velocidad y extensión del transporte iónico a través de las membranas resulta
influenciada no únicamente por la concentración de iones a ambos lados de la membrana,
sino también por el potencial electroquímico que existe a través de la membrana. Este
potencial se encuentra presente en todo tipo de células, pero ha sido estudiado en mayor
detalle en células excitables, como fibras musculares esqueléticas y neuronas.
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La ecuación de Goldman.
Si el potencial de membrana estuviera determinado exclusivamente por la
distribución de potasio a través de la membrana, entonces debería ser exactamente igual al
potencial de equilibrio del potasio. En la práctica se observa que aunque el potencial de
membrana en reposo es similar al potencial de equilibrio del potasio, rara vez es igual al
mismo. En realidad, acostumbra a ser un poco menos negativo. Además, durante los
períodos de actividad, el potencial de membrana y el potencial de equilibrio del potasio
pueden ser muy diferentes. Por ejemplo, el potencial de membrana de una célula exocrina
puede ser muy bajo durante la respuesta secretora (es decir, estará despolarizada) y, en
cambio, es positivo durante el pico del potencial de acción de un nervio.
Una forma modificada de la ecuación de Nernst, conocida como ecuación del
campo constante de Goldman (o simplemente como ecuación de Goldman), explica estos
aspectos dinámicos de la conducta del potencial de membrana. La ecuación no sólo tiene en
cuenta los gradientes iónicos existentes a través de la membrana, sino también la
permeabilidad de ésta a los diferentes iones. La ecuación es la siguiente:
E=RTF
ln PNa¿¿¿¿
Como la membrana en reposo es mucho más permeable al potasio que al sodio
(PNa/Pk ≈ 0,01), el potencial de membrana en reposo es próximo al potencial de equilibrio
del potasio. Durante un potencial de acción la membrana llega a ser mucho más permeable
al sodio que al potasio (en el pico del potencial de acción PNa/Pk ≈ 20) y el potencial de
membrana es similar al potencial de equilibrio del sodio, que es positivo (+53 mV). La
ecuación de Goldman muestra cómo puede alterarse el potencial de membrana de una
célula al producirse cambios en la permeabilidad relativa de su membrana al sodio, el
potasio, el cloruro y otros iones, pero sin que cambien los propios gradientes iónicos.
Potencial umbral.
Es el potencial de la membrana al cuál debe ser una membrana despolarizada para