Transporte de Sustancias

Las células son sistemas termodinámicamente abiertos

Por M en C Rafael Govea Villaseñor
Versión 3.0 
Última modificación: 2020-03-24



Las células son sistemas termodinámicamente abiertos, es decir, son sistemas que intercambian materia, energía e información con su entorno. La mayor parte del tiempo están en un estado estacionario en el cual la cantidad de masa y energía que entra a la célula equivale a la cantidad de masa y energía que sale. Los flujos de masa y energía no son continuos, sino discretos.

Los sistemas abiertos en estado estacionario tienen la propiedad intrínseca de autorregularse y defenderse contra las perturbaciones discretas de su medio. Para lograr defenderse de las perturbaciones continuas, los sistemas deben, además, controlar la entrada y salida de sustancias.

Debido a que las células transforman la materia, la energía y la información asociada a éstas. Requieren controlar qué sustancias entran y cuáles salen en cada momento de su existencia. Esta función de controlar el transporte de sustancias es la principal de todas las funciones realizadas por la membrana plasmática.

Como recordarán, la Membrana Plasmática es la frontera que separa el interior celular del exterior. Por un lado aísla, por el otro, comunica.

La membrana celular evita que unas sustancias la atraviesen y permite que otras lo hagan. ¿Cuáles?

Hay varios tipos de Transporte de Sustancias a través de Membrana de acuerdo a la mecánica del proceso y la fuente de energía que impulsa el paso de las sustancias, a saber:

• Transporte Molécula a Molécula
• Transporte Pasivo
• Difusión Simple
• Difusión Facilitada
• Ósmosis
• Transporte Activo
• T.A. Primario
• T.A. Secundario
• Transporte Masivo
• Exocitosis
• Endocitosis
• Fagocitosis
• Pinocitosis
• Endocitosis Mediada por Receptor

Tipos de Transporte de sustancias a través de la Membrana.

Tipos de Transporte a través de Membrana
El Transporte de sustancias a través de la membrana lo clasificamos de acuerdo a la mecánica de paso ¿cuántas moléculas pasan en cada evento de transporte? Si cruzan la membrana de una molécula por vez, entonces decimos que es Transporte Molécula a Molécula. En cambio si en cada evento de paso son muchas las moléculas que son transportadas, hablamos de Transporte Masivo.


El transporte molécula a molécula es el mecanismo más antiguo y universal de transporte. Las primeras células intercambiaban sustancias con su entorno de ésta manera. Incluso, los probiontes (las entidades precursoras de las primeras células) fueron capaces de meter y sacar sustancias de sí, de éste modo. 

Noten cómo moléculas atraviesan la bicapa de lípidos

Recalco, todas las células transportan sustancias por transporte molécula a molécula.


En contraste, el Transporte Masivo, es un proceso adquirido a través de la evolución de las células. Este transporte es una innovación evolutiva de primer orden. Es probable que haya implicado el propio surgimiento del tipo celular eucariótico. En algún momento hace 2000 ó 1500 millones de años, al surgir la Célula eucariótica, esa célula, también fue capaz de meter y sacar simultáneamente muchas moléculas. Por ello el transporte masivo es exclusivo de las células eucarióticas.

¡El transporte Masivo puede meter,células enteras!

Tipos de Transporte Molécula a Molécula
El transporte pasivo es el paso de sustancias siguiendo su Gradiente de Concentración y/o eléctrico a través de la membrana sin gastar energía de la célula. Cómo recordarás todos los procesos que ocurren, pasan de un estado A de mayor energía a otro estado B de menor energía. Así, gracias al hecho de que una sustancia está a mayor concentración en un compartimiento que en otro es que posee más energía en el primer compartimiento que en segundo.

Noten que las moléculas se desplazan de donde hay más a donde hay menos de ellas.

Cuando las moléculas atraviesan la membrana sin más energía que la propia debida a su gradiente de concentración (y/o eléctrico), desde el compartimiento de mayor concentración al de menor, hablamos de Transporte Pasivo. Clasificamos diversos modos de transporte pasivo de acuerdo a la participación de la membrana en el transporte:

Si las moléculas son pequeñas e hidrofóbicas (O2, CO2, NO, etc.) y cruzan la doble capa de lípidos de la membrana, precisamente por entre las moléculas lipídicas y siguiendo su gradiente de concentración hablamos de Difusión Simple.

Noten como la molécula atraviesa la bicapa ella sola

Si las moléculas son más grandes que el agua o tienen cargas eléctricas (PMOs o biopolímeros) no pueden cruzar por si mismas la barrera de la bicapa lipídica. Así que para lograr atravesar la membrana siguiendo su gradiente de concentración (o electroquímico), requieren de la presencia de una proteína que les permita el paso. Es, entonces, que hablamos de Difusión Facilitada.

Noten cuáles moléculas atraviesan solas. Las demás necesitan la ayuda de proteínas de membrana.

Esto tiene como consecuencia que el paso de sustancias a través de la membrana es selectivo. Una célula sólo puede transportar la sustancia X, si y sólo sí, posee la información para producir el transportador de dicha sustancia X.  Y también es saturable, es decir, el transportador tiene una velocidad máxima de trabajo.

En caso de carecer del gen de ese transportador o el gen está dañado, la célula no podrá meter o sacar la sustancia X. Por ejemplo, en la Fibrosis Quística el gen CFTR saca iones cloruro Cl- a la luz de las vías aéreas permitiendo que se hidrate el moco y se remover hacia el tubo digestivo. 

CFTR mutado no saca iones cloruro, se deshidrata el moco y se queda allí junto con las bacterias ya había atrapado. De allí las infecciones constantes de estos pacientes.

 Finalmente, un caso especial. Debido a que la membrana es básicamente impermeable a sustancias disueltas tales como proteínas, ácidos nucleicos y la mayoría de las pequeñas moléculas orgánicas; pero si es permeable al agua (H2O); a baja velocidad si difunde simplemente o a alta velocidad si la membrana tiene acuaporinas. Entonces, el agua puede difundir de un lado a otro de la membrana siguiendo su gradiente de concentración. 

Añadir leyenda

Es decir, desde el compartimiento que tiene menos moléculas disueltas (diluido) hacia el compartimiento que tiene más moléculas disueltas (concentrado). Este paso del agua desde el compartimiento diluido al concentrado se llama Ósmosis y es muy importante en la vida de las células.

El agua desde la solución diluida atraviesa la membrana semipermeable y empuja el nivel de la solución concentrada.

Ahora bien, cuando el transporte de sustancias ocurre en dirección contraria al gradiente concentración (o electroquímico si la molécula en cuestión es un ion) hablamos de Transporte activo. Este transporte es posible gracias a que la célula utiliza energía propia para impulsar a las moléculas desde el compartimiento con menor concentración al compartimiento con mayor [contra-gradiente]. De allí, el adjetivo activo dado al transporte.

La ATPasa rompe un ATP. La energía liberada permite pasar moléculas del lado diluido al concentrado.

Normalmente la célula gasta ATP que destruye una proteína membranal (llamada bomba) para liberar la energía y así mover a las moléculas transportadas. Si la proteína transportadora usa ATP o p+ se habla de Transporte Activo Primario. Por ejemplo, la bomba de Na+/K+ destruye el ATP en ADP + Pi + energía que usa para sacar 3 iones Na+ y meter 2 iones K+.

En cambio, si el transportador proteico insertado en la membrana acopla la entrada o salida de una sustancia previamente bombeada activamente al transporte de una segunda sustancia contra su gradiente, hablamos de Transporte Activo Secundario. Por ejemplo el transportador del ion Ca2+. Él cual deja meter al ion Na+ y usa esa energía para sacar el ion Ca2+ hasta mantener el calcio más de 100 veces más concentrado afuera de la célula que dentro.

Por otro lado, podemos clasificar a los tipos de transporte molécula a molécula de acuerdo a la dirección y número de sustancias transportadas en los tipos de Transporte...

• Uniporte. Cuando sólo se conduce 1 sola sustancia.
• Cotransporte. En caso de ser más de una sustancia transportada.
• Simporte. Si ambas sustancias se desplazan en la misma dirección
• Antiporte. Cuando una sustancia entra y la otra sale.
  

Ahora compara las descripciones del cuadro de arriba con su representación de la figura de abajo:

Tipos de Transporte Masivo
El transporte masivo de sustancias a través de la membrana surgió con la conducta predadora y la capacidad de formar y desprender bolsas membranosas de la misma membrana plasmática -así como fusionarlas con ésta. El transporte masivo siempre es un transporte activo que requiere energía celular, principalmente ATP o GTP.


De acuerdo a la dirección del transporte clasificamos al transporte masivo en Endocitosis (de endo- = dentro, cito- = célula y -sis = proceso) y Exocitosis (de exo- = afuera) como los procesos de transporte masivo de sustancias al interior de la célula y al exterior, respectivamente.

Cuando son transportadas células o partículas sólidas al interior celular se habla de Fagocitosis (de fago- = comer), es decir, proceso de comer células.

Cómo este linfocito fagocitando bacterias.

Cuando se introduce el líquido circundante hablamos de Pinocitosis (de pino- = beber), es decir, el proceso de beber. 

Cuando las sustancias que se introducen a la célula requieren ser reconocidas por una proteína receptora de la membrana plasmática hablamos de Endocitosis Mediada por Receptor. Muchos virus usan proteínas de la membrana celular para fijarse en ella y luego ser endocitados. El virus SARS-CoV-2 reesponsable de la actual pandemia de COVID-19 se fija sobre la proteína angiotensina 2 (ACE-2).

Compara los tres tipos de endocitosis:

Ahora, vean los siguientes videos:



Difusión Facilitada






Transporte Activo






Transporte Masivo






Exocitosis





Endocitosis
Fagocitosis





Vean como un protista ciliado Paramecium usa sus miles de undulipodios (cilios) para formar corrientes que arrastras células de levadura que engloba en endosomas:




















* Imagen de http://www.pagina12.com.ar/diario/ciencia/19-228725-2013-09-11.html