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Intercambio entre la célula y el medio

Contenido del artículo
Procesos pasivos
Difusión
Filtrado
Procesos activos
Transporte activo
Transporte vesicular
Exocitosis
Endocitosis
Caveolas

La estructura de una célula se puede resumir de manera muy simplificada, como una "bolsa" microscópica llena de fluido en el que flotan corpúsculos funcionales u orgánulos que no pueden escaparse debido a que están rodeados por una membrana "impermeable" conocida como membrana plasmática. Cuando la célula forma parte de un organismo policelular, como nuestro cuerpo, estas células están reunidas en grandes grupos con una función similar formando los tejidos. El contenido interior de la célula se conoce como citoplasma y está formado por orgánulos suspendidos en un fluido llamado citosol que rodea además un núcleo.

Como unidad de vida, la célula debe alimentarse para poder hacer sus funciones vitales (metabolismo) y al mismo tiempo desechar los subproductos inservibles resultado del metabolismo. Pero como ya hemos apuntado, la célula está rodeada por una membrana que pone límite a su perímetro, entonces salta a la vista que para que la células "coma" y "defeque", las sustancias involucradas deberán atravesar la membrana fronteriza, unas hacia adentro como "comida" y otras hacia afuera como desechos.

Pero ¿de donde sale la "comida" y a donde van a parar los desechos? Todas nuestras células están bañadas por un fluido extracelular conocido como fluido intersticial que se deriva de la sangre, y este fluido es una suerte de "sopa" rica en los nutrientes que la célula necesita. Contiene cientos de ingredientes: amino ácidos; azúcares; ácidos grasos; vitaminas; sustancias reguladoras como las hormonas y neurotransmisores; sales, e incluso productos de desecho. Para mantenerse saludable, cada célula debe extraer de esta sopa la cantidad exacta de sustancias que necesita en un momento determinado y rechazar las otras. Esto implica que debe haber un tránsito de sustancias constante a través de la membrana plasmática, es decir no es completamente impermeable como se dijo arriba, si no mas bien tiene una permeabilidad selectiva o diferencial. Por tanto deja pasar los nutrientes al interior de la célula dejando afuera las sustancia indeseables, y al mismo tiempo impide la salida de las proteínas y otras sustancias útiles mientras deja salir a los desechos.

Este mecanismo de transporte se produce esencialmente de dos modos:

1.- Procesos pasivos: en los cuales el transporte de sustancias a través de la membrana plasmática se hace sin aporte de energía celular.

2.- Procesos activos: en este caso, la célula proporciona energía de su metabolismo (ATP) para mover la sustancia a través de la membrana.

Procesos pasivos

Los procesos pasivos son formas de transporte que se producen espontáneamente desde el punto de vista del gasto de energía celular y se subdividen en: difusión y filtrado.

Difusión

Difusión simple y asistida
Figura 1. Las dos formas de difusión. A la izquierda la difusión simple y a la derecha la difusión asistida.



La difusión es un proceso físico que muestra la tendencia de una sustancia o iones a distribuirse de forma homogénea en todo el volumen de un medio. Si tenemos en cuenta que las moléculas se encuentran en movimiento constante y al azar a altas velocidades, y que estan chocan y rebotan unas con otras cambiando constantemente de dirección de movimiento, es fácil concluir que terminarán invadiendo las áreas de menor concentración desde las áreas de mayor concentración, de modo que podemos decir que las moléulas se mueven o difunden en la dirección del gradiente de concentración desde las zonas de mayor concentración hacia las de menor concentración.

La membrana plasmática en esencia está formada por una finísima lámina de lípidos (fosfolípidos) con algunas proteínas dispersas acopladas (figura 1). De esta manera podrán difundir a través de la membrana plasmática (1) las sustancias que sean solubles en lípidos, (2) también lo harán aquellas moléculas no solubles en lípidos que sean lo suficientemente pequeñas como para pasar por canales llenos de agua en la membrana formados por las proteínas dispersas, (3) otras  sustancias que son asistidas por moléculas acarreadoras. La difusión sin asistencia de las moléculas solubles en lípidos, así como el paso de partículas muy pequeñas por los canales, constituyen la difusión simple. Un caso especial de difusión simple se conoce como ósmosis y se refiere al paso a través de una membrana de un solvente, generalmente agua. La difusión asistida se conoce como difusión facilitada.

Por difusión simple atraviesan la membrana plasmática sustancias tales como el oxígeno, el dióxido de carbono, las vitaminas solubles en grasas y el alcohol. La concentración de oxígeno siempre es mayor en el fluido intersticial que proviene del plasma sanguíneo, que dentro de la célula, de modo que este elemento está difundiendo constantemente al citoplasma. Contrariamente, el dióxido de carbono difunde en sentido contrario al mantenerse siempre la situación inversa en el gradiente de concentraciones. La penetración de la membrana de sustancias no solubles en grasa (polares) es más selectiva y depende de la dimensión del poro por el cual pueden difundir, además los poros pueden estar siempre abiertos o pueden cerrarse o abrirse como respuesta a diferentes sustancias químicas o a señales eléctricas.

Por difusión facilitada se mueven a través de la membrana plasmática ciertas sustancias que no son solubles en grasas ni "caben" por los poros acuosos abiertos por las proteínas, un ejemplo notable es la glucosa y otros azúcares simples que se mueven hacia el interior de la célula muy rápidamente acopladas a una proteína portadora de la membrana que "atrapa" las moléculas en el fluido intersticial y las libera en el citoplasma. Como cualquier otro proceso de difusión, la glucosa se transporta en la dirección gradiente abajo. El transporte de la glucosa es típicamente unidireccional ya que lo usual es que el plasma sanguíneo tenga una mayor concentración que el interior de la célula donde esta se usa para fabricar ATP.

Filtrado

La filtración es el proceso que fuerza al agua y los solutos a través de una membrana (o la pared de un vaso capilar) por presión hidrostática. Como la difusión, el filtrado es un proceso de transporte pasivo que involucra un gradiente, pero en este caso un gradiente de presión, que es el que "empuja" al fluido que contiene solutos desde zonas de alta presión a zonas de baja presión. La filtración es típica de los capilares sanguíneos cuya relativa elevada presión interior fuerza fluidos vitales a atravesar sus paredes y llegar a los tejidos, el filtrado no es selectivo y solo las grandes partículas como las células sanguíneas y las proteínas no pueden pasar por los poros en las membranas y son retenidas. Otro ejemplo de filtrado se produce en los riñones para generar la orina.

Procesos activos


En los procesos activos, las células utilizan energía ligada al ATP para mover solutos en contra del gradiente de concentración, y se utiliza en los casos en los que hay que mover sustancias que no pasan en la dirección necesaria por alguno de los procesos de difusión pasiva. Esto es, no se disuelven en los lípidos de la membrana, son muy grandes para pasar por los poros, o no pueden moverse en la dirección del gradiente de concentración. Existen dos mecanismos principales usados para llevar a cabo un proceso activo: el transporte activo y el transporte vesicular.

Transporte activo

Se parece a la difusión facilitada en el hecho de que participa una proteína portadora que se combina de manera selectiva y reversible con la sustancia a transportar, pero a diferencia de aquella, que lo hace siempre a favor del gradiente de concentración, el transporte activo mueve la sustancia "loma arriba" es decir, en la dirección de menor concentración hacia la de mayor concentración usando energía celular para lograrlo. Típicamente por este método se mueven solutos, principalmente los iones sodio (Na+), potasio (K+) y calcio (Ca2+), y la proteína encargada del transporte se conoce como bomba de soluto.

El acarreo de solutos a través de la membrana plasmática por transporte activo puede ser:

1.- Primario: cuando se usa la energía del ATP para "bombear" directamente el soluto que interesa a través de la membrana. Durante este proceso se modifica la forma de la proteína de transporte agregando fósforo a su estructura con el uso de energía aportada por el ATP, el cambio en la conformación es de tal manera que la proteína puede "tragarse" el soluto en un lado de la membrana plasmática y expulsarlo en el otro lado. Por ejemplo, tomarlo del fluido intersticial y expulsarlo al fluido citoplasmático o vise versa.

2.- Secundario: se tiene cuando el movimiento del soluto en cuestión se produce indirectamente como "acompañante" de la sustancia principal movida durante el trabajo de la bomba activa de transporte primaria. Esto implica que el proceso de transporte en este caso siempre es de al menos dos sustancias. Las sustancias se pueden mover en la misma dirección o en direcciones contrarias.

Transporte vesicular

Este procedimiento de transporte se usa para mover a través de la membrana plasmática grandes partículas y macromoléculas, y como en el transporte activo está energizado por el ATP. Si se transporta el material desde el interior de la célula al fluido intersticial se conoce como exocitosis, mientras que el transporte en sentido contrario, es decir hacia el citoplasma es endocitosis.

Exocitosis

Exocitosis
Figura 2. Esquematización
animada de la exocitosis

Es un mecanismo que mueve sustancias desde el citoplasma al espacio extracelular y se usa para la liberación de hormonas, neurotransmisores, moco, y en algunos casos para la excreción de desechos. El proceso comienza envolviendo la sustancia en cuestión en un saco membranoso llamado vesícula, luego la vesícula migra hasta la membrana plasmática y se funde con ella para romperse y expulsar el contenido fuera de la célula. (figura 2). Note que durante este proceso la membrana de la vesícula se agrega a la membrana de la célula, pero este material adicional se retira luego durante la endocitosis que se describe a continuación.

Endocitosis

Proporciona un medio para mover al interior de la célula grandes partículas y macromoléculas. La sustancia a importar se va envolviendo progresivamente dentro de un pliegue de la membrana plasmática que temina cerrándose como una vesícula, una vez que la vesícula se forma, esta se separa de la membrana plasmática y se mueve al interior del citoplasma donde se digiere. En dependencia de la naturaleza y la cantidad de sustancia que se toma, se distinguen tres tipos de endocitosis:

Fagocitosis
Figura 3. Esquematización
animada de la fagocitosis

Pinocitosis
Figura 4. Esquematización
animada de la pinocitosis

Endocitosis
Figura 5. Esquematización
animada de la endocitosis
mediada por receptor.

1.- Fagocitosis: se proyectan extensiones del citoplasma llamados pseudópodos que fluyen alrededor de alguna partícula relativamente grande de material sólido, tal como un grupo de bacterias o desechos de células y las engulle (figura 3). La vesícula así formada se llama fagosoma, el que en muchos casos se funde con un lisosoma, que es una estructura especializada del interior de la célula que contienen enzimas digestivas y el contenido del fagosoma se digiere. Solo unos pocos tipos de células humanas son "expertas" en fagocitosis, entre ellas los macrófagos y algunos tipos de glóbulos blancos sanguíneos que se denominan en conjunto fagocitos.

2.- Pinocitosis: en este caso la membrana plasmática se pliega hacia el interior de la célula rodeando una gotita de fluido extracelular que contiene moléculas de solutos disueltos, la gotita luego entra a la célula como una minúscula vesícula membranosa (figura 4). A diferencia con la fagocitosis, la pinocitosis es un proceso de rutina llevado acabo por la mayoría de las células ofreciendo un modo no selectivo de tomar muestras del fluido extracelular.

3.- Endocitosis mediada por receptor: por este procedimiento, determinadas proteínas en la membrana plasmática se acoplan selectivamente solo con ciertas sustancias del fluido intersticial. Ambas, la proteína y la sustancia acoplada se llevan al interior en una vesícula pequeña llamada vesícula recubierta, nombre que hace referencia a la clatrina, una proteína que recubre la cara citoplasmática de la vesícula. La clatrina participa en ambas cosas: en la deformación de la membrana y en la selección de la "carga". Una vez adentro, la difusa vesícula se funde con una vesícula procesadora llamada endosoma donde las moléculas ingeridas se separan de los receptores. El contenido del endosoma puede ser:
 
   *.- Reciclado a la membrana plasmática (que aplica a los componentes de la membrana y a varios receptores).

   *.- Combinado con un lisosoma donde la sustancia ingerida se degrada o libera (hierro y colesterol).

   *.- Transportada a todo lo ancho de la célula y liberada por exocitosis en el lado opuesto. Un proceso conocido como transcitosis.

Caveolas

Las caveolas son bolsas de la membrana plasmática hacia el interior con forma de frasco que se ven en muchos tipos de células y parecen estar involucradas en algún tipo de endocitosis mediada por receptor. Estas caveolas también capturan moléculas específicas del fluido extracelular envueltas en una vesícula recubierta. Sin embargo, las caveolas son más pequeñas que las vesículas recubiertas "estándares", su recubrimiento es más delgado, y la proteína involucrada es otra. Su rol preciso todavía no se ha determinado completamente.



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