La diferencia entre ósmosis y transporte activo
Una célula tiene muchas necesidades para crecer y replicarse, e incluso las células que no están creciendo o replicando activamente necesitan nutrientes del medio ambiente para funcionar. Muchas de las necesidades de la célula son moléculas que se pueden encontrar fuera de la célula, como agua, azúcares, vitaminas y proteínas.
La membrana celular tiene importantes funciones protectoras y estructurales, y actúa para mantener el material celular separado del ambiente externo. La bicapa lipídica de la membrana celular está compuesta por fosfolípidos, que tienen colas hidrofóbicas (solubles en aceite, “temerosas del agua”) que actúan como barrera para muchos solutos y moléculas en el ambiente. Esta característica de la membrana celular permite que el ambiente interno de la célula sea diferente del ambiente externo, pero también actúa como una barrera importante para tomar ciertas moléculas del ambiente y expulsar los desechos.
Sin embargo, la bicapa lipídica no plantea un problema para todas las moléculas. Las moléculas hidrófobas (o solubles en aceite) no polares pueden difundirse libremente a través de la membrana celular sin obstáculos. Esta clase de moléculas incluye gases como el oxígeno (O2), el dióxido de carbono (CO2) y el óxido nítrico (NO). Las moléculas orgánicas hidrofóbicas más grandes pueden atravesar la membrana plasmática, incluidas ciertas hormonas (como el estrógeno) y vitaminas (como la vitamina D). Las moléculas polares pequeñas (incluida el agua) están bloqueadas por la bicapa lipídica, pero aún pueden atravesarla.
Para las moléculas que pueden pasar libremente a través de la membrana celular, el hecho de que entren o salgan de la célula depende de su concentración. La tendencia de las moléculas a moverse a lo largo de su gradiente de concentración (es decir, de mayor a menor concentración) se denomina difusión. Esto significa que las moléculas saldrán de la célula si hay más dentro de la célula que fuera. Asimismo, si hay más fuera de la célula, las moléculas fluirán hacia el interior de la célula hasta que se alcance el equilibrio. Por ejemplo, piense en una célula muscular. Durante el ejercicio, la célula convierte el O2 en CO2. A medida que la sangre oxigenada ingresa al músculo, el O2 se mueve desde donde la concentración es más alta (en la sangre) hacia donde es más baja (en las células musculares). Al mismo tiempo, el CO2 sale de las células musculares (donde es más alto) hacia la sangre (donde es más bajo). La difusión no requiere gasto de energía. La difusión del agua recibe un nombre especial, ósmosis.
Para las moléculas polares más grandes y cualquier molécula cargada, es más difícil entrar y salir de la célula porque no pueden atravesar la bicapa lipídica. Esta clase de moléculas incluye iones, azúcares, aminoácidos (los componentes básicos de las proteínas) y muchas otras cosas que la célula necesita para sobrevivir y funcionar. Para solucionar este problema, la célula dispone de proteínas de transporte que permiten que estas moléculas entren y salgan de la célula. Estas proteínas de transporte representan el 15-30% de las proteínas de la membrana celular.
Las proteínas de transporte vienen en varias formas y tamaños, pero todas se extienden a través de la bicapa lipídica y cada proteína de transporte tiene un tipo específico de molécula que transporta. Hay proteínas transportadoras (también llamadas transportadores o permeasas), que se unen a un soluto oa una molécula en un lado de la membrana y lo transportan al otro lado de la membrana. Las proteínas de canal están incluidas en la segunda clase de proteínas de transporte. Las proteínas de canal crean aberturas hidrófilas («amantes del agua») en la membrana para permitir el paso de moléculas polares o cargadas. Las proteínas de canal y las proteínas transportadoras facilitan el transporte dentro y fuera de la célula.
Las moléculas pueden viajar a través de proteínas de transporte desde una concentración alta a una concentración más baja. Este proceso se denomina transporte pasivo o difusión facilitada. Es similar a la difusión de moléculas no polares o agua directamente a través de la bicapa lipídica, excepto que requiere proteínas de transporte.
A veces, una célula necesita elementos del entorno que están presentes en concentraciones muy bajas fuera de la célula. Alternativamente, una célula puede requerir una concentración muy baja de cierto soluto dentro de la célula. Si bien la difusión permitiría que las concentraciones dentro y fuera de la célula se movieran hacia el equilibrio, un proceso conocido como comportamiento activo ayuda a concentrar un soluto o molécula dentro o fuera de la célula. El transporte activo requiere el gasto de energía para mover una molécula contra su gradiente de concentración. Hay dos tipos principales de transporte activo en las células eucariotas. El primer tipo consiste en una bomba impulsada por ATP. Estas bombas utilizan la hidrólisis de ATP para transportar una clase específica de soluto o molécula a través de la membrana para concentrarla dentro o fuera de la célula. El segundo tipo (llamados cotransportadores) transporta una molécula contra su gradiente de concentración (de menor a mayor) con el transporte de una segunda molécula a favor de su gradiente de concentración (de mayor a menor).
Las células también utilizan el transporte activo para mantener la concentración correcta de iones. La concentración de iones es muy importante para las propiedades eléctricas de la célula, controlando la cantidad de agua en las células y otras funciones importantes de los iones. Por ejemplo, los iones de magnesio (MG2+) son muy importantes para muchas proteínas involucradas en la reparación y el mantenimiento del ADN. El calcio (Ca2+) también es importante en muchos procesos celulares y el transporte activo ayuda a mantener un gradiente de calcio de 1:10.000. El transporte de iones a través de la bicapa lipídica depende no solo del gradiente de concentración, sino también de las propiedades eléctricas de la membrana, donde las cargas se vuelven similares. La ATPasa sodio-potasio o bomba Na+-K+ mantiene una mayor concentración de sodio fuera de la célula. Casi un tercio de la energía requerida por la célula se gasta en este esfuerzo. Este enorme gasto de energía en el transporte activo de iones confirma la importancia de mantener el equilibrio molecular en el buen funcionamiento de una célula.
Resumen
Ohsmoas difusión pasiva de agua a través de la membrana celular y no requiere proteínas de transporte. Acomportamiento activo es el movimiento de moléculas en contra de su gradiente de concentración (de baja a alta concentración) o en contra de su gradiente eléctrico (hacia cargas similares) y requiere portadores de proteínas y energía adicional, a través de la hidrólisis de ATP o del acoplamiento para transportar otro soluto cuesta abajo.
