TRANSPORTE A TRAVES DE MEMBRANAS

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 La bicapa lipídica de la membrana actúa como una barrera que separa dos medios acuosos, el medio donde vive la célula y el medio interno celular. Las células requieren nutrientes del exterior y deben eliminar sustancias de desecho procedentes del metabolismo y mantener su medio interno estable. La membrana presenta una permeabilidad selectiva, ya que permite el paso de pequeñas moléculas, siempre que sean lipófilas, pero regula el paso de moléculas no lipófilas. Entonces, la mayor parte de los iones y moléculas solubles en agua son incapaces de cruzar de forma espontánea esta barrera, y precisan de la concurrencia de proteínas portadoras especiales o de canales proteicos. De este modo la célula mantiene concentraciones de iones y moléculas pequeñas distintas de las imperantes en el medio externo.

El paso a través de la membrana posee dos modalidades:
Una pasiva, sin gasto de energía, y otra activa , con consumo de energía.

1. Pasaje pasivo. Es un proceso de difusión de sustancias a través de la membrana. Se produce siempre a favor del gradiente, es decir, de donde hay más hacia el medio donde hay menos. Este transporte puede darse por:

• Difusión simple . Es el paso de pequeñas moléculas a favor del gradiente; puede realizarse a través de la bicapa lipídica o a través de canales proteícos.

A) Difusión simple a través de la bicapa (1). Así entran moléculas lipídicas como las hormonas esteroideas, anestésicos como el éter y fármacos liposolubles. Y sustancias apolares como el oxígeno, el CO₂ y el nitrógeno atmosférico. Algunas moléculas polares de muy pequeño tamaño, como el agua, el etanol y la glicerina, también atraviesan la membrana por difusión simple. La difusión del agua recibe el nombre de ósmosis

B) Difusión simple a través de canales (2).Se realiza mediante las denominadas proteínas de canal. Así entran iones como el Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl^-. Las proteínas de canal son proteínas con un orificio o canal interno, cuya apertura está regulada, por ejemplo por ligando, como ocurre con neurotransmisores u hormonas, que se unen a una determinada región, el receptor de la proteína de canal, que sufre una transformación estructural que induce la apertura del canal.

Y aquí está el proceso en animación

C) Difusión facilitada (3) o Transporte pasivo . Permite el transporte de pequeñas moléculas polares, como los aminoácidos, monosacáridos como la glucosa, etc, que al no poder atravesar la bicapa lipídica, requieren que proteínas trasmembranosas faciliten su paso. Estas proteínas reciben el nombre de proteínas transportadoras o permeasas (ver 6to año) que, al unirse a la molécula a transportar sufren un cambio en su estructura que arrastra a dicha molécula hacia el interior de la célula.

2. Pasaje activo, se produce pasaje de sustancias en contra del gradiente

El transporte activo (4). En este proceso también actúan proteínas de membrana, pero éstas requieren energía, en forma de ATP, para transportar las moléculas al otro lado de la membrana. Se produce cuando el transporte se realiza en contra del gradiente electroquímico. Son ejemplos de transporte activo la bomba de Na/K, y la bomba de Ca.

• La bomba de Na+/K+ Requiere una proteína transmembranosa que bombea Na+ hacia el exterior de la membrana y K+ hacia el interior. Esta proteína actúa contra el gradiente gracias a su actividad como ATP-asa, ya que rompe el ATP para obtener la energía necesaria para el transporte.

Por este mecanismo, se bombea 3 Na+ hacia el exterior y 2 K+ hacia el interior, con la hidrólisis acoplada de ATP. El transporte activo de Na+ y K+ tiene una gran importancia fisiológica. De hecho todas las células animales gastan más del 30% del ATP que producen ( y las células nerviosas más del 70%) para bombear estos iones.

Los científicos en las ultimas décadas para estudiar mejor el comportamiento de la permeabilidad iónica de las células de los organismos vivos, han recurrido al manejo de los ionóforos. Se trata de pequeñas moléculas hidrofóbicas sintetizadas, que sirven como herramienta para incrementar la permeabilidad de las membranas celulares a determinados iones inorgánicos (ver 6to año).

Otro mecanismo llamado Transporte en Masa, que consiste en la formación de pequeñas vesículas de membrana que se incorporan a la membrana plasmática o se separan de ella, permite a las células animales transferir macromoléculas y partículas aún mayores a través de la membrana.

1. Endocitosis: entrada de materia a la célula

1. Fagocitosis: es la incorporación de sustancias de gran tamaño (proteínas, microorganismos, restos celulares, etc.) Ej: globulos blancos.
2. Picnositosis cuando se trata de incorporación de partículas líquidas.

1. Endositosis medida por receptor: se trata de grandes moléculas del medio, seleccionadas por reconocimiento específico.

1. Exocitosis: salida de material de la célula

1. Secreción
2. Excreción

 
 

Análisis comparativo y evolutivo de la respiración y la fotosíntesis

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Fotosíntesis y respiración
La fotosíntesis tiene que ver con la forma cómo las plantas transforman la energía solar en energía química liberando al mismo tiempo oxígeno y agua y almacenando la energía bajo la forma de carbohidratos. La respiración se refiere al proceso mediante el cual las plantas toman oxígeno y desprenden dióxido de carbono. Ambos procesos son inversos.

Procesos de la fotosíntesis
La fotosíntesis es un proceso que ocurre en dos fases. La primera fase es un proceso que depende de la luz (reacciones luminosas), requiere la energía directa de la luz que genera los transportadores que son utilizados en la segunda fase. La fase independiente de la luz (reacciones de oscuridad), se realiza cuando los productos de las reacciones de luz son utilizados para formar enlaces covalentes carbono-carbono (C-C), de los carbohidratos. Las reacciones oscuras pueden realizarse en la oscuridad, con la condición de que la fuente de energía (ATP) y el poder reductor (NADPH) formados en la luz se encuentren presentes. Investigaciones recientes sugieren que varias enzimas del ciclo de Calvin, son activadas por la luz mediante la formación de grupos -SH ; de tal forma que el termino reacción de oscuridad no es del todo correcto. Las reacciones de oscuridad se efectúan en el estroma; mientras que las de luz ocurren en los tilacoides.

La fotosíntesis es un proceso que se desarrolla en dos etapas:
    • Reacciones lumínicas: es un proceso dependiente de la luz (etapa clara), requiere de energía de la luz para fabricar ATP y moléculas portadoras de energía NADPH reducido, a usarse en la segunda etapa.

    • Ciclo de Calvin- Benson: es la etapa independiente de la luz (etapa oscura), los productos de la primera etapa mas CO2 son utilizados para formar los enlaces C-C de los carbohidratos. Las reacciones de la etapa oscura usualmente ocurren en la oscuridad si los transportadores de energía provenientes de la etapa clara están presentes.

Mientras que la respiración celular es el conjunto de reacciones bioquímicas por las cuales determinados compuestos orgánicos son degradados completamente, por oxidación, hasta su conversión en sustancias inorgánicas, proceso que rinde energía (en forma de ATP) aprovechable por la célula. Los substratos habitualmente usados en el proceso son la glucosa, otros [hidrato de carbono], ácidos grasos, incluso aminoácidos, cuerpos cetónicos u otros compuestos orgánicos. En los animales estos combustibles pueden provenir del alimento, de los que se extraen durante la digestión, o de las reservas corporales. En las plantas su origen pueden ser asimismo las reservas, pero también la glucosa obtenida durante la fotosíntesis.
La respiración celular, como componente del metabolismo, es un proceso catabólico, en el cual la energía contenida en los substratos usados como combustible es liberada de manera controlada. Durante la misma, buena parte de la energía libre desprendida en estas reacciones exotérmicas es incorporada a la molécula de ATP (o de nucleótidos trifosfato equivalentes), que puede ser a continuación utilizada en los procesos endotérmicos, como son los de mantenimiento y desarrollo celular [anabolismo]
Su ecuación general es la siguiente (respiración aeróbica):1

Cadena de transporte de electrones fotosintéticos

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A continuación se produce el transporte o flujo electrónico fotosintético: Cuando los fotones chocan con el fotosistema, los e- son arrancados de la molécula y quedan cargados con la energía del fotón, para ser transportados por un conjunto de proteínas transportadoras, situadas en la membrana tilacoidal, hasta la coenzima NADP+ que se reduce a NADPH. En la cadena de transporte de electrones, funcionan intercalados los dos fotosistemas:

Fig. Tomada y adaptada de forest.ula.ve.
3. Fotofosforilación: Es la formación del enlace pirofosfato de una molécula de ATP, gracias a la transformación de la energía del electrón excitado por la luz.
Para que tenga lugar la fase oscura de la fotosíntesis se necesita NADPH y ATP. Según la hipótesis quimiosmótica de Mitchell, la energía liberada en el transporte de e- se utiliza para bombear protones desde el estroma al espacio intratilacoidal, en contra de un gradiente. Los protones regresan luego haciendo el camino inverso a favor de gradiente, a través del complejo enzimático ATP-asa, que usa la energía liberada en el transporte para fosforilar ADP y transformarlo en ATP.
La fase luminosa o fotoquímica puede presentarse en dos modalidades: con transporte acíclico de electrones o con transporte cíclico de electrones. En la acíclica se necesitan los dos fotosistemas, el I y el II. En la cíclica sólo el fotosistema I.