Transporte Celular: Mecanismos a Través de la Membrana

El transporte celular es un proceso fundamental para la vida, permitiendo a las células intercambiar sustancias con su entorno y mantener su homeostasis. Este proceso se realiza principalmente a través de la membrana plasmática, una bicapa lipídica con propiedades selectivas.

Bicapas Lipídicas y Permeabilidad

• Las bicapas lipídicas son permeables a solutos hidrofóbicos y a moléculas sin carga de pequeño tamaño.

Ósmosis: El Movimiento del Agua

• La ósmosis es la difusión de agua a través de la bicapa, regulada por las diferencias de presión osmótica entre ambos lados de la membrana.
• Se realiza a través de la bicapa, moviéndose el agua desde una zona de menor concentración de solutos (mayor concentración de agua) a una de mayor concentración de solutos (menor concentración de agua).
• Los cambios en la concentración de solutos del medio externo pueden ser compensados por la célula mediante el bombeo de iones.
• Si las alteraciones son excesivas o la célula no puede compensar la diferencia de concentración, se puede producir deshidratación o lisis celular.

Transporte de Solutos: Difusión y Transporte Activo

Difusión: Paso a Favor de Gradiente

La difusión es el paso de solutos a favor de su gradiente de concentración, es decir, desde una zona de mayor concentración a una de menor concentración. Este proceso puede ocurrir de dos maneras:

• A través de la bicapa lipídica: Para moléculas pequeñas, sin carga o hidrofóbicas.
• A través de proteínas transportadoras: Para moléculas que no pueden atravesar directamente la bicapa.

La difusión tiende a igualar las concentraciones de un soluto entre el exterior y el citoplasma. El mantenimiento de un gradiente a través de la membrana representa un almacén de energía potencial. El incremento de energía que representa el movimiento de un soluto hacia el interior de la célula a favor de gradiente depende de la diferencia de concentraciones entre ambos lados, la temperatura y la constante de los gases.

Difusión de Iones: Canales Iónicos

• La difusión de iones se realiza a través de canales iónicos.
• Son proteínas integrales de membrana con un canal central.
• Son altamente selectivos para iones específicos.
• Alternan entre conformación abierta y cerrada, regulando el flujo de iones.

Difusión Facilitada

• Se realiza mediante la unión de la molécula a una proteína transportadora específica.
• La proteína cambia de conformación y libera al soluto al otro lado de la membrana.
• Funciona en ambos sentidos, pero el flujo neto siempre es a favor de gradiente.
• Es un proceso muy específico para cada tipo de soluto.

Transporte Activo: Contra el Gradiente

El transporte activo se realiza en contra de un gradiente de concentración o electroquímico, lo que requiere un consumo de energía. Se lleva a cabo a través de proteínas que cambian de conformación, conocidas como bombas transportadoras.

La fuente de energía para el transporte activo puede ser:

• La hidrólisis del ATP (transporte activo primario).
• La captación de energía lumínica (en organismos fotosintéticos).
• El transporte de electrones a lo largo de una cadena transportadora.
• La energía liberada por el movimiento a favor de gradiente de otra molécula (cotransporte o transporte activo secundario).

Transporte Asociado a ATP (Bombas ATPasas)

• Las bombas transportadoras que utilizan ATP son también ATPasas, ya que hidrolizan ATP para obtener energía.
• Funcionan generalmente en una dirección específica.
• Ejemplo: La bomba de Na+/K+, que mantiene los gradientes de Na+ y K+ esenciales para el potencial de membrana y otras funciones celulares.

Transportadores que Captan Energía Lumínica

• Presentes en bacterias fotosintéticas, utilizan la luz como fuente de energía para el transporte.

Cotransporte (Transporte Activo Secundario)

• Es un transporte acoplado al paso a favor de gradiente de otra molécula.
• La energía liberada por el movimiento de una molécula a favor de su gradiente se utiliza para mover otra molécula en contra de su gradiente.

El Potencial de Membrana

El potencial de membrana es la diferencia de carga eléctrica a ambos lados de la membrana plasmática. En células excitables, se denomina potencial de reposo.

Este potencial se debe principalmente a la fuga de iones K+ a través de canales insensibles al voltaje que están abiertos en la membrana. En la interfaz con la membrana, no hay un balance de cargas eléctricas. El equilibrio se alcanza cuando el gradiente electroquímico (que combina el gradiente de carga y el de concentración) se equilibra.

Transportes Citóticos: Para Macromoléculas

Los transportes citóticos (endocitosis y exocitosis) son mecanismos para el transporte de solutos y sustancias de elevado peso molecular que no pueden atravesar la membrana por difusión o transporte activo.

Se caracterizan por:

• Formación de vesículas o vacuolas.
• Consumo de energía (ATP).
• Intervención del citoesqueleto en la formación y movimiento de las vesículas.

Comunicación Celular: Señalización y Respuesta

La comunicación celular es vital para la coordinación de funciones en organismos multicelulares y para la adaptación de células individuales a su entorno.

Bases de la Comunicación Celular

Las células reciben y envían señales constantemente. La respuesta a dichas señales puede ser de diferente naturaleza (cambios metabólicos, expresión génica, movimiento, etc.). La comunicación celular requiere de varios componentes esenciales:

• Moléculas señalizadoras (ligandos).
• Receptores de señal específicos.
• Mecanismos de transducción de la señal intracelular.

Cada célula posee un conjunto específico de receptores que le permite responder a un número determinado de moléculas señalizadoras, y puede incluso responder de forma distinta a la misma señal dependiendo de su estado fisiológico o tipo celular.

Tipos de Comunicación Celular por Origen de la Señal

La comunicación celular puede clasificarse según la distancia que recorre la señal o el tipo de interacción:

• Comunicación por contacto directo: Las células interactúan directamente a través de moléculas de superficie. Ejemplo: Comunicación inhibitoria por contacto en la diferenciación de neuronas durante el desarrollo.
• Comunicación autocrina: Una célula produce una señal que actúa sobre sí misma, reforzando la integración entre células del mismo tipo.
• Comunicación paracrina: Las señales actúan sobre células cercanas.
• Comunicación endocrina: Las señales (hormonas) viajan a través del torrente sanguíneo para actuar sobre células diana distantes.
• Comunicación sináptica: Específica de neuronas, donde los neurotransmisores actúan en la hendidura sináptica.

Moléculas Señalizadoras (Ligandos)

Las moléculas señalizadoras son diversas en su naturaleza química y función:

• Mediadores locales: Actúan a corta distancia.
  • Citoquinas: Proteínas que regulan la inmunidad y la inflamación.
  • Eicosanoides: Derivados de lípidos, como prostaglandinas y leucotrienos.
  • Gases: Como el óxido nítrico (NO) y el monóxido de carbono (CO), que actúan como segundos mensajeros.
• Neurotransmisores: Sustancias químicas liberadas por neuronas para transmitir señales a otras neuronas o células efectoras.
  • Diferente naturaleza química: acetilcolina, ácido γ-aminobutírico (GABA), dopamina, serotonina, etc.
• Hormonas: Producidas por células endocrinas y transportadas por la sangre a células diana distantes.
  • Diferente naturaleza química: adrenalina, cortisol, estradiol, insulina, hormonas tiroideas, etc.

Tipos de Receptores Celulares: Intracelulares y de Superficie

Receptores Intracelulares

• Localización: Citoplásmica o nuclear.
• Naturaleza: Son proteínas reguladoras de la expresión génica o enzimas.
• Ligandos: Las hormonas hidrofóbicas (esteroides, tiroideas) atraviesan la membrana plasmática y se unen a estos receptores.
• Respuestas: Generalmente de larga duración, ya que implican cambios en la expresión génica.

Receptores de Superficie (de Membrana)

Estos receptores se encuentran en la membrana plasmática y son esenciales para la señalización de moléculas hidrófilas que no pueden atravesar la bicapa lipídica. La unión del ligando al receptor de superficie activa señales intracelulares, a menudo a través de segundos mensajeros o mediadores intracelulares.

La señal se amplifica, se modifica, se modula y se distribuye dentro de la célula, activando o inactivando proteínas que modifican el citoesqueleto, la actividad metabólica, la síntesis de proteínas, la división celular, etc.

Los principales tipos de receptores de superficie son:

• Receptores asociados a canales iónicos:
  • También conocidos como canales iónicos regulados por ligando.
  • La unión del ligando provoca la apertura o cierre del canal, alterando el flujo de iones.
  • Implicados en la transmisión sináptica rápida y la unión neuromuscular.
• Receptores asociados a proteínas G (GPCRs):
  • Son la familia más grande de receptores de superficie.
  • El receptor, al unirse al ligando, activa una proteína G trimérica, que a su vez activa o inactiva una enzima efectora o un canal iónico.
  • Participan en una amplia variedad de procesos fisiológicos.
• Receptores enzimáticos:
  • El propio receptor tiene un dominio catalítico intrínseco o está asociado a una enzima.
  • La actividad enzimática del dominio catalítico se activa por la unión del ligando, lo que desencadena una cascada de fosforilaciones u otras reacciones.
  • Ejemplo: Receptores tirosina quinasa (RTKs), importantes en el crecimiento y diferenciación celular.