La membrana celular, también llamada membrana plasmática o membrana citoplasmática, se encuentra entre las construcciones más fascinantes y elegantes del mundo de la biología. La célula se considera la unidad fundamental o "bloque de construcción" de todos los seres vivos en la Tierra; su propio cuerpo tiene billones de ellos, y diferentes células en diferentes órganos y tejidos tienen diferentes estructuras que se correlacionan exquisitamente con las funciones de los tejidos que consisten en estos células.
Si bien los núcleos de las células a menudo llaman la atención, ya que contienen el material genético necesario para transmitir información a las generaciones posteriores del organismo, la membrana celular es el guardián y guardián literal de la célula contenido. Sin embargo, lejos de ser un mero contenedor o barrera, la membrana ha evolucionado para mantener el equilibrio celular, o el equilibrio interno, a través de un transporte eficiente e incansable. Mecanismos que hacen de la membrana una especie de aduana microscópica, permitiendo y negando la entrada y salida de iones y moléculas de acuerdo con el tiempo real de la célula. necesidades.
Membranas celulares en todo el espectro de vida
Todos los organismos tienen membranas celulares de algún tipo. Esto incluye procariotas, que son en su mayoría bacterias y se cree que representan algunas de las especies vivas más antiguas de la Tierra, así como eucariotas, que incluyen animales y plantas. Tanto las bacterias procariotas como las plantas eucariotas tienen una pared celular externa a la membrana celular para una protección adicional; en las plantas, esta pared tiene poros, y no son especialmente selectivos en términos de lo que puede atravesar y lo que no. Además, los eucariotas poseen orgánulos, como el núcleo y las mitocondrias, encerrados por membranas como la que rodea a la célula en su conjunto. Los procariotas ni siquiera tienen núcleo; su material genético está disperso, aunque de forma algo compacta, por todo el citoplasma.
Una evidencia molecular considerable sugiere que las células eucariotas descienden de células procariotas, perdiendo la pared celular en algún momento de su evolución. Aunque esto hizo que las células individuales fueran más vulnerables a los insultos, también les permitió volverse más complejas y expandirse geométricamente en el proceso. De hecho, las células eucariotas pueden ser diez veces más grandes que las células procariotas, un hallazgo que resulta aún más sorprendente por el hecho de que una sola célula es la totalidad de un organismo procariota por definición. (Algunos eucariotas también son unicelulares).
Estructura de la membrana celular
La membrana celular consta de una estructura de doble capa (a veces llamada "modelo de mosaico fluido") compuesta principalmente de fosfolípidos. Una de estas capas se enfrenta al interior de la célula, o citoplasma, mientras que la otra se enfrenta al entorno externo. Los lados que miran hacia afuera y hacia adentro se consideran "hidrófilos" o atraídos por ambientes acuosos; la parte interna es "hidrofóbica" o repelida por ambientes acuosos. De forma aislada, las membranas celulares son fluidas a la temperatura corporal, pero a temperaturas más frías, adquieren una consistencia similar a un gel.
Los lípidos de la bicapa representan aproximadamente la mitad de la masa total de la membrana celular. El colesterol constituye aproximadamente una quinta parte de los lípidos en las células animales, pero no en las células vegetales, ya que el colesterol no se encuentra en ninguna parte de las plantas. La mayor parte del resto de la membrana está constituida por proteínas con una diversa variedad de funciones. Dado que la mayoría de las proteínas son moléculas polares, como la propia membrana, sus extremos hidrófilos sobresalen del exterior de la célula y sus extremos hidrófobos apuntan al interior de la bicapa.
Algunas de estas proteínas tienen cadenas de carbohidratos unidas a ellas, lo que las convierte en glicoproteínas. Muchas de las proteínas de la membrana están involucradas en el transporte selectivo de sustancias a través de la bicapa, que puede hacerlo creando canales de proteínas a través de la membrana o transportándolos físicamente a través de la membrana. Otras proteínas funcionan como receptores en la superficie celular, proporcionando sitios de unión para moléculas que transportan señales químicas; estas proteínas luego transmiten esta información al interior de la célula. Otras proteínas de membrana actúan como enzimas que catalizan reacciones particulares de la propia membrana plasmática.
Funciones de la membrana celular
El aspecto crítico de la membrana celular no es que sea "impermeable" o impermeable a las sustancias en general; si lo fuera, la célula moriría. La clave para comprender el trabajo principal de la membrana celular es que es selectivamente permeable. Una analogía: así como la mayoría de las naciones de la Tierra no prohíben completamente a las personas viajar a través del fronteras internacionales de la nación, los países de todo el mundo no tienen la costumbre de dejar que nadie y todos entran. Las membranas celulares intentan hacer lo que hacen los gobiernos de estos países, en una escala mucho menor: permitir que las entidades deseables ingresen a la célula. después de haber sido "examinado" mientras se prohíbe la entrada a entidades que puedan resultar tóxicas o destructivas para el interior o la célula como un entero.
En general, la membrana actúa como un límite formal, manteniendo las diversas partes de la célula juntas de la misma manera. una cerca alrededor de una granja mantiene unido al ganado incluso mientras les permite deambular y mezclarse. Si tuviera que adivinar los tipos de moléculas que pueden entrar y salir con mayor facilidad, podría decir "fuentes de combustible" y "desechos metabólicos" respectivamente, dado que esto es esencialmente lo que los cuerpos en su conjunto hacer. Y tú estarías bien. Moléculas muy pequeñas, como oxígeno gaseoso (O2), dióxido de carbono gaseoso (CO2) y agua (H2O), puede atravesar libremente la membrana, pero el paso de moléculas más grandes, como los aminoácidos y los azúcares, está estrictamente controlado.
La bicapa lipídica
Las moléculas que se denominan casi universalmente "fosfolípidos" que forman la bicapa de la membrana celular se denominan más propiamente "glicerofosfolípidos". Consisten en una molécula de glicerol, que es un alcohol de tres carbonos, unido a dos ácidos grasos largos en un lado y un grupo fosfato por el otro. Esto le da a la molécula una forma larga y cilíndrica que se adapta bien al trabajo de ser parte de una hoja ancha, que es lo que se asemeja a una sola capa de la bicapa de membrana en la sección transversal.
La porción de fosfato del glicerofosfolípido es hidrófila. El tipo específico de grupo fosfato varía de una molécula a otra; por ejemplo, puede ser fosfatidilcolina, que incluye un componente que contiene nitrógeno. Es hidrófilo porque tiene una distribución desigual de la carga (es decir, es polar), al igual que el agua, por lo que los dos "se llevan bien" en cuartos microscópicos cercanos.
Los ácidos grasos en el interior de la membrana no tienen una distribución desigual de carga en ninguna parte de su estructura, por lo que son apolares y, por lo tanto, hidrófobos.
Debido a las propiedades electroquímicas de los fosfolípidos, la disposición de la bicapa de fosfolípidos no requiere entrada de energía para crearla o mantenerla. De hecho, los fosfolípidos colocados en el agua tienden a asumir espontáneamente la configuración de bicapa de la misma manera que los fluidos "buscan su propio nivel".
Transporte de membrana celular
Debido a que la membrana celular es selectivamente permeable, debe proporcionar un medio para obtener una variedad de sustancias, algunas grandes y otras pequeñas, de un lado al otro. Piense en las formas en que podría cruzar un río o una masa de agua. Puede tomar un ferry; puede simplemente flotar con una ligera brisa, o puede ser llevado por corrientes constantes de ríos o océanos. Y es posible que solo se encuentre cruzando el cuerpo de agua en primer lugar porque hay un concentración de personas de su lado y una concentración demasiado baja del otro, presentando una necesidad de igualar cosas fuera.
Cada uno de estos escenarios tiene alguna relación con una o más de las formas en que las moléculas pueden atravesar la membrana celular. Estas formas incluyen:
Difusión simple: En este proceso, las moléculas simplemente se desplazan a través de la doble membrana para entrar o salir de la célula. La clave aquí es que las moléculas en la mayoría de las situaciones se moverán hacia abajo en un gradiente de concentración, lo que significa que naturalmente se desplazan de áreas de mayor concentración a áreas de menor concentración. Si vertiera una lata de pintura en el medio de una piscina, el movimiento hacia afuera de las moléculas de pintura representaría una forma de difusión simple. Las moléculas que pueden atravesar las membranas celulares de esta manera, como puede predecir, son moléculas pequeñas como O2 y compañía2.
Ósmosis: La ósmosis podría describirse como una "presión de succión" que provoca el movimiento del agua cuando el movimiento de las partículas disueltas en el agua es imposible. Esto ocurre cuando una membrana permite que el agua, pero no las partículas disueltas ("solutos") en cuestión, pasen a través de ella. La fuerza impulsora es nuevamente un gradiente de concentración, porque todo el entorno local "busca" un estado de equilibrio en el que la cantidad de soluto por unidad de agua es la misma en todas partes. Si hay más partículas de soluto en un lado de una membrana permeable al agua e impermeable al soluto que en el otro, el agua fluirá al área de mayor concentración de soluto. Es decir, si las partículas no pueden cambiar su concentración en el agua moviéndose, entonces el agua misma se moverá para realizar más o menos el mismo trabajo.
Difusión facilitada: Nuevamente, este tipo de transporte de membrana hace que las partículas se muevan de áreas de mayor concentración a áreas de menor concentración. Sin embargo, a diferencia del caso de difusión simple, las moléculas entran o salen de la célula a través de canales de proteínas especializados, en lugar de simplemente desplazarse a través de los espacios entre los glicerofosfolípidos moléculas. Si alguna vez ha visto lo que sucede cuando algo que va a la deriva por un río de repente se encuentra en un pasadizo entre rocas, sabes que el objeto (¡quizás un amigo en una cámara de aire!) acelera considerablemente mientras está en este pasaje; lo mismo ocurre con los canales de proteínas. Esto es más común con moléculas con carga eléctrica o polar.
Transporte activo: Los tipos de transporte de membrana discutidos anteriormente implican movimiento hacia abajo en un gradiente de concentración. A veces, sin embargo, al igual que los barcos deben moverse río arriba y los automóviles deben subir colinas, la mayoría de las sustancias se mueven contra un gradiente de concentración, una situación energéticamente desfavorable. Como resultado, el proceso tiene que ser alimentado por una fuente externa, y en este caso esa fuente es el trifosfato de adenosina (ATP), ese combustible generalizado para las transacciones biológicas microscópicas. En este proceso, uno de los tres grupos fosfato se elimina del ATP para crear difosfato de adenosina (ADP) y un fosfato libre, y la energía liberada por la hidrólisis del enlace fosfato-fosfato se utiliza para "bombear" moléculas hacia arriba del gradiente y a través del membrana.
El transporte activo también puede ocurrir de manera indirecta o secundaria. Por ejemplo, una bomba de membrana puede mover el sodio a través de su gradiente de concentración de un lado de la membrana al otro, fuera de la célula. Cuando el ion sodio se difunde de regreso en la otra dirección, podría llevar consigo una molécula de glucosa contra esa propio gradiente de concentración de la molécula (la concentración de glucosa suele ser mayor en el interior de las células que en el fuera de). Dado que el movimiento de la glucosa va en contra de su gradiente de concentración, este es un transporte activo, pero como no hay ATP directamente involucrado, este es un ejemplo de secundario transporte activo.