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Transporte pasivo

Difusión pasiva a través de la membrana celular . La difusión (una forma de transporte pasivo) a través de la bicapa fosfolipídica, que es semipermeable, se demuestra mediante l...

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Difusión pasiva a través de la membrana celular .
La difusión (una forma de transporte pasivo) a través de la bicapa fosfolipídica, que es semipermeable, se demuestra mediante la difusión simple y la difusión facilitada. La difusión simple no requiere energía, y permite el movimiento de moléculas pequeñas y no polares desde una concentración alta a una baja de soluto. La difusión facilitada tampoco requiere energía, pero necesita un canal proteico para el movimiento de moléculas grandes y polares.

El transporte pasivo es un tipo de transporte de membrana que no requiere energía para mover sustancias a través de las membranas celulares . [ 1 ] [ 2 ] En lugar de utilizar energía celular , como el transporte activo , [ 3 ] el transporte pasivo se basa en la segunda ley de la termodinámica para impulsar el movimiento de sustancias a través de las membranas celulares. [ 1 ] [ 2 ] [ 4 ] Fundamentalmente, las sustancias siguen la primera ley de Fick y se mueven de un área de alta concentración a un área de baja concentración porque este movimiento aumenta la entropía del sistema general . [ 4 ] [ 5 ] La tasa de transporte pasivo depende de la permeabilidad de la membrana celular, que, a su vez, depende de la organización y características de los lípidos y proteínas de la membrana . Los cuatro tipos principales de transporte pasivo son difusión simple , difusión facilitada , filtración y/o ósmosis .

El transporte pasivo sigue la primera ley de Fick .

Difusión

Difusión pasiva en la membrana celular.

La difusión es el movimiento neto de material desde un área de alta concentración a un área de menor concentración. La diferencia de concentración entre las dos áreas se denomina a menudo gradiente de concentración , y la difusión continuará hasta que este gradiente se haya eliminado. Dado que la difusión mueve materiales desde un área de mayor concentración a un área de menor concentración, se describe como el movimiento de solutos "a favor del gradiente de concentración" (en comparación con el transporte activo , que a menudo mueve material desde un área de baja concentración a un área de mayor concentración, y por lo tanto se denomina movimiento del material "en contra del gradiente de concentración"). Sin embargo, en muchos casos (por ejemplo, el transporte pasivo de fármacos) la fuerza impulsora del transporte pasivo no se puede simplificar al gradiente de concentración. Si hay diferentes soluciones a ambos lados de la membrana con diferente solubilidad de equilibrio del fármaco, la diferencia en el grado de saturación es la fuerza impulsora del transporte pasivo a través de la membrana. [ 6 ] Esto también es cierto para las soluciones sobresaturadas, que son cada vez más importantes debido a la creciente aplicación de dispersiones sólidas amorfas para mejorar la biodisponibilidad de los fármacos .

La difusión simple y la ósmosis son similares en algunos aspectos. La difusión simple es el movimiento pasivo de un soluto desde una concentración alta a una concentración menor hasta que la concentración del soluto se uniformiza y alcanza el equilibrio. La ósmosis es muy parecida a la difusión simple, pero describe específicamente el movimiento del agua (no del soluto) a través de una membrana semipermeable hasta que se iguala la concentración de agua y soluto a ambos lados de la membrana. Tanto la difusión simple como la ósmosis son formas de transporte pasivo y no requieren la energía del ATP celular .

Velocidad de difusión

Para la difusión pasiva, la ley de difusión establece que el desplazamiento cuadrático medio es⟨r2⟩=2dDt{\displaystyle \langle r^{2}\rangle =2dDt}donde d es el número de dimensiones y D el coeficiente de difusión ). Entonces, para difundir una distancia de aproximadamenteincógnita{\displaystyle x}lleva tiempo∼incógnita2/2dD{\displaystyle \sim x^{2}/2dD}y la "velocidad media" es∼2dD/incógnita{\displaystyle \sim 2dD/x}Esto significa que, en un mismo entorno físico, la difusión es rápida cuando la distancia es pequeña, pero menor cuando la distancia es grande.

Esto se puede observar en el transporte de materiales dentro de la célula. Los procariotas suelen tener cuerpos pequeños, lo que permite que la difusión sea suficiente para el transporte de materiales dentro de la célula. Las células más grandes, como las eucariotas, tendrían una tasa metabólica muy baja para compensar la lentitud de la difusión, o bien invertirían en maquinaria celular compleja que permita el transporte activo dentro de la célula, como la kinesina que se desplaza a lo largo de los microtúbulos .

Ejemplo de difusión: intercambio de gases

Un ejemplo biológico de difusión es el intercambio de gases que ocurre durante la respiración en el cuerpo humano. [ 7 ] Al inhalar, el oxígeno llega a los pulmones y se difunde rápidamente a través de la membrana de los alvéolos , ingresando al sistema circulatorio mediante difusión a través de la membrana de los capilares pulmonares. [ 8 ] Simultáneamente, el dióxido de carbono se mueve en dirección opuesta, difundiéndose a través de la membrana de los capilares y entrando en los alvéolos, donde puede ser exhalado. El proceso de entrada de oxígeno a las células y salida de dióxido de carbono se produce debido al gradiente de concentración de estas sustancias, que se desplazan desde sus respectivas áreas de mayor concentración hacia áreas de menor concentración. [ 7 ] [ 8 ] La respiración celular es la causa de la baja concentración de oxígeno y la alta concentración de dióxido de carbono en la sangre, lo que crea el gradiente de concentración. Debido a que los gases son pequeños y no tienen carga, pueden atravesar directamente la membrana celular sin necesidad de proteínas de membrana especiales. [ 9 ] No se requiere energía porque el movimiento de los gases sigue la primera ley de Fick y la segunda ley de la termodinámica .

Difusión facilitada

Representación de la difusión facilitada.

La difusión facilitada, también llamada ósmosis mediada por transportadores, es el movimiento de moléculas a través de la membrana celular mediante proteínas de transporte especiales que están incrustadas en la membrana plasmática, captando o excluyendo activamente iones [14] . Mediante la difusión facilitada, no se requiere energía para que las moléculas atraviesen la membrana celular. [ 1 ] El transporte activo de protones por H + ATPasas [ 10 ] altera el potencial de membrana , permitiendo el transporte pasivo facilitado de iones particulares como el potasio [ 11 ] a favor de su gradiente de carga a través de transportadores y canales de alta afinidad.

Ejemplo de difusión facilitada: GLUT2

Un ejemplo de difusión facilitada es cuando la glucosa se absorbe en las células a través del transportador de glucosa 2 (GLUT2) en el cuerpo humano. [ 12 ] [ 13 ] Hay muchos otros tipos de proteínas transportadoras de glucosa , algunas que sí requieren energía y, por lo tanto, no son ejemplos de transporte pasivo. [ 13 ] Dado que la glucosa es una molécula grande, requiere un canal específico para facilitar su entrada a través de las membranas plasmáticas y en las células. [ 13 ] Cuando se difunde en una célula a través de GLUT2, la fuerza impulsora que mueve la glucosa hacia la célula es el gradiente de concentración. [ 12 ] La principal diferencia entre la difusión simple y la difusión facilitada es que la difusión facilitada requiere una proteína transportadora para "facilitar" o ayudar a la sustancia a través de la membrana. [ 14 ] Después de una comida, la célula recibe una señal para mover GLUT2 hacia las membranas de las células que recubren los intestinos llamadas enterocitos . [ 12 ] Con GLUT2 presente después de una comida y la concentración relativamente alta de glucosa fuera de estas células en comparación con dentro de ellas, el gradiente de concentración impulsa la glucosa a través de la membrana celular a través de GLUT2. [ 12 ] [ 13 ]

Filtración

Filtración.

La filtración es el paso de moléculas de agua y solutos a través de la membrana celular debido a la presión hidrostática generada por el sistema cardiovascular . Dependiendo del tamaño de los poros de la membrana, solo los solutos de un tamaño determinado pueden atravesarla. Por ejemplo, los poros de la cápsula de Bowman en los riñones son muy pequeños, y solo las albúminas , las proteínas más pequeñas, tienen alguna posibilidad de filtrarse. Por otro lado, los poros de la membrana de las células hepáticas son extremadamente grandes, pero cabe recordar que las células son extremadamente pequeñas para permitir el paso y la metabolización de una gran variedad de solutos.

Ósmosis

Efecto de la ósmosis sobre las células sanguíneas en diferentes soluciones.

La ósmosis es el movimiento neto de moléculas de agua a través de una membrana semipermeable desde un área de alto potencial hídrico a un área de bajo potencial hídrico. Una célula con un potencial hídrico menos negativo atraerá agua, pero esto también depende de otros factores como el potencial de soluto (presión dentro de la célula, por ejemplo, moléculas de soluto) y el potencial de presión (presión externa, por ejemplo, la pared celular). Existen tres tipos de soluciones osmóticas: la solución isotónica, la solución hipotónica y la solución hipertónica. Una solución isotónica se da cuando la concentración de soluto extracelular está equilibrada con la concentración dentro de la célula. En la solución isotónica, las moléculas de agua se mueven entre las soluciones, pero las velocidades son las mismas en ambas direcciones, por lo que el movimiento del agua está equilibrado tanto dentro como fuera de la célula. Una solución hipotónica se da cuando la concentración de soluto fuera de la célula es menor que la concentración dentro de la célula. En las soluciones hipotónicas, el agua se mueve hacia el interior de la célula, siguiendo su gradiente de concentración (de mayor a menor concentración de agua). Esto puede provocar que la célula se hinche. Las células que carecen de pared celular, como las células animales, podrían reventar en esta solución. Una solución hipertónica se da cuando la concentración de soluto es mayor (de ahí el prefijo "hiper-", que significa alta) que la concentración dentro de la célula. En una solución hipertónica, el agua sale de la célula, lo que provoca que esta se encoja.

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 "5.2 Transporte pasivo - Biología 2e | OpenStax" . openstax.org . 28 de marzo de 2018. Consultado el 6 de diciembre de 2020 .
  2. 1 2 "5.2A: El papel del transporte pasivo" . Biology LibreTexts . 10 de julio de 2018. Consultado el 6 de diciembre de 2020 .
  3. ↑ "5.3 Transporte activo - Biología 2e | OpenStax" . openstax.org . 28 de marzo de 2018. Consultado el 6 de diciembre de 2020 .
  4. 1 2 Skene, Keith R. (2015). "La vida es un gas: una teoría termodinámica de la evolución biológica" . Entropía . 17 (8): 5522– 5548. Bibcode : 2015Entrp..17.5522S . doi : 10.3390/e17085522 .
  5. ↑ "12.7 Fenómenos de transporte molecular: difusión, ósmosis y procesos relacionados - Física universitaria para cursos AP® | OpenStax" . openstax.org . 12 de agosto de 2015. Consultado el 6 de diciembre de 2020 .
  6. ↑ Borbas, E.; et al. (2016). "Investigación y descripción matemática de la fuerza impulsora real del transporte pasivo de moléculas de fármacos desde soluciones sobresaturadas". Molecular Pharmaceutics . 13 (11): 3816– 3826. doi : 10.1021/acs.molpharmaceut.6b00613 . PMID 27611057 .  
  7. 1 2 Wagner, Peter D. (2015-01-01). "La base fisiológica del intercambio de gases pulmonares: implicaciones para la interpretación clínica de los gases en sangre arterial" . European Respiratory Journal . 45 (1): 227– 243. doi : 10.1183/09031936.00039214 . ISSN 0903-1936 . PMID 25323225 .  
  8. 1 2 "22.4 Intercambio de gases - Anatomía y fisiología | OpenStax" . openstax.org . 25 de abril de 2013. Consultado el 6 de diciembre de 2020 .
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  12. 1 2 3 4 Kellett, George L.; Brot-Laroche, Edith; Mace, Oliver J.; Leturque, Armelle (2008). "Absorción de azúcar en el intestino: el papel de GLUT2". Annual Review of Nutrition . 28 (1): 35– 54. Bibcode : 2008ARNut..28...35K . doi : 10.1146/annurev.nutr.28.061807.155518 . ISSN 0199-9885 . PMID 18393659 .  
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