Difusión Celular

¿Qué es la difusión en una célula?

Mecanismo de difusión

En principio, todas las moléculas tenderán a alcanzar su equilibrio de concentración a través de la membrana celular, es decir, intentarán alcanzar la misma concentración a ambos lados de la membrana celular. Evidentemente, las moléculas no tienen mente propia, así que ¿cómo es posible que acaben moviéndose para eliminar su gradiente?

Fig. 1. Diagrama de difusión simple. Aunque las moléculas de soluto se muevan desde ambos lados, el movimiento neto es desde el lado de alta concentración hacia el lado de baja concentración, por lo que la flecha apunta en esa dirección.

Éste es el principio general de la difusión, pero ¿cómo se aplica a la célula?

Debido a su bicapa lipídica, la membrana celular es una membrana semipermeable. Esto significa que sólo permite que moléculas con determinadas características la atraviesen sin ayuda de proteínas auxiliares.

Fig. 2. Estructura de los fosfolípidos. La bicapa lipídica (es decir, la membrana plasmática) está formada por dos capas de fosfolípidos orientadas en sentidos opuestos: las dos colas hidrófobas están enfrentadas. Esto significa que en el centro de la bicapa lipídica hay una gran sección que no permite el paso de moléculas cargadas.

En concreto, la membrana celular sólo permite que las moléculaspequeñas y sin carga atraviesen libremente la bicapa de fosfolípidos sin ninguna ayuda. Todas las demás moléculas (moléculas grandes, moléculas cargadas) necesitarán la intervención de proteínas para atravesarla. Por ello, una célula puede regular fácilmente el transporte de moléculas a través de una membrana celular regulando el tipo y la cantidad de proteínas auxiliares que tiene en su membrana plasmática. No puede regular tan fácilmente las moléculas que atraviesan la membrana en la que no intervienen proteínas.

Tipos de difusión celular

Dependiendo de si una molécula puede difundirse libremente a través de la membrana celular o si necesita ayuda proteica, clasificamos la difusión celular en dos tipos:

• Difusión simple
• Difusión facilitada

La difusiónsimple es el tipo de difusión en el que no se necesita ayuda proteica para que las moléculas atraviesen la membrana celular. Por ejemplo, las moléculas de oxígeno pueden atravesar la membrana sin proteínas.

La difusiónfacilitada es el tipo de difusión en el que se necesitan proteínas para que la molécula descienda por su gradiente hacia el lado de menor concentración de la membrana. Por ejemplo, todos los iones necesitarán ayuda de las proteínas para atravesar la membrana, porque son moléculas cargadas y serán repelidas por la sección media hidrófoba de la bicapa lipídica.

Hay dos tipos de proteínas que ayudan a la difusión (es decir, que participan en la difusión facilitada): las proteínas de canal y las proteínas transportadoras.

Proteínas de canal para la difusión facilitada

Estas proteínas son proteínas transmembrana, lo que significa que abarcan toda la anchura de la bicapa fosfolipídica. Como su nombre indica, estas proteínas proporcionan un "canal" hidrófilo a través del cual pueden pasar moléculas polares y cargadas, como los iones.

Muchas de estas proteínas de canal son proteínas de canal con compuerta que pueden abrirse o cerrarse. Esto depende de determinados estímulos. Esto permite a las proteínas de canal regular el paso de moléculas. Se enumeran los principales tipos de estímulos:

• Tensión (canales activados por tensión)

• Presión mecánica (canales activados mecánicamente)

• Ligando (canales activados por ligando)

Proteínas transportadoras para la difusión facilitada

Las proteínas transportadoras también son proteínas transmembrana, pero no abren un canal para que pasen las moléculas, sino que experimentan un cambio conformacional reversible en su forma proteica para transportar las moléculas a través de la membrana celular.

A continuación se indica el proceso por el que se produce el cambio conformacional de las proteínas transportadoras:

1. La molécula se une al sitio de unión de la proteína portadora.

2. La proteína portadora sufre un cambio de conformación.

3. La molécula se desplaza de un lado a otro de la membrana celular.

4. La proteína portadora vuelve a su conformación original.

Es importante señalar que las proteínas transportadoras intervienen tanto en el transporte pasivo como en el activo. En el transporte pasivo, no se necesita ATP, ya que la proteína portadora depende del gradiente de concentración. En el transporte activo, se utiliza ATP, ya que la proteína transportadora traslada las moléculas en contra de su gradiente de concentración.

¿Cuál es la diferencia entre ósmosis y difusión?

La ósmosis y la difusión son dos tipos de transporte pasivo, pero sus similitudes acaban ahí. Las tres diferencias más importantes entre difusión y ósmosis son:

• La difusión puede producirse con las moléculas del soluto o del disolvente de una solución (sólida, líquida o gaseosa). La ósmosis, sin embargo, sólo ocurre con eldisolvente líquido .
• Para que se produzca la ósmosis, es necesario que haya una membrana semipermeable que separe dos soluciones. En el caso de la difusión, las moléculas se difunden de forma natural en cualquier solución, independientemente de la presencia o no de una membrana. En el caso de la difusión celular, existe una membrana, pero las moléculas también difunden al mezclar dos bebidas, por ejemplo.
• En la difusión, las moléculas descienden por su gradiente(de la región de alta concentración a la de baja concentración). En la ósmosis, el disolvente se desplaza de una región de alto potencial a otra de menor potencial. Un potencial de agua alto sólo significa que hay más moléculas de agua en una solución en comparación con otra, conectada. Normalmente, esto significa que el agua se desplaza de una región de baja concentración de soluto a otra de alta concentración, es decir, en dirección contraria a la que el soluto se desplazaría por difusión.

Resumamos en una tabla las diferencias entre difusión y ósmosis:

Tabla 1. Diferencias entre difusión y ósmosis

¿Qué factores afectan a la velocidad de difusión?

Ciertos factores afectarán a la velocidad de difusión de las sustancias. A continuación se indican los principales factores que debes conocer:

• Gradiente de concentración

• Distancia

• Temperatura

• Superficie

• Propiedades moleculares

Gradiente de concentración y velocidad de difusión

Se define como la diferencia de concentración de una molécula en dos regiones separadas. Cuanto mayor sea la diferencia de concentración, más rápida será la velocidad de difusión. Esto se debe a que si una región contiene más moléculas en un momento dado, estas moléculas se desplazarán a la otra región más rápidamente.

Distancia y velocidad de difusión

Cuanto menor sea la distancia de difusión, más rápida será la velocidad de difusión. Esto se debe a que sus moléculas no tienen que recorrer tanta distancia para llegar a la otra región.

Temperatura y velocidad de difusión

Recuerda que la difusión se basa en el movimiento aleatorio de las partículas debido a la energía cinética. A mayor temperatura, las moléculas tendrán más energía cinética. Por tanto, a mayor temperatura, mayor velocidad de difusión.

Superficie y velocidad de difusión

Cuanto mayor sea la superficie, más rápida será la velocidad de difusión. Esto se debe a que, en un momento dado, más moléculas pueden difundirse a través de la superficie.

Propiedades moleculares y velocidad de difusión

Las membranas celulares son permeables a las moléculas no polares, pequeñas y sin carga. Esto incluye el oxígeno y la urea. Sin embargo, la membrana celular es impermeable a moléculas polares más grandes y cargadas. Esto incluye la glucosa y los aminoácidos.

Proteínas de membrana y velocidad de difusión

La difusión facilitada depende de la presencia de proteínas de membrana. Algunas membranas celulares tendrán un mayor número de estas proteínas de membrana para aumentar la velocidad de difusión facilitada.

Ejemplos de difusión en biología

Hay numerosos ejemplos de difusión en biología. Desde el intercambio celular de gases hasta procesos mayores como la absorción de nutrientes en el aparato digestivo, todos ellos necesitan del proceso básico de la difusión celular. Algunos tipos de células han desarrollado incluso características especiales para aumentar su superficie de difusión e intercambio osmótico.

Difusión de oxígeno y dióxido de carbono

El oxígeno y el dióxido de carbono se transportan por difusión simple durante el intercambio gaseoso. En los alvéolos de los pulmones hay una mayor concentración de moléculas de oxígeno que en los capilares que irrigan ese mismo órgano. Por tanto, el oxígeno tenderá a fluir desde los alvéolos hacia la sangre.

Mientras tanto, en los capilares hay una mayor concentración de moléculas de dióxido de carbono que en los alvéolos. Debido a este gradiente de concentración, el dióxido de carbono se difundirá hacia los alvéolos y saldrá del cuerpo a través de la respiración normal.

Difusión de la urea

El producto de desecho urea (procedente de la descomposición de los aminoácidos) se fabrica en el hígado, por lo que hay una mayor concentración de urea en las células hepáticas que en la sangre.

La urea es una molécula muy polar, por lo que no puede difundirse por sí sola a través de la membrana celular. La urea se difunde en la sangre mediante difusión facilitada. Esto permite a las células regular el transporte de urea, de modo que no todas las células absorban urea.

Impulsos nerviosos y difusión

Las neuronas transportan impulsos nerviosos a lo largo de su axón. Los impulsos nerviosos no son más que diferencias en el potencial de la membrana celular, o la concentración de iones positivos a cada lado de la membrana. Esto se hace mediante difusión facilitada utilizando proteínas de canal específicas para los iones de sodio (^Na+). Se denominan canales iónicos de sodio dependientes del voltaje, ya que se abren en respuesta a señales eléctricas.

La membrana celular de las neuronas tiene un potencial de membrana de reposo específico (-70 mV) y un estímulo, como la presión mecánica, puede provocar que este potencial de membrana se vuelva menos negativo. Este cambio en el potencial de membrana provoca la apertura de los canales iónicos de sodio activados por voltaje. Los iones de sodio entran entonces en la célula a través de la proteína del canal porque su concentración dentro de la célula es menor que la concentración fuera de la célula. Este proceso se denomina despolarización.

Transporte de glucosa por difusión facilitada

La glucosa es una molécula grande y muy polar, por lo que no puede difundirse por sí sola a través de la bicapa fosfolipídica. El transporte de glucosa en una célula depende de ladifusión facilitada por proteínas transportadoras denominadas proteínas transportadoras de glucosa(GLUT). Ten en cuenta que el transporte de glucosa a través de las GLUT es siempre pasivo, aunque existen otros métodos de transporte de glucosa a través de la membrana que no son pasivos.

Echemos un vistazo a la glucosa que entra en los glóbulos rojos. Hay muchos GLUT distribuidos en la membrana de los glóbulos rojos, ya que estas células dependen totalmente de la glucólisis para fabricar ATP. Hay una mayor concentración de glucosa en la sangre que en el glóbulo rojo. Las GLUT utilizan este gradiente de concentración para transportar la glucosa al interior del glóbulo rojo sin necesidad de ATP.

Adaptaciones para el transporte rápido de glucosa en el íleon

Como ya se ha dicho, algunas células especializadas en absorber o excretar moléculas, como las células de los alvéolos o las del íleon, han desarrollado adaptaciones para mejorar el transporte de sustancias a través de sus membranas.

La difusión facilitada se produce en las células epiteliales del íleon para absorber moléculas como la glucosa. Debido a la importancia de este proceso, las células epiteliales se han adaptado para aumentar la velocidad de difusión.

Fig. 6. Transporte de glucosa en el íleon. Como puedes ver, también hay transportadores pasivos de glucosa en el íleon, pero también hay otro sistema: el cotransportador de sodio/glucosa. Aunque esta proteína transportadora no utiliza directamente ATP para transportar glucosa al interior de la célula, utiliza la energía derivada del transporte de sodio por su gradiente (hacia el interior de la célula). Este gradiente de sodio lo mantiene la bomba Na/K ATPasa, que sí utiliza ATP para exportar sodio e importar potasio a la célula.

Las células epiteliales del íleon contienen microvellosidades que forman el borde en cepillo del íleon. Las microvellosidades son proyecciones en forma de dedo que aumentan la superficie de transporte. También hay una mayor densidad de proteínas transport adoras incrustadas en las células epiteliales. Esto significa que pueden transportarse más moléculas en un momento dado.

El flujo sanguíneo continuo mantiene un gradiente de concentración pronunciado entre el íleon y la sangre. La glucosa pasa a la sangre por difusión facilitada a través de su gradiente de concentración y, debido al flujo sanguíneo continuo, la glucosa se elimina constantemente. Esto aumenta la velocidad de difusión facilitada.

Además, el íleon está revestido por una sola capa de células epiteliales . Esto proporciona una distancia de difusión corta para las moléculas transportadas.

En general, el íleon ha evolucionado para aumentar la difusión de moléculas como la glucosa desde el lumen intestinal hasta la sangre.