El objetivo de este artículo es describir los mecanismos de transporte de sustancias a través de la membrana plasmática. El transporte de sustancias a través de la membrana plasmática es vital para la célula. Ciertas sustancias deben moverse hacia su interior para participar el reacciones metabólicas. Otras que se producen dentro de la célula para su exportación o como productos metabólicos deben ser transportados fuera de ella.
Las sustancias suelen desplazarse a través de la membrana celular mediante procesos que pueden clasificarse como activos o pasivos, según requieran o no energía celular. En los procesos pasivos una sustancia se mueve siguiendo su gradiente de concentración o su gradiente eléctrico y atraviesa la membrana utilizando solo su propia energía cinética.
La célula no transporta energía. En los procesos activos, la energía celular se utiliza para impulsar a la sustancia "cuesta arriba", es decir, en contra de su gradiente de concentración o de su gradiente eléctrico. La energía celular se emplea habitualmente en forma de ATP.
Algunas sustancias simplemente atraviesan la bicapa lipídica o los canales de membrana usando su propia energía cinética (energía de movimiento). La energía cinética es intrínseca de las partículas en movimiento. Algunos procesos que dependen de la energía cinética son la difusión y la ósmosis. Otras sustancias deben unirse a una proteína transportadora específica para atravesar la membrana celular, como en la difusión facilitada y el transporte activo.
Aún más, otras sustancias pasan a través de la membrana celular dentro de sacos esféricos denominados vesículas que se forman a partir de una membrana preexistente. Algunos ejemplos son la endocitosis, en la cual las vesículas se deprenden de la membrana plasmática a medida que transportan sustancias hacia adentro de la célula, y la exocitosis, que es la unión de las vesículas con la membrana plasmática para liberar materiales fuera de la célula. Por lo tanto, las sustancias pueden transponer las membranas plasmáticas utilizando la energía cinética, proteínas de transporte o vesículas.
Para comprender por qué los materiales se difunden a través de la membrana, es preciso conocer primero cómo ocurre el proceso de difusión en una solución. La difusión es un proceso pasivo en el cual se produce la mezcla aleatoria de las partículas de una solución como consecuencia de la energía cinética de éstas.
Tanto los solutos, las sustancias disueltas, como el solvente, el líquido que causa la disolución, experimenta la difusión. Si un soluto en particular está presente en alta concentraciones en otra zona, las moléculas del soluto se difundirán hacia el área de menor concentración, o sea, siguiendo su gradiente de concentración. Al cabo de un tiempo, las partículas se distribuyen de manera uniforme en la solución y se dice que ésta se halla en equilibrio. Las partículas continúan moviéndose al azar gracias a su energía cinética, pero sus concentraciones no varían.
Por ejemplo, cuando se coloca un cristal de colorante en una probeta llena de agua, el color es más intenso en el área más cercana al colorante porque su concentración es mayor en ese punto. A medida que aumenta la distancia, el color desaparece en forma gradual puesto que la concentración del colorante es más baja.
Poco tiempo después, la solución de agua y colorante toma un color uniforme porque las moléculas de colorante y las moléculas de agua difundieron siguiendo sus gradientes de concentración hasta que la mezcla en la solución es homogénea y permanecen en equilibrio.
En este ejemplo simple no participa ninguna membrana. Las sustancias también pueden difundirse a través de una membrana, si ésta es permeable a esas sustancias. Varios factores influyen en el grado de difusión de las distintas sustancias a través de la membrana plasmática:
1. Magnitud del gradiente de concentración. Cuanto mayor sea la diferencia de concentración entre los dos lados de la membrana, mayor será la velocidad de difusión. Durante la difusión de las partículas cargadas, la magnitud del gradiente electroquímico es lo que determina la velocidad de difusión a través de la membrana.
2. Temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, más rápido será el proceso de difusión. Todos los procesos de difusión que tienen lugar en nuestro cuerpo se aceleran en los estados febriles.
3. Masa de la sustancia que está difundiendo. Cuanto mayor sea la masa de las partículas que se difunden, más lenta es la velocidad de difusión. Las moléculas más pequeñas difunden con más rapidez que las moléculas más grandes.
4. Superficie. Cuanto mayor sea la superficie disponible para la difusión, más rápida será la velocidad de ésta. Por ejemplo, los alvéolos pulmonares tiene una extensa superficie disponible para el pasaje del oxígeno del aire a la sangre. En algunas enfermedades pulmonares, como el enfisema, se reduce esa superficie y ello disminuye la velocidad de difusión del oxígeno y dificulta la respiración.
5. Distancia de difusión. Cuanto mayor es la distancia de difusión, más tiempo demora. La difusión a través de la membrana plasmática solo demora un fracción de segundo ya que la membrana es muy delgada. En la neumonía se produce una colección de líquido en los pulmones; este líquido aumenta la distancia de difusión ya que el oxígeno no sólo debe atravesar la membrana, sino también el líquido acumulado para llegar al torrente sanguíneo.
DIFUSIÓN A TRAVÉS DE LA BICAPA LIPÍDICA. Las moléculas no polares, hidrófobas, se difunden libremente a través de la bicapa lipídica de la membrana plasmática de las células sin la ayuda de las proteínas transportadoras de membrana. Entre estas moléculas se halla el oxígeno, el dióxido de carbono y el nitrógeno; los ácidos grasos, los esteroides y las vitaminas liposolubles (A, D, E y K), los alcoholes de molécula pequeña y el amoníaco.
Como ya se explicó, hay dos moléculas polares pequeñas, el agua y la urea, que no tienen carga y pueden difundirse a través de la bicapa lipídica. La difusión a través de la bicapa lipídica es importante en el movimiento de oxígeno y dióxido de carbono entre la sangre y las células del organismo y entre la respiración. También es una vía para la absorción de algunos nutrientes y la excreción de ciertos desechos por las células del organismo.
DIFUSIÓN A TRAVÉS DE LOS CANALES IÓNICOS DE MEMBRANA. LA mayor parte de los canales de membrana son canales iónicos, proteínas integrales transmembrana que permiten el paso de iones inorgánicos pequeños demasiado hidrófilos para poder atravesar el interior no polar de la bicapa lipídica. Cada ion se difunde a través de la membrana sólo en algunos sitios. En las membranas plasmáticas típicas, los canales iónicos, más numerosos son selectivos para el K+ (iones potasio) o para el Cl- (iones sodio) o para el Ca++ (iones calcio).
La velocidad de difusión a través de los canales iónicos suele ser más lenta que la difusión libre a través de la bicapa lipídica ya que los canales ocupan una fracción más pequeña de la superficie total de la membrana que los lípidos. Sin embargo, la difusión a través de los canales es un proceso muy rápido: más de un millón de iones de potasio pueden fluir a través de un canal de K+ en un segundo.
Se dice que el canal tiene "compuerta" cuando una parte de la proteína del canal actúa como un tapón y el poro cambia de la posición de "abierto" a la de "cerrado". Algunos canales con compuerta alternan al azar entre el estado de abierto y de cerrado; otros están regulados por cambios eléctricos o químicos dentro o fuera de la célula. Cuando las compuertas de una canal están abiertas, los iones se difunden hacia adentro o hacia afuera de las células siguiendo su gradiente electroquímico. Las membranas plasmáticas de los diferentes tipos celulares pueden tener un número variable de canales iónicos y, de esta forma, mostrar distinta permeabilidad a los diversos iones.
La ósmosis es el paso de un solvente a través de una membrana con permeabilidad selectiva. Al igual que la difusión, es un proceso pasivo. En los sistemas vivientes, el solvente es el agua, que se desplaza por ósmosis a traavés de las membranas plasmáticas desde una zona de mayor concentración de agua hacia otra de meno concentración. Otra forma de expresar esta idea es considerar la concentración del soluto: en la ósmosis, el agua pasa a través de na membrana selectivamente permeable desde un área de menor concentración de soluto hacia una región de mayor concentración de soluto. Durante la ósmosis, las moléculas de de agua atraviesan la membrana plasmática de dos maneras: 1) moviéndose a través de la bicapa lipídica y 2) moviéndose a través de acuaporinas, proteínas integrales de membrana que funcionan como canales de agua.
La ósmosis solo se produce cuando una membrana es permeable al agua pero no lo es a ciertos solutos. Un simple experimento permite demostrar el proceso de ósmosis. Piense en un tubo en forma de U en el cual una membrana selectiva con permeabilidad separa las ramas derecha e izquierda y el mismo volumen de una solución que contenga un soluto no difusivo a través de la membrana en la rama derecha.
Como la concentración de agua es mayor en la rama izquierda, el movimiento de las moléculas de agua (ósmosis) se llevará a cabo desde la izquierda hacia la derecha, por lo cual el agua se mueve siguiendo su gradiente de concentración. Al mismo tiempo, la membrana impide la difusión del soluto del lado derecho al lado izquierdo. Como resultado, el volumen de agua en la rama disminuye y el volumen de solución aumenta en la rama derecha.
Se podría suponer que la ósmosis continuará hasta que no quede agua en el lado izquierdo, pero no es lo que ocurre. En este experimento, cuanto más asciende la columna de solución en el lado derecho, mayor es la presión que ejerce sobre su lado de la membrana. La presión que ejerce el líquido, conocida como presión hidrostática, fuerza a las moléculas de agua a desplazarse nuevamente hacia la rama izquierda. El equilibrio se alcanza cuando el número de moléculas de agua que se mueven de derecha a izquierda como consecuencia de la presión hidrostática es igual al número de moléculas que se desplazan de izquierda a derecha como consecuencia de la ósmosis.
Para mayor complicación aun, la solución con el soluto impermeable también ejerce una fuerza, llamada presión osmótica. La presión osmótica de una solución es proporcional a la concentración de partículas de soluto que no pueden atravesar la membrana: cuanto mayor es la concentración del soluto, mayor es la presión osmótica de la solución. Qué ocurriría si con un pistón se aplicase más presión al líquido en la rama derecha del tubo de la siguiente imagen.
Con suficiente presión, el volumen del líquido en cada rama podría retornar a su valor inicial, y la concentración de soluto en la rama derecha sería la misma que al comienzo del experimento. La presión necesaria para restaurar las condiciones iniciales es igual a la presión osmótica. De tal forma, en el experimento la presión osmótica es la presión necesaria para detener el desplazamiento de agua del tubo izquierdo al tubo derecho. Se puede observar que la presión osmótica de una solución no produce el movimiento de agua durante la ósmosis. Al contrario, esta presión es la que impediría el movimiento de agua.
Normalmente, la presión osmótica del citisol es igual a la presión osmótica del líquido intersticial que rodea a las células. Como la presión osmótica a ambos lados de la membrana plasmática (que es selectivamente permeable) es la misma), el volumen celular permanece relativamente constante. Sin embargo, cuando se colocan células del organismo en una solución que tiene diferente presión osmótica que la del citosol, se modifican tanto la forma como el volumen celulares. A medida que el agua se mueve por ósmosis hacia el interior o el exterior de las células, su volumen aumente o disminuye. La tonicidad de una solución es una medida de la capacidad de esa solución para modificar el volumen de las células mediante la alteración de su contenido de agua.
Los solutos que son denominados polares o demasiado cargados para poder difundir a través de la bicapa lipídica y son demasiado grandes para difundir a través de los canales de membrana, pueden atravesar la membrana plasmática por medio de la difusión facilitada. En este proceso, un soluto se une a un transportador específico ubicado a un lado de la membrana y es luego liberado al otro lado de la membrana después de que el transportador sufre cambios morfológicos.
De la misma forma que la difusión, la difusión facilitada es un proceso pasivo. El resultado neto de la difusión facilitada es el movimiento de una sustancia que sigue su gradiente de concentración. El soluto se une con más frecuencia a un transportador ubicado en el lado de la membrana que enfrenta una mayor concentración de soluto. Una vez que la concentración es igual a ambos lados de la membrana, las moléculas de soluto se unen con igual velocidad al transportador del lado citosólico, moviéndose hacia afuera y al transportador del lado del líquido extracelular, moviéndose hacia el citosol. La velocidad de difusión facilitada (cuán rápido ésta ocurre) está determinada por el gradiente de concentración a través de la membrana.
El número de transportadores disponibles en la membrana plasmática posee un límite máximo, denominado transporte máximo, que determina la velocidad máxima a la que la difusión puede ocurrir. Una vez que todos los transportadores están ocupados, se alcanza el transporte máximo, y un aumento aun mayor en el gradiente de concentración no aumenta la velocidad de difusión facilitada. Es por esto, y en forma análoga a lo que ocurre con una esponja que no puede absorber más agua, que se dice que el proceso de difusión facilitada presenta saturabilidad.
La permeabilidad selectiva de la membrana plasmática es pasible de regulación de forma que pueda alcanzar la homeostasis. La hormona insulina, por ejemplo, a través de la acción de su receptor, promueve la inserción de muchas copias de un tipo específico de transportador de glucosa dentro de las membranas plasmáticas de ciertas células. De esta forma, el efecto generado por la insulina es el aumento del transporte máximo para la difusión facilitada de glucosa hacia adentro de las células. Con más transportadores disponibles, las células del organismo pueden captar más glucosa desde el torrente sanguíneo y con mayor rapidez. En la diabetes mellitus existe una incapacidad para producir o utilizar la insulina.
Algunos solutos polares o cargados que deben ingresar o salir de las células del organismo no pueden cruzar la membrana plasmática a través de ninguno de los mecanismos de transporte pasivos citados, ya que necesitan moverse "cuesta arriba", es decir, en "contra" de sus gradientes de concentración. Estos solutos pueden transponer la membrana mediante el proceso llamado transporte activo.Éste se considera un proceso activo porque se requiere energía para que las proteínas transportadoras puedan mover los solutos a través de la membrana y en contra de sus gradientes de concentración.
Existen dos fuentes de energía celular que se utilizan para realizar el transporte activo: 1) en el transporte activo primario la energía se obtiene por hidrólisis del ATP; 2) la energía que permanece almacenada en gradientes de concentración iónicos es la fuente de energía en los procesos de transporte activo secundario. Como en la difusión facilitada, los procesos de transporte activo tienen un transporte máximo y muestran saturación. Entre los solutos que atraviesan la membrana plasmática por transporte activo se hallan diferentes iones, como Na+, K+, H+, Ca++, I- (ion yoduro) y Cl-, y algunos aminoácidos y monosacáridos (debe destacarse que algunas sustancias también atraviesan la membrana por canales o por difusión facilitada cuando está presente la proteína de canal o transportadora adecuada.
TRANSPORTE ACTIVO PRIMARIO. En el transporte activo primario, la energía que deriva de la hidrólisis del ATP modifica la forma de la proteína transportadora, que "bombea" una sustancia a través de la membrana plasmátiva y en contra de su gradiente de concentración. Por ello, las proteínas transportadoras que llevan a cabo el transporte activo primario a menudo se denominan bombas. Una célula típica del organismo gasta alrededor del 40% del ATP que genera en el transporte activo primario. Las sustancias químicas que detienen la producción de ATP, por ejemplo el cianuro, son letales ya que suprimen el transporte activo en todas las células del organismo.
El mecanismo de transporte activo primario más importante es el que produce la salida de iones sodio (Na+) de las células y lleva hacia su interior iones de potasio (K+). Como transporta iones específicos, se denomina bomba sodio-potasio. Ya que una parte de la bomba sodio-potasio actúa como una ATPasa, recibe el nombre de N+/K+ ATPasa. Todas las células tienen miles de bombas de sodio-potasio en sus membranas plasmáticas. Estas bombas mantienen una concentración baja de Na+ en el citosol, ya que lo bombean hacia el líquido extracelular en contra del gradiente de concentración. Al mismo tiempo, las bombas impulsan el K+ hacia dentro de las células, también en contra de su gradiente de concentración. Puesto que tanto el Na+ como el K+ fluyen lentamente a través de la membrana plasmática siguiendo sus respectivos gradientes electroquímicos, por medio del transporte pasivo o del transporte activo secundario, las bombas de sodio-potasio deben estar siempre activas para mantener una concentración baja de Na+ y una concentración alta de K+ en el citosol.
En la siguiente imagen se ilustra el mecanismo de acción de la bomba de sodio-potasio:
1. Tres iones Na+ presentes en el citosol se unen a la proteínas de la bomba.
2. La unión del Na+ desencadena la hidrólisis del ATP en ADP, reacción por medio de la cual también se agrega un grupo fosfato a la proteína de la bomba. Esta reacción química genera un cambio conformaciones en la proteína, por elc ual libera los tres iones Na+ en el líquido extracelular. La forma de la proteína favorece entonces la unión de dos iones K+ del líquido extracelular.
3. La unión de los iones K+ lleva a la liberación del grupo fosfato de la proteína de la bomba. Esta reacción, nuevamente, modifica la forma de la proteína.
4. A medida que la proteína de la bomba recupera su forma original, libera el K+ dentro de citosol. En este punto, la bomba está preparada otra vez para unir tres iones Na+, y repetir el ciclo.
Las diferencias en las concentraciones de Na+ y K+ en el citosol y el líquido extracelular son cruciales para mantener el volumen celular normal y la capacidad de muchas células de generar señales eléctricas como potenciales de acción. Hay que recordar que la tonicidad de una solución es proporcional a la concentración de partículas de soluto disueltas que no pueden atravesar la membrana. Como los iones de sodio que se difunden dentro de la célula o que ingresan por medio del transporte activo secundario son inmediatamente bombeados hacia afuera, es como si nunca hubieran entrado. En efecto, los iones de sodio se comportan como si no pudiesen atravesar la membrana y, por lo tanto, contribuyen en una buena medida a la tonicidad del líquido extracelular. Una condición similar se aplica a los iones K+ presentes en el citosol. Ayudando a mantener la tonicidad normal a cada lado de la membrana plasmática, las bombas de sodio-potasio aseguran que las células no modificarán su volumen como consecuencia del movimiento de agua por ósmosis, hacia dentro o hacia afuera.
TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO. En el transporte activo secundario, la energía acumulada en los gradientes de concentración del Na+ y el H+ se utiliza para dirigir a otra sustancia a través de la membrana y en contra de su gradiente de concentración. Como el gradiente de Na+ o de H+ se establece sobre todo por el transporte activo primario, el transporte activo secundario utiliza directamente la energía obtenida de la hidrólisis del ATP.
La bomba de sodio-potasio mantiene el gradiente de concentración de Na+ a través de la membrana. Como resultado, los iones sodio tienen un reserva de energía o energía potencial, como el agua retenida detrás de una represa. De acuerdo con ello, si hay una vía para que el Na+ pueda ingresar nuevamente en la célula, algo de esa energía acumulada podrá convertirse en energía cinética (energía de movimiento) y usarse para transportar otras sustancias en contra de su gradientes de concentración. En esencia, el transporte activo secundario utiliza la energía acumulada en el gradiente de concentración del Na+ y le suministra a este in una vía par que pueda ingresar en la célula. En el transporte activo secundario, una proteína transportadora se une en forma simultánea al Na+ y a otra sustancia y luego sufre un cambio morfológico haciendo que ambas sustancias atraviesen la membrana al mismo tiempo. Si estos transportadores mueven dos sustancias en la misma dirección, se denominan contransportadores o simportadores: los contratransportadores, antiportadores o intercambiadores, al contrario, mueven dos sustancias a través de la membrana pero en direcciones opuestas.
La membrana plasmática contiene varios intercambiadores y contransportadores que obtienen energía del gradiente del Na+. Por ejemplo, la concentración de los iones calcio (Ca++) es baja en el citosol porque los intercambiadores de Na+/Ca++ expulsan los iones de calcio. De manera similar, los intercambiadores de Na+/H+ ayudan a regular el pH del citosol (la concentración de H+ en el citosol) eliminado el exceso de H+. En contraste, la glucosa de la dieta y los aminoácidos son absorbidos por las células que revisten el intestino delgado mediante contrasnportadores de Na+/glucosa y de Na+/aminoácidos, respectivamente. En cada caso, los iones sodio se desplazan a favor de su gradiente de concentración mientras que los otros solutos lo hacen "cuesta arriba", en contra de sus gradientes de concentración. Se debe tener en cuenta que todos los simportadores y antiportadores pueden realizar su actividad porque las bombas de sodio-potasio mantienen una concentración baja de Na+ en el citosol.
Una vesícula es un saco esférico pequeño. Una variedad de sustancias se transportan en vesículas también importan sustancias desde el líquido extracelular o los liberan en éste. Durante la endocitosis las sustancias pasan hacia la célula en una vesícula formada por la membrana plasmática. En la exocitosis las sustancias salen por la fusión de la membrana plasmática con vesículas formadas dentro de la célula. Tanto la endocitosis como la exocitosis requieren energía provista por el ATP. De esta forma, el transporte en vesículas es un proceso activo.
Se considerarán tres tipos de endocitosis: endocitosis mediada por receptores, fagocitosis y pinocitosis. La endocitosis mediada por receptores es un tipo de endocitosis muy selectivo por medio del cual las células captan un ligando específico (los ligandos son moléculas que se unen a receptores específicos). Una vesícula se forma después de que la proteína receptora presente en la membrana plasmática reconoce y se une a una partículas específica del líquido extracelular. Por ejemplo, las células captan las lipoproteínas de baja densidad que contienen el colesterol (LDL), la transferrina (una proteína plasmática que transporta hierro), algunas vitaminas, anticuerpos y ciertas hormonas por medio de la endocitosis mediada por receptores. La endocitosis mediada por receptores de las LDL (y también de otros ligandos) se produce de la siguiente manera:
1. Unión En el lado extracelular de la membrana plasmática, una partícula de LDL que contiene colesterol se une a un receptor específico y forman un complejo receptor-LDL. Los receptores son proteínas integrales de membrana que se concentran en ciertas regiones de la membrana denominadas poros cubiertos de clatrina. En ellas, una proteína denominada clatrina se une a la membrana en su lado citoplasmático. Muchas moléculas de clatrina se reúnen y forman una estructura que envuelve los complejos receptor-LDL, lo que produce una invaginación de la membrana (la membrana se pliega hacia adentro).
2. Formación de las vesículas. Los bordes invaginados de la membrana alrededor de los poros cubiertos de clatrina se fusionan y una pequeña pieza se desprende de la membrana. La vesícula resultante, conocida como vesícula cubierta de clatrina, contiene los complejos receptor-LDL.
3. Pérdida de la cubierta. Casi inmediatamente después de haberse formado, la vesícula pierde su cubierta de clatrina y se convierte en una vesícula sin cubierta. Las moléculas de clatrina pueden retornar a la superficie interna de la membrana plasmática o bien contribuyen a la formación de cubiertas de otras vesículas en el interior de la célula.
4. Fusión con el endosoma. La vesícula sin cubierta rápidamente se fusiona con una vesícula conocida como endosoma. Dentro del endosoma, las partículas de LDL se separan de sus receptores.
5. Reciclado de los receptores hacia la membrana plasmática. La mayor parte de los receptores se acumulan en protrusiones alargadas de los endosomas. Estas protrusiones se desprenden y forman vesículas de transporte que devuelven los receptores a la membrana plasmática. Un receptor de LDL vuelve a la membrana plasmática casi 10 minutos después de haber ingresado en la célula.
6. Degradación en los lisosomas. Otras vesículas de transporte, que también contienen partículas de LDL, se desprenden del endosoma y se fusionan rápidamente con un lisosoma. Los lisosomas contienen muchas enzimas digestivas. Ciertas enzimas hidrolizan las proteínas grandes y las moléculas lipídicas de las partículas de LDL y las transforman en aminoácidos, ácidos grasos y colesterol. Estas moléculas más pequeñas abandonan luego el lisosoma. La célula utiliza el colesterol para reconstruir sus membranas y para la síntesis de esteroides, como los estrógenos. Los ácidos grasos y los aminoácidos pueden utilizarse para la producción de ATP o para elaborar otras moléculas requeridas por la célula.
La fagocitosis es una forma de endocitosis en la cual la célula rodea a una partícula sólida, por ejemplo, células muertas, bacterias enteras o virus. Sólo algunas células del organismo, los denominados fagocitos, tienen la capacidad de llevar a cabo la fagocitosis. Dos tipos básicos de fagocitos son los macrófagos, presentes en muchos tejidos del cuerpo, y los neutrófilos, otro tipo de glóbulo blanco. La fagocitosis comienza cuando la partícula se une a un receptor de la membrana plasmática del fagocito y hace que éste despliegue sus seudópodos, proyecciones de su membrana plasmátiva y su citoplasma. Los seudópodos rodean a la partícula que esta fuera de la célula, y las membranas se fusionan para formar una vesícula denominada fagosoma, que ingresa en el citoplasma. Los fagosomas se fusionan con uno o más lisosomas, y las enzimas lisosómicas hidrolozan el material ingerido.
En la mayoría de los casos cualquier material que no pudiese ser digerido permanecerá en forma indefinida en una vesícula denominada cuerpo residual. El proceso de fagocitosis es un mecanismo de defensa vital que ayuda a protefger al organismo de las enfermedades. Por medio de la fagocitosis, los macrófagos pueden eliminar diariamente a los microorganismos invasores y a miles de millones de glóbulos rojos envejecidos; los neutrófilos también cooperan en la labor de eliminar a los microorganismos invasores. El pus es una mezcla de neutrófilos muertos, macrófagos, células y líquido presente en una herida infectada.
La mayoría de las células llevan a cabo una forma de endocitosis denominado pinocitosis, en la cual la célula captura gotitas de líquido extracelular. No participan proteínas receptoras en este proceso; todos los solutos disueltos en el líquido extracelular son capturados y llevados al interior de la célula. Durante la pinocitosis, la membrana plasmática se pliega hacia dentro y forma vesículas que contienen una gota de líquido extracelular. La vesícula se desprende de la membrana plasmática e ingresa en el citosol. Dentro de la célula, la vesícula se fusiona con un lisosoma, donde las enzimas degradan los solutos. Las moléculas resultantes más pequeñas, como aminoácidos y ácidos grasos, abandona el lisosoma y son utilizadas en algún otros sitio de la célula. La pinocitosis se produce en la mayoría de las células, especialmente en las células de absorción del intestino y los riñones.
A diferencia de la endocitosis, que lleva el material dentro de la célula, la exocitosis libera sustancias fuera de la célula. Todas las células realizan exocitosis, pero este proceso es importante sobre todo en dos tipos celulares: 1) las células excretoras que liberan enzimas digestivas, hormonas, moco u otra secreciones; 2) las células nerviosas que liberan sustancias denominadas neurotransmisores. En algunos casos, los desechos también se liberan por exocitosis. Durante este proceso, se forman dentro de la célula vesículas rodeadas de membrana, denominadas vesículas secretoras, que luego se fusionan con la membrana plasmática y liberan su contenido al líquido extracelular.
Los segmentos de la membrana plasmática que se pierden por la endocitosis se recuperan o reciclan por exocitosis. El equilibrio entre la endocitosis y la exocitosis hace que la superficie de la membrana celular se mantenga relativamente constante. El intercambio de membrana es muy importante en algunas células. En el páncreas, por ejemplo, las células que secretan enzimas digestivas pueden reciclar una cantidad de membrana plasmática igual a la superficie total de la célula en 90 minutos.
El transporte en vesículas también sirve para mover una sustancia dentro y fuera de la célula sucesivamente. En estos procesos activos, denominados transcitosis, las vesículas son endocitadas en uno de los polos celulares, atraviesan la célula y luego son exocitadas por el polo opuesto. A medida que las vesículas se fusionan con la membrana plasmática, se libera el contenido vesicular al líquido extracelular. La transcitosis se produce más a menudo en las células endoteliales que revisten los vasos sanguíneos y es un medio utilizado para movilizar materiales entre el plasma y el líquido intersticial. Por ejemplo, cuando una mujer está embarazada, algunos de sus anticuerpos atraviesan la placenta y pasan a la circulación fetal mediante el proveso de transcitosis.
Las sustancias suelen desplazarse a través de la membrana celular mediante procesos que pueden clasificarse como activos o pasivos, según requieran o no energía celular. En los procesos pasivos una sustancia se mueve siguiendo su gradiente de concentración o su gradiente eléctrico y atraviesa la membrana utilizando solo su propia energía cinética.
La célula no transporta energía. En los procesos activos, la energía celular se utiliza para impulsar a la sustancia "cuesta arriba", es decir, en contra de su gradiente de concentración o de su gradiente eléctrico. La energía celular se emplea habitualmente en forma de ATP.
Algunas sustancias simplemente atraviesan la bicapa lipídica o los canales de membrana usando su propia energía cinética (energía de movimiento). La energía cinética es intrínseca de las partículas en movimiento. Algunos procesos que dependen de la energía cinética son la difusión y la ósmosis. Otras sustancias deben unirse a una proteína transportadora específica para atravesar la membrana celular, como en la difusión facilitada y el transporte activo.
Aún más, otras sustancias pasan a través de la membrana celular dentro de sacos esféricos denominados vesículas que se forman a partir de una membrana preexistente. Algunos ejemplos son la endocitosis, en la cual las vesículas se deprenden de la membrana plasmática a medida que transportan sustancias hacia adentro de la célula, y la exocitosis, que es la unión de las vesículas con la membrana plasmática para liberar materiales fuera de la célula. Por lo tanto, las sustancias pueden transponer las membranas plasmáticas utilizando la energía cinética, proteínas de transporte o vesículas.
Energía cinética de transporte a través dela membrana plasmática
Difusión
Para comprender por qué los materiales se difunden a través de la membrana, es preciso conocer primero cómo ocurre el proceso de difusión en una solución. La difusión es un proceso pasivo en el cual se produce la mezcla aleatoria de las partículas de una solución como consecuencia de la energía cinética de éstas.
Tanto los solutos, las sustancias disueltas, como el solvente, el líquido que causa la disolución, experimenta la difusión. Si un soluto en particular está presente en alta concentraciones en otra zona, las moléculas del soluto se difundirán hacia el área de menor concentración, o sea, siguiendo su gradiente de concentración. Al cabo de un tiempo, las partículas se distribuyen de manera uniforme en la solución y se dice que ésta se halla en equilibrio. Las partículas continúan moviéndose al azar gracias a su energía cinética, pero sus concentraciones no varían.
Por ejemplo, cuando se coloca un cristal de colorante en una probeta llena de agua, el color es más intenso en el área más cercana al colorante porque su concentración es mayor en ese punto. A medida que aumenta la distancia, el color desaparece en forma gradual puesto que la concentración del colorante es más baja.
Poco tiempo después, la solución de agua y colorante toma un color uniforme porque las moléculas de colorante y las moléculas de agua difundieron siguiendo sus gradientes de concentración hasta que la mezcla en la solución es homogénea y permanecen en equilibrio.
En este ejemplo simple no participa ninguna membrana. Las sustancias también pueden difundirse a través de una membrana, si ésta es permeable a esas sustancias. Varios factores influyen en el grado de difusión de las distintas sustancias a través de la membrana plasmática:
1. Magnitud del gradiente de concentración. Cuanto mayor sea la diferencia de concentración entre los dos lados de la membrana, mayor será la velocidad de difusión. Durante la difusión de las partículas cargadas, la magnitud del gradiente electroquímico es lo que determina la velocidad de difusión a través de la membrana.
2. Temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, más rápido será el proceso de difusión. Todos los procesos de difusión que tienen lugar en nuestro cuerpo se aceleran en los estados febriles.
3. Masa de la sustancia que está difundiendo. Cuanto mayor sea la masa de las partículas que se difunden, más lenta es la velocidad de difusión. Las moléculas más pequeñas difunden con más rapidez que las moléculas más grandes.
4. Superficie. Cuanto mayor sea la superficie disponible para la difusión, más rápida será la velocidad de ésta. Por ejemplo, los alvéolos pulmonares tiene una extensa superficie disponible para el pasaje del oxígeno del aire a la sangre. En algunas enfermedades pulmonares, como el enfisema, se reduce esa superficie y ello disminuye la velocidad de difusión del oxígeno y dificulta la respiración.
5. Distancia de difusión. Cuanto mayor es la distancia de difusión, más tiempo demora. La difusión a través de la membrana plasmática solo demora un fracción de segundo ya que la membrana es muy delgada. En la neumonía se produce una colección de líquido en los pulmones; este líquido aumenta la distancia de difusión ya que el oxígeno no sólo debe atravesar la membrana, sino también el líquido acumulado para llegar al torrente sanguíneo.
DIFUSIÓN A TRAVÉS DE LA BICAPA LIPÍDICA. Las moléculas no polares, hidrófobas, se difunden libremente a través de la bicapa lipídica de la membrana plasmática de las células sin la ayuda de las proteínas transportadoras de membrana. Entre estas moléculas se halla el oxígeno, el dióxido de carbono y el nitrógeno; los ácidos grasos, los esteroides y las vitaminas liposolubles (A, D, E y K), los alcoholes de molécula pequeña y el amoníaco.
Como ya se explicó, hay dos moléculas polares pequeñas, el agua y la urea, que no tienen carga y pueden difundirse a través de la bicapa lipídica. La difusión a través de la bicapa lipídica es importante en el movimiento de oxígeno y dióxido de carbono entre la sangre y las células del organismo y entre la respiración. También es una vía para la absorción de algunos nutrientes y la excreción de ciertos desechos por las células del organismo.
DIFUSIÓN A TRAVÉS DE LOS CANALES IÓNICOS DE MEMBRANA. LA mayor parte de los canales de membrana son canales iónicos, proteínas integrales transmembrana que permiten el paso de iones inorgánicos pequeños demasiado hidrófilos para poder atravesar el interior no polar de la bicapa lipídica. Cada ion se difunde a través de la membrana sólo en algunos sitios. En las membranas plasmáticas típicas, los canales iónicos, más numerosos son selectivos para el K+ (iones potasio) o para el Cl- (iones sodio) o para el Ca++ (iones calcio).
La velocidad de difusión a través de los canales iónicos suele ser más lenta que la difusión libre a través de la bicapa lipídica ya que los canales ocupan una fracción más pequeña de la superficie total de la membrana que los lípidos. Sin embargo, la difusión a través de los canales es un proceso muy rápido: más de un millón de iones de potasio pueden fluir a través de un canal de K+ en un segundo.
Se dice que el canal tiene "compuerta" cuando una parte de la proteína del canal actúa como un tapón y el poro cambia de la posición de "abierto" a la de "cerrado". Algunos canales con compuerta alternan al azar entre el estado de abierto y de cerrado; otros están regulados por cambios eléctricos o químicos dentro o fuera de la célula. Cuando las compuertas de una canal están abiertas, los iones se difunden hacia adentro o hacia afuera de las células siguiendo su gradiente electroquímico. Las membranas plasmáticas de los diferentes tipos celulares pueden tener un número variable de canales iónicos y, de esta forma, mostrar distinta permeabilidad a los diversos iones.
Ósmosis
La ósmosis es el paso de un solvente a través de una membrana con permeabilidad selectiva. Al igual que la difusión, es un proceso pasivo. En los sistemas vivientes, el solvente es el agua, que se desplaza por ósmosis a traavés de las membranas plasmáticas desde una zona de mayor concentración de agua hacia otra de meno concentración. Otra forma de expresar esta idea es considerar la concentración del soluto: en la ósmosis, el agua pasa a través de na membrana selectivamente permeable desde un área de menor concentración de soluto hacia una región de mayor concentración de soluto. Durante la ósmosis, las moléculas de de agua atraviesan la membrana plasmática de dos maneras: 1) moviéndose a través de la bicapa lipídica y 2) moviéndose a través de acuaporinas, proteínas integrales de membrana que funcionan como canales de agua.
La ósmosis solo se produce cuando una membrana es permeable al agua pero no lo es a ciertos solutos. Un simple experimento permite demostrar el proceso de ósmosis. Piense en un tubo en forma de U en el cual una membrana selectiva con permeabilidad separa las ramas derecha e izquierda y el mismo volumen de una solución que contenga un soluto no difusivo a través de la membrana en la rama derecha.
Como la concentración de agua es mayor en la rama izquierda, el movimiento de las moléculas de agua (ósmosis) se llevará a cabo desde la izquierda hacia la derecha, por lo cual el agua se mueve siguiendo su gradiente de concentración. Al mismo tiempo, la membrana impide la difusión del soluto del lado derecho al lado izquierdo. Como resultado, el volumen de agua en la rama disminuye y el volumen de solución aumenta en la rama derecha.
Se podría suponer que la ósmosis continuará hasta que no quede agua en el lado izquierdo, pero no es lo que ocurre. En este experimento, cuanto más asciende la columna de solución en el lado derecho, mayor es la presión que ejerce sobre su lado de la membrana. La presión que ejerce el líquido, conocida como presión hidrostática, fuerza a las moléculas de agua a desplazarse nuevamente hacia la rama izquierda. El equilibrio se alcanza cuando el número de moléculas de agua que se mueven de derecha a izquierda como consecuencia de la presión hidrostática es igual al número de moléculas que se desplazan de izquierda a derecha como consecuencia de la ósmosis.
Para mayor complicación aun, la solución con el soluto impermeable también ejerce una fuerza, llamada presión osmótica. La presión osmótica de una solución es proporcional a la concentración de partículas de soluto que no pueden atravesar la membrana: cuanto mayor es la concentración del soluto, mayor es la presión osmótica de la solución. Qué ocurriría si con un pistón se aplicase más presión al líquido en la rama derecha del tubo de la siguiente imagen.
Con suficiente presión, el volumen del líquido en cada rama podría retornar a su valor inicial, y la concentración de soluto en la rama derecha sería la misma que al comienzo del experimento. La presión necesaria para restaurar las condiciones iniciales es igual a la presión osmótica. De tal forma, en el experimento la presión osmótica es la presión necesaria para detener el desplazamiento de agua del tubo izquierdo al tubo derecho. Se puede observar que la presión osmótica de una solución no produce el movimiento de agua durante la ósmosis. Al contrario, esta presión es la que impediría el movimiento de agua.
Normalmente, la presión osmótica del citisol es igual a la presión osmótica del líquido intersticial que rodea a las células. Como la presión osmótica a ambos lados de la membrana plasmática (que es selectivamente permeable) es la misma), el volumen celular permanece relativamente constante. Sin embargo, cuando se colocan células del organismo en una solución que tiene diferente presión osmótica que la del citosol, se modifican tanto la forma como el volumen celulares. A medida que el agua se mueve por ósmosis hacia el interior o el exterior de las células, su volumen aumente o disminuye. La tonicidad de una solución es una medida de la capacidad de esa solución para modificar el volumen de las células mediante la alteración de su contenido de agua.
Transporte por medio de proteínas transportadoras
Difusión facilitada
Los solutos que son denominados polares o demasiado cargados para poder difundir a través de la bicapa lipídica y son demasiado grandes para difundir a través de los canales de membrana, pueden atravesar la membrana plasmática por medio de la difusión facilitada. En este proceso, un soluto se une a un transportador específico ubicado a un lado de la membrana y es luego liberado al otro lado de la membrana después de que el transportador sufre cambios morfológicos.
De la misma forma que la difusión, la difusión facilitada es un proceso pasivo. El resultado neto de la difusión facilitada es el movimiento de una sustancia que sigue su gradiente de concentración. El soluto se une con más frecuencia a un transportador ubicado en el lado de la membrana que enfrenta una mayor concentración de soluto. Una vez que la concentración es igual a ambos lados de la membrana, las moléculas de soluto se unen con igual velocidad al transportador del lado citosólico, moviéndose hacia afuera y al transportador del lado del líquido extracelular, moviéndose hacia el citosol. La velocidad de difusión facilitada (cuán rápido ésta ocurre) está determinada por el gradiente de concentración a través de la membrana.
El número de transportadores disponibles en la membrana plasmática posee un límite máximo, denominado transporte máximo, que determina la velocidad máxima a la que la difusión puede ocurrir. Una vez que todos los transportadores están ocupados, se alcanza el transporte máximo, y un aumento aun mayor en el gradiente de concentración no aumenta la velocidad de difusión facilitada. Es por esto, y en forma análoga a lo que ocurre con una esponja que no puede absorber más agua, que se dice que el proceso de difusión facilitada presenta saturabilidad.
La permeabilidad selectiva de la membrana plasmática es pasible de regulación de forma que pueda alcanzar la homeostasis. La hormona insulina, por ejemplo, a través de la acción de su receptor, promueve la inserción de muchas copias de un tipo específico de transportador de glucosa dentro de las membranas plasmáticas de ciertas células. De esta forma, el efecto generado por la insulina es el aumento del transporte máximo para la difusión facilitada de glucosa hacia adentro de las células. Con más transportadores disponibles, las células del organismo pueden captar más glucosa desde el torrente sanguíneo y con mayor rapidez. En la diabetes mellitus existe una incapacidad para producir o utilizar la insulina.
Transporte activo
Algunos solutos polares o cargados que deben ingresar o salir de las células del organismo no pueden cruzar la membrana plasmática a través de ninguno de los mecanismos de transporte pasivos citados, ya que necesitan moverse "cuesta arriba", es decir, en "contra" de sus gradientes de concentración. Estos solutos pueden transponer la membrana mediante el proceso llamado transporte activo.Éste se considera un proceso activo porque se requiere energía para que las proteínas transportadoras puedan mover los solutos a través de la membrana y en contra de sus gradientes de concentración.
Existen dos fuentes de energía celular que se utilizan para realizar el transporte activo: 1) en el transporte activo primario la energía se obtiene por hidrólisis del ATP; 2) la energía que permanece almacenada en gradientes de concentración iónicos es la fuente de energía en los procesos de transporte activo secundario. Como en la difusión facilitada, los procesos de transporte activo tienen un transporte máximo y muestran saturación. Entre los solutos que atraviesan la membrana plasmática por transporte activo se hallan diferentes iones, como Na+, K+, H+, Ca++, I- (ion yoduro) y Cl-, y algunos aminoácidos y monosacáridos (debe destacarse que algunas sustancias también atraviesan la membrana por canales o por difusión facilitada cuando está presente la proteína de canal o transportadora adecuada.
TRANSPORTE ACTIVO PRIMARIO. En el transporte activo primario, la energía que deriva de la hidrólisis del ATP modifica la forma de la proteína transportadora, que "bombea" una sustancia a través de la membrana plasmátiva y en contra de su gradiente de concentración. Por ello, las proteínas transportadoras que llevan a cabo el transporte activo primario a menudo se denominan bombas. Una célula típica del organismo gasta alrededor del 40% del ATP que genera en el transporte activo primario. Las sustancias químicas que detienen la producción de ATP, por ejemplo el cianuro, son letales ya que suprimen el transporte activo en todas las células del organismo.
El mecanismo de transporte activo primario más importante es el que produce la salida de iones sodio (Na+) de las células y lleva hacia su interior iones de potasio (K+). Como transporta iones específicos, se denomina bomba sodio-potasio. Ya que una parte de la bomba sodio-potasio actúa como una ATPasa, recibe el nombre de N+/K+ ATPasa. Todas las células tienen miles de bombas de sodio-potasio en sus membranas plasmáticas. Estas bombas mantienen una concentración baja de Na+ en el citosol, ya que lo bombean hacia el líquido extracelular en contra del gradiente de concentración. Al mismo tiempo, las bombas impulsan el K+ hacia dentro de las células, también en contra de su gradiente de concentración. Puesto que tanto el Na+ como el K+ fluyen lentamente a través de la membrana plasmática siguiendo sus respectivos gradientes electroquímicos, por medio del transporte pasivo o del transporte activo secundario, las bombas de sodio-potasio deben estar siempre activas para mantener una concentración baja de Na+ y una concentración alta de K+ en el citosol.
En la siguiente imagen se ilustra el mecanismo de acción de la bomba de sodio-potasio:
1. Tres iones Na+ presentes en el citosol se unen a la proteínas de la bomba.
2. La unión del Na+ desencadena la hidrólisis del ATP en ADP, reacción por medio de la cual también se agrega un grupo fosfato a la proteína de la bomba. Esta reacción química genera un cambio conformaciones en la proteína, por elc ual libera los tres iones Na+ en el líquido extracelular. La forma de la proteína favorece entonces la unión de dos iones K+ del líquido extracelular.
3. La unión de los iones K+ lleva a la liberación del grupo fosfato de la proteína de la bomba. Esta reacción, nuevamente, modifica la forma de la proteína.
4. A medida que la proteína de la bomba recupera su forma original, libera el K+ dentro de citosol. En este punto, la bomba está preparada otra vez para unir tres iones Na+, y repetir el ciclo.
Las diferencias en las concentraciones de Na+ y K+ en el citosol y el líquido extracelular son cruciales para mantener el volumen celular normal y la capacidad de muchas células de generar señales eléctricas como potenciales de acción. Hay que recordar que la tonicidad de una solución es proporcional a la concentración de partículas de soluto disueltas que no pueden atravesar la membrana. Como los iones de sodio que se difunden dentro de la célula o que ingresan por medio del transporte activo secundario son inmediatamente bombeados hacia afuera, es como si nunca hubieran entrado. En efecto, los iones de sodio se comportan como si no pudiesen atravesar la membrana y, por lo tanto, contribuyen en una buena medida a la tonicidad del líquido extracelular. Una condición similar se aplica a los iones K+ presentes en el citosol. Ayudando a mantener la tonicidad normal a cada lado de la membrana plasmática, las bombas de sodio-potasio aseguran que las células no modificarán su volumen como consecuencia del movimiento de agua por ósmosis, hacia dentro o hacia afuera.
TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO. En el transporte activo secundario, la energía acumulada en los gradientes de concentración del Na+ y el H+ se utiliza para dirigir a otra sustancia a través de la membrana y en contra de su gradiente de concentración. Como el gradiente de Na+ o de H+ se establece sobre todo por el transporte activo primario, el transporte activo secundario utiliza directamente la energía obtenida de la hidrólisis del ATP.
La bomba de sodio-potasio mantiene el gradiente de concentración de Na+ a través de la membrana. Como resultado, los iones sodio tienen un reserva de energía o energía potencial, como el agua retenida detrás de una represa. De acuerdo con ello, si hay una vía para que el Na+ pueda ingresar nuevamente en la célula, algo de esa energía acumulada podrá convertirse en energía cinética (energía de movimiento) y usarse para transportar otras sustancias en contra de su gradientes de concentración. En esencia, el transporte activo secundario utiliza la energía acumulada en el gradiente de concentración del Na+ y le suministra a este in una vía par que pueda ingresar en la célula. En el transporte activo secundario, una proteína transportadora se une en forma simultánea al Na+ y a otra sustancia y luego sufre un cambio morfológico haciendo que ambas sustancias atraviesen la membrana al mismo tiempo. Si estos transportadores mueven dos sustancias en la misma dirección, se denominan contransportadores o simportadores: los contratransportadores, antiportadores o intercambiadores, al contrario, mueven dos sustancias a través de la membrana pero en direcciones opuestas.
La membrana plasmática contiene varios intercambiadores y contransportadores que obtienen energía del gradiente del Na+. Por ejemplo, la concentración de los iones calcio (Ca++) es baja en el citosol porque los intercambiadores de Na+/Ca++ expulsan los iones de calcio. De manera similar, los intercambiadores de Na+/H+ ayudan a regular el pH del citosol (la concentración de H+ en el citosol) eliminado el exceso de H+. En contraste, la glucosa de la dieta y los aminoácidos son absorbidos por las células que revisten el intestino delgado mediante contrasnportadores de Na+/glucosa y de Na+/aminoácidos, respectivamente. En cada caso, los iones sodio se desplazan a favor de su gradiente de concentración mientras que los otros solutos lo hacen "cuesta arriba", en contra de sus gradientes de concentración. Se debe tener en cuenta que todos los simportadores y antiportadores pueden realizar su actividad porque las bombas de sodio-potasio mantienen una concentración baja de Na+ en el citosol.
Transporte de vesículas
Una vesícula es un saco esférico pequeño. Una variedad de sustancias se transportan en vesículas también importan sustancias desde el líquido extracelular o los liberan en éste. Durante la endocitosis las sustancias pasan hacia la célula en una vesícula formada por la membrana plasmática. En la exocitosis las sustancias salen por la fusión de la membrana plasmática con vesículas formadas dentro de la célula. Tanto la endocitosis como la exocitosis requieren energía provista por el ATP. De esta forma, el transporte en vesículas es un proceso activo.
Endocitosis
Se considerarán tres tipos de endocitosis: endocitosis mediada por receptores, fagocitosis y pinocitosis. La endocitosis mediada por receptores es un tipo de endocitosis muy selectivo por medio del cual las células captan un ligando específico (los ligandos son moléculas que se unen a receptores específicos). Una vesícula se forma después de que la proteína receptora presente en la membrana plasmática reconoce y se une a una partículas específica del líquido extracelular. Por ejemplo, las células captan las lipoproteínas de baja densidad que contienen el colesterol (LDL), la transferrina (una proteína plasmática que transporta hierro), algunas vitaminas, anticuerpos y ciertas hormonas por medio de la endocitosis mediada por receptores. La endocitosis mediada por receptores de las LDL (y también de otros ligandos) se produce de la siguiente manera:
1. Unión En el lado extracelular de la membrana plasmática, una partícula de LDL que contiene colesterol se une a un receptor específico y forman un complejo receptor-LDL. Los receptores son proteínas integrales de membrana que se concentran en ciertas regiones de la membrana denominadas poros cubiertos de clatrina. En ellas, una proteína denominada clatrina se une a la membrana en su lado citoplasmático. Muchas moléculas de clatrina se reúnen y forman una estructura que envuelve los complejos receptor-LDL, lo que produce una invaginación de la membrana (la membrana se pliega hacia adentro).
2. Formación de las vesículas. Los bordes invaginados de la membrana alrededor de los poros cubiertos de clatrina se fusionan y una pequeña pieza se desprende de la membrana. La vesícula resultante, conocida como vesícula cubierta de clatrina, contiene los complejos receptor-LDL.
3. Pérdida de la cubierta. Casi inmediatamente después de haberse formado, la vesícula pierde su cubierta de clatrina y se convierte en una vesícula sin cubierta. Las moléculas de clatrina pueden retornar a la superficie interna de la membrana plasmática o bien contribuyen a la formación de cubiertas de otras vesículas en el interior de la célula.
4. Fusión con el endosoma. La vesícula sin cubierta rápidamente se fusiona con una vesícula conocida como endosoma. Dentro del endosoma, las partículas de LDL se separan de sus receptores.
5. Reciclado de los receptores hacia la membrana plasmática. La mayor parte de los receptores se acumulan en protrusiones alargadas de los endosomas. Estas protrusiones se desprenden y forman vesículas de transporte que devuelven los receptores a la membrana plasmática. Un receptor de LDL vuelve a la membrana plasmática casi 10 minutos después de haber ingresado en la célula.
6. Degradación en los lisosomas. Otras vesículas de transporte, que también contienen partículas de LDL, se desprenden del endosoma y se fusionan rápidamente con un lisosoma. Los lisosomas contienen muchas enzimas digestivas. Ciertas enzimas hidrolizan las proteínas grandes y las moléculas lipídicas de las partículas de LDL y las transforman en aminoácidos, ácidos grasos y colesterol. Estas moléculas más pequeñas abandonan luego el lisosoma. La célula utiliza el colesterol para reconstruir sus membranas y para la síntesis de esteroides, como los estrógenos. Los ácidos grasos y los aminoácidos pueden utilizarse para la producción de ATP o para elaborar otras moléculas requeridas por la célula.
La fagocitosis es una forma de endocitosis en la cual la célula rodea a una partícula sólida, por ejemplo, células muertas, bacterias enteras o virus. Sólo algunas células del organismo, los denominados fagocitos, tienen la capacidad de llevar a cabo la fagocitosis. Dos tipos básicos de fagocitos son los macrófagos, presentes en muchos tejidos del cuerpo, y los neutrófilos, otro tipo de glóbulo blanco. La fagocitosis comienza cuando la partícula se une a un receptor de la membrana plasmática del fagocito y hace que éste despliegue sus seudópodos, proyecciones de su membrana plasmátiva y su citoplasma. Los seudópodos rodean a la partícula que esta fuera de la célula, y las membranas se fusionan para formar una vesícula denominada fagosoma, que ingresa en el citoplasma. Los fagosomas se fusionan con uno o más lisosomas, y las enzimas lisosómicas hidrolozan el material ingerido.
En la mayoría de los casos cualquier material que no pudiese ser digerido permanecerá en forma indefinida en una vesícula denominada cuerpo residual. El proceso de fagocitosis es un mecanismo de defensa vital que ayuda a protefger al organismo de las enfermedades. Por medio de la fagocitosis, los macrófagos pueden eliminar diariamente a los microorganismos invasores y a miles de millones de glóbulos rojos envejecidos; los neutrófilos también cooperan en la labor de eliminar a los microorganismos invasores. El pus es una mezcla de neutrófilos muertos, macrófagos, células y líquido presente en una herida infectada.
La mayoría de las células llevan a cabo una forma de endocitosis denominado pinocitosis, en la cual la célula captura gotitas de líquido extracelular. No participan proteínas receptoras en este proceso; todos los solutos disueltos en el líquido extracelular son capturados y llevados al interior de la célula. Durante la pinocitosis, la membrana plasmática se pliega hacia dentro y forma vesículas que contienen una gota de líquido extracelular. La vesícula se desprende de la membrana plasmática e ingresa en el citosol. Dentro de la célula, la vesícula se fusiona con un lisosoma, donde las enzimas degradan los solutos. Las moléculas resultantes más pequeñas, como aminoácidos y ácidos grasos, abandona el lisosoma y son utilizadas en algún otros sitio de la célula. La pinocitosis se produce en la mayoría de las células, especialmente en las células de absorción del intestino y los riñones.
Enxocitosis
A diferencia de la endocitosis, que lleva el material dentro de la célula, la exocitosis libera sustancias fuera de la célula. Todas las células realizan exocitosis, pero este proceso es importante sobre todo en dos tipos celulares: 1) las células excretoras que liberan enzimas digestivas, hormonas, moco u otra secreciones; 2) las células nerviosas que liberan sustancias denominadas neurotransmisores. En algunos casos, los desechos también se liberan por exocitosis. Durante este proceso, se forman dentro de la célula vesículas rodeadas de membrana, denominadas vesículas secretoras, que luego se fusionan con la membrana plasmática y liberan su contenido al líquido extracelular.
Los segmentos de la membrana plasmática que se pierden por la endocitosis se recuperan o reciclan por exocitosis. El equilibrio entre la endocitosis y la exocitosis hace que la superficie de la membrana celular se mantenga relativamente constante. El intercambio de membrana es muy importante en algunas células. En el páncreas, por ejemplo, las células que secretan enzimas digestivas pueden reciclar una cantidad de membrana plasmática igual a la superficie total de la célula en 90 minutos.
Transcitosis
El transporte en vesículas también sirve para mover una sustancia dentro y fuera de la célula sucesivamente. En estos procesos activos, denominados transcitosis, las vesículas son endocitadas en uno de los polos celulares, atraviesan la célula y luego son exocitadas por el polo opuesto. A medida que las vesículas se fusionan con la membrana plasmática, se libera el contenido vesicular al líquido extracelular. La transcitosis se produce más a menudo en las células endoteliales que revisten los vasos sanguíneos y es un medio utilizado para movilizar materiales entre el plasma y el líquido intersticial. Por ejemplo, cuando una mujer está embarazada, algunos de sus anticuerpos atraviesan la placenta y pasan a la circulación fetal mediante el proveso de transcitosis.