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Membranas celulares y transporte

A-Level Biología · Tema 4

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14:03

Membranas celulares

Cada célula debe mantener lo correcto dentro y lo incorrecto fuera. Esta tarea recae en una capa única, asombrosamente delgada: la membrana celular superficial, de solo dos…

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4.1

La membrana celular

Syllabus
  1. describir el modelo de mosaico fluido de la estructura de membrana con referencia a las interacciones hidrofóbicas e hidrofílicas que explican la formación de la bicapa fosfolipídica y el arreglo de las proteínas
  2. describir el arreglo del colesterol, los glicolípidos y las glicoproteínas en las membranas celulares superficiales
  3. describir los roles de los fosfolípidos, el colesterol, los glicolípidos, las proteínas y las glicoproteínas en las membranas celulares superficiales, con referencia a la estabilidad, fluidez, permeabilidad, transporte (proteínas transportadoras y proteínas canal), señalización celular (receptores de superficie celular) y reconocimiento celular (antígenos de superficie celular – ver 11.1.2)
  4. resumir las etapas principales del proceso de señalización celular que conduce a respuestas específicas: • secreción de químicos específicos (ligandos) desde células • transporte de ligandos hacia células diana • unión de ligandos a receptores de superficie celular en células diana

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

Cada célula está rodeada por una membrana celular. Se describe su estructura mediante el modelo del mosaico fluido 流动镶嵌模型.

Glóbulos rojos vistos bajo un microscopio electrónico de barrido
Glóbulos rojos observados con un microscopio electrónico de barrido: cada uno está rodeado por una membrana celular

La bicapa de fosfolípidos

La membrana está construida principalmente a partir de fosfolípidos 磷脂. Cada fosfolípido tiene una cabeza hidrofílica 亲水 (que "ama el agua") y dos colas hidrófobas 疏水 (que "rechazan el agua"). Hay agua en ambos lados de la membrana, por lo que los fosfolípidos se alinean en dos capas — una bicapa 双层 — con las cabezas orientadas hacia el agua exterior e interior, y las colas ocultas en el centro, alejadas del agua. Esta disposición se forma espontáneamente debido a las interacciones hidrofílicas e hidrófobas.

El modelo se denomina "fluido" porque los fosfolípidos no están fijos: se deslizan unos sobre otros, por lo que la membrana puede moverse y doblarse. Se llama "mosaico" porque muchas proteínas 蛋白质 están dispersas a través de ella, como las baldosas en una imagen.

Lo que flota en la membrana

Parte Dónde se sitúa Funciones principales
fosfolípidos las dos capas forman la barrera básica
proteínas a través de la membrana o en su superficie transporte, soporte y señalización
proteínas transportadoras 载体蛋白 atraviesan la membrana llevan moléculas específicas a través de ella
proteínas canal 通道蛋白 atraviesan la membrana forman poros llenos de agua para el paso de iones
colesterol 胆固醇 entre las colas de los fosfolípidos controla la fluidez 流动性 y añade resistencia
glicolípidos 糖脂 y glicoproteínas 糖蛋白 cadenas de carbohidratos en la superficie exterior reconocimiento celular; algunos actúan como antígenos 抗原
El modelo del mosaico fluido: una bicapa de fosfolípidos salpicada de proteínas de canal y transportadoras, colesterol entre las colas, y glicoproteínas y glicolípidos con cadenas de carbohidratos en la superficie exterior
El modelo del mosaico fluido: proteínas, colesterol y cadenas de carbohidratos se sitúan en una bicapa de fosfolípidos fluida

Así que las moléculas de la membrana juntas confieren a la membrana su estabilidad 稳定性, su fluidez, su permeabilidad 通透性 (control sobre lo que pasa), sus funciones de transporte, sus funciones de señalización y su reconocimiento celular.

La membrana es semipermeable 半透膜: deja pasar algunas sustancias fácilmente pero bloquea otras.

Explorar

Explorar la membrana celular

Toca cada parte del modelo de mosaico fluido: la bicapa más las proteínas y otras moléculas distribuidas a través de ella.

Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
ion/ˈaɪɒn/ 离子 lí zi
glucose/ˈɡluːkəʊs/ 葡萄糖 pú táo táng
facilitated diffusion/fəˈsɪlɪteɪtɪd dɪˈfjuːʒn/ 易化扩散 yì huà kuò sàn
4.1

Señalización celular

Las células se comunican entre sí mediante la señalización celular 细胞信号传递. Las etapas principales son:

  1. una célula secreta una sustancia química de señal llamada ligando 配体 (por ejemplo, una hormona 激素).
  2. el ligando es transportado (a menudo en la sangre) hasta una célula diana 靶细胞.
  3. el ligando se une a un receptor 受体 específico en la membrana superficial de la célula diana. La forma del receptor coincide únicamente con ese ligando. Esta unión desencadena entonces una respuesta particular dentro de la célula diana.
Una célula de señalización libera un ligando que se transporta a una célula diana, donde se une a un receptor de forma coincidente y desencadena una respuesta interna
El ligando solo encaja en una forma de receptor concreta, por lo que solo las células con ese receptor responden a la señal
Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
cell surface membrane/sel ˈsɜːfɪs ˈmembreɪn/ 细胞膜 xì bāo mó
fluid mosaic model/ˈfluːɪd məˈseɪɪk ˈmɒdl/ 流动镶嵌模型 liú dòng xiāng qiàn mó xíng
phospholipid/ˈfɒsfəlɪpɪd/ 磷脂 lín zhī
hydrophilic/ˌhaɪdrəˈfɪlɪk/ 亲水 qīn shuǐ
hydrophobic/ˌhaɪdrəˈfəʊbɪk/ 疏水 shū shuǐ
bilayer/ˈbɪleɪə/ 双层 shuāng céng
protein/ˈprəʊtiːn/ 蛋白质 dàn bái zhì
carrier protein/ˈkærɪə ˈprəʊtiːn/ 载体蛋白 zài tǐ dàn bái
channel protein/ˈtʃænl ˈprəʊtiːn/ 通道蛋白 tōng dào dàn bái
cholesterol/kəˈlestərɒl/ 胆固醇 dǎn gù chún
fluidity/fluːˈɪdɪti/ 流动性 liú dòng xìng
glycolipid/ˈɡlaɪkəlɪpɪd/ 糖脂 táng zhī
glycoprotein/ˈɡlaɪkəprəʊtiːn/ 糖蛋白 táng dàn bái
antigen/ˈæntɪdʒen/ 抗原 kàng yuán
stability/stəˈbɪlɪti/ 稳定性 wěn dìng xìng
permeability/ˌpɜːməˈbɪlɪti/ 通透性 tōng tòu xìng
partially permeable membrane/ˈpɑːʃəli ˈpɜːməbl ˈmembreɪn/ 半透膜 bàn tòu mó
cell signalling/sel ˈsɪɡnəlɪŋ/ 细胞信号传递 xì bāo xìn hào chuán dì
ligand/ˈlɪɡænd/ 配体 pèi tǐ
hormone/ˈhɔːməʊn/ 激素 jī sù
target cell/ˈtɑːɡɪt sel/ 靶细胞 bǎ xì bāo
receptor/rɪˈseptə/ 受体 shòu tǐ
passive/ˈpæsɪv/ 被动 bèi dòng
energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng
4.2

Movimiento de sustancias a través de la membrana

Syllabus
  1. describir y explicar los procesos de difusión simple, difusión facilitada, ósmosis, transporte activo, endocitosis y exocitosis
  2. investigar la difusión simple y la ósmosis utilizando tejidos vegetales y materiales no vivos, incluyendo tubos de diálisis (Visking) y agar
  3. ilustrar el principio de que las relaciones superficie-volumen disminuyen con el aumento del tamaño calculando áreas superficiales y volúmenes de formas geométricas simples (como se muestra en los requisitos matemáticos)
  4. investigar el efecto del cambio en la relación superficie-volumen sobre la difusión utilizando bloques de agar de diferentes tamaños
  5. investigar los efectos de sumergir tejidos vegetales en soluciones con distintos potenciales hídricos, utilizando los resultados para estimar el potencial hídrico de los tejidos
  6. explicar el movimiento del agua entre células y soluciones en términos de potencial hídrico y explicar los diferentes efectos que tiene este movimiento en las células vegetales y animales (no se espera conocimiento del potencial de solutos ni del potencial de presión)

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

Transporte activo frente a difusión
Ósmosis: el agua atraviesa la membrana
Difusión: movimiento aleatorio, flujo unidireccional

Hay seis procesos. Algunos son pasivos (no necesitan energía), y otros son activos (usan energía del ATP).

Difusión simple

La difusión es el movimiento neto de partículas desde donde están en una alta concentración hacia donde están a baja concentración, hasta que se distribuyen uniformemente. La difusión simple ocurre cuando las partículas pasan directamente a través de la bicapa, siguiendo el gradiente de concentración. Solo las moléculas pequeñas o no polares pueden hacer esto — como el oxígeno y el dióxido de carbono. Es pasiva.

Difusión facilitada

Los iones cargados y las grandes moléculas polares (como la glucosa) no pueden cruzar por sí solas la bicapa oleosa. En la difusión facilitada, cruzan a través de proteínas canal o proteínas transportadoras, moviéndose aún a favor del gradiente de concentración. También es pasiva.

Ósmosis

La ósmosis es la difusión del agua a través de una membrana semipermeable, desde un mayor potencial hídrico hacia uno menor. Es pasiva.

Una patata con un pozo de solución azucarada y una columna ascendente en un tubo
Un osmómetro de patata: la solución de azúcar sube por el tubo a medida que el agua entra en la patata por ósmosis
Un recipiente dividido por una membrana parcialmente permeable, con pocos solutos y mucha agua en el lado de mayor potencial hídrico y muchos solutos en el lado de menor potencial; el agua cruza hacia el potencial hídrico más bajo
El agua cruza hacia el potencial hídrico más bajo; el soluto es demasiado grande para cruzar la membrana semipermeable

Transporte activo

El transporte activo mueve una sustancia contra su gradiente de concentración — de baja a alta concentración. Esto necesita proteínas transportadoras y energía del ATP.

Tres paneles que comparan la difusión simple a través de la bicapa, la difusión facilitada a través de una proteína canal y el transporte activo bombeado contra el gradiente utilizando ATP
La difusión y la difusión facilitada son pasivas (a favor del gradiente); el transporte activo va en contra de este y requiere ATP

Endocitosis y exocitosis

Estos procesos mueven grandes cantidades de material a granel, utilizando ATP.

  • En la endocitosis 胞吞作用, la membrana se pliega hacia adentro alrededor del material y forma una vesícula 囊泡 para introducirlo en la célula.
  • En la exocitosis 胞吐作用, una vesícula se fusiona con la membrana y libera su contenido fuera de la célula.
Dos diagramas: en endocitosis la membrana se pliega hacia adentro alrededor del material y se pinza formando una vesícula dentro; en exocitosis una vesícula se fusiona con la membrana y libera su contenido hacia afuera
La endocitosis introduce material formando una vesícula; la exocitosis fusiona una vesícula para liberar su contenido
Explorar

Difusión a través de una membrana

Establece la concentración en cada lado. Las partículas se extienden de alta a baja concentración hasta que ambos lados son iguales.

Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
diffusion/dɪˈfjuːʒn/ 扩散 kuò sàn
concentration/ˌkɒnsənˈtreɪʃn/ 浓度 nóng dù
simple diffusion/ˈsɪmpl dɪˈfjuːʒn/ 简单扩散 jiǎn dān kuò sàn
concentration gradient/ˌkɒnsənˈtreɪʃn ˈɡreɪdɪənt/ 浓度梯度 nóng dù tī dù
oxygen/ˈɒksɪdʒn/ 氧气 yǎng qì
carbon dioxide/ˈkɑːbən daɪˈɒksaɪd/ 二氧化碳 èr yǎng huà tàn
osmosis/ɒzˈməʊsɪs/ 渗透 shèn tòu
water potential/ˈwɔːtə pəˈtenʃl/ 水势 shuǐ shì
active transport/ˈæktɪv ˈtrænspɔːt/ 主动运输 zhǔ dòng yùn shū
endocytosis/ˌendəʊsɪˈtəʊsɪs/ 胞吞作用 bāo tūn zuò yòng
vesicle/ˈvesɪkl/ 囊泡 náng pào
exocytosis/eɡˌzɒsɪˈtəʊsɪs/ 胞吐作用 bāo tǔ zuò yòng
Ver lección
4.2

Relación superficie-volumen

Una célula toma y elimina sustancias a través de su superficie. A medida que un objeto aumenta de tamaño, su volumen 体积 crece más rápido que su superficie 表面积. Por lo tanto, la relación superficie-volumen se vuelve menor a medida que aumenta el tamaño.

Para un cubo de lado $L$:

$$\text{surface area} = 6L^2, \qquad \text{volume} = L^3, \qquad \text{ratio} = \frac{6}{L}.$$

Un $L$ grande da lugar a una relación pequeña. Esta es la razón por la cual las células pequeñas (y las formas delgadas y planas) intercambian materiales rápidamente, mientras que las células grandes no pueden depender únicamente de la difusión.

Tres cubos de lados 1, 2 y 3 con sus relaciones superficie-volumen de 6:1, 3:1 y 2:1, mostrando cómo la relación disminuye a medida que crece el cubo
A medida que un cubo (o una célula) crece, su relación superficie : volumen disminuye

Ejemplo resuelto. Compare la relación superficie : volumen de una célula en forma de cubo con lado $4$ con otra de lado $10$.

Para el lado $4$: área superficial $= 6 \times 4^2 = 96$ y volumen $= 4^3 = 64$, por lo que la proporción es $96 : 64 = 1.5 : 1$. Para el lado $10$: área superficial $= 6 \times 10^2 = 600$ y volumen $= 10^3 = 1000$, por lo que la proporción es $600 : 1000 = 0.6 : 1$. La célula más grande tiene una proporción menor, por lo que intercambia materiales a través de su superficie más lentamente en relación con su tamaño —lo cual explica por qué los organismos grandes necesitan superficies de intercambio especializadas como pulmones y branquias.

Puedes demostrar esto con bloques de agar 琼脂 de diferentes tamaños empapados en colorante o ácido: el bloque más pequeño, con la mayor proporción de área superficial a volumen, cambia de color completamente más rápido. La difusión a través de materiales no vivos también puede estudiarse con tubos de diálisis 透析袋 (tubos Visking).

Explorar

Área superficial : volumen

Haga el cubo más grande: su volumen crece más rápido que su superficie, por lo que la relación SA:V disminuye; esto es por qué las superficies de intercambio y las células permanecen pequeñas.

Explorar

Difusión a través de la superficie

Las partículas se dispersan espontáneamente desde zonas concurridas hacia zonas menos densas. Una célula pequeña tiene una gran relación superficie-volumen, por lo que las sustancias difunden hacia adentro y hacia afuera lo suficientemente rápido.

Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
volume/ˈvɒljuːm/ 体积 tǐ jī
surface area/ˈsɜːfɪs ˈeərɪə/ 表面积 biǎo miàn jī
agar/ˈeɪɡɑː/ 琼脂 qióng zhī
dialysis tubing/daɪˈæləsɪs ˈtjuːbɪŋ/ 透析袋 tòu xī dài
solute/ˈsɒljuːt/ 溶质 róng zhì
distilled water/dɪˈstɪld ˈwɔːtə/ 蒸馏水 zhēng liú shuǐ
turgid/ˈtɜːdʒɪd/ 膨胀 péng zhàng
plasmolysis/plæzˈmɒləsɪs/ 质壁分离 zhì bì fēn lí
haemolysis/hiːˈmɒləsɪs/ 溶血 róng xuè
4.2

Potencial hídrico y células vivas

El potencial hídrico mide la tendencia del agua a salir de una solución. El agua pura tiene el potencial hídrico más alto. Añadir un soluto 溶质 (una sustancia disuelta) lo reduce. El agua siempre se mueve por ósmosis desde un potencial hídrico mayor hacia uno menor.

Para estimar el potencial hídrico de tejido vegetal, se colocan trozos en soluciones de sacarosa con distintos potenciales hídricos. La solución que provoca ningún cambio en masa o longitud tiene aproximadamente el mismo potencial hídrico que el tejido.

Efecto sobre las células vegetales

  • En una solución de mayor potencial hídrico (por ejemplo, agua destilada 蒸馏水), el agua entra en la célula. La célula se hincha y queda turgente 膨胀, pero la pared celular fuerte evita que reviente.
  • En una solución de menor potencial hídrico, el agua sale. Los contenidos celulares se contraen y la membrana se separa de la pared celular —esto es plasmólisis 质壁分离.

Efecto sobre las células animales

Las células animales carecen de pared celular protectora.

  • En una solución de mayor potencial hídrico, el agua entra y la célula puede romperse. En un eritrocito, este proceso de ruptura se llama hemólisis 溶血.
  • En una solución de menor potencial hídrico, el agua sale y la célula se encoge.
Una cuadrícula mostrando células vegetales y animales en soluciones de potencial hídrico mayor y menor: la célula vegetal se vuelve túrgida o se plasmoliza, la célula animal se hincha y puede estallar o se arruga
Una célula vegetal puede quedar turgente o plasmolizada; una célula animal puede romperse (hemólisis) o encogerse
Explorar

Potencial del agua

el agua sigue el gradiente

Arrastra las concentraciones. Un gradiente de potencial del agua impulsa un movimiento neto — solo se detiene cuando ambos lados coinciden.

4.2

Consejos para el examen

  • Describe la membrana como un mosaico fluido: una bicapa fosfolípida con proteínas, colesterol y glicoproteínas.
  • Clasifica cada proceso: la difusión, la difusión facilitada y la ósmosis son pasivas (siguen un gradiente); el transporte activo y la endocitosis/exocitosis requieren ATP y pueden ir en contra del gradiente.
  • Para la ósmosis utiliza siempre el potencial hídrico ($\Psi$): el agua se mueve de alto (menos negativo) a bajo (más negativo) $\Psi$; el agua pura es $0$, el valor más alto.
  • Indica el resultado según el tipo de célula: célula vegetal turgente/plasmolizada; célula animal lisiada/crenada —relaciónalo con el gradiente de potencial hídrico.

Lecciones interactivas sobre este tema

Trátalo paso a paso, con ejercicios de verificación instantánea.

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