Procesos de Transporte Celular y Variaciones Energéticas

La célula, como sistema abierto, requiere del intercambio de materia y energía con su entorno, a fin de mantener su composición iónica y molecular dentro de los límites fisiológicos requeridos. Por ejemplo, en los tejidos excitables es necesaria la generación de gradientes iónicos para desencadenar el potencial de acción. Igualmente, la célula asegura los metabolitos, combustibles y nutrientes esenciales, los cuales toma de su entorno y, a su vez, expulsa aquellos compuestos de desecho. En este sentido, la membrana plasmática constituye una barrera de permeabilidad selectiva, que controla el flujo de iones o moléculas entre la célula y el medio que la rodea.



De acuerdo a la variación en la energía libre de Gibbs (ΔG) durante el pasaje de una especie iónica o molécula de soluto no cargada, se clasifican los procesos de transporte celular en: pasivos y activos. En efecto, el primer tipo de transporte va a favor de su gradiente de concentración decreciente (de mayor a menor), mientras que el segundo se traslada contra gradiente. Cabe señalar que, en caso de moléculas cargadas debe considerarse el movimiento de cargas eléctricas, número de cargas y la diferencia de potencial. Puesto que, en este último caso no solamente influye la variación en concentración de la especie, sino también el potencial eléctrico, en consecuencia se habla de un gradiente electroquímico.



En atención a lo expuesto, los objetivos del post se presentan a continuación.

Objetivos

• Describir los procesos de transporte celular: pasivo y activo, en función de ΔS y ΔG.
• Analizar el transporte activo de moléculas en casos puntuales, esenciales para la homeostasis del organismo.
• Diseñar material didáctico para el estudio de los procesos de transporte a nivel celular.

Transformaciones Energéticas acopladas a los Procesos de Transporte

A través de los experimentos desarrollados por Carnot, en atención a un proceso cíclico reversible ideal, se llegó a la definición clásica de entropía, que posibilita la resolución de problemas que implican la determinación de la eficiencia de una máquina térmica, en caso de la Máquina de Carnot que es una máquina idealizada. δQ/T = dS. En este sentido, Clausius señaló que el calor nunca fluye espontáneamente desde un cuerpo a otro que se encuentre a temperatura más elevada. Igualmente, surgen interpretaciones donde se indica que los sistemas naturales espontáneamente se dirigen a un incremento de entropía.

En efecto, las transformaciones reversibles (ideales) implican condiciones de equilibrio: ∮δQ/T = 0.

Por su parte, las transformaciones irreversibles (reales) cumplen la desigualdad de Clausius: ∮δQ/T < 0 , estas transformaciones son cambios espontáneos y la desigualdad es la condición de espontaneidad.



De esta forma, el calor fluye espontáneamente de un cuerpo más caliente (por ejemplo, cuando un individuo realiza ejercicio) a uno menos caliente (el ambiente fresco que rodea al sujeto), la pérdida de calor se evidencia en la evaporación del sudor sobre la superficie de la epidermis. Asimismo, Los gases (como el dióxido de carbono y el oxígeno) en el organismo se difunden espontáneamente de un medio de mayor presión parcial del gas a uno de menor presión parcial. En consecuencia, los solutos se trasladan espontáneamente de un medio de mayor concentración a uno de menor concentración.

El movimiento de especies de un medio más diluido a uno más concentrado, no puede suceder espontáneamente, porque implicaría un descenso de la entropía. El desplazamiento de solutos contra gradiente determina un proceso no espontáneo, en el cual la célula debe invertir energía para el desarrollo del movimiento de moléculas en sentido contrario a su gradiente de concentración. Igualmente, si se trata de moléculas cargadas o iones, se considera el gradiente electroquímico (concentración y cargas eléctricas de la especie estudiada).



Lo anterior conduce a la definición de una segunda función de estado: la energía libre de Gibbs o potencial termodinámico, dH - T. dS = dG. El cambio en la energía libre, es un indicador de la espontaneidad de procesos. Se tiene que, para procesos donde: ΔG = 0 (En equilibrio), ΔG > 0 (No espontáneo), ΔG < 0 (Espontáneo).

La variación en la energía libre al transportar un soluto no cargado desde un compartimiento de concentración 1 [C1], hacia un compartimiento de concentración 2 [C2], es: ΔG = R. T. ln[C2]/[C1].

Al analizar la ecuación, se tiene que: el signo de ΔG está determinado por el signo y magnitud del ln [C2]/[C1]. Entonces, si en soluciones fisiológicas la concentración del soluto en el segundo compartimiento (hacia donde desea trasladarse la especie no cargada) es menor que su concentración en el primer compartimiento, entonces se determina un ΔG < 0, que indica el pasaje espontáneo de la especie no cargada, mediante un proceso de transporte pasivo.



Por su parte, si la concentración del soluto en el segundo compartimiento es mayor que su concentración en el primer compartimiento, entonces se determina un ΔG > 0, que indica un proceso no espontáneo. En este sentido, la célula requiere acoplar el traslado de la molécula a la reacción de hidrólisis del ATP, a fin de suministrar la energía requerida para el transporte activo de la especie no cargada.



En caso de iones o moléculas con carga, como se mencionó con anterioridad, se debe considerar el potencial eléctrico a través de la membrana biológica. De este modo se tiene: ΔG = R. T. ln[C2]/[C1] + Z.F.ΔV, donde Z representa el número de cargas de la molécula del soluto, F es el faraday (equivalente a 96493 Culombios/equiv. gramos, o 23,0 Kcal/volt.mol) y ΔV es la diferencia de potencial eléctrico en voltios.

Transporte Activo y Homeostasis

La bomba Na+/K+ ATPasa, es de gran relevancia fisiológica, su papel en el mantenimiento de concentración intracelular elevada de iones de potasio y baja concentración de iones de sodio, con respecto al medio externo (intersticio) donde la concentración de potasio es menor y la de sodio mayor, le confiere su protagonismo en el transporte activo primario.

El bombeo de estos iones en sentido opuesto a su gradiente, posibilita el mantenimiento del volumen celular, el funcionamiento adecuado de tejidos excitables (células nerviosas y fibras musculares), así como también permite el transporte de otro tipo de moléculas (como azúcares) mediante mecanismos de transporte activo secundario.



Por ejemplo, la glucosa pasa a través de las células ribete en cepillo, de las microvellosidades del intestino delgado, por transporte activo secundario acoplado al transporte de iones de sodio. Como el pasaje de la molécula de glucosa es en el mismo sentido que este ión, se denomina mecanismo de simporte o cotransporte. De esta forma, se unen a una proteína de membrana específica que cumple la función de transportador hacia el interior de la célula.



En el transporte de iones de calcio hacia el interior del retículo sarcoplasmático, de las fibras musculares esqueléticas, está dirigido por un mecanismo de transporte activo acoplado a la hidrólisis del ATP, con el objeto de restablecer los niveles bajos de iones de calcio en el sarcoplasma y permitir la relajación muscular.

Síntesis

Se describieron los procesos de transporte celular: pasivo y activo, en función de ΔS y ΔG. Se tiene que los procesos de transporte pasivo son espontáneos, donde las moléculas del soluto se desplazan a favor de su gradiente de concentración (ΔG < 0). Mientras que, el transporte activo exhibe un mecanismo contra gradiente, es un proceso no espontáneo, que requiere de la inversión de energía (ΔG > 0). En caso de moléculas cargadas o iones, se considera el potencial eléctrico.

Cabe destacar que, los procesos de transporte en el organismo referidos al desplazamiento de moléculas de agua (disolvente), de un medio de mayor concentración de agua a uno de menor concentración por medio de membranas biológicas, se le denomina ósmosis.



Del mismo modo, se analizó el transporte activo de moléculas en casos puntuales, esenciales para la homeostasis del organismo. Mediante un vistazo general, se destacó la importancia de la bomba Na+/K+ ATPasa para el mantenimiento de las concentraciones intracelulares y extracelulares de iones de sodio y de potasio. También se abordó el mecanismo de simporte en el traslado de la glucosa al interior de las células ribete en cepillo, en la absorción intestinal de los azúcares; así como también el bombeo de iones de calcio al interior del retículo sarcoplasmático, para el proceso de relajación muscular.



El diseño de material didáctico tales como gifs e imágenes, se desarrolla como complemento para el estudio de los procesos de transporte a nivel celular, con el objeto de mediar los contenidos a los participantes de forma sencilla y dinámica. De este modo, se concluye que los fundamentos y mecanismos moleculares de los organismos rigen la fisiología de cada sistema natural.

FUENTES: Las imágenes y gifs son creados por la autora de este post @carmincortez

Referencias

• Lehninger, A. (1972). Bioquímica. Barcelona: Ediciones OMEGA.
• Maron, S. y Prutton, C. (1975). Fundamentos de fisicoquímica. México: LIMUSA.
• Philip, N. (2005). Física biológica: Energía, información y vida. Barcelona: Editorial Reverté, S.A.
• Van Wyle, G. y Sonntag, R. (1976). Fundamentos de termodinámica. México: LIMUSA.