Piensa en alguien que rocía un frasco de perfume en la esquina de una habitación: en un principio, las moléculas de perfume se concentran en el lugar donde se ha rociado el frasco; pero, con el tiempo, se desplazarán desde la esquina hasta el resto de la habitación. Este mecanismo se conoce como difusión y es utilizado por la célula para transportar moléculas a través de la membrana celular.
Difusión celular: definición de difusión biológica
La difusión es el proceso por el cual partículas o moléculas en disolución se distribuyen, a través del disolvente, hasta alcanzar una concentración uniforme. La difusión es un fenómeno que ocurre como consecuencia del movimiento aleatorio de las moléculas, derivado de su energía cinética.
La difusión es un fenómeno físico en el que moléculas en disolución se desplazan a favor de un gradiente de concentración. La difusión permite el movimiento de moléculas de zonas de mayor concentración a zonas de menor concentración, sin gasto de energía.
Difusión celular en la membrana celular
La difusión es fundamental en biología, ya que es utilizada por las células para transportar moléculas. La membrana celular es una membrana parcialmente permeable que favorece el paso de determinadas moléculas por difusión.
Hay dos mecanismos que permiten que las moléculas se transporten a través de las membranas celulares:
- Difusión simple: Mecanismo por el cual las moléculas pequeñas, hidrofóbicas y sin carga pueden difundirse libremente a través de una bicapa de fosfolípidos, a favor de un gradiente de concentración, sin ningún gasto de energía.
- Difusión facilitada: Mecanismo por el cual proteínas de membrana transportan moléculas, a través de una bicapa de fosfolípidos, a favor de un gradiente de concentración, sin ningún gasto de energía.
La difusión simple y facilitada son dos formas de transporte pasivo, puesto que las moléculas se transportan sin necesidad de energía (de forma pasiva).
Difusión celular: difusión simple
La difusión simple es el movimiento de moléculas desde una región de alta concentración a una región de baja concentración. No se necesita energía, ya que las moléculas se mueven a favor de un gradiente de concentración de forma pasiva.
Un ejemplo de moléculas que se transportan a través de las membranas celulares utilizando la difusión simple son: el oxígeno o el dióxido de carbono.
El oxígeno y el dióxido de carbono se transportan por difusión simple durante el intercambio gaseoso en los pulmones. En los alvéolos hay una mayor concentración de moléculas de oxígeno que en los capilares. Mientras tanto, hay una mayor concentración de moléculas de dióxido de carbono en los capilares que en los alvéolos. Debido a este gradiente de concentración, el oxígeno se difundirá hacia los capilares y el dióxido de carbono se difundirá hacia los alvéolos.
Difusión celular: ejemplo de difusión simple
Figura 1. Ilustración del intercambio gaseoso en los alvéolos.
Difusión celular: difusión facilitada
La difusión facilitada es el mecanismo por el cual proteínas de membrana transportan moléculas, a través de la bicapa de fosfolípidos, a favor de un gradiente de concentración, sin ningún gasto de energía
Debido a su estructura, la membrana celular es impermeable a las moléculas polares (como los glúcidos) o cargadas (como los iones). Por tanto, se necesitan proteínas de membrana que permitan el transporte de estas moléculas cargadas.
La difusión facilitada sigue siendo un proceso pasivo, ya que las moléculas viajan por un gradiente de concentración sin ningún gasto de energía.
Existen dos tipos de proteínas de membrana que participan en el proceso de difusión facilitada: las proteínas de canal y las proteínas transportadoras.
Difusión celular facilitada: Proteínas de canal
Las proteínas de canal son proteínas transmembrana, lo que significa que atraviesan por completo la bicapa de fosfolípidos. Como su nombre indica, estas proteínas proporcionan un canal hidrofílico por el que pueden pasar moléculas cargadas.
En ciertos tipos de proteínas canal, el canal suele estar cerrado. Dependiendo de ciertos estímulos, el canal se abre para permitir a las proteínas de canal regular el paso de las moléculas. Existen diferentes tipos de estímulos:
- Estimulo eléctrico. Un ejemplo son los canales iónicos activados por voltaje.
- Estímulo mecánico. Un ejemplo son los canales iónicos activados por presión.
- Estimulo químico. Un ejemplo son los canales iónicos activados por ligando.
Figura 2. Ilustración de una proteína de canal en la membrana celular.
Difusión celular facilitada: Proteínas transportadoras
Las proteínas transportadoras también son proteínas transmembrana, pero estas experimentan un cambio conformacional reversible en su forma proteica para transportar las moléculas a través de la membrana celular. El proceso por el cual esto ocurre se indica a continuación:
- La molécula se une al sitio de unión de la proteína transportadora.
- La proteína transportadora sufre un cambio de conformación.
- La molécula se traslada de un lado a otro de la membrana celular.
- La proteína portadora vuelve a su conformación original.
Es importante señalar que las proteínas transportadoras participan tanto en el transporte pasivo como en el activo. En el transporte pasivo no se necesita ATP, ya que las moléculas se transportan a favor del gradiente de concentración. En el transporte activo se utiliza el ATP, ya que las moléculas se transportan en contra del gradiente de concentración.
Figura 3. Ilustración de una proteína transportadora en una membrana celular.
Difusión celular: ejemplos de difusión facilitada
Dos ejemplos de procesos celulares donde interviene la difusión facilitada son: la transmisión de impulsos nerviosos y el transporte de glucosa.
La difusión celular y los impulsos nerviosos
Las neuronas transportan los impulsos nerviosos, a lo largo de su axón, gracias a la difusión facilitada que se produce a través de proteínas de canal específicas para iones de sodio. Estas proteínas se denominan canales iónicos de sodio activados por voltaje, ya que se abren en respuesta a estímulos eléctricos.
La membrana celular de las neuronas tiene un potencial de membrana en reposo (-70mV). Un estímulo de presión mecánica puede provocar un cambio en el potencial de membrana. Este cambio en el potencial de membrana (estímulo eléctrico) hace que se abran los canales de iones de sodio activados por voltaje. Los iones de sodio entran en la célula, a través de la proteína del canal, e invierten el potencial de membrana en un proceso llamado despolarización.
La difusión celular y el transporte de glucosa
La glucosa es una molécula grande y muy polar, por lo que no puede transportarse a través de la bicapa de fosfolípidos usando la difusión simple. Por tanto, el transporte de glucosa en una célula depende de la difusión facilitada que se produce a través de proteínas transportadoras llamadas proteínas transportadoras de glucosa.
Por ejemplo, en los glóbulos rojos hay muchas proteínas transportadoras de glucosa distribuidas en la membrana, ya que dependen totalmente de la glucólisis para producir ATP. Puesto que hay una mayor concentración de glucosa en la sangre que en el glóbulo rojo, las proteínas transportadoras de glucosa pueden transportar la glucosa al interior del glóbulo rojo sin necesidad de ATP.
Hay que tener en cuenta que el transporte de glucosa a través de las proteínas transportadoras de glucosa es siempre pasivo.
Difusión celular: ¿Qué factores afectan a la velocidad de difusión?
Ciertos factores afectan la velocidad de difusión de las sustancias. A continuación se presentan los principales:
- Gradiente de concentración: diferencia de concentración de una molécula en dos regiones distintas. Cuanto mayor sea la diferencia de concentración, más rápida será la velocidad de difusión.
- Distancia: cuanto menor sea la distancia de difusión, más rápida será su velocidad. Esto se debe a que sus moléculas no tienen que viajar tanto para llegar a la otra región.
- Temperatura: la difusión es un fenómeno que ocurre como consecuencia del movimiento aleatorio de las moléculas, derivado de su energía cinética. A mayor temperatura, las moléculas tendrán más energía cinética y más rápida será la velocidad de difusión.
- Superficie: 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.
- Proteínas de transporte: la difusión facilitada se basa en la presencia de proteínas de membrana. Cuanto mayor número proteínas haya en la una membrana, mayor será la velocidad de difusión facilitada.
Ejemplo de difusión celular facilitada: intercambio de gases en los pulmones
Ya hemos hablado de los factores que afectan a la rapidez con la que las moléculas pueden difundirse a través de una membrana. Un gran ejemplo de cómo nuestro cuerpo se ha adaptado para una difusión eficiente es el intercambio gaseoso que se produce entre los capilares y los alvéolos.
Gracias a la ventilación (respiración) y al flujo sanguíneo, se mantiene constantemente una concentración elevada. La ventilación permite el suministro contínuo de oxígeno a los alvéolos, mientras que el oxígeno de la sangre se aleja. Entretanto, la ventilación expulsa el dióxido de carbono y el flujo sanguíneo lo suministra. Esto permite que los gases se difundan desde una concentración alta a una baja.
La distancia de difusión de los gases se mantiene extremadamente pequeña, ya que el endotelio capilar y las paredes de los alvéolos tienen una célula de grosor. Además, los capilares rodean estrechamente los alvéolos, lo que significa que los gases no tienen que viajar mucho. Estas propiedades permiten una distancia de difusión corta y, por tanto, una velocidad de difusión más rápida.
Los numerosos alvéolos presentes en cada pulmón proporcionan una mayor superficie. Esto permite que más oxígeno y dióxido de carbono se difundan a través de la superficie en cualquier momento, lo que lleva a una velocidad de difusión más rápida.
Ejemplo de difusión celular facilitada: transporte de moléculas en el íleon
La difusión facilitada se produce en las células epiteliales del íleon, para absorber moléculas como la glucosa. El íleon también tiene adaptaciones que ayudan a aumentar la velocidad de transporte.
El ileón es la parte del intestino delgado que conecta con el intestino grueso. En el ileón se absorben nutrientes y agua de los alimentos.
Las células epiteliales que forman el íleon contienen microvellosidades. Las microvellosidades son proyecciones, en forma de dedos, que aumentan la superficie de transporte. También hay una mayor densidad de proteínas transportadoras incrustadas en las células epiteliales; esto significa que se pueden transportar más moléculas en cualquier momento.
El flujo sanguíneo continuo mantiene un gradiente de concentración pronunciado entre el íleon y la sangre. La glucosa se desplaza hacia la sangre por difusión facilitada, a través de su gradiente de concentración. Debido al flujo sanguíneo continuo, el nivel de glucosa se mantiene bajo; esto aumenta la velocidad de difusión facilitada. Como el íleon está revestido por una sola capa de células epiteliales, se da una corta distancia de difusión para las moléculas transportadas.
Difusión - Puntos clave
- La difusión es un fenómeno físico en el que moléculas en disolución se desplazan a favor de un gradiente de concentración. La difusión permite el movimiento de moléculas de zonas de mayor concentración a zonas de menor concentración, sin gasto de energía.
- La difusión es fundamental en biología, ya que es utilizada por las células para transportar moléculas a través de las membranas celulares.
- La difusión simple es el movimiento de moléculas desde una región de alta concentración a una región de baja concentración. No se necesita energía, ya que las moléculas se mueven a favor de un gradiente de concentración de forma pasiva.
- La difusión facilitada es el mecanismo por el cual proteínas de membrana transportan moléculas a través de la bicapa de fosfolípidos, a favor de un gradiente de concentración, sin ningún gasto de energía
- La velocidad de difusión viene determinada, principalmente, por el gradiente de concentración, la distancia de difusión, la temperatura, la superficie y las propiedades moleculares.
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