Tensión superficial

NOTA: Si tu nivel de física y matemáticas es bajo, ¡simplemente ignora las fórmulas! Eso no te va a impedir entender la entrada

¿Por qué la savia asciende por el interior de los troncos, si la gravedad "tira" de ella hacia abajo? ¿Por qué las gotas de lluvia tienen esa forma? ¿Por qué las avispas se pueden "sujetar" sobre la superficie del agua? ¿Por qué los líquidos mojan?

Todas estas preguntas se contestan de modo fundamental por el mismo fenómeno físico: la tensión superficial.

- Introducción

La tensión superficial es un fenómeno que se da principalmente en líquidos y es debido a las fuerzas de cohesión entre las moléculas; por ejemplo, de los puentes de hidrógeno en el caso del agua, los enlaces metálicos en el mercurio o las fuerzas de Van der Waals en gases (es decir, estamos hablando de fuerzas causadas en su mayoría por atracción electromagnética, que recordemos que es mayor que la fuerza de la gravedad, razón por la que un imán pegado en la nevera no se cae).  

Los puentes de hidrógeno son los responsables de que esta sustancia tenga una temperatura de ebullición relativamente alta, así como de que las moléculas tengan una fuerza de atracción entre sí (de cohesión) importante, lo que origina el fenómeno de la tensión superficial [Fuente imagen]

Pensemos en un vaso de agua. Mientras que la mayor parte de las moléculas de agua se encuentran en el interior del vaso, rodeadas de otras moléculas de agua, las que se encuentran en la superficie están en contacto con el aire en la parte superior y con otras moléculas de agua tanto por los lados como por la parte inferior. Así, aquellas moléculas que se encuentran rodeadas completamente por moléculas similares podríamos decir que se encuentran en equilibrio, puesto que todas las moléculas las atraen por igual, y en todas direcciones. Sin embargo, esto no es así en las moléculas de agua de la superficie, pues se encuentran en la parte inferior y en los laterales con las moléculas de agua que las atraen fuertemente, debido a la intensidad de los puentes de hidrógeno, y en la parte superior se encuentran con una atracción muy débil debida a los gases del aire (atmósfera). 

En las moléculas de agua que se encuentran en el seno del fluido, rodeadas de otras semejantes, no hay ninguna fuerza neta, puesto que si una molécula la atrae hacia arriba, al estar completamente rodeada, hay otra que tira de ella hacia abajo con igual intensidad. El resultado es que están en equilibrio. En las moléculas de la superficie, sin embargo, hay una fuerza neta, puesto que las moléculas de aire apenas compensan la atracción de las otras moléculas de agua. Esto hace que esas moléculas de la superficie estén unidas  entre sí muy fuertemente, de forma que es difícil separarlas [Fuente imagen]

Esto significa que hay una fuerza neta entre estas moléculas de la superficie; es decir, que están muy fuertemente unidas entre sí, en comparación con las que se encuentran en el seno del fluido, formando una película que es difícil de separar. 

Imagen izquierda: Aunque ya está rebosando, el agua se sigue acumulando en el cubo ya que la atracción de las moléculas de agua sobre las otras hacen que se sostengan formando la película de agua.
Imagen derecha: Un nadador olímpico cuya cabeza está emergiendo del agua: todavía no ha alcanzado la fuerza suficiente como para romper la película de agua que crea la tensión superficial

El que se forme esta película permite que las avispas puedan posarse sobre la superficie de los lagos y las piscinas para beber, o que los zapateros (Gerris lacustris) puedan desplazarse sobre ellas. 
Así que la próxima vez que veas a un insecto posándose o "caminando" sobre el agua, recuerda que se debe a que las moléculas de la superficie están unidas muy fuerte entre sí porque el aire de arriba las atrae menos que las moléculas de agua que se encuentran a sus lados y debajo de ellas.

El zapatero (Gerris lacustris), así como otros insectos, puede desplazarse sobre el agua porque su peso no es fuerza suficiente como para romper la fuerte película de agua formada por la tensión superficial [Fuente imagen]

Por lo tanto, la energía no es la misma para una molécula rodeada de moléculas similares que la de otra que no lo está. A esta diferencia de energías se le conoce como energía superficial, cuya expresión matemática es:
$$U_{sup}= \tau_{sup} \cdot S$$
donde $\tau_{sup}$ es el coeficiente de tensión superficial que nos permite hacernos una idea de lo fuerte que están unidas entre sí las moléculas de una superficie y $S$ es la superficie del líquido. ¡Esto es importante! Este es un fenómeno superficial, no volumétrico. Es decir, lo único que importa es la superficie del fluido, independientemente del volumen total. 

¿En cuál de estos recipientes va a ser mayor la tensión superficial? Respuesta: En todos es la misma, porque la tensión superficial no depende del volumen del líquido, sino de su superficie S

De la misma forma que hay una expresión para la energía superficial, la hay para la fuerza con la que se atraen las moléculas de la película de la superficie. ¿Por qué? ¿Recuerdas lo que hablamos en la entrada de la membrana plasmática [transporte de moléculas pequeñas] sobre el gradiente? Siempre que hay una diferencia de energía (ya sea térmica, eléctrica, etc.), va a aparecer una fuerza cuya función es la de hacer que la situación se homogeneice para llegar a la mínima energía posible (¡es lo que siempre busca la naturaleza! De esto se extrae, por ejemplo, que se nos agote la batería del móvil [pues las cargas de los condensadores que contiene tienden a juntarse para disminuir la energía eléctrica todo lo posible] o que las moléculas prefieran ciertas conformaciones frente a otras [¡arriba las conformaciones ecuatoriales frente a las axiales!] o que unos compuestos sean más ácidos que otros [esto se basa en la estabilidad que resulta de intentar minimizar la energía eléctrica en el anión fruto de la acidificación]. Por lo tanto, podemos expresar:
$$\vec{F}_{sup} = - \vec{\nabla} U_{sup}$$
donde $\vec{\nabla}$ es el símbolo que utilizan los matemáticos y los físicos para expresar lo que es un gradiente y el signo negativo nos quiere indicar que la fuerza tiende a disminuir la diferencia (gradiente) de la energía superficial (¡físicos!: Como veis, esto nos indica que la fuerza deriva de un potencial: es conservativa).

Como lo que se busca es la mínima energía posible, las gotas tienen esa forma. En el espacio, por ejemplo, puede verse cómo las gotas de agua son completamente esféricas - las que nosotros vemos están deformadas porque la gravedad las alaga, originando esa forma de lágrima -. Esto se debe a que la esfera es la forma geométrica que, dado un volumen fijo, tiene la menor superficie posible. Y como hemos visto, la tensión superficial no depende del volumen, sino de la superficie. Por ello, la esfera es la forma para la cual la energía superficial es menor.

En una hoja las gotas de agua son prácticamente esféricas debido a que dichas hojas están impregnadas de sustancias impermeabilizantes (lípidos) que no se mezclan por el agua. Al no existir ninguna fuerza de adhesión a la hoja, hemos de tener en cuenta únicamente las fuerzas de cohesión responsables de la tensión superficial. Para disminuir su energía asociada, adoptan la forma de una esfera

Esto es importante, porque existe otro tipo de fuerza, antagónico al de la cohesión: la fuerza de adhesión, que tiende a que moléculas diferentes se atraigan. Si has tenido un termómetro de mercurio y, como yo, eres algo torpe, habrás podido comprobar lo difícil que es recoger el mercurio del suelo: se forman bolitas completamente independientes entre sí, que no pueden ser absorbidas por una bayeta. Una de tus opciones es ir empujando las pequeñas bolitas hasta hacer una más grande que sea más fácil de coger (el mercurio es tóxico, no lo intentes tocar con la mano desnuda).

El mercurio tiene una tensión superficial muy elevada. Las fuerzas de adhesión son despreciables frente a las de cohesión, razón por la que forma esferas [Fuente imagen]

Esto se debe a que el coeficiente de tensión superficial es tan grande en el mercurio, que la fuerza de adhesión con las moléculas del suelo son despreciables en comparación a las fuerzas de cohesión. Una forma de ver si dada una sustancia predominan sus fuerzas de cohesión o predominan las de adhesión con un material dado, introduce la sustancia en un recipiente de dicho material y observa cómo se curva la superficie del líquido (la forma del menisco). Si, como en el caso del mercurio, las fuerzas de cohesión son tan fuertes, será indiferente al material del recipiente y se replegará sobre sí mismo. 

Formación del menisco en agua (izquierda) y mercurio (derecha) [Fuente]

En cambio, en el caso del agua, por ejemplo, las fuerzas de cohesión son menores que las de adhesión y su menisco tiene la forma inversa. Esto es lo que permite que el agua ascienda por los canales de las plantas (xilema), ya que las moléculas de estos canales "tiran" más de las partículas de agua que lo que la fuerza de gravedad tira hacia abajo de ellas.

Las fuerzas que atraen a las moléculas de agua y las del tubo son mayores que aquellas que atraen a las moléculas de agua entre sí, razón por las que el líquido asciende. A este fenómeno se le llama capilaridad [Fuente imagen]

- Medición de la tensión superficial (si te aburre, ¡sáltate esta parte!)
Si vas a ir a algún laboratorio de física, ya sea en el grado de Química, de Biología o desde la propia Física, lo más seguro es que tengas una práctica para medir la tensión superficial. El procedimiento más común es utilizar el método de Nouy, más que nada porque es fácil y barato. Nosotros lo haremos para medir la tensión superficial del agua según vamos variando la tempertatura (de 0ºC - 85ºC) y al añadir jabón.

Montaje experimental

En él, tienes un calorímetro en una plataforma elevadora y, en la parte superior, un anillo unido a un dinamómetro [ver imagen del montaje experimental, arriba]. ¿En qué consiste? Sumerges completamente el anillo dentro del agua y lentamente vas subiendo la plataforma elevadora hasta que llega un punto en el que notas la tirantez de la película de agua. Es decir, notas que no puedes sacar el anillo fácilmente porque las moléculas de agua que están justamente por encima de él están fuertemente unidas entre sí. En ese momento, debes anotar el valor que marca el dinamómetro. ¿Por qué? Porque estás en un equilibrio de fuerzas, donde las fuerzas que tiran hacia arriba del anillo (la tensión del hilo que lo ancla al dinamómetro) y las fuerzas que tiran de él hacia abajo (el peso + la fuerza superficial) son iguales, por ello no se mueve el anillo, se queda en reposo (¡1ª Ley de Newton!):

$$\sum \vec{F}_{neta}= \vec{T} +\vec{P} + \vec{F}_{sup} = 0 \to T - P -F_{sup} = 0  $$
$$\boxed{T= P+F_{sup}}$$

Es decir, el dinamómetro lo que marca es la tensión,T, que percibe, por lo que para calcular la fuerza que se debe a la tensión superficial habrás de restarle a la tensión el peso del anillo.

Esta parte es un poco más técnica, así que, si quieres, fíjate únicamente en las expresiones recuadradas... ¡o pasa a la siguiente sección! ¿Cómo calcular, a partir de aquí el valor del coeficiente de la tensión superficial? Si recordáis lo visto en la ecuación ():
$$U_{sup} = \tau_{sup} \cdot S$$
donde aquí $S$ representa la superficie del fluido encerrada por el anillo: $S= \pi r_m^2$ ($r_m$ es el radio medio del anillo).
Entonces, la fuerza que estamos midiendo es:
$$\vec{F}_{sup}=- 2 \times \vec{\nabla} U_{sup} \to F_{sup} = -2 \times \frac{\partial (\tau_{sup} 2 \pi r_m^2)}{\partial r_m} $$
¿De dónde sale el 2? De que la fuerza actúa tanto sobre la cara interna del anillo como por la externa (hay dos superficies). Para hacer el gradiente, hemos tenido en cuenta que lo único que varía es el radio (¡físicos!: el gradiente no es recomendable hacerlo en cartesianas. He dejado las parciales en vez de poner derivadas absolutas para remarcar esto). Entonces:
$$\boxed{F_{sup} = \tau_{sup} \cdot4 \pi r_m}$$
Despejando de esta ecuación podremos fácilmente calcular el coeficiente.


- Cómo se comporta el coeficiente con la temperatura y el jabón (¡esto es lo interesante!)

1. Variación con la temperatura
Cuanta mayor temperatura posee un cuerpo, más se mueven las partículas que lo constituyen (mayor energía cinética. Para una molécula de un gas ideal, de hecho, la relación es $E_k= \frac{3}{2}K_bT$, donde $K_b$ es la constante de Bolztman). Y cuanto más se mueven, más se agitan, menos unidas están entre sí y menores son sus fuerzas de cohesión. 

Al aumentar la temperatura, aumenta el movimiento de las partículas, de forma que cada vez están menos unidas y las fuerzas que las cohesionan son menores [Fuente imagen]

Esta es la principal diferencia entre el vapor de agua, el agua líquida y el hielo: en el vapor agua, las moléculas están a temperaturas relativamente altas, de formas que las fuerzas de cohesión entre sí son despreciables. En el hielo, así como en el resto de sólidos, las partículas están limitadas a poco más que movimientos de vibración: las fuerzas de cohesión son muy fuertes.

La principal diferencia entre un sólido, un líquido y un gas son las fuerzas de cohesión entre las moléculas. Así, en un sólido son muy fuertes, y éstas apenas se mueven. En un gas, son muy débiles - de hecho, en un gas ideal no hay -. [Fuente imagen]

Por lo tanto, si la tensión superficial se debe a que las moléculas de agua se atraen muy fuertemente entre sí, cuanto mayor sea la temperatura, menos se atraerán y menor será la tensión superficial. Es decir, la tensión superficial disminuye con la temperatura. Esta es la razón por las que se lava mejor con el agua caliente: como las partículas están menos cohesionadas entre sí (hay menor tensión superficial), el agua "moja" más y es capaz de penetrar por canales más estrechos. He aquí la clave: cuanto menor es la tensión superficial [menores fuerzas de cohesión], más mojan los líquidos, puesto que las fuerzas que los atraen hacia el material que queremos mojar (fuerzas de adhesión) son mayores.

Es también importante señalar el curioso caso del agua: el hielo (forma sólida) flota sobre el agua (forma líquida). Si recuerdas a Arquímedes, esto significa que el hielo es menos denso que el agua (dicho brutamente, el agua líquida "pesa" más que el hielo y por eso se hunde con respecto al hielo). Sin embargo, si los sólidos son formas en las que las partículas están muy juntas entre sí, deberíamos esperar que la densidad fuera mayor. Esto es así como norma general, pero el agua se la salta. ¿A qué se debe este fenómeno? Ciertamente, y como buen sólido, en el hielo las moléculas de aguas están prácticamente fijas, pero en una estructura que deja muchos huecos entre sí. Son tan grandes, que superan los huecos que dejan las moléculas de agua en estado líquido.

En el hielo, las moléculas de agua tienen una estructura muy ordenada, en la cual la distancia entre las propias moléculas es mayor que en el caso del agua líquida. Esto es lo que hace que el hielo sea menos denso que el agua - y, por ende, que flote sobre ella como ocurre con los icebergs -. [Fuente imagen]

Podemos ver que la densidad del agua va aumentando a medida que disminuimos la temperatura (las moléculas se van quedando más quitas y unidas), llegando a los 4ºC - donde alcanza su máximo - cuando, de repente, la densidad comienza a disminuir (así hasta que llega a hielo), dando lugar al fenómeno extraño [anomalía del agua] del que hemos estado hablando.

Imagen de la anomalía térmica del agua (cómo el máximo de la densidad se alcanza a los 4ºC para luego disminuir, a pesar de acercarse a la fase sólida) [Fuente imagen]

¿Dependerá la tensión superficial de la densidad del agua? Quiero decir, si la tensión superficial aumenta cuanto más juntas estén las partículas (mayores sean las fuerzas de cohesión), cabría esperar que la tensión superficial fuera aumentando hasta los 4ºC, al igual que la densidad, y comenzara a bajar. Es decir, parece lógico que la tensión normal sigue alguna ley de proporcionalidad con la densidad. ¿Qué nos dicen los datos experimentales?

Como puede observarse en el gráfico, hay una tendencia a disminuir la tensión superficial a medida que aumenta la temperatura, sin apreciarse ninguna anomalía en el agua al acercarse a los 4ºC
[1] Volkov, Voljak. 1983, International Tables of the Surface Tension of Water

Moscow Aviation Institute , Moscow / J. Physical Chemistry / pag. 819

[Experimental Data] Laboratorio de Física de la Universidad Autónoma de Madrid. 2016.

Es decir, experimentalmente no se aprecia ninguna relación entre la densidad del agua y el valor de la tensión superficial de la misma. Esto podría deberse a dos causas:

1. Ciertamente, la tensión superficial de un líquido y su densidad son independientes entre sí.
2. Nuestros experimentos no tienen la capacidad suficiente como para detectar dicha dependencia.

Y así es la ciencia. Hasta que no se demuestre experimentalmente que dependen, no podemos decir mucho más.


2. Variación con el tensioactivo (jabón)
El jabón está compuesto principalmente por unos lípidos llamados acilglicéridos que constan de una cola hidrófoba (inmiscible con el agua) y una cabeza polar, hidrófila. Debido a esta parte, las moléculas rodean al agua, evitando su interacción con otras moléculas de agua - y, por ello, disminuyendo las fuerzas de cohesión totales de la solución jabonosa -.

Hemos observado que la tensión superficial disminuye hasta un 28% al añadir una cantidad $Q$ de jabón. La variación es mayor a medida que vamos aumentando la concentración de tensioactivo en la solución jabonosa.
Por lo tanto, podemos ver que, tal y como esperábamos, la tensión superficial disminuye al añadirle un tensioactivo (jabón).

Membrana plasmática

- ÍNDICE -

1. Definición y funciones principales

2. Composición

3. Propiedades físicas
4. Glucocálix
5. Transporte de moléculas pequeñas
6. Transporte de moléculas grandes
7. Superficie celular

1. DEFINICIÓN Y FUNCIONES

La membrana plasmática es un componente celular con diversas funciones, como la de aislar y proteger el interior celular, permitir intercambiar sustancias de una forma regulada e interaccionar con otras células.

Las membranas de las células están compuestas, en orden de abundancia, de lípidos, proteínas y glúcidos

2. COMPOSICIÓN DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA

Está compuesta por una capa doble (bicapa) de lípidos (componente más abundante) , proteínas y algunos glúcidos.

A) LÍPIDOS

En cuanto a los lípidos que la componen, podríamos decir que son, principalmente:

1. Fosfolípidos: Son el ácido graso mayoritario. Tienen una parte hidrófila y otra hidrófoba. Esto condiciona la morfología de los agrupaciones de fosfolípidos, que tienden a disminuir las partes hidrófobas en contacto con el agua. Debido a la morfología cilíndrica de un fosfolípido, esta agrupación es la bicapa. Algunos tipos de fosfolípidos son las cefalinas, lecitinasd o la Fosfatidilserina, la única con una cabeza polar negativa, responsable de que la carga en el interior de la célula sea negativa con respecto al exterior.  Los fosfolípidos no pueden pasar de una bicapa a otra de la membrana salvo circunstancias especiales (por ejemplo, unidos a una traslocasa de lípidos), pero sí pueden hacer desplazamientos laterales – que son muy rápidos: pude llegar a haber hasta $10^7$ difusiones laterales en un solo segundo -.

2. Esfingolípidos. Un ejemplo es la esfingomielina, presente en las neuronas e implicada en la velocidad de la transmisión del impulso nervioso.

3. Glucolípidos. Poco abundantes pero esenciales ya que están implicados en el reconocimiento celular.

4. Colesterol. Aproximadamente el 35% de todos los lípidos que componen la membrana y, en relación a los cuales, es de un tamaño pequeño.

B) PROTEÍNAS

Las proteínas también desempeñan funciones muy variadas, como la enzimática, la estructural, la de transporte o la de recepción de información (se verá más adelante). Podemos encontrarnos proteínas integrales (completamente insertas en la membrana, de forma que necesitamos detergentea para separarlas) o proteínas periféricas (con una unión mucho más débil a la membrana).

Izquierda: comparación entre una proteína integral de membrana en alfa hélice (como en los canales o las bombas celulares) y en beta-lámina (permite la entrada considerable de agua en mitocondrias, células vegetales...)

1. Proteínas integrales. Pueden tener tanto estructura alfa hélice como lámina beta. Las proteínas de alfa hélice tienen la parte hidrófoba hacia el interior de la membrana. Los canales de las células son de este tipo. Sin embargo, una proteína en beta-lámita forma unas estructuras de barril (aunque las partes hidrófilas siguen quedando hacia el exterior), que permiten la entrada masiva de agua y las sustancias que ésta contenga. Están presentes en mitocondrias, células vegetales, cloroplastos y bacterias.

2. Proteína periféricas. Pueden anclarse a la membrana de muchas formas: covalentemente, iónicamente, asociándose a proteínas integrales de membrana o insertándose parcialmente en la membrana. Hay un ejemplo especial, las proteínas unidas de forma covalente con cola GPI, que conforman los antígenos de superficie.

Al igual que ocurría  en los fosfolípidos, las proteínas pueden trasladarse e incluso rotar, pero no pueden pasarse de una bicapa a otra. Aunque presentan cierto dinamismo, cuando las proteínas se encuentran asociadas a las proteínas del citoesqueleto o formando desmosomas (uniones de células muy fuertes, que impiden el paso de sustancias), permanecen quietas.

3. PROPIEDADES FÍSICAS

Las propiedades físicas dependen de los lípidos.

Las propiedades de la membrana son:

a) Fluidez. Es de suma importancia, pues algunos procesos de transporte y actividades enzimáticas pueden detenerse cuando la viscosidad de la bicapa se incrementa más allá de un nivel umbral. La fluidez depende de tres factores: saturación, temperatura y del colesterol. En cuanto a la saturación: Si hay alguna instauración en el ácido graso, el empaquetamiento entre fosfolípidos es menor y, por lo tanto, hay mayor fluidez. Además, una menor longitud en la cadena reduce la tendencia de las colas hidrocarbonadas a interaccionar entre sí. En cuanto a la temperatura: A mayor temperatura, mayor fluidez. Y, por último, en cuanto al colesterol: El colesterol se inserta en la bicapa de forma que su región más rígida y plana interactúa con – y en parte inmoviliza –parte de los fosfolípidos. Por lo tanto, disminuye su movilidad, incrementando su rigidez y reduciendo su permeabilidad a pequeñas moléculas solubles en agua. Además, a bajas temperaturas, el colesterol impide que se solidifique la membrana.

b) Asimetría. Los fosfolípidos no se distribuyen igual en ambas caras, como también ocurre con las proteínas; es decir, los fosfolípidos presentes en la cara interna de la membrana son diferentes a los que aparecen en la cara externa. Un ejemplo de esto es la Fosfatidilserina, que sólo se muestra en la membrana interna (sólo se muestra en la externa si la célula va a sufrir apoptosis). Por otra parte, la esfingomielina suele aparecer en la cara externa y, además, forma las balsas lipídicas. El colesterol puede estar en ambas regiones, y es la única molécula lipídica que puede hacer un movimiento de flip-flop (pasarse de una bicapa a otra). Los lípidos que tienen restos glucídicos (glucolípidos), se muestran en la cara exterior.

La asimetría permite diferencias de carga eléctrica entre el medio intracelular y el extracelular (potencial de membrana. En el interior el potencial es negativo, puesto que está la F. Serina), permite el reconocimiento celular y la señalización de células muertas (pues, como dijimos, la Fosfatidilserina sólo aparece en la cara externa cuando la célula está sufriendo apopotosis), etc.

Las proteínas - y fosfolípidos - presentes en las diferentes bicapas de la membrana no son iguales. SM=Esfingomielina. PS=Fosfatidilserina. PC= Fosfatidilcolina

c) Heterogeneidad. La distribución de los componentes dentro de la célula es distinta; están localizados en zonas concretas, como los lipid rafts, en los cuales se acumula un fosfolípido concreto, e incluso colesterol. Son rígidas, tienen mayor grosor (debido a que las cadenas de los esfingolípidos de las mismas son más largas y rectas que las del resto de lípidos de membrana, lo que permite acomodar mejor ciertas proteínas) y se mantienen unidos por fuerzas de Van der Waals. En ellas se encuentran determinadas proteínas que viajan juntas (se agrupan porque deben estar próximas entre sí para su correcto funcionamiento).

4. GLUCOCÁLIX

El glucocálix es una región de glúcidos que recubre las células, y sus funciones son la protección o la de facilitar la adhesión.

El glucocálix es una región de la membrana plasmática externa recubierta de glúcidos con diversas funciones [Fuente]

5. TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANA (MOLÉCULAS PEQUEÑAS)

Las sustancias pueden atravesar la membrana por sí mismos o con ayuda. En realidad, todas las sustancias, pasado un determinado tiempo que puede variar mucho dependiendo de las características de las mismas (hidrofobia, tamaño, carga…), terminarían atravesando la membrana. Las sustancias que están libres en el citoplasma (moléculas pequeñas y apolares, como el oxígeno, el nitrógeno o el dióxido de carbono u moléculas apolares como las hormonas esteroideas) a veces consiguen atravesarlas por sí mismas (difusión simple). El agua, al igual que la urea, también es capaz de atravesar la membrana, aunque este proceso es más lento. Por otra parte, las moléculas más grandes, necesitan facilidades para el transporte, puesto que son incapaces de atravesar por sí mismas la membrana.

Muchas moléculas, debido a su pequeño tamaño, pueden atravesar la membrana plasmática por sí solas

Es recomendable aclarar lo que es el gradiente. Éste implica la diferencia de una magnitud en diferentes regiones del espacio. Por ejemplo, que haya una temperatura diferente en el aire cercano a un radiador encendido respecto a un lugar alejado a él, supone una diferencia de temperatura, un gradiente de temperatura, que lleva asociado el movimiento de las partículas de aire con el fin de homogeneizarlo todo. También pueden ser provocado por el desequilibrio de otras dos magnitudes:

a) Gradiente de concentración. Que en una zona haya mayor concentración de una determinada sustancia que en la otra. Ósmosis.

b) Gradiente eléctrico, debido a la carga; es decir, a los iones que se encuentran en ambos medios celulares.

Cuando se tienen en cuenta tanto el de concentración como el eléctrico (en moléculas con carga), el gradiente resultante es el electroquímico.

Ejemplo del gradiente de concentración

Por lo tanto, podemos diferenciar tres formas de atravesar la membrana:

1. Difusión Simple. Ésta no sucede para igualar gradientes entre el medio extracelular y el intracelular, sino que se debe a la probabilidad (si hay más concentración de cierta molécula en el medio extracelular, por ejemplo, es más probable que estas moléculas entren a que salgan). Por esto se dice que siempre la difusión simple va a ser a favor de gradiente (por lo que no va a requerir gasto de energía). La difusión simple, en conclusión, no requiere transportadores ni es selectiva.

2. Transporte Pasivo. Puede deberse a canales o a proteasas. Sin gasto de energía y a favor de gradiente.

a) Proteínas canal. Estas proteínas tienen tres características: son muy específicas (sólo ión cloruro, o ión sodio, etc.), dan lugar a un transporte muy rápido (siendo esto esencial para ciertos procesos) y no están siempre abiertos. Algunos ejemplos de canales son:

- Canales de Agua. Se les llama acuaporinas, y sólo permiten el paso de agua debido a que poseen ciertos restos internos. Sin embargo, estos canales están siempre abiertos. Su estructura es hélice-alfa y son muy importantes en el riñón (nefronas) y en las plantas

Acuaporina [Fuente] 

- Canales de Sodio. Los iones en disolución están asociados a las moléculas de agua. Una molécula Na⁺ - H₂O puede pasar perfectamente por este canal, pero la asociación K⁺-H₂O es demasiado grande; no cabe.

- Canales TRP. Se abren por la diferencia de temperatura. Actúan como receptores de temperatura (por ejemplo, el canal CMR1 se abre con el metanol, y l VRL-1, con la capsaicina del chile picante).

Como se dijo antes, los canales no están siempre abiertos, sino que pueden estar cerrados e, incluso, inhibidos. Los que se abren y cierras pueden depender, o bien del ligando (ej.: sinapsis -> Cuando el neurotransmisor se liga a un lugar específico, el canal se abre), o bien de la temperatura (como los recién descubiertos TRP), o bien del voltaje (ej.: canal de K⁺ -> Cuando se invierte el potencial de membrana [región intracelular positiva; extracelular, negativa], se abre este canal, de forma que los iones K⁺ salen). Por otra parte, los canales pueden ser inhibidos por toxinas, como ocurre con medicamentos contra la acidez estomacal (omeprazol, almax…), pues bloquean los canales de Cl^-.

b) Permeasas (Transportadores de membrana). Transportan moléculas grandes sin carga, como la glucosa (azúcares, aminoácidos y nucleótidos). El soluto se une a un lugar específico de la permeasa. Ésta cambia su conformación, de forma que disminuye su afinidad con el sustrato y la suelta (ya en el medio intracelular).

                                                    Permeasa [Fuente]

3. Transporte Activo. Sucede en contra de gradiente de concentración y con gasto de energía (ATP, luz …). Se gasta mucha energía para mantener el potencial de membrana, para lo que ha de controlarse la concentración absoluta de las diferentes sustancia

En un medio hipotónico, para evitar la plasmólisis, las células vegetales han desarrollado la pared vegetal [rígida, difícilmente deformable]; los protozoos acumulan el agua en vacuolas que luego expulsan y las células animales sueltan hacia el exterior iones (lo cual se realza en contra de concentración y, por lo tanto, requiere energía).

La rigidez de la pared vegetal evita la plasmólisis en las células vegetales [Fuente]

Al mismo tiempo, hay varios tipos de transporte activo:

a) Bombas. Utilizan principalmente ATP y luz. Podemos encontrarnos diferentes tipos:

a.1) Bombas F₀/F₁: La F₀ es un complejo proteico integral localizado en la membrana interna mitocondrial o del cloroplasto. Cuando recibe H⁺, los desvía (la dirección a la que los envía no es la misma de la que proceden), de forma que  una proteína  rota en uno o en otro sentido, permitiendo sintetizar o hidrolizar al ATP.

Bomba del tipo F0-F1, capaz de sintetizar o hidrolizar ATP, dependiendo del sentido en el que rote la proteína [Fuente]

a.2) Bombas ATPasas: El ejemplo por excelencia de esta familia es la bomba de Na+/K+, que introduce dos iones potasio en la célula y saca al exterior 3 de sodio (dicho grosso modo: hace el exterior más positivo y el interior más negativo). En el medio extracelular hay una concentración de iones de sodio más elevada que en el medio intracelular, por lo que va en contra del gradiente de concentración (lo cual implica consumo de ATP).

Bomba de sodio-potasio [Fuente]

a.3) Transportadores ABC: Estas bombas transportan moléculas grandes, iones… Ejemplo: transportador CFTR: Proteína implicada en la fibrosis quística.  Si hay una mutación en esta proteína, apenas sale ión cloruro al exterior y, por lo tanto, tampoco sale agua, por lo que el moco es muy poco fluido, lo cual da lugar a la fibrosis quística.

b) Portadores.  También llamados carriers. Puede ser:

- Uniporter (sólo se transporta una molécula y su velocidad viene dada por la concentración de dicha molécula en el medio)

El transporte activo se hace desde donde hay menor concentración hacia donde hay mayor concentración (en contra de gradiente) y con gasto de energía (ATP, como se ve en la imagen) [Fuente]

- Simporter (dos moléculas en el mismo sentido -> Ejemplo: Na⁺/Glucosa. Introduce la glucosa en la célula transportando simultáneamente Na+).

Por otra parte, la localización de las bombas y los portadores es de suma importancia. El complejo de unión entre células impide que un compuesto pueda trasladarse de la zona apical hacia la basal.

- Antiporter (dos moléculas en sentido contrario -> Na⁺/Ca²⁺)

En resumen, podemos concluir que las formas de transportar moléculas pequeñas son muy variadas, pudiendo clasificarse como:

6. TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANA (MOLÉCULAS GRANDES)

6.1. ENDOCITOSIS
Podemos distinguir dos formas principales de transporte de moléculas de tamaño grande a través de la membrana plasmática (endocitosis): pinocitosis (moléculas relativamente pequeñas) y fagocitosis (Estructuras muy grandes, como bacterias, virus o cuerpos extraños). La pinocitosis, a su vez, puede ser de varios tipos: macropinocitosis (introducción de gran cantidad de agua), por vesículas recubiertas de clatrina, vesículas desnudas o por vesículas recubiertas de caveolina. Todas las vesículas se forman por la invaginación de la membrana.

1. Pinocitosis.

1.1. Macropinocitosis. La célula proyecta parte de su membrana hacia el exterior formando un brazo que se va a fusionar con otra zona cercana de la membrana plasmática. La formación de este brazo se debe a la polimerización de actina

Proyección de un brazo de actina para incluir endocitar un virus. Macropinocitosis. [Fuente]

1.2. Vesículas recubiertas por clatrina. La introducción de una sustancia en la vesícula es muy específica, pues está mediada por receptores (que son proteínas integrales de membrana, de las que hablamos previamente). Los receptores aparecen en la membrana plasmática. La clatrina es una proteína que tiene una conformación peculiar, pues está formada por unidades llamadas triskelion que, unidas forman una estructura de red o canasta. 

Molécula de clatrina, formado por trsikelion (azul clarito) [Fuente]

En el endosoma, por otra parte –que es un compartimento membranoso (no es un orgánulo), intermediario entre el aparato de Golgi y el lisosoma –   se unen todas las vesículas de la endocitosis mediada por clatrina. Como en su interior el pH es ácido, se produce la liberación del receptor y del ligando provenientes de la vesícula. Este endosoma temprano, con los contenidos de la vesícula en su interior, se va acidificando por la acción de bombas de protones  para finalmente llegar, mediante la fusión de varios endosomas, a un lisosoma, donde el pH es muy bajo (aprox. 4.5), lo que permite la degradación de los compuestos que habían llegado por la vesícula (así, por ejemplo, queda el colesterol libre para la célula). 

Producción de una vesícula recubierta por clatrina [Fuente]

Los receptores se reciclan en la membrana plasmática soltándose como vesículas, las cuales viajan gracias a proteínas motoras que van sobre carriles normalmente de microtúbulos.

Molécula kinesina "caminando" sobre un microtúbulo mientras transporta una vesícula

1.3. Vesículas recubiertas por caveolina (Caveolas). Éstas siempre están formadas y aparecen especialmente en el endotelio. Se encargan, por ejemplo, del transporte de HDL. En ellas, al igual que en las lipid rafts (balsas lipídicas), los esfingolípidos y el colesterol son muy numerosos, pero se diferencian de éstas en que poseen dos subunidades de caveolina. Estas vesículas, al contrario de las recubiertas por clatrina, no van al endosoma, sino al caveosoma (en su interior, el pH no es ácido y, además, es de menor tamaño que en endosoma). 

Tipos de endocitosis [Fuente]

2. Fagocitosis. Introducción de grandes moléculas y cuerpos. En este proceso, la actina comienza a polimerizar, engloba al cuerpo hasta que forma una vesícula llamada fagosoma. A éste se le unen lisosomas y vesículas del endosoma, recibiendo entonces el nombre de fagolisosoma, donde se degrada el cuerpo que se halla en su interior.

Proceso de fagocitosis [Fuente] 

6.2. TRANSCITOSIS. No se trata de un proceso de introducción o extracción de sustancias a través de la membrana plasmática, sino del envío de sustancias de una parte de la célula hacia otras. Los marcadores y las proteínas de una región de la membrana se encuentran inmovilizados, de forma que para enviarlos de un extremo a otro de la célula, cruzando la misma, se utilizan vesículas de transporte. Es decir, se produce una invaginación en la región de la membrana plasmática donde se encuentra el receptor para englobarlo en una vesícula que ya puede enviarse al destino requerido.

La transcitosis es el transporte de una sustancia desde una zona de la célula a otra mediante vesículas [Fuente]

6.3. EXOCITOSIS.  Expulsión de compuestos intracelulares. Las vesículas proceden del aparato de Golgi y. Las proteínas encargadas de la fusión entre las vesículas y la membrana plasmática son las SNARE.  Cuando se aproximan entre sí, comienzan a enrollarse de forma que acercan la vesícula hacia la membrana hasta que se produce la fusión de las bicapas lipídicas. Algunas proteínas SNARE se recuperan y reciclan por endocitosis. Proteínas SNARE (negro) que, al irse enredando, permiten la fusión de membranas [Fuente] Hay dos tipos: 4.1. Exocitosis Constitutiva. Sucede continuamente, como por ejemplo la síntesis de lípidos y proteínas de membrana 4.2. Exocitosis Regulada. Productos de secreción específicos, como las sustancias que componen la mucosa del tracto respiratorio.  7. SUPERFICIE CELULAR 1. Composición. En la membrana plasmática se encuentran moléculas de adhesión celular que permiten la unión de una célula con otra célula o con la matriz extracelular. Algunas son la cadherina, selectina, integrina. a) Cadherinas. Aparece por ejemplo en las sinapsis  y, especialmente, en embriones. De hecho, a medida que éste se desarrolla, este tipo de uniones, inicialmente tan numerosas, van siendo reemplazadas por otro tipo. b) Selectinas. Proteínas con afinidad hacia restos azucarados. Aparece en el endotelio, en células sanguíneas (permite la diapédesis) y en las plaquetas (favorece la coagulación sanguínea). c) Integrinas. [Fuente] 2. Uniones intercelulares. En el tejido epitelial es en el que más uniones intercelulares hay. Esto se debe a que una de sus funciones principales es la de revestir, impermeabilizar y proteger. 1.1. Uniones Ocluyentes. Las células están unidas fuertemente entre sí, formando redes e impidiendo el paso de sustancias, incluso de agua, entre las propias células. Cuando hay varias así unidas, forman una zona ocludens.  Unión entre las células [Fuente] 1.2. Uniones Adherentes. a) Desmosomas en banda. Desmosomas en banda [Fuente] b) Desmosomas puntuales. Tienen una distribución más dispersa que los desmosomas en banda. c) Hemidesmosomas. Son desmosomas que unen las células epiteliales con la matriz extracelular. Están unidos en la parte interior a filamentos de queratina y, en la parte exterior, con la lámina basal. Demosomas puntuales y hemidesmosomas (abajo)[Fuente] 1.3. Uniones Comunicantes. Permiten el paso de diferentes sustancias. Además, estas uniones están formadas por pequeñas moléculas (conexinas) que se unen formando un poro (conexón) de tamaño relativamente grande (1.5 nm) Las proteínas conexinas se unen (6 unidades) formando un conexón: canal de comunicación entre dos células [Fuente] 3. Especialización (Diferenciación) de la membrana Podemos encontrar, en tejidos como el epitelial, donde hay polaridad (hay una diferencia morfolófica o de composición entre la zona superior y la inferior), diferentes especializaciones: 3.1. Apicales a) Microvellosidades. Son proyecciones de la membrana que aparecen en la región apical de la membrana y que aumentan la superficie expuesta de la misma. Su conformación se mantiene por filamentos de actina (la red de filamentos de actina se une con los filamentos de los desmosomas en banda). Microvellosidades, como podrían ser las intestinales[Fuente] b) Estereocilios. Son estructuras similares a las microvellosidades (es decir, son proyecciones de la membrana) pero de mayor tamaño. Al ser tan grandes, se anastomosan (en algunas regiones se fusionan). Su función es incrementar la superficie de absorción (en el epidídimo –> testículos) e intervienen en el sentido del equilibrio (en el oído). c) Cilios. Están presentes en numerosos organismos unicelulares. Tienen una función motora. En el aparato respiratorio se encargan del movimiento del moco, y en las trompas de Falopio, del óvulo. d) Flagelos. Son similares a los cilios, pero tienen mayor tamaño y, además, su movimiento es de rotación. Los flagelos y los cilios se diferencian en el tamaño y el tipo de movimiento que producen [Fuente] 3.2. Laterales: Interdigitaciones Aumentan la superficie de contacto entre células (lo cual permite una mejor adhesión, puesto que hay más espacio para desmosomas y uniones comunicantes). 3.3. Basales: Invaginaciones Se incrementa la superficie de contacto entre la célula epitelial y el tejido conjuntivo. Aparecen en tejidos donde es muy necesario el intercambio de sustancias. Interdigitaciones de la membrana