¿Qué son las membranas semipermeables?
Las membranas semipermeables, también denominadas “selectivamente permeables”, son membranas que permiten el paso de algunas sustancias, pero impiden el paso de otras a través de ellas. Estas membranas pueden ser naturales o sintéticas.
Las membranas naturales son las membranas de todas las células vivas, y las sintéticas, que pueden ser de origen natural (celulosa) o no, son las que se sintetizan para diferentes usos.
Un ejemplo de la utilidad de las membranas semipermeables artificiales o sintéticas son las que se emplean para los aparatos de diálisis renal, o las que se utilizan para filtrar mezclas en la industria o en diferentes procesos químicos.
El paso de sustancias a través de una membrana semipermeable ocurre por diversos mecanismos. En las membranas celulares y en las sintéticas puede ocurrir por difusión a través de poros de diferentes diámetros, que “seleccionan” por tamaño las sustancias que atraviesan la membrana. También puede suceder que las sustancias ingresen por difusión disolviéndose en la membrana.
En las células vivas, el paso de sustancias por las membranas puede ocurrir por medio de transportadores que actúan a favor o en contra de los gradientes de concentración de las sustancias. Un gradiente, en este caso, es la diferencia de concentración existente para una sustancia a ambos lados de una membrana.
Todas las células de la Tierra tienen membranas, que protegen y separan sus componentes internos del medio externo. Sin membranas no hay células y sin células no hay vida.
Características de las membranas semipermeables
– Permeabilidad selectiva. La característica principal es su capacidad para permitir el paso de ciertos tipos de moléculas o iones y bloquear otros. Esta permeabilidad selectiva es esencial para regular el equilibrio químico en sistemas biológicos y procesos industriales.
– Tamaño de los poros. Estas membranas tienen poros o aberturas de un tamaño específico que determina qué sustancias pueden pasar a través de ellas. Esta propiedad es fundamental para seleccionar moléculas o iones.
– Regulación del paso de agua. En muchos casos, estas membranas regulan especialmente el paso del agua, fenómeno conocido como ósmosis, y es esencial para mantener el equilibrio osmótico en las células.
– Difusión selectiva. El paso de sustancias a través de la membrana semipermeable ocurre por difusión, permitiendo que las moléculas se muevan desde un área de mayor concentración hacia un área de menor concentración.
– Control del transporte de sustancias. En las células, las membranas semipermeables desempeñan un papel crucial al controlar el transporte de sustancias, permitiendo que nutrientes esenciales entren en la célula y asegurando la eliminación de desechos.
– Intercambio iónico. En la electrodiálisis, las membranas semipermeables permiten el intercambio selectivo de iones, lo que resulta útil para separar y purificar soluciones iónicas.
– Composición. Estas membranas se componen de diversas proteínas, a saber: las que forman los canales iónicos o poros, as proteínas transportadoras, las proteínas que unen una región celular con otra y permiten formar los tejidos y las proteínas receptoras que se acoplan a cascadas intracelulares.
Transporte en las membranas semipermeables
En una membrana biológica semipermeable, el transporte puede ser por difusión simple, difusión facilitada, cotransporte, transporte activo y transporte activo secundario.
- Transporte por difusión simple. En este tipo de transporte, la energía que mueve las sustancias a través de la membrana es la diferencia de concentración que existe para esas sustancias a ambos lados de la membrana. Así pues, las sustancias pasan en sentido más→ menos, es decir, del sitio donde están más concentradas al sitio donde están menos concentradas. La difusión puede ocurrir porque la sustancia se diluye en la membrana o pasa a través de poros o canales. Los poros o canales son de dos tipos: los que siempre están abiertos y los que se abren y cierran, es decir, que están transitoriamente abiertos. Los poros transitoriamente abiertos a su vez pueden ser voltaje-dependientes, es decir, que se abren en respuesta a un determinado voltaje, y ligando-dependientes, que deben unirse a alguna sustancia química específica para abrirse.
- Transporte por difusión facilitada. En este caso, un transportador traslada la sustancia que se transportará de un lado a otro de la membrana. Estos transportadores son proteínas membranales que pueden estar en la membrana permanentemente o en vesículas que se funden a esta cuando se necesitan. Estos transportadores trabajan también en favor de los gradientes de concentración de las sustancias que transportan. Estos tipos de transporte no requieren el consumo de energía, y por ello se denominan transportes pasivos, puesto que ocurren a favor de un gradiente de concentración.
- Cotransporte. Otro tipo de transporte pasivo a través de las membranas semipermeables es el denominado cotransporte. En este caso, se aprovecha el gradiente de concentración de una sustancia para el transporte concomitante de otra en contra de su gradiente. Este tipo de transporte puede ser de dos formas: el simporte, en donde las dos sustancias se transportan en el mismo sentido, y el antiporte, en el que una sustancia se transporta en un sentido y la otra en sentido contrario.
- Transporte membranal activo. Estos requieren energía y los que se conocen utilizan ATP, por lo que se llaman ATPasas. Estos transportadores con actividad enzimática hidrolizan ATP para obtener la energía que se requiere para el movimiento de las sustancias en contra de su gradiente de concentración. Se conocen tres tipos de ATPasas:
- Las bombas Na+/K+ y las bombas de calcio (calcio ATPasas). Estas tienen una estructura formada por una subunidad α y otra ß incrustada dentro de la membrana.
- Las ATPasas V y las ATPasas F, que tienen una forma de tallo característica compuesta por varias subunidades y una cabeza que rota alrededor de las subunidades del tallo. Las ATPasas V sirven para bombear hidrogeniones en contra de gradiente de concentración, en el estómago y en los lisosomas, por ejemplo. En algunas vesículas, como las dopaminérgicas, hay bombas de hidrógeno de este tipo que bombean H+ hacia el interior de las vesículas. Las ATPasas F aprovechan el gradiente de H+ para que estos recorran su estructura y toman el ADP y el P y forman ATP, es decir, que en vez de hidrolizar ATP lo sintetizan. Estas se encuentran en las membranas de las mitocondrias.
- Transporte activo secundario. Es aquel transporte que, haciendo uso del gradiente electroquímico generado por una ATPasa, arrastra en contra de gradiente a otra sustancia. Es decir, el transporte de la segunda sustancia en contra de su gradiente de concentración no está directamente acoplado al uso de ATP por la molécula transportadora.
Funciones de las membranas semipermeables
- Equilibrio en las concentraciones. En las células vivas, la presencia de membranas semipermeables permite mantener en su interior concentraciones de sustancias completamente diferentes a las concentraciones de las mismas sustancias en el medio extracelular.
- Control riguroso de sustancias. Sin embargo, a pesar de estas diferencias de concentración y de que para ciertas sustancias existan canales o poros abiertos, estas moléculas no se escapan ni entran, a menos que se necesiten o cambien ciertas condiciones. La razón de este fenómeno radica en que existe un equilibrio electroquímico que hace que las diferencias de concentración a través de las membranas se compensen con el gradiente eléctrico generado por los iones difusibles y esto ocurre debido a que dentro de las células algunas sustancias no pueden salir.
Referencias
- Alberts, B., Dennis, B., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Walter, P. Essential Cell Biology. Garland Science, Taylor & Francis Group.
- Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. Molecular Biology of The Cell (5th ed.). Garland Science, Taylor & Francis Group.
- Berne, R., & Levy, M. Physiology. Mosby; International Ed edition.
- Fox, S. I. Human Physiology (9th ed.). McGraw Hill Press.
- Luckey, M.Membrane structural biology: with biochemical and biophysical foundations. Cambridge University Press.