- 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
- describir el arreglo del colesterol, los glicolípidos y las glicoproteínas en las membranas celulares superficiales
- 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)
- 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
Membranas celulares y transporte
A-Level Biología · Tema 4
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
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.
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 |
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:
- una célula secreta una sustancia química de señal llamada ligando 配体 (por ejemplo, una hormona 激素).
- el ligando es transportado (a menudo en la sangre) hasta una célula diana 靶细胞.
- 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.
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
- describir y explicar los procesos de difusión simple, difusión facilitada, ósmosis, transporte activo, endocitosis y exocitosis
- investigar la difusión simple y la ósmosis utilizando tejidos vegetales y materiales no vivos, incluyendo tubos de diálisis (Visking) y agar
- 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)
- investigar el efecto del cambio en la relación superficie-volumen sobre la difusión utilizando bloques de agar de diferentes tamaños
- investigar los efectos de sumergir tejidos vegetales en soluciones con distintos potenciales hídricos, utilizando los resultados para estimar el potencial hídrico de los tejidos
- 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
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.
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.
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.
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 |
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.
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.
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.