Informe de Laboratorio TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANA Brigith D. Quiroga, Ángela M. Jerez Programa Biología Ambiental, Biología Marina Biología General Universidad de Bogotá Jorge Tadeo Lozano RESUMEN El transporte a través de la membrana plasmática tiene una gran importancia para el correcto funcionamiento del metabolismo celular; este consiste en el movimiento de entrada y salida de moléculas (entrada de nutrientes y salida de desechos), y ocurre básicamente de dos maneras: pasiva o activamente. Esta práctica tiene como objetivo, poder avaluar los procesos de ósmosis, difusión de gases, de líquidos en un coloide y la relación entre el área superficial y el volumen, y así poder entender como ocurren estos procesos en la célula; para ello se utilizó solución de almidón en diferentes concentraciones (5%, 15%, 35%), solución de yodo al 0,1% y al 1%, fenolftaleína, permanganato de potasio, hidróxido de amoniaco concentrado, azul de metileno, bolsas plásticas con diferentes tamaños de poros, agar-agar y agua destilada. Finalmente, con cada procedimiento se pudo verificar cuales son las características de la membrana celular que permiten el transporte de sustancias a través de esta y entender la como la relación entre superficie y volumen en importante para que la célula tenga un funcionamiento óptimo. Palabras claves: Ósmosis, Difusión, Difusión de gases, Coloide, Gradiente, Concentración, Célula, Volumen, Superficie, INTRODUCCIÓN La unidad fundamental de todos los seres vivos, independientemente del dominio al que pertenezcan es la célula, estructuralmente constituida por una pared y/o membrana celular, el material hereditario y en algunos casos los organelos que se encuentran en el citoplasma. Este último es un medio acuoso que tiene líquidos, gases y sólidos disueltos en diferentes concentraciones. La membrana plasmática es el límite de la vida, la frontera que separa la célula del medio, que controla el tráfico de sustancias hacia adentro y hacia afuera de la célula a la que rodea. Como todas las membranas biológicas, presenta una permeabilidad selectiva; es decir, permite que ciertas sustancias la atraviesen con mayor facilidad que otras. (Campbell & Reece, 2007). La difusión (transporte pasivo) es el proceso por el que las moléculas (y los iones) se desplazan de una zona en la que están más concentrados (más numerosos) a otra zona en la que están menos concentrados (hay menor número de ellos). Todas las moléculas tienen energía cinética (la energía del movimiento), y cuando las moléculas se mueven al azar a grandes velocidades, chocan y cambian de dirección con cada colisión. El efecto global de este movimiento errático es que las moléculas se mueven bajando su gradiente de concentración. La difusión del agua a través de una membrana selectivamente permeable se denomina ósmosis. Debido a que el agua es muy polar, se ve repelida por el interior lipídico no polar de la membrana plasmática, pero puede pasar fácilmente a través de poros especiales llamados aquaporinas (“poros de agua”) creados por las proteínas en la membrana. (Marieb, 2007). El transporte activo, es el movimiento de las moléculas desde una región de baja concentración a una región de alta concentración. Este utiliza energía de las células para moverlas contra un gradiente, repulsión polar o algún otro tipo de resistencia y se encuentra normalmente asociado con la acumulación de altas concentraciones de moléculas que la célula necesita, tales como iones, glucosa o aminoácidos (Wikipedia, 2021). El transporte activo se divide en dos: en pri- mario donde se utiliza el ATP como fuente de energía para el transporte, esto se hace por medio de permeasas denominas bombas o ATPasas; y el secundario que utiliza la energía potencial en el gradiente favorable de la sustancia cotransportada, el elemento principal que motoriza el transporte es el sodio (De Robertis, 2003) Esta práctica tiene como objetivo poder evaluar los distintos tipos de transporte a través de la membrana (osmosis y difusión y entender como suceden estos procesos en un ambiente celular, además poder entender cuál es la relación entre la superficie y el volumen en la célula y su importancia que tiene en la eficiencia del metabolismo celular, esto por medio de los materiales y reactivos que aparecen en la Tabla 1. Materiales Reactivos Muestras Vasos precipitados de 500 ml Solución de yodo 1% Calabacín 4 vasos precipitados de 200 ml Solución de yodo 0,1% 4 vasos precipitados de 100 ml Solución de almidón 1% Dos bolsas plásticas gruesas Solución de almidón 15% 4 bolsas de papel de celofán Solución de almidón 35% Bandas de caucho NH4OH Probeta de 50 ml Fenolftaleína Dos tubos ensayo con salida lateral KMnO4 al 2% Manguera de caucho Azul de metileno Hoja milimetrada Caja de petri con agar-agar Una caja de petri vacía Capilar Tabla 1. Reactivos materiales y muestras para la práctica de transporte a través de membrana Fuente: Práctica de laboratorio. Transporte a través de membrana. Actividad uno Para ello se plantearon varias hipótesis: ¿Cómo se evidencian los fenómenos de transporte celular usando membranas sintéticas? Las soluciones van a utilizar ósmosis como mecanismo de transporte de agua; la cantidad de solución que entre al interior de las bolsas va a depender del tamaño del poro, es decir, que en el plástico con poros más grandes (gruesa) la cantidad de agua que entra va a ser mayor que en el de poros más pequeños (delgada); otro factor que afecta la cantidad de solución que entra en el gradiente de concentración. ¿Cuál es el efecto de la concentración de solutos sobre el fenómeno osmótico? Durante el proceso de ósmosis la solución de mayor concentración se difunde (sigue el gradiente) a la de menor concentración, hasta equilibrar las concentraciones en el interior y en el exterior de las bolsas, es decir desde un medio hipertónico a una isotónico, por lo tanto en las que la concentración sea mayor en el exterior de la bolsa, la cantidad que entre va a ser mayor que la que salga, y por el contrario, en donde la concentración sea mayor en el interior de la bolsa la cantidad que salga va a ser mayor que la que entre. ¿Cuál es el efecto del tamaño del poro sobre el fenómeno osmótico? El tamaño del poro va a determinar la cantidad de agua que va a pasar a través de la membrana, es decir, que los en los poros de mayor tamaño va a pasar mayor cantidad de agua, además de la posibilidad que sustancias con moléculas más grandes que las del agua también puedan atravesar la membrana, en cambio en la membrana con poros más pequeños, la cantidad de agua que va a pasar va a ser menor (a una velocidad menor) y la cantidad de otras sustancias que tengan el tamaño suficiente para pasar también va a ser menor. ¿Cómo se evidencia el fenómeno de difusión de un gas y de un líquido? El transporte de gases a través de la membrana se realiza por medio de difusión simple; es decir se dispersa en el medio siguiendo el gradiente de concentración, y a causa del movimiento cinético de las partículas entra a la célula sin ninguna ayuda. En la prueba, el gas se va a dispersar por el tubo, va a pasar por la manguera (donde no hay mucha resistencia por parte del gas (aire) que hay en el ambiente) y va a reaccionar con el reactivo que hay en la solución liquida, sirviendo como evidencia de la difusión del gas (La difusión en el aire va a ser más rápida que en los líquidos). En los líquidos, se utiliza ósmosis, donde también sigue el gradiente de concentración y se evidencia por el cambio del color de la solución que se encuentra dentro de las bolsas, dependiendo de la intensidad del color, se podrá saber en cuales pruebas la cantidad de agua que entro es mayor, todo esto relacionado con el gradiente de concentración. ¿Qué relación existe entre el tamaño de la célula y los procesos de difusión? En el cubo más grande va a absorber mas solución debido a su tamaño, pero no va a ocupar todo el volumen disponible, ya que la superficie no es lo suficientemente grande para satisfacer el volumen, es decir la cantidad de solución que puede absorber es menor que el que se requiere para ocupar todo el volumen disponible y en el pequeño el volumen absorbido va a ser menor, pero si va la superficie si va a poder filtrar la cantidad de solución que el volumen del cubo requiere. Esto demuestra que cuando el tamaño es cada vez mayor y debido a que los procesos de transporte están limitados por la superficie, la cantidad de sustancias también van a ser limitadas y no van a satisfacer la totalidad del volumen disponible. MATERIALES Y MÉTODOS Evaluación de los procesos de ósmosis: En esta práctica se utilizaron 4 bolsas de celofán que se marcaron del 1al 4, luego se les agrego las soluciones indicadas en la Tabla 2 y después de cerrar las bolsas con bandas de caucho se pesaron en una balanza de presión y se registraron los datos correspondientes. En cuatro vasos de precipitado se agregó 50 ml de agua destilada, se colocó una bolsa en cada vaso y de pasados 75 minutos se pesaron nuevamente. Figura 1 Tabla 2. Preparaciones para la evaluación de procesos de ósmosis Fuente: Práctica de laboratorio. Transporte a través de membrana. Actividad uno Figura 1. Preparaciones para la evaluación de la ósmosis Movimiento a través de membranas de plástico: Para esta prueba se utilizaron 2 bolsas gruesas y dos 2 bolsas delgadas, a las cuales se les agregó 10 ml de solución de almidón, luego en 4 vasos precipitados enumerados del 1 al 4 se agregó en dos solución de yodo al 1% y en los otros dos se agregó solución de almidón al 0,1%. Luego las bolsas se pusieron dentro de los vasos con la soluciones como se indica en la Tabla 3. Finalmente se observó el comportamiento de la solución cada 10 minutos por 30 minutos. Figura 2 Figura 2. Preparación del transporte a través de una membrana plasmática Numero Solución Bolsa 1 Yodo 1% Gruesa 2 Yodo 1% Delgada 3 Yodo 0,1% Gruesa 4 Yodo 0,1% Delgada Tabla 3. Guía para el proceso de movimiento a través de membranas de plástico Fuente: Práctica de laboratorio. Transporte a través de membrana. Actividad uno Difusión de gases: Para este procedimiento se utilizaron 2 tubos de ensayo con salida lateral y se marcaron con la letra A y B. Al tubo marcado con la letra A se le agregó 10 ml de agua destilada y dos gotas de fenolftaleína y al tubo marcado con la letra B se le añadió 1 ml de hidróxido de amonio (NH4OH) (los tubos se taparon después de agregar los reactivos a cada uno); luego se conectaron con una manguera por las salidas laterales y finalmente se observó el comportamiento de la prueba cada 5 minutos por 30 minutos. Figura 3 Figura 3. Montaje para la prueba de difusión de gases Difusión de un líquido en un coloide: En esta práctica se utilizaron 2 cajas de petri, una con agar-agar y la otra vacía. Primero con una hoja milimetrada se calculó y se marcó el centro de la caja de petri que tenia agar-agar y se hundió un capilar en el centro para dejar un orificio; después a la caja vacía se le agregó agua destilada hasta llenarla casi por completo; finalmente se les agregó una gota de azul de metileno (al agar- agar se le añadió la gota donde estaba el orifico) y se observó el comportamiento de la prueba cada 5 minutos durante 20 minutos. Figura 4 a) b) Figura 4: a) Cajas de petri con agua (izquierda) y agar-agar (derecha) con azul de metileno. b) Caja de petri con agar-agar Relación entre el área superficial y el volumen: Para la prueba, se cortaron dos cubos de calabacín, uno de 1x1 y el otro de 1,5x1,5 y se sumergieron en una solución de permanganato de potasio (KMnO 4) durante 30 minutos. Pasado éste tiempo se saco las muestras de la solución y se las cortó a la mitad para poder observar en cuál de los cubos el volumen de la solución que penetró era mayor. Figura 5 Figura 5. Cubos de calabacín en solución de permanganato de potasio RESULTADOS Y DISCUSIÓN Evaluación de los procesos de osmosis: Los valores de peso iniciales y finales de las soluciones se muestran en la Tabla 4. Solución Peso inicial Peso final Agua destilada 17,45 g 17,28 g Glucosa 5% 18,94 g 19,113 g Glucosa 15% 19,21 g 19,48 g Glucosa 35% 18,49 g 19,67 g Tabla 4. Resultados de la evaluación de los procesos de ósmosis En todas las soluciones hubo un cambio en el peso inicial; en el caso de las soluciones de glucosa este aumento y la variabilidad fue cada vez menor en las soluciones con mayor concentración, en cambio el peso del agua destilada disminuyó pero la variabilidad también fue poca. La cantidad de agua que pasara a través de la bolsa, estaba determinada por la resistencia que ejercía las moléculas de glucosa, que al ser muy grandes no puede pasar a través de la membrana sintética y en cambio rebotan en ella (Cima, 2014), por lo tanto el peso solo podía aumentar. La concentración es directamente proporcional a la resistencia, por lo tanto en donde la concentración fuera menor, la resistencia seria menor y la cantidad de agua que atraviesa la membrana va a ser mayor, y al contrario va a ingresar menos agua cuando la concentración y por lo tanto la resistencia sean mayores. Por esta razón la variabilidad del peso fue menor en la glucosa de 35%, y mayor en la glucosa 5%. El comportamiento distinto en la bolsa con agua destilada se debe a que esta si va a poder atravesar los poros de la membrana sintética debido a que el tamaño de sus moléculas es lo suficientemente pequeños para poder pasar a través de ella, por lo que en este caso la solución si podría salir o entrar a la bolsa, sin que influya el gradiente de concentración ya que la solución era la misma dentro y fuera de la bolsa. Movimiento a través de membranas de plástico: Dentro de las bolsas se puso evidenciar una reacción entre el yodo y el almidón que dio como resultado un color azul, y que por medio de la intensidad se puso diferenciar la cantidad de solución de yodo que entro a cada una de las bolsas (el almidón no puede atravesar la membrana plástica debido al gran tamaño de sus moléculas). Figura 6 Bolsas gruesas: Las soluciones que contenían estas bolsas fueron las que evidenciaron un color más oscuro, debido a que sus poros son más gruesos, por lo tanto la solución de almidón puso pasar con mayor facilidad y en mayor cantidad. Pero en comparación entre estas dos bolsas en color fue más oscuro en la que tenia solución de yodo 1%, debido a que las moléculas es mayor chocan con más frecuencia y van a entran más rápido siguiendo el gradiente de concentración. Bolsas delgadas: Estas soluciones tuvieron un color más claro debido a que la cantidad de yodo que ingresó fue menor, esto a causa de que los poros son más delgados y pequeños, por lo tanto la entrada de las moléculas va a ser un poco más difícil. En cuando a la comparación del color de las dos bolsas, el comportamiento fue igual al de las bolsas gruesas, ya que esta depende de la concentración de la solución Por lo tanto la bolsa en la que más entro la solución de yodo fue en la gruesa con yodo 1% y en la que menos se difusión fue en la bolsa delgada con yodo 0,1%. Figura 6. Resultados del transporte en una membrana plástica Difusión de un líquido en un coloide: Durante los 20 minutos en los que se observo el comportamiento de la prueba se puso ver que el azul de metileno se iba dispersando por toda la superficie del agua destilada, hasta que tomo un color azul claro, en cambio en el agar-agar el azul de metileno no se disperso por la superficie del coloide si no que solo penetró la muestra en el lugar donde se hizo el orificio. Figura 7 a) b) Figura 7. a) Resultados de difusión de un líquido en un coloide. b) Difusión del azul de metileno en el agar-agar El estado coloidal es la condición que tiene una mezcla cuando uno de sus elementos en estado sólido, se encuentra disperso en otro que se halla en estado líquido o gaseoso (Aular, 2021). El agar-agar (formado por varios tipos de polisacáridos no ramificados), simula el estado de la membrana plasmática que es selectivamente permeable. En este caso el azul de metileno no se dispersó por la superficie debido a la que la saturación de las moléculas impide la fluidez del líquido, por lo tanto solo pudo pasar a través del aguajero en el centro. En la membrana debido a la saturación de sus componentes (fosfolípidos, polisacáridos, proteínas, etc.) determina si los líquidos pueden fluir o no con mayor facilidad. Además que el líquido pasara solo por agujero demuestra que en la célula hay espacios o poros que facilita la entrada y salida de sustancias a través de la membrana. Relación entre el área superficial y el volumen: Después de cortar ambos cubos por la mitad se pudo ver que el volumen de permanganato de potasio que penetró fue mayor en el cubo de 1,5x1,5, pero este no penetro en la totalidad del volumen del cubo (espacios en blanco en el corte), en cambio en el cubo de 1x1, la solución si penetro todo el volumen disponible, pero el volumen que se absorbió fue menor. Figura 8 Figura 8: Resultados de la relación entre el área superficial y el volumen La relación entre la superficie y el volumen, influye en el tamaño de la célula. Cuando esta relación aumenta su valor, la cantidad de sustancias que requiere la célula para satisfacer el volumen va a ser menor y será más fácil transportar las sustancias a toda la célula para que esta pueda realizar el metabolismo de forma más eficiente. Si el valor que define ésta relación fuera cada vez más pequeño los procesos de transporte serian menos eficientes, las distancias que tendrían que recorrer las sustancias serian muy grande, el proceso metabólico sería muy lento y la célula empezaría a acumular desechos y nutrientes. Para calcular esta relación se divide el área superficial entre el volumen. (Gagneten et al., 2015) En este caso la relación entre la superficie y el volumen de los dos cubos aparece en la tabla 5. Cubo 1x1 Cubo 1,5x1,5 6 9 1 2,25 6 4 Relación superficie - volumen (Área superficial/Volumen) Tabla 5. Relación superficie y volumen de los cubos de calabacín Área superficial (Altura x no de caras x no de cubos) Volumen (Altura x Ancho x no de cubos) Fuente: Elaboración propia El tamaño influye en la cantidad de volumen de una solución que puede absorber y contener; en este caso el calabacín de 1,5x1,5 al ser el cubo de mayor tamaño absorbió una mayor cantidad de permanganato de potasio que el cubo de 1x1 que es más pequeño. A pesar de la cantidad de solución absorbida, en el cubo más grande no fue suficiente para satisfacer el volumen de la muestra, esto se debe a que el valor de la relación es más pequeño, en cambio en el cubo más pequeño la relación fue mayor, por lo tanto la solución si ocupo todo el volumen disponible. Difusión de gases: Durante los 30 minutos se observó que la solución que tenía agua destilada y fenolftaleína iba cambiando a un color rosado cada vez más oscuro y además su nivel fue aumentando poco a poco, mientras que la que contenía el hidróxido de amoniaco (NH4OH) solo presentó cambios en su nivel inicial, ya que este fue bajando poco a poco. Figura 9 Figura 9: Resultados de la difusión de gases Este comportamiento se debe a que el hidróxido de amoniaco (NH 4OH) se caracteriza por disolverse fácilmente en el agua (Química, 2022). Este gas al no encontrar mayor resistencia por parte del aire atmosférico, viajo a través del tubo y de la manguera hasta llegar al otro tubo que contenía la solución de agua destilada y fenolftaleína, y al hacer contacto con este paso a estado líquido aumentando el nivel de esta solución, y como evidencia de este resultado, la fenolftaleína reaccionó con el hidróxido de amoniaco dando lugar a un color purpura, que se fue oscureciendo debido a la canticantidad de gas que se difundía en el líquido. En la célula la difusión de gases de realiza a través de difusión simple (sin gasto de energía y siguiendo el gradiente de concentración), donde el movimiento desordenado de las moléculas (energía cinética) hace que estas colisionen unas con otras y entren aleatoriamente a través de la membrana. LA difusión de partículas es mucho más rápida en el estado gaseoso. (Cell, 2020) CONCLUSIÓN La razón del tamaño microscópico de la célula tiene su fundamento en la relación entre la superficie y el volumen. Debido a que el valor de esta relación es grande, la célula puede cumplir de forma eficaz los procesos metabólicos del organismo, comenzando con que la membrana puede transportar las sustancias necesarias que necesita la célula para cumplir con su función; si en cambio la relación fuera menor, el metabolismo sería lenta, la demanda de sustancias sería mayor y la célula tendría una tendencia a acumular sustancias. Se pudo verificar que la membrana en muy selectiva y su estado es muy parecido a un coloide, ya que tiene lugares específicos por donde permite la entrada y salida de sustancias de la célula, además se puso concluir que esta característica hace que solo puedan entrar a la célula aquellas partículas que se requiere y evita que ingresen aquellas sustancias que no le sean útiles. Se puedo evidenciar por medio de las membranas plásticas, que los poros en la célula son selectivos y determinan la cantidad de una sustancia que puede entrar a la célula, además se pudo entender la importancia que tienen en el transporte ya que estos facilitan la entrada y salida de moléculas que generalmente son lipofobas, como por ejemplo el agua. La célula siempre va a buscar un equilibrio entre la concentración del espacio extracelular y el intracelular, es decir va a buscar permanecer en un estado isotónico, debido a esto los líquidos con diferentes concentraciones van a seguir el gradiente hasta que se encuentre el equilibrio, esto sugiere que en casos en donde la célula pierda este equilibrio de la presión osmótica, se `puede ver afectada, ya sea por la deshidratación (hipertónica) o por el exceso de agua (hipotónica) Se pudo concluir que la difusión de gases es el transporte más sencillo que se utiliza en la célula, y para su transporte dentro de las células, es necesario que entre en contacto con la solución acuosa del interior de la célula y pasar a un estado liquido para que se pueda realizar el respectivo proceso metabólico, pero también se pueden difundir por medio del intercambio gaseoso donde los gases ocupan el espacio en donde antes estaba el otro. Esto es muy importante para varios procesos vitales como la respiración BIBLIOGRAFIA a Elaine. N Marieb. Anatomía y fisiología humana. 9 edición. Ed. Pearson education, Addison Wesley. Madrid, 2008 a Campbell & Reece. Biología. 7 edición. Ed. Médica Panamericana. Madrid, 2007 Wikipedia, 2021. Transporte activo (Tipo de mecanismo donde la célula usa energía). Wikipedia. Recuperado de: https://es.wikipedia.org/wiki/Transporte_activo a De Robertis. H. Biología celular y molecular. 15 edición. Ed. El Ateneo. Buenos Aires, 2003 Gagneten. M, et al, 2015. Biología conceptos básicos. Universidad Nacional del litoral. Recuperado de: https://www.unl.edu.ar Aular. A ¿Qué es el estado coloidal de la materia? Lifeder química. Recuperado de: https://www.lifeder.com Química, 2022. Fuente de amoniaco. Química curiosa (Movimiento de succión). Recuperado de: https://www.iestiemposmodernos.com Cell, 2020. Ósmosis y difusión. ULPGC. Recuperado de: https://www.ulpgc.es/descargadirecta.php Cima, 2014. Solución de Glucosa. Cima. Tomado de: https://cima.aemps.es/cima/pdfs/es/p/42760/42760_p.pdf
