La célula es la unidad más básica de la vida en la Tierra, y el desarrollo de la membrana celular (o membrana plasmática) puede ser una de las partes más importantes de la historia de la evolución de la vida. Tanto los procariotas (organismos unicelulares que carecen de un núcleo distinto y de otros orgánulos) como los eucariotas (organismos unicelulares o multicelulares cuyas células tienen un núcleo distinto y varios orgánulos) tienen membranas celulares que ayudan a la célula a mantenerse separada, en cierto sentido, del mundo exterior. La membrana celular es la barrera por la que se mantiene el interior de la célula y el medio ambiente se mantiene fuera. También realiza varias otras funciones para mantener la homeostasis de la célula, es decir, el estado de equilibrio o estabilidad de la célula a medida que cambian las condiciones dentro de la célula o en el entorno exterior.

Está compuesto por una doble capa de fosfolípidos que separa la célula del mundo exterior.

La misión principal de la membrana celular es servir de barrera entre la célula (que también podría ser un organismo unicelular) y el mundo; por lo tanto, la célula necesita tener una estructura que le permita interactuar con ambos. La membrana de una célula está compuesta principalmente por una doble capa de fosfolípidos (sustancias similares a la grasa y que contienen fósforo). Cada capa está compuesta por moléculas de fosfolípidos que contienen una cabeza hidrófila (que ama el agua) y una cola hidrófoba (que repele el agua). Las cabezas de la capa más externa se enfrentan e interactúan con el entorno exterior acuoso, mientras que las cabezas de las de la capa interior apuntan hacia el interior e interactúan con el citoplasma acuoso de la célula. La región entre las dos capas es repelente a los fluidos, lo que tiene el efecto de separar el interior de la célula del mundo exterior. La membrana celular es semipermeable, lo que permite que las moléculas seleccionadas pasen a la célula o salgan de ella.

Contiene proteínas que proporcionan una serie de funciones críticas.

Dado que el buen funcionamiento de la célula depende del movimiento de nutrientes y materiales útiles dentro de la célula y de la eliminación de los productos de desecho de la célula, la membrana celular también contiene proteínas y otras moléculas que realizan una amplia variedad de estas funciones. Algunas proteínas se adhieren a estas esteras de fosfolípidos para ayudar a mover los nutrientes (como el oxígeno y el agua) y los desechos (como el dióxido de carbono); otras ayudan a la célula a conectarse y adherirse a los tipos de materiales adecuados (así como a otras células); y algunas proteínas impiden que la célula se conecte con materiales tóxicos, así como con los tipos de células equivocadas, extrañas o no. Las proteínas especializadas, llamadas enzimas, ayudan a descomponer los nutrientes más grandes o ayudan a combinar diferentes nutrientes entre sí en formas más utilizables. Dependiendo de su diseño y función, las moléculas de proteína pueden estar adheridas a la superficie de una de las capas de la membrana celular o pueden estar completamente incrustadas en la capa que reside junto a los fosfolípidos. Algunas proteínas encargadas de canalizar los nutrientes hacia y desde el espacio entre la capa interna y externa de la membrana celular, cruzan sólo una de las capas de fosfolípidos. Otras, que están diseñadas para transportar nutrientes dentro de la propia célula o para canalizar los desechos fuera de la célula, son lo suficientemente grandes como para abarcar ambas. También hay proteínas que ayudan a la célula a mantener su forma.

El modelo de mosaico de fluidos de Singer y Nicolson se utiliza a menudo para describir la estructura de la membrana celular.
Puede ser difícil imaginar cómo funciona la membrana celular. Después de todo, la célula, la membrana celular y todas las actividades en las que participa la célula ocurren a niveles demasiado pequeños para que el ojo humano los vea. En 1972, dos científicos americanos, S.J. Singer y G.L. Nicolson, desarrollaron el modelo de mosaico de fluidos para describir la estructura y las funciones de la membrana celular. El modelo señala que la propia membrana es fluida, en el sentido de que está en constante cambio. Los fosfolípidos individuales se mueven lateralmente (en la misma capa); sin embargo, uno o más lípidos pueden voltearse a la otra capa en ocasiones. Los lípidos son atraídos unos a otros a través de débiles atracciones hidrofóbicas, así que mientras se pegan unos a otros, los enlaces se rompen rutinariamente. Las proteínas de la membrana también se mueven dentro de este mar de lípidos, al igual que los colesteroles (que sólo se producen en las células animales). Los colesteroles aumentan la rigidez y la firmeza de la membrana a temperaturas moderadas y más altas, haciendo que la membrana sea menos soluble. Sin embargo, a temperaturas más bajas, los colesteroles separan los fosfolípidos entre sí para que la membrana no se vuelva demasiado rígida.

El modelo de mosaico de fluidos también describe cómo se transportan los nutrientes dentro y fuera de la célula.

El transporte de nutrientes y desechos puede ser pasivo (es decir, no requiere energía) o activo (es decir, se requiere energía) para mover las moléculas a través de la membrana celular. El transporte pasivo puede producirse mediante la difusión, en la que las moléculas fluyen desde una región de alta concentración a una región de baja concentración (por un gradiente de concentración). Si las moléculas se difunden a través de una membrana semipermeable, el proceso se denomina ósmosis. Sin embargo, en las células, un tipo de transporte pasivo asistido llamado difusión facilitada funciona gracias a las proteínas de transporte, que crean portales de membrana para tipos específicos de moléculas e iones o se adhieren a una molécula específica en un lado de la membrana, la llevan al otro lado y la liberan. Por el contrario, el transporte activo es alimentado por una coenzima llamada trifosfato de adenosina (ATP), que entrega la energía química capturada en la descomposición de los alimentos a otras partes de la célula, para mover las moléculas hacia arriba en un gradiente de concentración. Entre otras cosas, el transporte activo permite que la célula expulse los iones de desecho, como el sodio (Na+), de la célula aunque la concentración de iones de sodio en el exterior de la célula pueda ser mayor que la concentración en el interior.


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