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02. ESTRUCTURA DE LAS MEMBRANAS CELULARES
La membrana plasmática es una envuelta que rodea la célula definiendo sus límites y manteniendo las diferencias esenciales entre su contenido y el entorno. Tiene un grosor pequeño (7A) solo visible a microscopio electrónico, es semipermeable actúa como un filtro selectivo, forma una bicapa lipídica con una capa exoplásmica y otra citosólica con proteínas insertas.
Los lípidos que forman parte de la membrana plasmática son anfipáticos , es decir, con un extremo hidrofílico o polar que siente apetencia por el agua y otro hidrofóbico o no polar que rehúye del agua. Estos lípidos de membrana pueden formar estructuras:
Monocapa lipídica (micela). Agregado esférico formado por moléculas anfipáticas que aparece en los coloides. Las cabezas polares quedan en contacto con el agua y las colas apolares permanecen en el interior de la esfera unidas mediante interacciones hidrofóbicas.
Lo único que puede albergar en su interior son moléculas totalmente hidrofóbicas. En situación plana es energéticamente desfavorable, por lo que tiende a formar una esfera que si es energéticamente favorable.
Liposomas. Membranas formadas de forma artificial. Son esferas formadas por los fosfolípidos que constituyen la bicapa. Se encuentran rellenas de líquido, por lo que el interior es de naturaleza polar. Suelen utilizarse para transportar sustancias dentro de la célula o incluso atravesar la membrana celular. Hay muchos tipos dependiendo de la función que realicen: vesículas secretoras, vesículas de endocitosis, vesículas de exocitosis, liposomas...
Bicapa de fosfolípidos. Doble capa de fosfolípidos que separan dos medios acuosos polares, por lo que constituyen una membrana.
Una bicapa lipídica tiene dos caras. La cara exoplásmica que está en contacto con el medio extracelular y la cara citosólica en contacto con el citosol hacia el interior celular. Este patrón de cara exterior e interior no solo se encuentra en la membrana celular, también en la nuclear, la mitocondrial, etc.
En la superficie de contacto de una célula estándar, como un enterocito, suele ser de un 700 μm mientras que las membranas internas suelen ser de 7000 μm.
Las biomembranas pueden tener algunas variaciones para complementar las funciones de la célula, como la concavidad de los eritrocitos, los cilios en las células ciliadas etc.
COMPOSICION QUIMICA
La membrana plasmática se forma por lípidos, proteínas y glúcidos. En la membrana eritrocitos encontramos 40% lípidos, 52% proteínas, 8% glúcidos por ejemplo.
Se emplea habitualmente las membranas de los eritrocitos como modelo por su abundancia y su fácil obtención para el estudio.
Relación proteína- lípido. Este índice suele ser menor en la membrana plasmática que en las endomembranas celulares. La densidad proteica en la membrana interna es muy elevada debido a la presencia de la cadena transportadora y otros sistemas proteicos. Hay excepciones como en el caso de la mielina, membrana que recubre el axón de la neurona, donde son más abundantes los lípidos.
LÍPIDOS DE MEMBRANA
Cómo ya hemos visto los lípidos son moléculas antipáticas con extremos hidrofílicos e hidrofóbicos. Hay tres tipos de lípidos fosfolípidos, glucolípidos y Esteroles.
Fosfolípidos. Es el lípido más abundante y está presente en todas las membranas. Éstos constan de una cabeza polar y dos colas hidrocarbonadas no polares. Las colas suelen ser ácidos grasos que pueden tener diferente longitud; normalmente, una de las colas presenta uno o más dobles enlaces cis (Insaturada), mientras que la otra no contiene ninguno (Saturada).
Cada doble enlace genera una suave curvatura en la cadena. Estas diferencias de longitud y de grado de saturación son fundamentales a la hora de explicar el mayor o menor empaquetamiento de los fosfolípidos en la membrana, o lo que es lo mismo, la fluidez de ésta.
Pueden ser derivados de diacilglicerol (DAG) o glicerolfosfolipidos, esfingolípidos o lisofosfolípidos.
Derivados del diacilglicerol (DAG). Están formados por dos restos acilos unidos a un glicerol , un fosfato y un grupo polar. Son ésteres de dos ácidos grasos + alcohol glicerina + grupo fosfato + otro alcohol.
Para formar un DAG se unen dos ácidos grasos al carbono C 1 y C 2 de una molécula glicerina. Un grupo fosfato se une al C 3 de la glicerina (por eso se dice que están fosforilados).Todo este conjunto recibe el nombre de ácido fosfatídico , y al añadirse otro alcohol (glicerina, colina, serina, etanolamina) a través del grupo fosfato obtenemos el DAG.
Los restos acilos son de longitud variable y pueden presentar insaturaciones. Si la molécula de ácido graso es saturada su disposición es lineal , como en el caso del ácido palmítico. Si la molécula de ácido graso es insaturada se produce la torsión de la molécula en aquellos lugares donde se encuentra el doble enlace cis.
Otros fosfolípidos de membrana menos habituales son el Fosfatidil glicerol y Difosfatidil glicerol ( cardiolipina ), este último se forma por dos ácido fosfatídico unidos a un glicerol que aumenta la permeabilidad de la membrana.
Esfingolípidos. Lípidos con esfingosina que se une a un ácido graso formando una ceramida que se une a un grupo polar a través de un grupo fosfato. El grupo polar más característico es la fosforilcolina y los esfingolípidos, más conocidos son las esfingomielina y esfingocolina.
Lisofosfolípidos. Son poco frecuentes y se producen a partir de los lípidos que han perdido un resto acilo por la acción de una fosfolipasa sobre un fosfolípido. Fosfolipasa A1 y A2 son las formadoras de lisofosfolípidos, rompen el fosfolípido por el carbono 1 y 2 respectivamente.
Glucolípidos. Estos lípidos predominan en la membrana plasmática y el cloroplasto. Los glucolípidos se asocian entre sí mediante puentes de hidrógeno y fuerzas de van der Waals; los azúcares son unidos a los lípidos cuando son sintetizados en el retículo endoplásmico o el complejo de Golgi. Se encuentran exclusivamente en la hemicapa no citosólica de la bicapa lipídica, preferentemente en los microdominios lipídicos.
Hay dos tipos, los derivados del DAG poco frecuentes en mamíferos, son típicos de bacterias y células vegetales con uno o dos restos de galactosa; y los Glucoesfingolipidos.
Glucoesfingolipidos. Se forman al añadir a los lípidos grupos carbohidrato. Exclusivos de las membranas de las células animales.
Los azúcares que se añaden pueden ser muy variados estructuralmente, teniendo cadenas cortas o largas, lineales o ramificadas, etc. La función de los glucolípidos viene determinada por su localización, de ahí su variabilidad.
- Cerebrósidos: forman parte de las membranas celulares de las células nerviosas. Siempre tienen un grupo principal oligosacárido que contiene uno o más residuos de ácido sálico cargados negativamente.
- Gangliósidos: Son muy abundantes en la membrana plasmática de las neuronas y en las vainas de mielina. Se denominan neutros ya que cada molécula tiene un azúcar no cargado como grupo principal.
Esteroles. Son lípidos no esterificados que se encuentran ausentes en las membranas de los procariotas. El más habitual en las células animales es el colesterol , en las células vegetales hay estigmasterol (fitoesterol), y en hongos el ergoesterol.
Estos lípidos abundan mucho más en la membrana plasmática que en las endomembranas y son esenciales en la fluidez de las mismas.
Derivados del colesterol:
- (^) Ácidos biliares, tienen como función emulsionar las grasas para hacerlas más accesibles a la acción de las lipasas
- Hormona esteroides como la testosterona
Las proteínas integrales ancladas pueden encontrarse en el citosol y se asocian con la hemicapa citosólica mediante una α-hélice anfipática situada en la superficie de la proteína; se denominan proteínas citosólicas.
Existen otras proteínas integrales completamente expuestas en la superficie celular externa, ancladas a la bicapa únicamente por medio de un enlace covalente en la hemicapa exoplásmica y se denominan proteínas externas.
Por último, hay algunas proteínas que no atraviesan totalmente el interior hidrofóbico de la bicapa lipídica y están unidas a una u otra cara de la membrana mediante interacciones no covalentes (Puentes de H) con otras proteínas de membrana; se denominan proteínas periféricas.
Generalmente, la manera en la que una proteína de membrana se asocia a la bicapa lipídica determina su función. Así, sólo las proteínas transmembrana son capaces de actuar a ambos lados de la bicapa, siendo ideales para el transporte de moléculas, formando receptores, canales iónicos y proteínas de unión celular. Las proteínas periféricas participan en procesos de transducción y del enlace membrana-citoesqueleto. Las proteínas ancladas también juegan un papel importante en la transducción de señal.
Hay otro tipo de proteína integral, que se asocia a una única capa de la bicapa lipídica, pero son muy poco frecuentes.
GLÚCIDOS DE MEMBRANA
Hemos visto que la mayor parte de las membranas celulares son asimétricas. Las moléculas lipídicas que mayor asimetría presentan son las que contienen azúcares; se denominan glucolípidos. Se encuentran exclusivamente en la hemicapa no citosólica de la bicapa lipídica, preferentemente en los microdominios lipídicos, o en la capa exoplásmica de la célula formando una cubierta celular llamada glucocalix. Son el componente minoritario, suelen aparecer asociados a lípidos (glucolípidos) y a proteínas (glucoproteínas).
Los glucolípidos son poco abundantes (1:10 lípidos) y suelen tener cadenas cortas sin ramificar de glúcidos. Casi todas las proteínas de membrana son glucoproteínas de cadenas largas y ramificadas de azúcares.
Sus funciones engloban el reconocimiento celular (muy importante durante el desarrollo embrionario), la fijación de sustancias a fagocitar y la adhesividad celular en relación con moléculas de la matriz extracelular. Estabilizan la estructura tridimensional de las proteínas de la membrana haciéndolas funcionales. Además confieren las propiedades inmunitarias a la célula (glucocalix del enterocito y los grupos sanguíneos).
MODELO DEL MOSAICO FLUIDO DE SINGER Y NICHOLSON, 1972
Es el modelo más aceptado en la actualidad y que integra más datos de la membrana. Singer y Nicholson imaginaron la membrana como una bicapa de lípidos fluida con un mosaico de proteínas asociadas o bien integrales o bien periféricas.
Los fundamentos de dicha teoría son:
- Los lípidos y proteínas integrales de la membrana forman un mosaico
- La membrana es fluida
- La membrana es asimétrica estructural y funcionalmente
El envejecimiento celular producido por la acumulación de los radicales libres (H (^) 2O (^) 2/O 2 -^ ) afecta a la membrana celular:
- (^) Se peroxidan los ácidos graso insaturados afectando a la fluidez y al funcionamiento proteico
- Perdida de la asimetría por afectación de las flipasas
MOVIMIENTO
Los lípidos de membrana pueden moverse a lo largo de la membrana de diferentes formas. Pueden rotar, alrededor de su eje mayor. Hacer una traslación o difusión lateral que depende de la fluidez de la membrana, es un movimiento al azar en el que una molécula intercambia sitios con moléculas vecinas de la misma monocapa. O por último un movimiento de Flip-flop o Translocación entre las capas por acción de las flipasas, este desplazamiento es termodinámicamente desfavorable y gasta energía.
La movilidad tanto de proteínas y lípidos de membrana se ve muy reducido cuando son aislados en dominios y confinados, esto evita movimientos en la membrana al azar y que puedan ser catastróficos.
Las proteínas periféricas de membrana están unidas a la misma por interacciones electrostáticas débiles y puentes de hidrogeno, por lo tanto son fácilmente extraídas mediante cambios de pH o de la fuerza iónica.
Sin embargo las proteínas integrales de membrana, son difíciles de aislar de esta, especialmente de forma que se preserve su actividad biológica. En la mayoría de los casos se suelen solubilizar mediante el uso de detergentes que desorganizan las interacciones hidrofóbicas y disuelven la bicapa lipídica. (Electroforesis con gel de poliacrilamida y SDS).
El movimiento lateral de las proteínas es impedido por diferentes mecanismos: Uniéndose al citoesqueleto, a la matriz celular o a las proteínas de membrana de una célula adyacente. O formando agregados proteicos de alto peso molecular (Lipid Rafts).
FLUIDEZ DE LA MEMBRANA
La viscosidad de la membrana es una propiedad importante que da resistencia pero no rigidez a la membrana. Es importante para el ensamblaje con otras membranas (endo/exocitosis y transporte vesicular), el movimiento celular ameboide y la citocinesis mitótica.
La fluidez de la membrana se ve afectada por un gran número de factores:
Temperatura. Cuanto más temperatura, más calor, más energía cinética de las membranas y por tanto más fluidez de la membrana. Si la temperatura disminuye bastante los fosfolípidos pueden llegar a formar una estructura tipo gel. Esto plantea un problema para los animales que son incapaces de mantener constante la temperatura corporal, para solucionar esto incrementa la cantidad de ácidos grasos y cadenas cortas para suplir la caída de temperatura.
Grado de instauración de los ácidos grasos. Si hay más instauración hay más torsiones y por tanto más separación entre las cadenas y las fuerzas de Van der Waals disminuyen, con lo cual la fluidez de membrana aumenta.
Los fosfolípidos de membrana con ácidos grasos saturados encajan estrechamente debido a que las cadenas de ácidos grasos discurren paralelas unas a otras. Los lípidos de membrana con uno o más ácidos grasos insaturados no encajan tan estrechamente debido a que los dobles enlaces en cis provocan torsiones en las cadenas, que interfieren en el empaquetamiento
Longitud de la cadena. Si la cadena es larga habrá más interacciones de van der Waals y por tanto la fluidez disminuirá y viceversa.
Colesterol. Tiene un efecto dual, es capaz de aumentar la fluidez de membranas poco fluidas pero es capaz de disminuir la fluidez de membranas muy fluidas. Al intercalar moléculas rígidas de colesterol en la membrana de una célula animal hace que a temperaturas más elevadas la membrana sea menos fluida de lo que debería ser. Sin embargo, el colesterol también evita de manera eficaz que las cadenas hidrocarbonadas de los fosfolípidos encajen a medida que la temperatura va disminuyendo.
En la membrana encontraremos dominios con mayor o menor fluidez según su función en la superficie basal, lateral o apical de la célula.
La fluidez de membrana fue estudiada mediante la técnica de recuperación de la fluorescencia después de la fotodecoloración. Esta técnica se basa en el marcaje de los lípidos de membrana con un compuesto fluorescente, y en una zona localizada de la membrana esa fluorescencia se blanquea irradiando la célula con un rayo láser. La fluidez de membrana se mide determinando la velocidad a la que difunden moléculas fluorescentes desde las zonas cercanas al área blanqueada, provocando así la reaparición de la fluorescencia en el punto blanqueado por el láser.
ASIMETRÍA
En la mayoría de las membranas la composición lipídica de las dos monocapas de la bicapa lipídica es diferente ( Asimétricas ). La asimetría lipídica es muy importante funcionalmente, especialmente para convertir señales extracelulares en intracelulares, ya que muchas proteínas de señal citosólicas se unen a los grupos de las cabezas de lípidos de la monocapa citoplásmica.
La asimetría lipídica es generada y mantenida por translocadores de fosfolípidos unidos a la membrana. También se puede generar durante su síntesis en el retículo endoplásmico o en el aparato de Golgi.
