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MEMBRANA PLASMATICA Y MEMBRANAS CITOPLASMICAS
ESTRUCTURA DE LAS MEMBRANAS CELULARES
- Primeros estudios con métodos indirectos. La membrana plasmática no es visible con el microscopio de luz, que solo permite apreciar las sustancias que la rodean; por eso, su estudio comenzó con métodos indirectos.
- En 1895, Overton presumió la existencia de una membrana de naturaleza lipídica en la célula debido a que la superficie celular es fácilmente traspasada por lípidos y muy resistente al paso de corriente eléctrica.
- En 1897, Langmuir estudio el comportamiento de los fosfolípidos al extenderlos sobre el agua, y observo que los grupos polares (hidrófilos) de cada molécula quedaban en contacto con la superficie acuosa mientras que los grupos no polares (hidrófobos) se disponían perpendicularmente a esta.
Si se añadía otra capa de fosfolípidos, esta se disponía enfrentada a la anterior para que los grupos polares y no polares quedasen también en la misma reacción respecto al agua.
- En 1925, Gorter y Grendel extrajeron los lípidos de la membrana de eritrocitos y calcularon que, al extenderlos sobre el agua, ocupaban una superficie doble de la que debían ocupar las membranas de los eritrocitos. Llegaron a la conclusión de que la membrana es una capa lipídica bimolecular.
- En 1932, Cole estudio la tensión superficial de membranas de huevos de erizo de mar. El valor encontrado resulto inferior a la tensión superficial teórica para una capa de fosfolípidos; de ello dedujo que estos deberían ir acompañados de proteínas que disminuyeran su tensión superficial.
En 1935, Danielli y Davson propusieron un modelo de estructura de la membrana plasmática en el que las proteínas se sitúan con los grupos polares de la bicapa lipídica. Posteriormente, incluyeron en su modelo poros
o canales en la membrana para explicar el paso de sustancias.
- Estudios con el microscopio electrónico. Con la aplicación del microscopio electrónico se vio por primera vez la membrana plasmática. Esta, observada a grandes aumentos, aparece como una estructura trilaminar.
Inicialmente, el espesor de la membrana plasmática se estimó en 7.5 nm, pero al mejorar la calidad de la fijación se corrigió este valor situándolo en 10 nm, valor admitido actualmente y corroborado por diversos estudios.
La misma imagen trilaminar de la membrana plasmática se observaba también en las membranas de los orgánulos citoplásmicos, por lo que Robertson (1959) denomino a esta estructura unidad de membrana , al entender que existe una igualdad esencial entre todas las membranas celulares.
En 1962, Stoeckenius elaboro una membrana artificial con dos capas de fosfolípidos, la fijo con osmio y la observo con el microscopio electrónico. La imagen resultante era la estructura trilaminar, por lo que se llegó a la conclusión de que la fijación del osmio tenía lugar en los grupos polares de los fosfolípidos.
Al añadir proteínas a esta membrana, se repetía la imagen anterior, pero con las líneas densas más gruesa, por lo que se pensó que las proteínas se disponen junto con los grupos polares de los fosfolípidos.
La idea de que todas las membranas celulares son esencialmente iguales se compagina con la observación de una continuidad entre las diferentes membranas de los orgánulos
- Contraste negativo. Permitió observar protuberancias e irregularidades en las membranas, imposibles de apreciar en los cortes.
- Criofractura-replica. Al romperse las membranas por las líneas de mínima resistencia, estas quedan divididas en dos hemimembranas: P (protoplásmica o interna) y E (exoplásmica o externa).
La superficie interna de cada membr ana presenta una serie de partícu las que se corresponden con cavida des en el fragmento compl ementario de la membrana y son debidas a las proteínas, por lo que son más abundantes en membr anas ricas en enzimas.
Las dos partes de la membrana son asimétricas, siendo las partículas más abundantes y mayores en la hemimembrana P.
Con los resultados de estos y otros estudios, Singer y Nicolson (1972) llegaron a proponer un modelo que ha sustituido a todos los anteriores y que se encuentra en vigor y se aplica a todas las membranas de la célula. Es el modelo del mosaico fluido de membrana.
En este modelo los lípidos forman una bicapa en la que se disponen las proteínas configuradas de acuerdo con las interacciones que establecen con las moléculas que las rodean. Hay también oligosacáridos que se disponen sobre los lípidos y las proteínas en la hemimembrana E.
La membrana plasmática del eritrocito de rata tiene un 60% de proteínas y un 40% de lípidos. Esta proporción es similar a la encontrada en las membranas plasmáticas de la mayoría de los tipos celulares. No obstante, existen membranas plasmáticas que se alejan mucho de esta proporción, como la mielina, que tiene un 20% de proteínas y un 80% de lípidos.
Las membranas citoplasmáticas, además de ser más delgadas que la plasmática, poseen mayor proporción proteínas/lípidos.
➢ Lípidos de las membranas. Los principales tipos de lípidos que forman ambas bicapas de la membrana son los siguientes:
- Las grasas neutras. Formadas por esteres de glicerol y uno (monoglicéridos), so (diglicéridos) o tres (triglicéridos) ácidos grasos. Son un componente minoritario en la membrana plasmática.
En las membranas bacterianas y células vegetales son frecuentes los glucolipidos simples , constituidos por glicerol esterificado con uno o dos ácidos grasos y con un monosacárido o un oligosacárido unido al tercer hidroxilo.
- Fosfolípidos. Son fosfodiglicéridos, es decir, consisten en una molécula de glicerol esterificado con dos ácidos grasos (de 16 y 20 carbonos de longitud); cada uno de ellos se encuentra unido por su extremo carboxilo a un hidroxilo del glicerol.
El tercer hidroxilo del glicerol esta esterificado con un fosfato.
- Si este fosfato no se esterifica con ningún otro componente, el fosfolípido se denomina ácido fosfatídico.
- Si el fosfato se une a otros radicales, se denomina de acuerdo con este radical.
Los principales fosfolípidos son los unidos a colina (fosfatidil colina o lecitina), serina (fosfatidil serina o cefalina), etanolamina (fosfatidil etanolamina o cefalina), inositol (fosfatidil inositol) o a otra molécula de glicerol (fosfatidil glicerol).
- Esteroles. Derivados del ciclopentano-perhidro-fenantreno, con un hidroxilo en un extremo y una cadena alifática corta en el otro. El más común es el colesterol.
Estudios han llevado a precisar que las membranas funcionales requieren una matriz lipídica fluida; esto es, una membrana es funcional cuando se mantiene por encima del punto de fusión de sus lípidos. La temperatura de fusión depende de la longitud de la cadena de los fosfolípidos, del número de dobles enlaces y de la concentración de colesterol.
En esta matriz fluida, los lípidos pueden hacer desplazamientos de difusión lateral, rotación y flexión. En contraste con estos movimientos laterales, son infrecuentes los movimientos de voltereta (flipflop), esto es, inversión de la polaridad de las moléculas cruzando la membrana d arriba abajo. Solo son frecuentes durante la síntesis de la membrana por el RE.
La permeabilidad de la membrana disminuye con la abundancia de colesterol.
Existe asimetría en la bicapa lipídica, pues hay mayor proporción de fosfatidil colina y esfingoielina (fosfolípidos con colina y esfingomielina saturados) en la hemimembrana exoplasmica (E), y mayor cantidad de fosfatidil etanolamina y fosfatidil serina (fosfolípidos con ácidos grasos insaturados) en la hemimembrana citoplásmica (P).
La matriz lipídica de la hemimembrana P es más fluida que la de la E debido a su mayor contenido en ácidos grasos insaturados. La mayor presencia de fosfatidil serina (con fuerte carga negativa) en la hemimembrana P determina que exista una diferencia de carga entre ambas hemimembranas.
➢ Proteínas de las membranas. Proteínas integrales y periféricas.
▪ Proteínas integrales. Estas proteínas suelen atravesar por completo la membrana (proteínas transmembranosas), aunque se conocen algunas que solo ocupan una hemimembrana.
Los grupos polares de la proteína quedan generalmente en la superficie de la membrana, mientras que los residuos no polares permanecen embebidos entre las cadenas hidrocarbonadas de los fosfolípidos.
Las proteínas integrales están firmemente unidas a los lípidos por interacción hidrófobas. Algunas refuerzan la unión por enlaces covalentes con lípidos y solo se disocian de estos por tratamientos drásticos (detergentes) que destruyen la integridad de las membranas.
Existen proteínas integrales que no atraviesan la totalidad de la membrana, pero forman enlaces covalentes, aunque no necesariamente con un lípido.
Las proteínas integrales pueden realizar movimientos de rotación y de traslación con una constante de difusión. Esto se demostró cultivando conjuntamente células de ratón y células humanas, y se marcó una proteína especifica de la membrana plasmática de la célula del ratón. Se hizo lo mismo con la proteína especifica de la membrana de la célula humana.
Tras fusionar ambas células, se vio que cada tipo de proteína quedaba limitad a un área diferente de la célula hibridada, pero posteriormente ambas proteínas se entremezclaban.
▪ Proteínas periféricas. Estas proteínas no son transmembranosas y sobresalen en una de ambas hemimembranas. Están asociadas a la membrana por enlaces covalentes con un ácido graso o por interacciones no covalentes con una proteína integral.
longitudinal y opuesto para formar tetrámeros. A este contacto se ancla la espectrina mediante la proteína anquitina, la cual ancla a su vez en el dímero banda 3.
Los tetrámeros de espectrina forman una red bajo la membrana plasmática asociándose con sus colas. A esas colas se adosas filamentos cortos de actina unido a proteína tropomiosina y a tres moléculas de proteína banda 4.1. Finalmente, a cada banda 4.1 se une una molécula de aducina.
- Una proteína periférica interna: enzima gliceraldehído 3 fosfato deshidrogenasa.
La membrana plasmática de la mayoría de las células nucleadas de eucariotas contiene otras proteínas distintas cuya organización difiere en cada caso.
Algunas de esas proteínas sirven de receptores que intervienen en procesos de reconocimiento y adhesión celular; otras actúan como transportadores hacia el interior o exterior de la célula; otras son enzimas que catalizan reacciones asociadas con la membrana, y finalmente, otras son proteínas estructurales que, junto con los receptores, conectan la membrana plasmática con el citoesqueleto, con otra célula adyacente o con la matriz extracelular.
El citoesqueleto asociado a la membrana plasmática también difiere del encontrado en el eritrocito, y cosiste generalmente en filamentos de actina.
- Hidratos de carbono de las membranas (glicocálix).
- Estructura y composición. Los hidratos de carbono están presentes en la membrana plasmática unidos covalentemente a proteínas o a lípidos. Se encuentran del lado externo y son generalmente oligosacaridso. La célula queda así recubierta por una envoltura de material hidrocarbonado, denomino glicocálix , que es particularmente visible en algunas células.
Casi todas las proteínas presentan oligosacáridos en su lado externo, pero solo la décima parte de las moléculas lipídicas de la hemimembrana externa están unidas a oligosacáridos.
Como en la membrana hay unos 50 veces más lípidos que proteínas, habría que pensar que hay cinco veces más oligosacáridos unidos a lípidos que a proteínas.
Sin embargo, el peso total de los oligosacáridos unidos a proteínas es mayor que el de los unidos a lípidos, pues mientras que cada molécula de lípido portadora de oligosacáridos posee una única cadena de hidratos de carbono, cada molécula de proteína posee varias cadenas.
Los oligosacáridos del glicocálix unidos a proteínas se unan bien al nitrógeno (oligosacáridos N) o al oxígeno (oligosacáridos O). Los primeros presentan 12 azucares y son ricos en manosa, mientras que los segundos solo tienen unos cuatro azucares.
Una forma de identificar los hidratos de carbono del glicocálix son las proteínas denominadas lectinas. De la familia de las selectinas , que se unen específicamente a secuencias determinadas de hidratos de carbono.
Los oligosacáridos del glicocálix unidos a lípidos forman principalmente glucoesfingolípidos, pero también hay oligosacáridos unidos a fosfatifil inositol.
En la mayoría de las células el glicocálix forma una delicada capa, difícilmente apreciable con el microscopio electrónico, pero en algunas células epiteliales está muy desarrollado, como en el caso del epitelio intestinal.
➢ Funciones. Las principales funciones reconocidas en el glicocálix son las siguientes:
- Es responsable de la carga negativa de la superficie celular, principalmente debida al ácido siálico, y de los cambios en la carga eléctrica del medio extracelular, actuando como una resina intercambiadora de iones.
- Reconocimiento y fijación de las partículas que incorpora la célula por endocitosis.
- Renovación de las membranas celulares. Los polipéptidos de alto peso molecular de la membrana plasmática se renuevan cada 2-5 días, mientras que los de bajo peso molecular lo hace cada 7-3 días. También se sabe que los lípidos se renuevan cada 3-5 días. cuanto más pese la proteína, más tiempo se quedará en la membrana.
La membrana plasmática se encuentra en un continuo proceso de reciclaje. De ella se invaginan vesículas con contenidos necesarios para el metabolismo de las células (endocitosis), lo que supone una pérdida de membrana, y a ella se fusionan vesículas procedentes del citoplasma (principalmente del aparato de Golgi) (exocitosis), lo que supone una recuperación de la membrana.
La renovación de la membrana plasmática a partir de vesículas del aparato de Golgi exige un incremento de las membranas de este orgánulo. Estas nuevas membranas proceden del retículo endoplasmático, que es el lugar de síntesis de las membranas celulares (con excepción de las mitocondrias, los plastidios y puede que los peroxisomas.
Por otra parte, las membranas de las vesículas de endocitosis terminan uniéndose a lisosomas que, a su vez, reciben membranas del complejo de Golgi (cargadas con enzimas lisosomicas) y emiten membranas hacia este mediante vesículas con los receptores para cargar enzimas lisosomicas en el complejo de Golgi.
- Síntesis de las membranas celulares. La síntesis de los componentes de las membranas citoplásmicas se realizan en el retículo endoplasmático liso y rugoso: liso en cuanto que posee enzimas para sintetizar fosfolípidos; rugoso, porque debe poseer ribosomas para sintetizar las proteínas integrales. Las proteínas periféricas internas se sintetizan en los ribosomas libres próximos a la membrana plasmática.
La glucosilacion de las proteínas cuyos hidratos de carbono formaran parte del glicocálix se inicia en el retículo endoplasmático rugoso y se completa en el complejo de Golgi. En este también se produce la glucosilacion de los lípidos, completando el glicocálix.
Los fosfolípidos y el colesterol se sintetizan en el retículo endoplasmático liso a partir de los ácidos grasos formados en el hialoplasma. Las moléculas lipídicas recién sintetizadas se sitúan en la hemimembrana P.
La translocación de la mitad de estos lípidos a la hemimembrana E tiene lugar mediante una translocación de fosfolípidos denominada escramblasa , que también se encuentra en la membrana plasmática y que equilibra ambas hemimembranas en pocos minutos.
La escramblasa cataliza el movimiento de flip-flop de fosfatidil colina, fosfatidil serina y fosfatidil inositol, pero no el de fosfatidil etanolamina.
Algunos de los fosfolípidos se transforman en lípidos con etanolamina una vez translocados, pero esto ocurre en una pequeña proporción, de modo que se establece una asimetría en la composición lipídica de la membrana del retículo endoplasmático y de todas las membranas derivadas de este, incluida la membrana plasmática.
En esta última, además de la escramblasa, hay otra proteína, denominada flipasa , que es exclusiva de la membrana plasmática y mueve fosfatifil serina y fosfatidil etanolamina desde la hemimembrana E hacia la P, contribuyendo a la asimetría.
A partir de la membrana del retículo endoplasmático se forman las membranas del complejo de Golgi. En la hemimembrana E de este, se forman la esfingomielina y los glucolípidos. Como en el complejo de Golgi no hay translocaciones de fosfolípidos, tanto la esfingomielina como los glucolípidos permanecen en la hemimembrana E donde fueron formados.
Con excepción de las mitocondrias y cloroplastos, que son orgánulos semiautónomos, y quizá también de los peroxisomas, los demás sistemas de membranas de la célula se hallan interconectados, bien directamente o a través de vesículas que transportan membrana y sustancias de un sistema a otro.
Aunque el movimiento de estas moléculas se realiza en ambas direcciones, el flujo neto de ellas se produce a favor de gradiente de concentración, aumentando linealmente con el valor del gradiente, lo que se denomina difusión simple.
➢ Transporte mediado por proteínas. La mayoría de las sustancias necesarias para las células son moléculas polares o con carga neta y atraviesan la membrana por difusión simple para satisfacer las necesidades de las células.
Por ello, las células han desarrollado numerosos sistemas de transporte basados en pretinas transmembranosas de paso múltiple.
Si las moléculas se transportan a favor del gradiente, este proceso ocurre espontáneamente y se denomina transporte activo ; en cambio, si lo hacen en contra del gradiente el proceso necesita un aporte de energía para poder realizarse, y se habla entonces de transporte activo.
▪ Transporte pasivo. El transporte pasivo puede realizarse bien mediante canales ( proteínas de canal ) o mediante transportadores ( proteínas transportadoras o permeasas ).
- Proteínas de canal. Las proteínas de canal forman canales acuosos que permiten el paso de moléculas polares o de iones a velocidades muy superiores a las que permitiría su difusión simple a través de la bicapa lipídica.
Aunque en algunos canales el flujo de sustancias transportado aumenta linealmente con el gradiente, siguiendo las leyes de la difusión simple, en la mayoría de ellos, el proceso tiende a saturarse con altas concentraciones, lo que indica que la molécula transportadora interactúa con el canal proteico.
La mayoría de los canales para el paso de iones actúan como puertas transitorias y su apertura y cierre están regulados por diferentes tipas de estímulos, que pueden ser:
- La unión de un ligando (molécula especifica del canal y diferente de las sustancias transportadas por este); son los canales regulados por ligando.
- Un cambio de potencial de membrana; son los canales regulados por voltaje.
- La unción a un nucleótido cíclico, principalmente cGMP; son los canales regulados por nucleótidos cíclicos.
- (^) El cambio de la concentración de algún ion; son los canales regulados por concentración iónica.
- La estimulación mecánica.
- Proteínas transportadoras. Difusión facilitada. Las proteínas transportadoras permiten el paso altamente selectivo de determinadas moléculas o iones. Presentan además una cinética de transporte muy diferente a la difusión simple, saturándose el transporte con determinadas concentraciones, por lo que se denomina difusión facilitada.
En la difusión facilitada, cuando la proteína transportadora tiene ocupados todos los centros de unión al sustrato se dice que está saturada, y la velocidad de transporte con esa concentración es máxima.
Cada transportador tiene una velocidad máxima característica, así como una constante de unión para su
soluto.
