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LA MEMBRANA PLASMÁTICA

Bicapas de lípidos

La membrana plasmática es una estructura delgada y frágil que mide de 5 a 10 nm de espesor, que está constituida por una bicapa de lípidos. Las membranas son ensambles de lípidos y proteínas en los que los componentes se mantienen juntos en una hoja delgada de enlaces no covalentes. El centro de la membrana consiste en una hoja de lípidos dispuestos en una capa biomolecular. La bicapa lipídica sirve sobre todo como una columna estructural para la membrana y establece la barrera que impide los desplazamientos aleatorios de materiales hidrosolubles hacia dentro y fuera de la célula. Cada tipo de célula diferenciada contiene un complemento único de proteínas de membrana que contribuye a las actividades especializadas de esa célula. La proporción entre lípidos y proteínas en la membrana varía, según el tipo de membrana celular (plasmática, de retículo endoplásmico, del aparato de Golgi), el tipo de organismo (bacteria, vegetal, animal) y el tipo de célula (cartílago, músculo, hígado). Por ejemplo, la membrana mitocondrial interna contiene una alta proporción de proteínas y lípidos en comparación con la membrana plasmática del eritrocito; son estas diferencias que se relacionan con las funciones básicas de la membrana. La membrana mitocondrial interna contiene portadores proteicos de la cadena de transporte electrónico y en relación con otras membranas, tiene menos lípidos. Las bicapas lipídicas son estructuras dinámicas, las cuales si fluidez depende de la longitud y el grado de saturación de sus grupos grasoacilo: las cadenas más cortas y menos saturadas son más fluidas. El colesterol ayuda a mantener la fluidez de la membrana en una amplia gama de temperaturas. Los lípidos de membrana pueden difundirse con libertad lateralmente, pero también experimentan difusión transversal con mucha lentitud. Las membranas pueden contener balsas cristalinas formadas por colesterol y esfingolípidos.

Estructura de los lípidos polares y composición de las membranas biológicas

Las membranas contienen gran diversidad de lípidos, los cuales tienen carácter anfipático, es decir contienen regiones hidrofílicas e hidrofóbicas. Encontramos tres tipos principales de lípidos en las membranas y son: fosfoglicéridos, esfingolípidos y colesterol. La mayoría de los lípidos de membrana contienen un grupo fosfato, lo que los convierte en fosfolípidos, y como casi todos estos fosfolípidos están formados sobre una columna de glicerol, se llaman fosfoglicéridos. Los fosfoglicéridos son diglicéridos, es decir solo dos de los grupos hidroxilo del glicerol están esterificados con ácidos grasos, el tercero está esterificado (reacción química entre un ácido carboxílico y un alcohol, con eliminación de una molécula de agua) con un grupo fosfato hidrófilo. Los fosfoglicéridos de la membrana tienen un grupo adicional unido con el fosfato, casi siempre colina, etanolamina o inositol ; todos estos grupos pequeños e hidrófilos, y que junto con el fosfato de carga negativa con el que están unidos, forman un dominio muy hidrosoluble en un extremo de la molécula, llamado grupo cabeza. Un ácido graso de la membrana puede estar completamente saturado (sin enlaces dobles), monoinsaturado (tiene un enlace doble) o poliinsaturado (con más de un enlace doble). Los fosfoglicéridos contienen a menudo una cadena grasa acilo insaturada y una saturada.

Por otro lado una clase de lípidos menos abundante en la membrana son los esfingolípidos, estos son derivados de la esfingosina, un amino alcohol que contiene una larga cadena de hidrocarburos. Los esfingolípidos consisten en esfingosina unida con un ácido graso por su grupo amino.

Otro componente lipídico de ciertas membranas es el esterol colesterol, que en ciertas células animales constituye hasta el 50% de las moléculas de lípidos de la membrana plasmática. El colesterol está ausente en las membranas de células vegetales y bacterianas. Las moléculas del colesterol están orientadas con su pequeño grupo hidroxilo hacia la superficie de la membrana y el resto de la molécula sepultada en la bicapa lipídica. Los anillos de la molécula del colesterol son hidrófobos, planos y rígidos, e interfieren con los movimientos de las colas de ácidos grasos de los fosfolípidos.

Los lípidos de una membrana son más que simples elementos estructurales, tienen efectos importantes en las propiedades biológicas de una membrana. La composición lipídica determina el estado físico de la membrana e influye en la actividad de las proteínas particulares de la misma. Los lípidos también aportan los precursores para los mensajeros químicos altamente activos que regulan la función celular. La bicapa lipídica mide 6 nm de espesor. Las membranas nunca tienen un borde libre, siempre son estructuras continuas, sin interrupciones. Las membranas forman extensas redes interconectadas dentro de la célula. Por la flexibilidad de la bicapa lipídica, las membranas son deformables y su forma general puede estar en constante cambio, como ocurre durante la locomoción o la división celular. Se cree que la bicapa lipídica facilita la fusión regulada o gemación de las membranas. Por mencionar un ejemplo, los fenómenos de la secreción, en la que vesículas citoplasmáticas se fusionan con la membrana, o en la fertilización, en la que dos células se fusionan para formar una sola. , implican procesos en los que dos membranas separadas se unen para convertirse en una hoja continua. La importancia de ésta bicapa lipídica incluyen el mantenimiento de la composición interna apropiada de una célula, separa cargas eléctricas a ambos lados de la membrana, además de que se ensambla por sí misma.

Proteínas y carbohidratos membranales

Mientras la bicapa lipídica determina la estructura básica de las membranas biológicas, las proteínas son responsables de la mayoría de las funciones que desempeña, como receptores específicos, enzimas, transporte, entre otros. Muchas proteínas de membrana se extienden a través de la bicapa lipídica, las proteínas transmembranales son amfifílicas y en algunos casos su cadena polipeptídica pasa una sola vez (1) la bicapa como un hélice simple, otras proteínas transmembranales pasan múltiples veces por la membrana, ya sea como una serie de alpha hélices (2) o como una hoja beta (3) en forma de barril. Algunas proteínas asociadas a membrana son periféricas y se encuentran de un lado u otro de esta. Varias de estas pueden estar o no interaccionando mediante enlaces no covalentes con proteínas transmembranales (7,8) o covalentemente con grupos lipídicos (6). Todas las proteínas son responsables por el transporte transmembranal de iones y otras moléculas pequeñas solubles en agua. En la membrana plasmática de todas las células eukarióticas, la mayoría de las proteínas están expuestas en la superficie y algunas moléculas lipídicas de la mono-capa externa tienen cadenas de oligosacáridos adheridos covalentemente a ellos. Como las moléculas lipídicas en la bicapa, muchas proteínas de membrana son capaces de difundirse rápidamente en el plano de la membrana. Sin embargo, las células tienen maneras de inmovilizar proteínas específicas de membrana, así como tiene otras formas de limitar proteínas y lípidos membranales a ciertos dominios en una bicapa lipídica continúa.

La membrana del eritrocito

Los eritrocitos son únicos entre las células de los mamíferos, no contienen núcleo o estructuras metabólicas subcelulares y sobreviven de 3 a 7 meses. Durante su periodo de vida, los eritrocitos viajan individualmente miles de millas por tubos de varios tamaños mientras entregan oxígeno a los tejidos. La supervivencia de prácticamente todas las demás células en el cuerpo depende del buen funcionamiento de los eritrocitos. Contienen una disolución concentrada de hemoglobina rodeada por una membrana, y a pesar de su aparente simplicidad, tienen una limitada capacidad metabólica. Son expuestos a un alto contenido de oxígeno y entran en contacto con una gran variedad de químicos tanto endógenos como exógenos. Su habilidad de sobrevivir depende en la habilidad de la membrana de mantenerse intacta y flexible. La membrana del eritrocito consiste en dos dominios que son:

• ALa bicapa lipídica: compuesto en partes iguales de lípidos y proteínas, los principales lípidos son el colesterol y los fosfolípidos; en la monocapa externa se encuentran glicolípidos, fosfatidilcolina y esfingomielina, mientras que en la monocapa interna se localizan fosfatidilinositol, fosfatidiletanolamina y fosfatidilserina, esta distribución le da la asimetría a la bicapa lipídica.
• ACitoesqueleto: consiste de una red filamentosa de algunas proteínas debajo de la bicapa, la red está compuesta de espectrina (proteína dominante), ankyrina, actina y proteína 4.1 que interaccionan con las proteínas integrales y lípidos de la bicapa para mantener su integridad, ya que cualquier deficiencia puede causar inestabilidad en la membrana o pérdida de lípidos.

La membrana del eritrocito como sistema modelo

En 1925 estudios de Gorter y Grendel determinaron el valor del área ocupada por los lípidos extraídos de la membrana de eritrocitos, en el cual encontraron que este valor correspondía al doble de la superficie calculada para un número conocido de estas células, tomando en cuenta su forma discoidal. Además infirieron que la membrana de los eritrocitos está constituida por una bicapa de lípidos con un espesor de 5.0-6.0 nm.

Anclaje al citoesqueleto

Debajo de la membrana plasmática se encuentra una región llamada corteza celular o citoesqueleto cortical, la cual se compone de una densa red de filamentos de actina, también llamados microfilamentos, que se proyectan hacia el citoplasma, donde se fijan entre sí mediante uniones cruzadas y proteínas fijadoras formando una red tridimensional. Esta red o malla cortical de actina sustenta la superficie externa de la célula y brinda las propiedades mecánicas de la membrana plasmática. La organización de los filamentos de actina y de las proteínas que conectan los microfilamentos a la membrana, generan la forma distintiva de una célula. Estas proteínas llamadas proteínas de unión de microfilamentos a la membrana, actúan como fijadores puntuales que anclan el armazón del citoesqueleto de actina a la membrana ubicada por encima. Una de las principales estructuras para el estudio de la unión de la membrana plasmática al citoesqueleto, es mediante el uso de glóbulos rojos o eritrocitos, ya que éstos carecen de otras membranas y otros componentes del citoesqueleto, quedando el citoesqueleto cortical como único determinante de su forma. Otro de los componentes principales del citoesqueleto cortical es la proteína espectrina. Esta proteína se encuentra como un tetrámero formado por dos cadenas polipeptídicas llamadas alfa y beta. La cadena beta posee en su amino terminal una molécula dominio atadura de actina (ABD, por sus siglas en ingles Actine-bundling domain). Estas cadenas se asocian lateralmente y de manera opuesta y, en sus extremos, los tetrámeros se asocian con filamentos de actina dando como resultado una trama de espectrina-actina que forma el citoesqueleto del eritrocito. Por otra parte los filamentos de actina contienen en su longitud una proteína llamada tropomiosina, que posee en uno de sus extremos a la proteína llamada banda 4.1, ésta entra en contacto con la proteína de membrana glucoforina por un lado y, por otro, sirve de enlace en un extremo de la espectrina y a la alucina con el filamento de actina. Finalmente, en el centro de la molécula de espectrina se encuentra la proteína ancrina que sirve de unión con la proteína de membrana banda 3. Así la espectrina logra unirse a dos proteínas de membrana formando una trama bien conectada que actúa como citoesqueleto.

Mecanismos de transporte a través de las membranas celulares

Las células crecen y viven mediante el intercambio de moléculas con su medio circundante para ello la membrana plasmática actúa como una barrera que controla el paso de dichas moléculas tanto del interior como el exterior. La bicapa lipídica es hidrofóbica por ello impide el paso de casi todas las moléculas hidrosolubles, pero es necesario el paso de algunas como los azúcares y aminoácidos, eliminar productos de desecho como el CO2 y regular la concentración intracelular de iones orgánicos. La mayoría de estos solutos no se pueden difundir a través de la membrana lipídica como el CO2 y el O2 para ello van a depender de proteínas de transporte de membrana que van a estar distribuidas través de todo el espesor de la membrana y forman canales a través de la membrana lipídica para facilitar el paso de los solutos hidrosolubles.

Los solutos atraviesan las membranas mediante transporte pasivo o activo; El transporte pasivo puede ser impulsado mediante gradiente de concentración y por fuerzas eléctricas mientras que el transporte activo moviliza solutos en contra gradiente electroquímico.

Transporte pasivo de solutos

Las moléculas fluyen desde un sitio de alta concentración hasta uno de baja concentración de manera espontánea siempre y cuando haya una vía que lo permita. Este tipo de desplazamiento no requiere energía para llevar a cabo dicho proceso se denomina transporte pasivo o difusión facilitada.

En el caso de las moléculas sin carga la dirección del transporte pasivo solo estará determinada únicamente por el gradiente de concentración y para el caso de las moléculas con carga eléctrica tanto iones orgánicos de pequeño tamaño como iones inorgánicos se sumará una fuerza impulsora. La mayoría de las membranas celulares poseen un voltaje llamado de otra manera potencial eléctrico mejor conocido como potencial de la membrana. Esta diferencia de potencial eléctrico entre ambos lados de la membrana ejercerá una fuerza sobre cualquier molécula portadora de carga eléctrica. El lado citoplasmático presenta una carga negativa en relación con su exterior y esto tiende a impulsar solutos de carga positiva hacia el interior de la célula y solutos con carga negativa hacia el exterior de la célula Esta fuerza impulsora se denomina gradiente electroquímico.

Transporte activo de iones. Canales iónicos

La mayoría de las proteínas de canal solo permiten el paso de iones inorgánicos por tal motivo se denominan canales iónicos . Estos iones poseen carga eléctrica por ese motivo pueden generar fuerzas eléctricas de gran magnitud.

Las proteínas de transporte permitirán que las moléculas atraviesan la membrana celular y la dirección dependerá del grado de concentración del soluto de ambos lados de la membrana. Para desplazar un soluto de concentración en contra gradiente es necesario el uso de proteínas de transporte, este tipo de transferencia de solutos se denomina transporte activo y solo se llevará a cabo tipos de proteínas especiales capaces de aprovechar alguna fuente de energía para promover dicho proceso.

El transporte activo de solutos en contra gradiente tiene una gran importancia para el mantenimiento de la composición iónica intracelular y para importar solutos que se encuentran en una menor concentración en el exterior que en el interior de la célula. Existen tres tipos de transporte activo principales: 1) Transportador acoplado este acopla el transporte cuesta debajo de un soluto con el transporte cuesta debajo de otro soluto. 2) Bombas impulsadas por ATP estas acopla el transporte cuesta arriba de un soluto mediante la hidrólisis de ATP. 3) Bombas impulsadas por la luz, estas están presentes sobre todo en las bacterias, mediante un impulso luminoso acopla el transporte cuesta arriba.

Cotransporte: symport y antiport

Proteínas de membrana que median el transporte de moléculas e iones a través de las membranas biológicas. Muy pocas moléculas pueden cruzar una bicapa fosfolipídica a tasas apreciables por difusión pasiva, por su parte ningún ion puede cruzar estas capas fosfolipídicas. Por este motivo tanto moléculas e iones requieren la ayuda de proteínas de membrana especializadas para entrar y salir. Incluso el transporte de moléculas con un coeficiente de reparto relativamente alto (agua, urea) es frecuentemente acelerado por proteínas específicas porque su transporte por difusión pasiva no es lo suficientemente rápido para satisfacer las necesidades celulares. Todas las proteínas de transporte son proteínas transmembranales, estas contienen múltiples segmentos que atraviesan la membrana, estos segmentos generalmente son α hélice. Se piensa que se forman “caminos” cubiertos por proteínas que cruzan la membrana los cuales permiten el movimiento de sustancias hidrofóbicas sin entrar en contacto con el interior hidrofóbico de la membrana. Hay varios tipos de proteínas transportadoras: Bombas de ATP, canales iónicos y transportadores. Los transportadores mueven una amplia variedad de iones y moléculas a través de las membranas celulares. Se han identificado 3 tipos de transportadores:

Uniporters: Transportan a un solo tipo de molécula por debajo de su gradiente de concentración mediante difusión facilitada. La glucosa y los aminoácidos cruzan la membrana en la mayoría de células de mamíferos con la ayuda de uniporters. En contraste los syporters y antiporters acoplan el movimiento de una molécula o ion en contra de su gradiente de concentración con el movimiento de uno o más iones (iones cotransportadores) diferentes por debajo de su gradiente de concentración. Estas proteínas son llamadas cotransportadores. Cómo funcionan los symporters y antiporters. Utilizan la energía almacenada en el gradiente electroquímico de iones (Na+ o H+) para ayudar al movimiento en contra del gradiente de otra sustancia, estas sustancias pueden ser pequeñas moléculas orgánicas o iones. Por ejemplo, el movimiento ayudado por Na+ en una célula a través de la membrana plasmática es impulsado tanto por el gradiente de concentración y el gradiente de voltaje de la membrana, esto permite transportar glucosa en contra de su gradiente de concentración. Una característica importante de los cotransportadores es que no pueden mover una molécula sola, se requiere el movimiento de dos moléculas. La molécula transportada y el ion cotransportador. Estos cotransportadores pueden aprovechar la energía de una reacción favorable para acoplar el transporte activo de moléculas en contra del gradiente de concentración. Cuando la molécula transportada y el ion cotransportador se mueven en la misma dirección, el proceso recibe el nombre de symport. Cuando se mueven en direcciones opuestas, el proceso recibe el nombre de antiport. Algunos transportadores son solamente cationes, y otros son solamente aniones.

Osmosis. Movimiento del agua y regulación del volumen celular

El transporte pasivo es un movimiento aleatorio de las moléculas. Este movimiento se lleva a cabo gracias a la membrana semipermeable, que permite que ciertas moléculas pasen a través de ella, o con ayuda de proteínas transportadoras. Este tipo de transporte no hay un gasto de ATP, ya que estas moléculas van de mayor a menor concentración (gradiente de concentración) o de mayor a menor carga eléctrica (gradiente electroquímico). El transporte pasivo se divide en 3: difusión simple, difusión facilitada, osmosis La osmosis es un caso especial de difusión simple por el cual se transportan moléculas de agua, a través de una membrana, desde una zona de menor concentración de solutos a otra de mayor concentración. De esta manera se genera una distribución diferente de los volúmenes de agua a ambos lados de la membrana. El agua atraviesa la membrana mediante proteínas transmembrana, llamadas genéricamente acuaporinas, por donde el agua ingresa o sale de la célula. Sin embargo, debido a que la molécula de agua es polar y de pequeño tamaño, este movimiento se realiza también mediante los espacios que quedan entre los fosfolípidos de la bicapa producto de su movimiento y el de las proteínas. Cuando una membrana es impermeable a un soluto, o sea, el soluto no puede atravesar la membrana, las concentraciones de ambos ambientes se igualan por medio de la difusión de agua; en otras palabras, por osmosis. En el citoplasma de todas las células el agua es el principal solvente que disuelve sales, azúcares y otras sustancias. Las células pueden entrar en contacto con soluciones de concentraciones diferentes, vale decir, diferentes en la composición de solutos respecto al solvente. De acuerdo a esto, se pueden dar tres tipos de soluciones: Solución isotónica: la concentración de solutos está en equilibrio con el interior de la célula. Solución hipotónica: presenta menor concentración de solutos que el interior de la célula. Solución hipertónica: es aquella que presenta mayor concentración de solutos que el interior de la célula.

Transporte de macromoléculas y partículas: endo y exocitosis

La endocitosis es una forma de transporte activo en la cual la célula transporta moléculas (como las proteínas) hacia la célula. La endocitosis y su contraparte, la exocitosis, son usados por todas las células porque la mayoría de las sustancias químicas importantes para ellas son moléculas grandes polares que no pueden pasar por la membrana celular por medios pasivos. La endocitosis puede ser dividida en 4 categorías: La endocitosis mediada por clatrinas se lleva a cabo por pequeñas vesículas que tienen una cubierta compuesta por un complejo de proteínas principalmente asociadas con la clatrina. Las vesículas cubiertas por clatrina se encuentran generalmente en todas las células y forman microcavidades revestidas de clatrinas en la membrana plasmática. Las caveolas son las vesículas más comunes sin revestimiento de clatrinas, que existen en la superficie de muchos tipos de células. La formación y mantenimiento de caveolas se debe principalmente a la proteína caveolina. La pinocitosis es la invaginación de la membrana para formar un saco que luego se separa de la membrana y forma una vesícula que contiene un gran volumen de fluido extracelular y moléculas en él. Las vesículas se llenan de una manera no específica y una vez en el citosol se fusionan con otras vesículas como los endosomas y los lisosomas. La fagocitosis es el proceso por el cual la célula enlaza e internaliza materia particular más grande que 0.75 µm en diámetro, como pequeñas partículas de polvo, desechos celulares, microorganismos y células apoptóticas. Estos procesos involucran mayores áreas de la membrana que las caveolas y la endocitosis mediada por clatrinas. Experimentos más recientes sugieren que estas descripciones morfológicas de eventos de endocitosis pueden ser inadecuados, y un método de clasificación más apropiado puede estar basado en la dependencia de clatrinas con múltiples subtipos y con endocitosis independiente de clatrinas. En la exocitosis, las vesículas secretoras llevan sus contenidos a través de la membrana hacia el espacio extracelular; estas vesículas contienen proteínas solubles que serán secretadas al medio extracelular así como proteínas y lípidos de membrana que se volverán componentes de la misma. La exocitosis puede ser constitutiva o regulada; la exocitosis constitutiva se da en todas las células y sirve para liberar components a la matriz extracelular, o para llevar proteínas de membrana recién sintetizadas que serán incorporadas en la membrana plasmática después de la fusión de la vesícula de transporte. La exocitosis regulada requiere de una señal externa, una señal específica de sorteo en las vesículas, un recubrimiento de clatrinas, así como un incremento en el calcio intracelular.

Fusión de membranas, entrada de virus a la célula

Los virus son parásitos intracelulares obligatorios formados por una cubierta proteica (cápside) que rodea el material genético; algunos tienen además una envoltura lipídica proveniente de la célula que infectan previamente rodeando su cápside. El ciclo replicativo de los virus comienza con la unión de este a sus receptores (como integrinas, glicoproteínas, etc.) lo cual provoca cambios en la partícula viral que favorecen las etapas posteriores. Al reconocer los virus sus receptores penetran la membrana celular, este paso se da tanto en membrana plasmática como en membranas intracelulares de diferentes organelos, dependiendo de los requerimientos del virus. Muchos virus utilizan vías de endocitosis para entrar a la célula, mientras que otros atraviesan la membrana celular directamente por el mecanismo de penetración directa. La jornada de un virus no termina al entrar al interior de la célula, pues a partir de ese momento libera el material genético para que este pueda ser replicado o traducido. La entrada del virus mediante el proceso endocítico le confiere varias ventajas, como la de evitar la barrera del citoesqueleto de actina cortical que se encuentra por debajo de la membrana plasmática y forma una malla difícil de atravesar. Por otra parte le da acceso a los organelos endocíticos los cuales proveen de micro-ambientes que favorecen la penetración del virus.

La endocitosis mediada por clatrina es uno de los mecanismos más utilizados entre los virus, los cuales a través de los cambios conformacionales que pasan por responder a al pH ácido, permiten la exposición de péptidos de fusión los cuales a su vez interactúan con la membrana del endosoma facilitando su liberación al citosol.

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