La definición más sencilla de la membrana celular es referirse a ella como el medio que separa la parte interna de la célula (citoplasma) de la parte externa (plasma, en el caso de las membranas plasmáticas), que son medios altamente acuosos, y que además es crucial para mantener la célula intacta. Por otra parte, estas propiedades también rigen para las membranas internas de las organelas presentes en el citoplasma, que permiten a la célula desarrollar muchas de sus actividades bioquímicas en forma simultánea, que de otro modo serían incompatibles. Sin embargo, las funciones de la membrana son mucho más complejas, ya que además de participar en el transporte activo de moléculas y iones en ambos sentidos mediante canales y bombas, lo que permite que determinadas sustancias entren y abandonen la célula en forma selectiva, envía y recibe mensajes químicos y eléctricos incluyendo señales para sus divisiones y síntesis de proteínas, además contiene otras proteínas como receptores y enzimas que también cumplen funciones vital es para la célula. Dada, entonces, la importancia de las membranas resulta curioso que no se conozca en detalle sus estructuras moleculares. La razón de esta anomalía se basa en lo siguiente. La gran mayoría de las estructuras tridimensionales conocidas de los elementos y compuestos, desde los más sencillos hasta los de la más alta complejidad, se ha determinado en sus cristales por el poderoso método de difracción de rayos X. Este, a diferencia de las radiografías a que estamos acostumbrados y que se basa en la capacidad de penetrar la materia debido a su pequeña longitud de onda de alrededor de 1 Angstrom (equivalente a 10-8 centímetros) utiliza la combinación de sus ondas electromagnéticas luego que estas son reflejadas por todos los átomos presentes en un cristal. La limitante de éste método es que requiere no solo que las sustancias estén absolutamente puras sino que, además, sus átomos, iones o moléculas constitutivas estén bajo la forma de cristales, es decir, regularmente ordenadas en las tres dimensiones del espacio. De este modo se han determinado estructuras tan complejas como enzimas, hemoglobina y el ADN.
En el caso de las membranas celulares, desde un punto de vista químico, éstas están constituidas básicamente por otras clases de moléculas: proteínas y lípidos en aproximadamente un 25% cada uno, y agua en un 50%. Sin embargo, el problema para su determinación estructural reside en el elevado número de moléculas diferentes. Así, por ejemplo, en caso de las membranas de los glóbulos rojos humanos se han determinado alrededor de 200 tipos de proteínas y 100 de lípidos diferentes, éstos últimos agrupados en tres clases principales: fosfolipidos, colesterol y glicolípidos. Esta complejidad química se ve agravada por el efecto fluidizante del agua. En resumen, en lugar de disponer de una sola mohécula regularmente ordenada tridimensionalmente, se tiene un elevado número de moléculas diferentes que en su gran mayoría están irregularmente distribuidas. Sin embargo, mediante diferentes técnicas experimentales y evidencias indirectas se ha llegado a Las proteínas funcionalmente están ubicadas donde corresponde para ejercer adecuadamente sus funciones fisiológicas; sin embargo, desde el punto de vista de la periodicidad espacial requerida por el método de difracción de rayos X, ellas se encuentran totalmente desordenadas. Por otra parte, los lípidos muestran un cierto grado de orden ya que se encuentran agrupados a la forma de bicapas constituyendo una especie de matriz en la que se insertan las proteínas según se puede apreciar en la figura 1. Es por esta razón que las bicapas lipídicas son ampliamente utilizadas como modelos moleculares de membranas celulares. En la actualidad está también muy aceptada la noción de la asimetría molecular de las bicapas, lo que significa que un tipo de lípidos ampliamente presente en las membranas, los fosfolípidos, se encuentran en diferentes proporciones en cada una de has monocapas. Así, por ejemplo, en las membranas de los glóbulos rojos humanos las diacilfosfatidilcolinas y esfingomielinas se ubican preferentemente en la monocapa externa (plasmática) mientras que las diacilfosfatidiletanolaminas y fosfatidilserinas lo hacen en la monocapa interna (citoplasmática).la proposición de un modelo de membrana.
Figura 2.- Fórmula esquemática de fosfolípidos.
Los fosfohípidos, cuyas fórmulas esquemáticas se presentan en la figura 2, corresponden a una clase muy importante e interesante de moléculas biológicas. Exhiben un carácter anfifílico debido a que por una parte contienen largas cadenas hidrocarbonadas que les confieren un carácter hidrofóbico, el que impide el paso libre del agua a través de las membranas, mientras que por otra parte presentan en el extremo opuesto cabezas polares hidrofílicas constituídas por grupos amino y fosfato. Las cabezas polares se caracterizan, además, por tener carácter de zwitteriónicas ya que mientras los fosfatos presentan una carga negativa los grupos amino terminales presentan una carga positiva. En contacto con el agua los fosfolípidos forman diferentes tipos de agregados moleculares, los que dependen de factores internos tales como sus estructuras químicas, formas que presentan sus moléculas, cargas eléctricas, concentraciones, temperatura, pH y medio iónico. Los diagramas de fase que presentan los fosfolípidos sólo en función de sus concentraciones y temperatura son de por sí complejos. A modo de ejemplo, fosfolípidos acompañados de una pequeña cantidad de agua presentan las siguientes fases a medida que se aumenta la temperatura.
Los fosfolípidos, cuyas fórmulas esquemáticas se presentan en la figura 2, corresponden a una clase muy importante e interesante de moléculas biológicas. Exhiben un carácter anfifílico debido a que por una parte contienen largas cadenas hidrocarbonadas que les confieren un carácter hidrofóbico, el que impide el paso libre del agua a través de las membranas, mientras que por otra parte presentan en el extremo opuesto cabezas polares hidrofílicas constituídas por grupos amino y fosfato. Las cabezas polares se caracterizan, además, por tener carácter de zwitteriónicas ya que mientras los fosfatos presentan una carga negativa los grupos amino terminales presentan una carga positiva. En contacto con el agua los fosfolípidos forman diferentes tipos de agregados moleculares, los que dependen de factores internos tales como sus estructuras químicas, formas que presentan sus moléculas, cargas eléctricas, concentraciones, temperatura, pH y medio iónico. Los diagramas de fase que presentan los fosfolípidos sólo en función de sus concentraciones y temperatura son de por sí complejos. A modo de ejemplo, fosfolípidos acompañados de una pequeña cantidad de agua presentan las siguientes fases a medida que se aumenta la temperatura:
La primera transición ocurre desde la fase cristalina lamelar (Lc) a la fase gel lamelar con cadenas hidrocarbonadas ordenadas (L); posteriormente hay una transición a la fase gel (P') que se caracteriza por ser ondulada con las cadenas inclinadas, la que es seguida por la fase lamelar fluída (La) con cadenas desordenadas. A mayores temperaturas ocurren transiciones a fases no lamelares inversas tales como la cúbica Qll, hexagonal Hll y finalmente la fase micelar Mll . De todas las fases la más relevante, desde el punto de vista biológico, es la lamelar o de bicapa por la estrecha relación con el tipo de ordenamiento que presentan los fosfolípidos en las membranas celulares.
Bicapa lipídica
Diagrama del orden de los lípidos anfipáticos para formar una bicapa lipídica. Las cabezas polares (de color amarillo) separan las colas hidrofóbicas (de color gris) del medio citosólico y extracelular.El orden de las llamadas cabezas hidrofílicas y las colas hidrofóbicas de la bicapa lipídica impide que solutos polares, como aminoácidos, ácidos nucleicos, carbohidratos, proteínas e iones, difundan a través de la membrana, pero generalmente permite la difusión pasiva de las moléculas hidrofóbicas. Esto permite a la célula controlar el movimiento de estas sustancias vía complejos de proteína transmembranal tales como poros y caminos, que permiten el paso de glucosa e iones específicos como el sodio y el potasio.
Las dos capas de moléculas fosfolípidas forman un "sándwich" con las colas de ácido graso dispuestos hacia el centro de la membrana plasmática y las cabezas de fosfolípidos hacia los medios acuosos que se encuentran dentro y fuera de la célula. También es una membrana finísima que está encima del citoplasma.
Componentes lípidicos el 98% de los lípidos presentes en las membranas celulares son anfipáticos, es decir que presentan un extremo hidrófilo (que tiene afinidad e interacciona con el agua) y un extremo hidrofóbico (que repele el agua). Los más abundantes son los fosfoglicéridos (fosfolípidos) y los esfingolípidos, que se encuentran en todas las células; le siguen los glucolípidos, así como esteroides (sobre todo colesterol). Estos últimos no existen o son escasos en las membranas plasmáticas de las células procariotas. Existen también grasas neutras, que son lípidos no anfipáticos, pero sólo representan un 2% del total de lípidos de membrana.
Fosfoglicéridos. Tienen una molécula de glicerol con la que se esterifica un ácido fosfórico y dos ácidos grasos de cadena larga; los principales fosfoglicéridos de membrana son la fosfatidiletanolamina o cefalina, la fosfatidilcolina o lecitina, el fosfatidilinositol y la fosfatidilserina.
Esfingolípidos. Son lípidos de membrana constituidos por ceramida (esfingosina + ácido graso); solo la familia de la esfingomielina posee fósforo; el resto poseen glúcidos y se denominan por ello glucoesfingolípidos o, simplemente glucolípidos. Los cerebrósidos poseen principalmente glucosa, galactosa y sus derivados (como N-acetilglucosamina y N-acetilgalactosamina). Los gangliósidos contienen una o más unidades de ácido N-acetilneuramínico (ácido siálico).
Colesterol. El colesterkl representa un 23% de los lípidos de membrana. Sus moléculas son pequeñas y más anfipáticas en comparación con otros lípidos. Se dispone con el grupo hidroxilo hacia el exterior de la célula (ya que ese hidroxilo interactúa con el agua). El colesterol es un factor importante en la fluidez y permeabilidad de la membrana ya que ocupa los huecos dejados por otras moléculas. A mayor cantidad de colesterol, menos permeable y fluida es la membrana. Se ha postulado que los lípidos de membrana se podrían encontrar en dos formas: como un líquido bidimensional, y de una forma más estructurada, en particular cuando están unidos a algunas proteínas formando las llamadas balsas lipídicas. Se cree que el colesterol podría tener un papel importante en la organización de estas últimas. Su función en la membrana plasmática es evitar que se adhieran las colas de ácido graso de la bicapa, mejorando la fluidez de la membrana. En las meibranas de las células vegetales son más abundantes los fitoesteroles. Componentes protéicos El porcentaje de proteínas oscila entre un 20% en la vaina de mielina de las neuronas y un 70% en la membrana interna mitocondrial;el 80% son intrínsecas, mientras que el 20% restantes son extrínsecas. Las proteínas son responsables de las funciones dinámicas de la membrana, por lo que cada membrana tienen una dotación muy específica de proteínas; las membranas intracelulares tienen una elevada proporción de proteínas debido al elevado número de actividades enzimáticas que albergan. En la membrana las proteínas desempeña diversas funciones: transportadoras, conectoras (conectan la membrana con la matriz extracelular o con el interior), receptoras (encargadas del reconocimiento celular y adhesión) y enzimas.
Las proteínas de la membrana plasmática se pueden clasificar según cómo se dispongan en la bicapa lipídica:
Proteínas integrales. Embebidas en la bicapa lipídica, atraviesan la membrana una o varias veces, asomando por una o las dos caras (proteínas transmembrana); o bien mediante enlaces covalentes con un lípido o un glúcido de la membrana. Su aislamiento requiere la ruptura de la bicapa.
Proteínas periféricas. A un lado u otro de la bicapa lipídica, pueden estar unidas débilmente por enlaces no covalentes. Fácilmente separables de la bicapa, sin provocar su ruptura.
En el componente proteico reside la mayor parte de ha funcionalidad de la membrana; las diferentes proteínas realizan funciones específicas:
Proteínas estructurales: estas proteínas hacen de "eslabón clave" uniéndose al citoesqueleto y la matriz extracelular.
Receptores de membrana: que se encargan de la recepción y transducción de señales químicas.
Transportadoras a través de membrana: mantienen un gradiente electroquímico mediante el transporte de membrana de diversos iones.
Estas a su vez pueden ser:
Proteínas transportadoras: Son enzimas con centros de reacción que sufren cambios conformacionales.
Proteínas de canal: Dejan un canal hidrofílico por donde pasan los iones. Componentes glucídicosEstán en la membrana unidos covalentemente a las proteínas o a los lípidos. Pueden ser polisacáridos u oligosacáridos. Se encuentran en el exterior de la membrana formando el glicocalix. Representan el 8% del peso seco de la membrana plasmática. Sus principales funciones son dar soporte a la membrana y el reconocimiento celular (colaboran en la identificación de las señales químicas de la célula).
La función básica de la membrana plasmática es mantener el medio intracelular diferenciado del entorno. Esto es posible gracias a la naturaleza aislante en medio acuoso de la bicapa lipídica y a las funciones de transporte que `esempeñan las proteínas. La combinación de transporte activo y transporte pasivo hacen de ha membrana plasmática una barrera selectiva que permite a la célula diferenciarse del medio.
Permite a la célula dividir en secciones los distintos organelos y así proteger las reacciones químicas que ocurren en cada uno.
Crea una barrera selectivamente permeable en donde solo entran o salen las sustancias estrictamente necesarias.
Transporta sustancias de un lugar de la membrana a otro, ejemplo, acumulando sustancias en lugares especificos de la célula que le puedan servir para su metabolismo.
Percibe y reacciona ante estímulos provocados por sustancias externas (ligandos).
Mide las interacciones que ocurren entre células.
Permeabilidad: La permeabilidad de las membranas es la facilidad de las moléculas para atravesarla. Esto depende principalmente de la carga eléctrica y, en menor medida, de la masa molar de la molécula. Moléculas pequeñas o con carga eléctrica neutra pasan la membrana más fácilmente que elementos cargados eléctricamente y moléculas grandes. Además, la membrana es selectiva, lo que significa que permite la entrada de unas moléculas y restringe la de otras. La permeabilidad depende de los siguientes factores:
Solubilidad en los lípidos: Las sustancias que se disuelven en los lípidos (moléculas hidrófobas, no polares) penetran con facilidad en la membrana dado que está compuesta en su mayor parte por fosfolípidos.
Tamaño: la mayor parte de las moléculas de gran tamaño no pasan a través de la membrana. Sólo un pequeño número de moléculas polares de pequeño tamaño pueden atravesar la capa de fosfolípidos.
Carga!3A Las moléculas cargadas y los ionas no pueden pasar, en condiciones normales, a través de la membrana. Sin embargo, algunas sustancias cargadas pueden pasar por los canales proteicos o con la ayuda de una proteína transportadora.
También depende de las protaínas de membrana de tipo:
Canales: algunas proteínas forman canales llenos de agua por donde pueden pasar sustancias polares o cargadas eléctricamente que no atraviesan la capa de fosfolípidos.
Transportadoras: otras proteínas se unen a la sustancia de un lado de la membrana y la llevan al otro lado donde la liberan.
Referencias:
Biomembrane Struccture and Function, D. chapman, ed., Verlag Chemie, England, 1984
Bioquímica, A.L. Lehninger, reverté, 1995
Membrane Physiology, T.A. Andreoli, J.F. Hoffman, D.D. Fanestil, eds., Plenum York, USA, 1980
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