Membrana plasmáticaLa membrana plasmática, membrana celular, membrana citoplasmática o plasmalema, es una bicapa lipídica que delimita todas las células. Es una estructura formada por dos láminas de fosfolípidos, glicolípidos y proteínas que rodea, limita, la forma y contribuye a mantener el equilibrio entre el interior (medio intracelular) y el exterior (medio extracelular) de las células. Regula la entrada y salida de muchas sustancias entre el citoplasma y el medio extracelular. Es similar a las membranas que delimitan los orgánulos de células eucariotas.

Está compuesta por dos láminas que sirven de "contenedor" para el citosol y los distintos compartimentos internos de la célula, así como también otorga protección mecánica. Está formada principalmente por fosfolípidos (fosfatidiletanolamina y fosfatidilcolina), colesterol, glúcidos y proteínas (integrales y periféricas).

La principal característica de esta barrera es su permeabilidad selectiva, lo que le permite seleccionar las moléculas que deben entrar y salir de la célula. De esta forma se mantiene estable el medio intracelular, regulando el paso de agua, iones y metabolitos, a la vez que mantiene el potencial electroquímico (haciendo que el medio interno esté cargado negativamente). La membrana plasmática es capaz de recibir señales que permiten el ingreso de partículas a su interior.

Cuando una molécula de gran tamaño atraviesa o es expulsada de la célula y se invagina parte de la membrana plasmática para recubrirlas cuando están en el interior ocurren respectivamente los procesos de endocitosis y exocitosis.

Tiene un grosor aproximado de 7,5 nm y no es visible al microscopio óptico pero sí al microscopio electrónico, donde se pueden observar dos capas oscuras bilaterales y una central más clara. En las células procariotas y en las eucariotas osmótrofas como plantas y hongos, se sitúa bajo otra capa exterior, denominada pared celular.

La membrana celular cumple varias funciones:  a) delimita y protege las células;  b) es una barrera selectivamente permeable, ya que impide el libre intercambio de materiales de un lado a otro, pero al mismo tiempo proporcionan el medio para comunicar un espacio con otro;  c) permite el paso o transporte de solutos de un lado a otro de la célula, pues regula el intercambio de sustancias entre el interior y el exterior de la célula siguiendo un gradiente de concentración;  d) poseen receptores químicos que se combinan con moléculas específicas que permiten a la membrana recibir señales y responder de manera específica, por ejemplo, inhibiendo o estimulando actividades internas como el inicio de la división celular, la elaboración de más glucógeno, movimiento celular, liberación de calcio de las reservas internas, etc.

Composición química

Artículos principales: Aspectos estructurales de la membrana plasmática y Modelo de mosaico fluido.

Esquema de una membrana celular. Según el modelo del Mosaico Fluido, las proteínas (en rojo y naranja) serían como "icebergs" que navegarían en lípidos (en azul). Nótese además que las cadenas de oligosacáridos (en verde) se hallan siempre en la cara externa, pero no en la interna.

Antiguamente se creía que la membrana plasmática era un conjunto estático formado por la sucesión de capas proteínas-lípidos-lípidos-proteínas. Hoy en día se concibe como una estructura dinámica cuyo modelo se conoce como "mosaico fluido", término acuñado por S. J. Singer y G. L. Nicolson en 1972. Esta estructura general -modelo unitario- se presenta también en todo el sistema de endomembranas (membranas de los diversos orgánulos del interior de la célula), como retículo endoplasmático, aparato de Golgi y envoltura nuclear, y los de otros orgánulos, como las mitocondrias y los plastos, que proceden de endosimbiosis.

La composición química de la membrana plasmática varía entre células dependiendo de la función o del tejido en la que se encuentren, pero se puede estudiar de forma general. La membrana plasmática está compuesta por una doble capa de fosfolípidos, por proteínas unidas no covalentemente a esa bicapa, y glúcidos unidos covalentemente a los lípidos o a las proteínas. Las moléculas más numerosas son las de lípidos, ya que se calcula que por cada 50 lípidos hay una proteína. Sin embargo, las proteínas, debido a su mayor tamaño, representan aproximadamente el 50 % de la masa de la membrana.

Bicapa lipídica

Artículo principal: Bicapa lipídica

Diagrama del orden de los lípidos anfipáticos para formar una bicapa lipídica. Las cabezas polares (de color amarillento) 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 sales minerales, agua, carbohidratos y proteínas, 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 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.

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 solo 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 colesterol 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 más dura 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 membranas de las células vegetales son más abundantes los fitoesteroles.

Componentes proteicos

El porcentaje de proteínas oscila entre un 20 % en la mielina de las neuronas y un 70 % en la membrana interna mitocondrial;1 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 desempeñan diversas funciones: transportadoras, conectoras (conectan la membrana con la matriz extracelular o con el interior), receptoras (encargadas del reconocimiento celular, adhesión) y enzimas.

Las proteínas de la membrana plasmática se pueden clasificar según cómo se dispongan en la bicapa lipídica:2 3 4

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.

Proteína de membrana fijada a lípidos . Se localiza fuera de la bicapa lipídica, ya sea en la superficie extracelular o intracelular, conectada a los lípidos mediante enlaces covalentes.

En el componente proteico reside la mayor parte de la funcionalidad de la membrana; las diferentes proteínas realizan funciones específicas:

Proteínas estructurales o de anclaje: estas proteínas hacen de "eslabón clave" uniéndose al citoesqueleto y la matriz extracelular.

Proteínas receptoras: que se encargan de la recepción y transducción de señales químicas.

Proteínas de transporte: 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 glucídicos

Están en la membrana unida 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).

Funciones

La función principal de la membrana plasmática es mantener el medio interno separado de la capa fosfolipídica y a las funciones de transporte que desempeñan

las proteínas. La combinación de transporte activo y transporte pasivo hacen de la membrana endoplasmática una barrera selectiva que permite a la célula diferenciarse del medio.

Permite a la célula dividir en secciones los distintos orgánulos 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 específicos de la célula que le puedan servir para su metabolismo.

Percibe y reacciona ante estímulos provocados por sustancias externas (ligando). Mide las interacciones que ocurren entre células internas y externas. Poseen receptores químicos que se combinan con moléculas específicas que

permiten a la membrana recibir señales y responder de manera específica, por ejemplo, inhibiendo o estimulando actividades internas como el inicio de la división celular, la elaboración de más glucógeno, movimiento celular, liberación de calcio de las reservas internas, etc.

Membrana Plasmática

La célula está rodeada por una membrana denominada "Membrana Plasmática". La Membrana Plasmática es una envoltura contínua que separa dos compartimientos: el Citoplasma y el Medio Extracelular. Es tan delgada que no se puede observar con el microscopio óptico, siendo sólo visible con el microscopio electrónico.

Características de la Membrana Plasmática:

1.-Es una bicapa de lípidos. Esta organización, en relación con las propiedades fisico-químicas de los lípidos, asegura la estabilidad de la membrana en relación a los dos medios acuosos que la rodean.

2.-Posee complejos macromoleculares de naturaleza protéica y glucoprotéica, los cuales se insertan en la bicapa lipídica.

Ellos intervienen en los intercambios de la célula con el medio extracelular (receptores de HORMONAS, transportadores de iones y moléculas, unión y contactos intercelulares...).

3.-Está organizada de manera Asimétrica.La cara extracelular posee carbohidratos asociados, ya sean glucolípidos o glucoproteínas. Este revestimiento se denomina Glucocáliz.

4.-Presenta una composición química heterogénea. Esta composición varía de un tipo celular a otro, y en una misma célula, se observan "DOMÍNIOS" membranales diferentes, dependiendo de las caras celulares. Existen diferencias entre las membranas plasmáticas de las células normales y las células cancerosas.

5.-Está en continuidad transitoria con el sistema de endomembranas Las membranas del aparato de Golgi, retículos endoplásmicos, entre otros organoides revestidos de

membrana, poseen una estructura comparable, ya que dichos organoides contribuyen a la BIOSÍNTESIS y renovación de la membrana plasmática.

La organización molecular de la membrana ha sido explicada segun la teoría del MOSAICO Fluido (Singer y Nicholson, 1972), en el cual los constituyentes pueden desplazarse.

En la composición química de la membrana entran a formar parte lípidos, proteínas y glúcidos en proporciones aproximadas de 40%, 50% y 10%, respectivamente.

FUNCIONES DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA:

-Comunicación Intercelular: Por medio de señales químicas. Las señales (moléculas) hidrosolubles son captados gracias a RECEPTORES especializados situados en la membrana. Las señales químicas liposolubles o los radicales libres gaseosos atraviezan la membrana plasmática y van a actuar en el citoplasma o en el núcleo.

-Adhesión Celular: Varios tipos de moléculas de adhesión están presentes en la superficie de las células; simultáneamente, estas moléculas representan un mecanismo de comunicación.

-Transporte: Los fenómenos de transporte que realiza la membrana plasmática pueden ser divididos en dos grandes grupos:

1.- Transporte con movimientos de la membrana, visibles al microscopio, con la formación de vesículas revestidas por membrana. A. ENDOCITOSIS, o incorporación al citoplasma; que comprende Pinocitosis, Fagocitosis y POTOCITOSIS. B. EXOCITOSIS o transporte de sustancias o productos del metabolismo celular al medio extracelular.

2.-Transporte que no necesita movimientos de la membrana: Comprende: A. TRANSPORTE PASIVO: sin gasto de energía. -Sin PERMEASA (molécula protéica transportadora) o Difusión Simple. (agua, gases). -Con PERMEASA: canales iónicos, ACUAPORINAS, para el transporte de calcio, sodio, potasio, agua...

B. TRANSPORTE ACTIVO: con consumo de energía (ATP) Necesita de permeasas. Bomba sodio-potasio. Se realiza mediante los mecanismos de: Uniporte. Simporte. Antiporte.

MOSAICO FLUIDO

El modelo más aceptado actualmente es el propuesto por Singer y Nicholson (1972), denominado modelo del MOSAICO FLUIDO.

La membrana plasmática no es una estructura estática, sus componentes pueden moverse, lo que le proporciona una cierta fluidez. La fluidez es una de las características más importantes de las membranas.

Depende de factores como : 1.-La temperatura; la fluidez aumenta al aumentar la temperatura. 2.La naturaleza de los lípidos; la presencia de lípidos INSATURADOS y

de cadena corta favorecen el aumento de la fluidez; la presencia de colesterol endurece las membranas, reduciendo su fluidez y permeabilidad, proporcionándole estabilidad.

Con los datos ofrecidos por la microscopía electrónica y los análisis bioquímicos se ha elaborado este modelo de membrana.

Características del modelo de MOSAICO FLUIDO:

1.-La membrana es como un mosaico fluido en el que la bicapa lipídica es la base o soporte y las proteínas están incorporadas o asociadas a ella, interactuando unas con otras y con los lípidos. Tanto las proteínas como los lípidos pueden desplazarse lateralmente.

2.-Los lípidos y las proteínas integrales se hallan dispuestos en mosaico.

3.-Las membranas son estructuras asimétricas en cuanto a la distribución de sus componentes, fundamentalmente de los glúcidos, que sólo se encuentran en la cara externa.

LÍPIDOS

Los lípidos son compuestos orgánicos que constituyen aproximadamente el 40 % de los elementos que forman las membranas biológicas.

Hay tres tipos principales de lípidos en la constitución de la membrana:1.- Fosfolípidos.2.- Colesterol.3.- Glucolípidos.

Los fosfolípidos de la membrana se ensamblan espontáneamente en una bicapa, cuyas regiones hidrófilas se colocan en la superficie y las regiones hidrófobas se distribuyen en la región central.

Esta distribución puede ser identificada en las micrografías electrónicas de transmisión, en las cuales la membrana se observa como un complejo trilaminar, cuyas regiones hidrófilas periféricas se evidencian con una marcada ELECTRONDENSIDAD y las regiones hidrófobas se identifican gracias a su escasa electrondensidad. Es decir, la imagen trilaminar revela dos bandas periféricas muy oscuras y una banda central clara.

Los Fosfolípidos:

Son los lípidos más abundantes en la bicapa.Poseen una cabeza polar y dos colas o cadenas hidrocarbonadas hidrófobas.

Las colas están generalmente constituidas por ácidos grasos y poseen una longitud variable ( 14 - 24 átomos de carbono); una de ellas posee uno o varios dobles enlaces cis (es INSATURADA), por el contrario, la otra no los contiene (es saturada).

La cabeza polar hidrófila está constituida por:1.-Glicerol.2.-Fosfato.3.-Compuesto hidrófilo (etanolamina, serina, colina...).

La molécula de glicerol posee 2 grupos alcohol esterificados por los ácidos grasos y un tercer grupo esterificado por el fosfato.

Como lo muestra la figura, el doble enlace crea un "codo" o desviación en la cadena. Estas diferencias entre la longitud y la saturación de la cola son importantes, pues ellas determinan la capacidad de los fosfolípidos de apretarse unas con otras y en consecuencia, determinan la fluidez de la membrana.

Existen familias de fosfolípidos:

1.-Derivados del glicerol o fosfoglicéridos: -fosfatidil etanolamina. -fosfatidil serina. -fosfatidil colina.

2.-Esfingomielinas. 3.-Otros (derivados del inositol).

En la animación podemos apreciar los tres tipos de movimientos que realizan los fosfolípidos:1.-Difusión lateral: Velocidad elevada, del orden de 1 micrómetro por segundo a 37 ºC.

2.-Rotación sobre su eje: Muy frecuente.

3.-Flip-Flop: O cambio de capa; es un movimiento raro (menos de una vez por semana) favorizado por proteínas especializadas denominadas flipasas y consume ATP. El colesterol puede pasar de una capa a la otra más facilmente que los fosfolípidos. Este fenómeno se observa también en la membrana del retículo endoplásmico.

Los fosfolípidos de las membranas plasmáticas están implicados en enfermedades congénitas en el humano. Las diversas clases de fosfolípidos son catabolizados en los lisosomas gracias a la intervención de ENZIMAS específicas. El déficit genético de una o varias de esas enzimas impide la degradación normal de los fosfolípidos, los cuales se acumulan en los lisosomas de las células de órganos como el hígado, riñón y en el sistema nervioso central. Estas enfermedades congénitas están agrupadas bajo el nombre de Enfermedades de Sobrecarga Lisosomal o Tesaurismósis.

 El Colesterol:

Las membranas plasmáticas de las células EUCARIÓTAS poseen cantidades relativamente importantes de colesterol, a veces en proporciones de una molécula de colesterol por cada molécula de fosfolípido. Puede estar presente en un 17% de los lípidos de la membrana de un hepatocito y un 23% en el eritrocito.Las moléculas de colesterol aumentan las propiedades de permeabilidad de la bicapa lipídica. Ellas se orientan de manera que sus grupos hidroxilos se localizan próximos a los grupos polares de los fosfolípidos y sus núcleos esteroides rígidos interactúan e inmovilizan en parte, a regiones de las cadenas de ácidos grasos próximas a la cabeza polar hidrófila del fosfolípido.

El colesterol imparte a la bicapa cierta rigidez, pues disminuye la movilidad de los primeros grupos de las cadenas hidrocarbonadas de los ácidos grasos adyacentes; la bicapa es menos deformable en esta región y disminuye la permeabilidad de la misma a las moléculas pequeñas hidrosolubles.

Molécula de Colesterol:

Posee un grupo polar hidrófilo unido a el nucleo rígido esteroide y una cola apolar hidrocarbonada. El colesterol interviene en la fluidez y la estabilidad mecánica de la membrana plasmática. Esta propiedad ha sido sugerida al estudiar el comportamiento de celulas incapaces de sintetizar colesterol; estas células se lisan rápidamente si no se agrega colesterol al medio de cultivo.

  Los Glucolípidos:

Estas moléculas se localizan exclusivamente en la cara extracelular de la membrana plasmática. Se piensa que se asocian unas a otras mediante enlaces o puentes de hidrógeno para formar microagregados. En la membrana plasmática los RESÍDUOS glucídicos están localizados en la superficie y esto sugiere que juegan un rol importante en las interacciones de la célula con el medio que la rodea.

La distribución asimétrica de los glucolípidos en la bicapa tiene su origen en la adición de resíduos glucídicos a las moléculas lipídicas en la LUZ de los sáculos del Aparato de Golgi, la cual es topológicamente equivalente al exterior de la célula.

 Los glucolípidos representan aproximadamente un 5% de las moléculas lipidicas.

Los más complejos son los gangliósidos, los cuales poseen resíduos de ácido siálico que les confieren una fuerte carga negativa; son abundantes en las neuronas.

Se poseen vagas indicaciones de la función de los glucolípidos, sin embargo, su localización permite sugerir su rol: -Protección de la membrana, contra cambios drásticos de las condiciones de su entorno (pH bajo o enzimas de degradación). -Intervención en el aislamiento eléctrico de la vaina de mielina y los axones. Participación en los fenómenos de reconocimiento celular al comportarse como RECEPTORES para moléculas extracelulares.

Proteínas de la Membrana Plasmática:

La cantidad de proteínas en las membranas celulares, expresada en porcentaje, varía según los tipos celulares y los compartimientos. Esta cantidad por ejemplo, está elevada en el eritrocito y el hepatocito (50% aprox.) y es menor en la mielina (20% aprox.). La membrana de ciertos organoides es más rica en proteínas que la membrana plasmática; esto se explica por las funciones numerosas y diversas que desempeñan las proteínas que caracterizan dichos organoides.

Se clasifican en: 1.- Proteínas Intrínsecas. 2.- Proteínas Extrínsecas o periféricas.

Proteínas Intrínsecas_______________: Están unidas a la bicapa lipídica de una manera muy estrecha , mediante enlaces covalentes y se subdividen en tres categorías: 1.- Proteína transmembrana a uno o varios pasos (en alfa hélice). Están glicosiladas en el extremo extracelular. Generalmente son RECEPTORES. 2.- Proteína ligada a uno o varios ácidos grasos (en la hoja interna). Como ejemplo de esta categoría se cita la PROTEÍNA G. 3.- Proteína ligada a un lípido de la bicapa (fosfatidil-inositol) mediante

un oligosacárido (en la hoja externa). Como ejemplo tenemos las moléculas de adhesión neuronal (NCAM).

Proteínas Extrínsecas_______________: Tambien denominadas periféricas, nunca establecen uniones covalentes con la bicapa lipídica, por el contrario, se unen a las proteínas intrínsecas por medio de uniones más débiles (puentes de hidrógeno...). Las proteínas periféricas situadas en la cara citosólica de la membrana casi nunca están glicosiladas, mientras que las de la cara externa si lo están.

Generalmente, las proteínas intrínsecas transmembrana poseen radicales glucídicos en la porción extracelular, constituyendo las Glucoproteínas de la membrana.

Este tipo de moléculas complejas, en conjunto, forman lo que se conoce conoce con el nombre de Cubierta Celular o Glucocáliz

Los Glúcidos de la Membrana Plasmática:

Se presentan en poca cantidad (5 - 10%).

Pueden evidenciarse al microscopio óptico mediante el uso de técnicas como el PAS, o con las LECTINAS (proteínas que reconocen específicamente los resíduos glucídicos).

Están localizados en la cara extracelular de la membrana plasmática. Siempre están unidos a proteínas (glucoproteínas) o a los lípidos (glucolípidos) y en conjunto forman en Glucocáliz. Las Glucoproteínas presentes en la bicapa poseen sus RESÍDUOS glucídicos en la cara extracelular. Están constituidos por diversos tipos de glúcidos y habitualmente contienen menos de 15 resíduos, frecuentemente ramificados y unidos entre sí por enlaces covalentes. La diversidad y la posición de los glúcidos en la superficie celular podría permitir la participación de la membrana plasmática en los procesos de reconocimiento celular.

 El Glucocáliz:

Tambien llamado Cubierta Celular, está presente exclusivamente en la cara extracelular de la membrana plasmática. Está constituido por cadenas laterales de oligosacáridos de los glucolípidos, las glucoproteínas intrínsecas de la membrana y de cadenas de polisacáridos unidas a los PROTEOGLUCANOS transmembrana.

Funciones del Glucocáliz:

- Posee una carga eléctrica negativa gracias su contenido en ácido siálico y esto contribuye al control del equilibrio hidroelectrolítico de la célula.

- Varias familias de glucoproteínas intervienen en los fenómenos de adhesión celular, ya sean uniones intercelulares o de la célula a la matriz del tejido conectivo. Estas moléculas reciben el nombre de CAM (cell adhesion molecule). Favorecen los procesos de adhesión e interacción espermatozoide-óvulo, en la coagulación sanguínea y las reacciones inmunitarias.

- Los ANTÍGENOS de los grupos sanguíneos A y B están presentes en la superficie de los glóbulos rojos.

Citoplasma

El citoplasma de las células EUCARIÓTAS está dividido en dos grupos de compartimientos:-Citosol.-Organoides.

El citosol es muy rico en agua (85%) y contiene una gran variedad de compuestos químicos:-aminoácidos.-ácidos grasos.-glicerol.-azúcares simples.-iones.-proteínas.-polisacáridos.-lípidos.

Estos compuestos provienen de la digestión extracelular y son transportados por la membrana plasmática gracias a las PERMEASAS o por ENDOCITOSIS. Los iones y muchas moléculas protéicas intervienen en numerosas actividades metabólicas celulares.

Las macromoléculas protéicas presentes en el citosol están unidas unas a otras mediante fuerzas determinadas. Cuando estas uniones son fuertes, el hialoplasma es viscoso y toma la consistencia de un GEL.Cuando las fuerzas son débiles, el hialoplasma es fluído y toma la consistencia de un SOL.

El citosol no posee la misma consistencia de un lugar al otro, puede pasar localmente y muy rápido del estado de SOl a GEL y viceversa. En estas modificaciones interviene el Citoesqueleto. Se presentan movimientos denominados CICLOSIS, que determinan el desplazamiento del organoides por todo el citoplasma. El citoesqueleto también es responsable del movimiento de los organoides.

El citosol, gracias a la gran cantidad de enzimas que posee, es el asiento de numerosas reacciones químicas, las cuales en conjunto constituyen lo que se conoce como metabolismo, y en el curso de las mismas las moléculas orgánicas o "metabolitos" son modificadas.

Los Organoides se clasifican tomando en cuenta si están revestidos o no por membranas:1.-Revestidos por membrana:

Mitocondrias Lisosomas PeroxisomasAparato de Golgi

Retículo Endoplásmico

 

 

2.-No revestidos por membrana:

Ribosomas Centríolos Citoesqueleto

 

 

 En los últimos años se ha descrito una estructura de naturaleza protéica, presente en el citoplasma, la cual no posee membrana y está relacionada con los fenómenos de catabolismo protéico intracelular. Según algunos investigadores, esta estructura debería ser considerada un organoide y se le ha denominado Proteasoma. Al microscopio electrónico se describe como un cilíndro de 50x10 nm, y en su interior posee numerosas ENZIMAS denominadas Proteasas, las cuales degradan aquellas proteínas intracelulares que presenten alguna anormalidad.

 Otras estructuras presentes en el citoplasma son las Inclusiones:

Glúcidos Lípidos Pigmentos Cristales

 

 

 

   Núcleo

En los preparados coloreados con H.E., el núcleo es la estructura celular más evidente y llamativa. Generalmente se localiza en el centro de la célula y puede adoptar formas variadas (redondeada, elíptica, multilobulado...).Su análisis morfológico detallado es necesario para el diagnóstico del cancer.

Es el compartimiento celular delimitado por la envoltura nuclear.

En su interior se encuentra casi toda la información genética de las células; en el hombre, esta información nuclear está contenida en un número par de fragmentos (moléculas) lineales de ADN, en doble hélice, denominados Cromosomas: 22 pares autosómicos y los 2 cromosomas sexuales, para un total de 46 cromosomas. Las mitocondrias poseen su propia información genética bajo la forma de varias moléculas idénticas de ADN, en doble hélice y de disposición circular !!

El ADN de los cromosomas está asociado a numerosas proteínas que intervienen en la organización del material genético y en funciones metabólicas.

Se denomina Cromatina al contenido nucleoplásmico observable al M.O. y al M.E. en las células en Interfase (fuera de la mitosis).La cromatina se presenta bajo dos aspectos:1.- Heterocromatina.2.- Eucromatina.

Los cromosomas no se observan en el núcleo interfásico; ellos se hacen visibles durante la mitosis.

El nucleoplasma presenta una o varias regiones especializadas denominadas Nucléolos, los cuales contienen ADN portador de los genes que codifican para la síntesis de 3 de los 4 ARN ribosómicos (ARNr).

Matriz Nuclear: El nucleoplasma contiene una matriz nuclear o nucleoesqueleto, cuyo rol va más allá de la sola función de esqueleto nuclear.Conponentes:-La Lámina Nuclear, adherida o no a la envoltura nuclear-Otros constituyentes fibrosos del nucleoesqueleto-Moléculas insolubles, enzimas, proteínas y ribonucleoproteínas.

 

Envoltura nuclear

Poro nuclear ADN Nucléolo

MEMBRANA PLASMÁTICA

Ingrid Romer – Hernán Sala – Gabriela Gómez – Silvia Márquez

Introducción

Las células están separadas del medio que las rodea por una delgada lámina denominada membrana plasmática, que define los límites de las mismas.

Hace 3700 millones de años, la formación espontánea de una estructura similar a la membrana plasmática de las células actuales permitió aparición de los primeros seres vivos. Sin esta barrera protectora, las células estarían expuestas a los rigores del mundo externo, no podrían regular su medio interno y, en consecuencia, no serian viables. La membrana plasmática no aísla a la célula completamente sino que constituye una barrera altamente selectiva, que tiene la propiedad de regular el intercambio de materiales entre la célula y el medio que la rodea.

La membrana es una estructura muy delgada: sólo tiene un espesor de 6 a 10 nm (1nm=10-9m). Por lo tanto, se necesitarían mil membranas plasmáticas apiladas, una sobre otra, para igualar el espesor de esta hoja de papel. Precisamente debido a su delgadez, cuando se examina una célula al microscopio óptico convencional, puede observarse sin dificultad el interior de la misma; en el mejor de los casos podrá apreciarse el contorno de la membrana, pero nunca podrá distinguirse su ultraestructura. Recién las primeras microfotografías al microscopio electrónico demostraron que la ultraestructura las membranas era siempre la misma. Esta estructura se denominó unidad de membrana y la misma no sólo es válida para la membrana plasmática, sino para casi todas las membranas celulares.

Fig. 4.1 - Microfotografía electrónica de transmisión de una membrana plasmática. Se pueden ver tres líneas paralelas, dos líneas densas alos electrones (2,5 - 3 nm) separada por una capa intermedia clara (3,5-4 nn). Este aspecto conocido como unidad de membrana no es reflejo de una estructura trilaminar a nivel molecular, sino es la expresión de como el osmio, usado como "colorante" se une a la membrana.

Funciones de la membrana plasmática

Como ya se mencionó, las membranas no son simples barreras sino que:

·  Definen la extensión de la célula y establecen sus límites.

·  Constituyen barreras selectivamente permeables, dado que impiden el intercambio indiscriminado de sustancias entre el citoplasma y el medio extracelular. La membrana plasmática, gracias a sus propiedades fisicoquímicas,

está capacitada para transportar de un lado a otro de la misma determinados solutos, macromoléculas y complejos macromoleculares. Sin embargo, hay moléculas, que a pesar de ser toxicas para la célula, pueden ingresar sin dificultad a la misma a través de la membrana. Un ejemplo seria el CO (monóxido de carbono).

·  Controlan las interacciones de la célula con el medio extracelular (tanto con la matriz extracelular como con otras células vecinas). Permite a las células reconocerse, adherirse entre sí cuando sea necesario e intercambiar materiales e información.

·  Intervienen en las respuestas a señales externas a la célula. La membrana posee receptores, que son moléculas o conjuntos de moléculas, capaces de reconocer y responder a señales provenientes del medio extracelular portando información especifica. Cuando dichas señales llegan hasta la membrana plasmática, se desencadenan señales internas en la célula, tanto activadoras como inhibitorias de distintos procesos celulares. Como ejemplos de estas señales externas podemos citar a los factores de crecimiento que favorecen la división celular o diversas hormonas como por ejemplo la insulina, que aumenta la síntesis de glucógeno.

Singer y Nicholson propusieron en 1972 un modelo estructural para las membranas al cual denominaron modelo del mosaico fluido. De acuerdo al mismo las membranas son “disoluciones bidimensionales de lípidos y proteínas.” Según este modelo, la estructura de la membrana sería una delgada lamina formada por dos capas superpuestas de lípidos (también llamadas hemimembranas), con la fluidez propia de los aceites, en la cual se encuentran insertadas proteínas. Esto le confiere el aspecto de un “mosaico”.

 

Fig. 4.2 -Esquema del "Modelo del mosaico fluido" de las membranas

Las membranas no son estructuras estáticas ni rígidas. Están formadas por un conjunto de moléculas hidrofóbicas e hidrofílicas que se mantienen unidas por enlaces, en general, no covalentes. Una de las principales características de las membranas biológicas es su alto grado de fluidez. Esto implica que sus lípidos y proteínas pueden desplazarse libremente en todas las direcciones, pero siempre sobre el plano de la membrana. De allí entonces la denominación de “mosaico fluido”; a esta propiedad también se la conoce como difusión lateral.

Como puede observarse en el esquema, las membranas también presentan glúcidos unidos por enlaces covalentes a lípidos y proteínas. Esto da lugar a los llamados glucolípidos y glucoproteínas, respectivamente.

Estas membranas carecen de resistencia mecánica y en muchas células, como en el caso de hongos, bacterias y plantas están reforzadas por paredes celulares.

1. COMPOSICIÓN DE LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS

Todas las membranas biológicas de los seres vivos, tanto la membrana plasmática, como las de las organelas, están formadas por:

A.   Lípidos

B.    Proteínas

C.    Glúcidos

La proporción de cada uno de estos componentes varía de acuerdo a la función que realiza cada tipo de membrana. Por ejemplo, las membranas mitocondriales tienen una proporción muy elevada de proteínas (ver Tabla 1).

Tabla 1 – Composición de las membranas de diferentes células. (Los valores representados como % peso seco de la membrana)

Glóbulos Rojos Humanos

Staphiloccoccus aureus

Mielina

Lípidos 30 a 40 20 60 a 70Fosfolípidos 20 a 25 20 25 a 30Àcido fosfatídico < 1 - 0Fosfatidiletanolamina 5 - 5Fosfatidilcolina 7 - 10Fosfatidilserina 5 - 5Esfingomielina 6 - 5Cerebrósidos <1 - 10Colesterol 12 <1 15Otros Lípidos 3 - 15Proteínas 60 a 70 40 20 a 30Glúcidos (o restos de glúcidos en glicoproteínas)

7 40 Observada en cortes

histológicos

A. Lípidos

La variedad de lípidos presentes en las membranas es muy amplia; sin embargo, todos poseen una característica en común: son moléculas anfipáticas. Esto significa que sus moléculas contienen una zona hidrofílica o polar y una hidrofóbica o no polar.

Los fosfolípidos son los lípidos más abundantes en las membranas. Debido a su carácter anfipático, los fosfolípidos, en un medio acuoso se organizan espontáneamente conformando la denominada bicapa lipídica. Las cabezas polares están orientadas hacia el medio acuoso (intra y extracelular) y las colas hidrofóbicas hacia el medio lipídico, es decir, al interior de la bicapa, constituyendo la matriz de la membrana. A su vez, estas bicapas tienden a cerrarse

espontáneamente sobre sí mismas formando vesículas, es decir, compartimientos cerrados en toda su extensión tridimensional, similares a una esfera.

Fig. 4.3 - Esquema de

un fosfolípido.

Fig. 4.4 - Corte esquemático de una

vesícula de fosfolípidos.

 

La bicapa de fosfolípidos funciona principalmente como armazón estructural de la membrana y como barrera que impide el pasaje de sustancias hidrosolubles a través de la misma; esto último es debido al carácter fuertemente hidrofóbico de la matriz de la membrana.

Los fosfolípidos más frecuentes de las membranas son la fosfatidiletanolamina, la fosfatidilcolina, la fosfatidilserina y la esfingomielina. Los fosfolípidos de las membranas son DIACILGLICERIDOS.

La estabilidad de las bicapas lipídicas esta dada por:

interacciones hidrofóbicas entre las colas hidrocarbonadas. fuerzas de van der Waals entre las colas hidrofóbicas. fuerzas electrostáticas y puentes hidrogeno entre las cabezas polares de los

lípidos, ya sea entre ellos mismos y con las moléculas de agua de los medios extra e intracelular.

Como se notará todas estas son uniones débiles (no covalentes) y le confieren simultáneamente estabilidad y fluidez a la membrana.

Las cadenas hidrocarbonadas de los ácidos grasos que forman parte los fosfolípidos (también denominadas “colas” o grupos acilo), pueden presentarse:

saturados (sin dobles enlaces) monoinsaturados (con un único doble enlace) poliinsaturados (más de un doble enlace)

En general, los lípidos de membrana contienen un grupo acilo insaturado y otro saturado en su estructura.

Fig. 4.5 -Fosfatidiletanolamina-(fosfolípido de membrana)

Fig. 4.6 - Esquema de un fosfolípido con una cola

saturada y una no saturada.

La presencia de ácidos grasos insaturados aumenta la fluidez de la membrana, debido al ”quiebre” de las colas a la altura de los dobles enlaces. Esto impide, o al menos dificulta, que las colas hidrocarbonadas se compacten, restringiendo así las interacciones entre ellas. El hecho de que uno de los grupos acilo de los fosfolípidos esté saturado y el otro no, garantiza una buena fluidez dentro del rango de temperaturas fisiológicas. Por otro lado, cuando las cadenas hidrocarbonadas son cortas, tienen menor superficie para interactuar entre sí; esto último también favorece la fluidez de las membranas.

El colesterol es un esteroide que se encuentra en un alto porcentaje en la membrana plasmática de las células animales. Su concentración varía mucho de un tipo de membrana a otro; en animales hay membranas donde el colesterol constituye hasta el 50% del total de los lípidos. Contrariamente, la mayoría de las células vegetales y bacterianas carecen de colesterol.

El colesterol, al ser también una molécula anfipática, presenta una orientación similar a la de los fosfolípidos: el grupo hidroxilo (polar) se orienta hacia el exterior de la bicapa y el sector hidrofóbico hacia el interior de la misma.

Fig. 4.7 - Esquema de la ubicación del colesterol en la membrana plasmática

Las funciones del colesterol se pueden resumir de la siguiente mane

Inmoviliza los primeros carbonos de las cadenas hidrocarbonadas. Esto hace a la membrana menos deformable y menos fluida, es decir, la estabiliza. Sin colesterol, la membrana necesitaría de una pared celular que le otorgue contención mecánica.

Previene el compactamiento de las cadenas hidrocarbonadas a bajas temperaturas, ya que evita que las colas se junten, aumenten las interacciones débiles entre las mismas y se “cristalicen” (adopten una estructura muy compacta).

La cardiolipina es un derivado de los fosfolípidos que se encuentra en la membrana interna de la mitocondria. El dolicol es un lípido que se halla en el REG e interviene en la glicosilación de las proteínas.

B. Proteínas (Fig.4.8)

Mientras que los lípidos ejercen principalmente una función estructural, las proteínas no sólo desempeñan un rol estructural sino que además son las responsables de las funciones específicas de las membranas biológicas. Estas según su función pueden agruparse en: enzimáticas, de transporte, receptoras y de reconocimiento. Diferentes membranas tienen distinta proporción y composición de proteínas, de acuerdo a sus funciones. En otras palabras, son justamente las proteínas las que le otorgan distintas funciones a las membranas. Estas en su mayoría son proteínas globulares (estructura terciaria o cuaternaria).

Según su ubicación en la membrana se clasifican en:

-Proteínas intrínsecas, integrales o transmembrana: Pueden atravesar total o parcialmente la bicapa, asomando a una o ambas superficies de la misma.

Únicamente pueden ser extraídas de la membrana por medio de detergentes que rompen la bicapa. Tienen un sector hidrofóbico, que es el que esta insertado en la membrana y una o dos regiones hidrofílicas, expuestas a los medios intra y extracelulares (ambos acuosos). De lo anterior se deduce que estas proteínas son moléculas anfipáticas. La porción que atraviesa la membrana suele presentar una estructura de alfa hélice con una elevada proporción de aminoácidos hidrofóbicos que interaccionan con las colas hidrocarbonadas de la matriz de la membrana. El sector proteico (también llamado dominio) expuesto a los medios acuosos suele tener estructura globular e interacciona con las cabezas polares de los fosfolípidos y con otras moléculas a través de uniones iónicas y puente de hidrógeno.

Dentro de las proteínas integrales encontramos:

Proteínas monopaso: La proteína “atraviesa” una sola vez la membrana. Proteínas multipaso: La cadena polipeptídica atraviesa dos o más veces la

bicapa lipídica. Por lo tanto, esta posee varias regiones hidrofóbicas insertadas en la matriz de la membrana alternadas con sectores hidrofílicos que se exponen hacia los medios acuosos.

Fig. 4.8 -Asociación de proteínas de membrana con la bicapa lipídica: Transmembrana, atraviesan la membrana como -helice o como láminas plegadas cerradas. Periféricas unidas a proteínas transmembrana por interacciones no covalentes débiles y Periféricas unidas a lípidos mediante uniones covalentes.

Algunas proteínas multipaso atraviesan muchas veces la membrana y forman un cilindro hueco con un interior hidrofílico por el que pueden pasar moléculas pequeñas solubles en agua. Este es el principio de las proteínas canal que se analizaran mas adelante.

Las proteínas integrales pueden difundir lateralmente y rotar sobre su propio eje, pero no pueden realizar movimientos a través del plano de la membrana, o más sencillamente movimiento flip-flop (ver más adelante). Las proteínas integrales suelen desplazarse acompañadas de los lípidos que las rodean ya que estos le ayudan a mantener su conformación.

Sin embargo, algunas proteínas integrales están ancladas a componentes del citoesqueleto y no pueden trasladarse. De esta manera intervienen en la morfología de la célula, por ejemplo alargada (o ahusada), cúbica, cilíndrica, etc.

-Proteínas extrínsecas o periféricas: Se encuentran sobre la cara externa o también interna de la membrana y pueden estar ligadas tanto a las proteínas integrales como a los fosfolípidos por uniones débiles. Se pueden extraer fácilmente con tratamientos no drásticos. Cuando estas se ubican del lado citoplasmático de la membrana suelen interactuar con el citoesqueleto.

C. Hidratos de carbono

Las membranas celulares contienen entre un 2-10% de glúcidos. Estos se asocian covalentemente a los lípidos (glicolípidos) y a las proteínas (glicoproteínas).

Los glicolípidos (o glucolipidos) presentes en las membranas son los gangliósidos y cerebrósidos. Los gangliósidos se forman por la unión de un oligosacárido con la

ceramida. La estructura de los cerebrósidos es similar, sólo que el hidrato de carbono no es un oligosacárido sino una galactosa o una glucosa. (ver capítulo de

lípidos)

Los hidratos de carbono de los glucolípidos y las glucoproteínas, en su mayoría oligosacáridos, suelen ubicarse en la cara no citosólica de la membrana plasmática formando una estructura llamada glicocálix (Fig. 4.9 y 4.10), cuyas funciones se pueden resumir de la siguiente manera:

·         Proteger a la superficie de la célula de agresiones mecánicas o físicas. Como ejemplo podemos citar a las células situadas en la luz del intestino delgado que presentan un glicocálix muy pronunciado.

·         Poseer muchas cargas negativas, que atraen cationes y agua del medido extracelular.

·         Intervenir en el reconocimiento y adhesión celular. Actúan como una “huella dactilar” característica de cada célula, que permite distinguir lo propio de lo ajeno.

·         Actuar como receptores de moléculas que provienen del medio extracelular y que traen determinada información para la célula, por ejemplo, receptores de hormonas y neurotransmisores.

Fig. 4.9 - Microfotografía electrónica de un glicocalix de epitelio intestinal (izquierda).

 

Fig.4.10 Esquema del glicocalix de una célula eucariota

 

Las diferencias entre los grupos sanguíneos se hallan determinadas por ciertos oligosacáridos muy cortos, presentes en las membranas plasmáticas de los glóbulos rojos o eritrocitos. Estos oligosacáridos sólo difieren en sus monómeros terminales y

están ligados a una proteína transmembranosa o a una ceramida de la membrana plasmática. Por ejemplo, los eritrocitos pertenecientes al grupo sanguíneo A,

presentan como monosacárido terminal una N-acetilgalactosamina y los del grupo B una galactosa. Cuando ambos monosacáridos terminales están ausentes estamos

en presencia del grupo 0 (Fig.4.11).

 

Fig. 4.11 - Grupos sanguíneos

2. FLUIDEZ DE LA MEMBRANA

Como ya se mencionó, las membranas son estructuras dinámicas donde los componentes pueden desplazarse en todas las direcciones sobre el plano de la bicapa. De ahí que el modelo reciba el nombre de mosaico fluido.

Fig. 4.12 - Movimientos de los fosfolípidos en una bicapa liplídica

2.1. MOVILIDAD DE LOS COMPONENTES DE LAS MEMBRANAS

Existen tres tipos de movimientos posibles en las membranas:

rotación (sobre su propio eje) traslación (o difusión lateral) sobre el plano de la membrana. flip-flop

El movimiento de flip-flop es el intercambio de fosfolípidos de una monocapa (o hemimembrana) a la otra; esta sumamente restringido, debido a la dificultad que posee la cabeza polar para atravesar el medio hidrofóbico de la matriz de la membrana. De allí que no sea un movimiento que ocurra de manera espontánea sino que está mediado por enzimas denominadas flipasas.

Tanto los movimientos de difusión lateral como el de rotación se llevan a cabo sobre la misma hemimembrana de la bicapa lipídica.

2.2. FACTORES QUE AUMENTAN LA FLUIDEZ DE LAS MEMBRANAS

-Ácidos grasos insaturados

-Baja concentración de colesterol

-Altas temperaturas

-Colas hidrocarbonadas cortas (dificultan el empaquetamiento)

Factores que favorecen la viscosidad Factores que favorecen la fluidez Alto grado de saturación y mayor

longitud de las colas hidrocarbonadas.

Menor temperatura del medio

Alto de grado de insaturación y menor longitud de las colas hidrocarbonadas.

Mayor temperatura del medio

 

Fig. 4.13 - Esquema de los fosfolípidos de

membrana en estado viscoso y fluído.

2.3. EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA FLUIDEZ

El ascenso de la temperatura aumenta la energía cinética entre las moléculas y, por lo tanto, el movimiento de las colas hidrocarbonadas. Esto lleva a una disminución de las interacciones atractivas entre las mismos y a un aumento de los movimientos de rotación y de difusión lateral. Por el contrario, una disminución de la temperatura vuelve más rígida a la membrana ya “empaqueta” las colas hidrofóbicas de los fosfolípidos e impide sus movimientos. Si la temperatura desciende significativamente, la membrana puede llegar a “cristalizarse”, con la pérdida consiguiente de muchas funciones vitales de la membrana.

Los organismos que habitan regiones donde hay grandes amplitudes térmicas estacionales varían la composición de los fosfolípidos de sus membranas en forma periódica, asegurando así una fluidez más o menos constante durante todo el año. Por otra parte, organismos que habitan ambientes extremos poseen composiciones fosfolipídicas muy particulares en sus membranas, por ejemplo, los que viven a temperaturas inferiores a los 0ºC tienen membranas muy ricas en lípidos poliinsaturados.

2.4.. DETERMINACIÓN DE LA FLUIDEZ DE LA BICAPA LIPÍDICA

La fluidez de la membrana se pudo determinar experimentalmente tratando células con anticuerpos fluorescentes que eran reconocidos y se unían a las proteínas (receptores) presentes en la membrana plasmática. Gracias a esta técnica, se pudo observar, a través del microscopio, el desplazamiento de los receptores sobre la superficie de la membrana y su agrupamiento en un polo de la célula, donde posteriormente ingresaban por endocitosis (internalización a la célula, ver más adelante).

3. ASIMETRIA DE MEMBRANA

En ambas caras de la bicapa (también denominadas hemimembranas o monocapas) no se encuentran los mismos tipos de fosfolípidos. Si bien estos en su mayoría se sintetizan en la cara citosolica del retículo endoplasmático liso, luego, por medio de movimientos del tipo flip-flop (únicamente permitidos en el REL, gracias a la presencia de flipasas), se van ubicando del lado de la bicapa que les corresponda. Por ej., la fosfatidilcolina y la esfingomielina predominan en la cara no citosolica de la membrana (Fig. 4.7).

La asimetría estructural de las membranas suele manifestarse a través de una asimetría funcional. Esto significa que las funciones presentes en la cara citosolica no son las mismas que aparecen en la cara no citosólica. Por ejemplo, en el caso de la membrana plasmática, las moléculas que intervienen en el reconocimiento celular se ubican casi exclusivamente en la cara expuesta hacia el medio extracelular, pues no tendría mucho sentido que dichas moléculas estuviesen expuestas hacia el citoplasma.

4. FUSIÓN DE MEMBRANAS

Las membranas tienen una elevada capacidad para fusionarse entre sí. Por ejemplo, cuando una vesícula se aproxima a la membrana plasmática, a una cisterna o, inclusive, a otra vesícula, al entrar en contacto ambas superficies, las dos membranas se fusionan, constituyendo a partir de ese momento una sola membrana. Este fenómeno explica el transito de sustancias desde un compartimiento celular a otro, y desde las endomembranas a la membrana

plasmática. (ver más adelante endo y exocitosis). Este es el principio en el que se basa la administración de fármacos vehiculizadas dentro de liposomas, que son vesículas fosfolipídicas artificiales que contienen alguna droga de interés terapéutico. Cuando el liposoma se aproxima a la célula blanco (o target), la membrana del liposoma se fusiona con la membrana plasmática liberando su contenido directamente en el citoplasma de la célula. Este fenómeno permite que el contenido del liposoma sólo sea captado por ciertos tipos celulares y no por otros. Técnicas basadas en esta propiedad de las membranas se utilizan, por ejemplo, para combatir células tumorales.

Fig. 4.14 -Fusión de dos membranas

 

5. PERMEABILIDAD DE LAS MEMBRANAS CELULARES

Como ya se ha mencionado la membrana plasmática es una barrera con permeabilidad selectiva que regula el intercambio de sustancias entre el citoplasma y el medio extracelular. Sus propiedades aseguran que las sustancias esenciales, como la glucosa, los aminoácidos y los lípidos entren a la célula fácilmente, que los intermediarios metabólicos permanezcan en la célula y que los productos de desecho, como la urea, abandonen la misma. Todo esto permite a la célula mantener el medio interno relativamente constante. La membrana, debido a sus características hidrofóbicas, es impermeable a la mayor parte de las moléculas hidrosolubles, como la glucosa, los aminoácidos y los iones en general. En cambio, las moléculas hidrofóbicas, siempre y cuando su tamaño no sea demasiado grande, pueden atravesarla fácilmente.

Podemos observar en la figura 4.15, que únicamente atravesarán la membrana las moléculas no polares y pequeñas como el O2, CO2, N2 e incluso el CO (tóxico), compuestos liposolubles como los ácidos grasos y esteroides y, además, a pesar de ser moléculas polares, el glicerol, la urea y el agua. El resto de las moléculas se transfiere de un lado a otro de la membrana gracias a proteínas integrales que actúan como transportadores; sin estos transportadores dichas moléculas no pueden difundir a través de las membranas.

Fig. 4.15 - Permeabilidad de la membrana a los diferentes solutos

 6. MECANISMOS DE TRANSPORTE TRANSMEMBRANA

Fig. 4.16 - Distintos mecanismos y estructuras utilizados por los solutos para atravesar las mem-branas de una célula.

Antes de continuar con los mecanismos de transporte es preciso hacer una breve aclaración acerca del fenómeno de difusión. Si colocamos un soluto en un solvente, las moléculas de soluto, debido a la energía cinética de las moléculas presentes en la solución, difundirán desde la zona donde se encuentran en mayor concentración hacia la zona donde se hallan en menor concentración. Al cabo de un tiempo toda la solución presentará la misma concentración de soluto. Por ejemplo, si agregamos una gota de tinta a un vaso con agua, la tinta difundirá a través del líquido y al cabo de un tiempo todo el vaso presentara una tinción pareja.

Fig. 4.17 - Difusión de una sustancia disuelta en un solvente.

Para lograr esto no se requiere aporte externo de energía, sino que es suficiente con la energía cinética propia de las moléculas. Si tenemos en cuenta que la temperatura de un medio es, de alguna manera, un índice de la energía cinética de las moléculas presentes en el mismo, es fácil deducir que a mayor temperatura, más importante será el fenómeno de difusión.

Podemos definir entonces a la difusión como el movimiento de moléculas desde una zona de mayor concentración hacia una de menor concentración. A la diferencia de concentración que existe entre una zona y otra se la denomina gradiente.

a)      DIFUSION SIMPLE

Cuando la difusión se realiza entre compartimientos separados por una membrana permeable a ese soluto, se denomina difusión simple y, como ya se dijo, no requiere de otra energía adicional que no sea el movimiento de las moléculas, desplazándose éstas a favor de su gradiente de concentración. En otras palabras, la difusión simple no requiere gasto de ATP, ya que es un fenómeno espontáneo. Las moléculas que se movilizan por difusión simple a través de la membrana son las no polares y pequeñas, las liposolubles y las polares pequeñas, pero sin carga eléctrica neta, como el H2O.

En el caso particular del H2O, la difusión simple se denomina ósmosis. El pasaje de agua a través de la membrana u ósmosis se lleva a cabo siempre en forma espontánea y muy rápidamente. El H2O difundirá desde el compartimiento de menor concentración de solutos o medio hipotónico, al de mayor concentración de solutos o medio hipertónico, de modo tal de igualar las concentraciones en ambos compartimientos. Al cabo de un tiempo, el resultado serán dos medios isotónicos, o sea, la concentración a ambos lados de la membrana será la misma.

Fig. 4.18 -Efecto del proceso osmótico sobre una célula viva.

Si colocamos una célula, por ejemplo un glóbulo rojo, en una solución hipertónica (agua salada, por ejemplo) el H2O tenderá a salir por ósmosis hacia el medio extracelular, encogiendo o crenando al glóbulo rojo. En cambio, si el medio extracelular es hipotónico (agua destilada, por ejemplo) el H2O penetrará en la célula, hinchándola y, finalmente, ocasionando su ruptura o lisis. Cabe hacer aquí una breve aclaración: un medio no es por sí mismo ni hipertónico ni hipotónico; siempre que se use esta terminología lo que se esta haciendo es comparar un medio con respecto a otro. Por ejemplo, A puede ser hipertónico con respecto a B y, al mismo tiempo, A también puede ser hipotónico con respecto a C. Es decir, A tiene una concentración de solutos intermedia. Por otra parte, se dice que dos medios son isotónicos cuando su concentración de solutos es la misma.

Más adelante veremos (en Acuaporinas) que además de la ósmosis existen otros tipos de transporte de H2O a través de las membranas biológicas.

Fig. 4.19 - Osmosis. Efecto de los cambios de concentración de soluto en (a) células animales y (b) células vegetales

b) DIFUSIÓN FACILITADA

Aquellas moléculas que no pueden atravesar fácilmente las membranas por difusión simple debido a su polaridad y/o a su tamaño (por ej. glucosa, aminoácidos, iones, etc.), podrán hacerlo si están presentes sus respectivos transportadores. Dichos transportadores son proteínas integrales de membrana y se los puede agrupar del siguiente modo:

·         Proteínas canal o canales iónicos

·         Proteínas “carrier” o permeasas

La difusión facilitada ocurre siempre a favor del gradiente, por lo tanto no requiere gasto de energía adicional. Sin embargo, puede tratarse de un gradiente de concentración (las moléculas se dirigen del compartimiento de mayor concentración hacia el de menor concentración) o de un gradiente de potencial eléctrico (el soluto con carga eléctrica, independientemente de su signo, se desplazará de una zona donde la carga sea mayor hacia otra donde la carga sea menor).

Estas proteínas transportadoras presentes en las membranas presentan características muy similares a las enzimas:

·         Saturabilidad (se saturan al alcanzar la máxima velocidad de transporte)

·         Especificidad (reconocen a sus ligandos a través de un sitio específico)

·         Pueden ser inhibidas por determinadas sustancias.

Cuando las proteínas transportadoras se saturan de solutos a transportar, alcanzan su máxima velocidad de transporte y por lo tanto las moléculas a ser transportadas deberán esperar a que se desocupen los sitios de unión.

b1) Canales iónicos:

Los canales iónicos son “poros” o “túneles” formados por una o varias proteínas transmembrana. En general, son de tipo multipaso, con un interior hidrofilico. Existen canales iónicos en todas las células, tanto en la membrana plasmática como en las membranas de los organoides. Son altamente selectivos, porque cada canal sólo puede transportar un tipo de ion (K+, Na+, etc.). Los iones se mueven a través del canal a una velocidad muy elevada (108 iones por segundo).

El transporte de un ion es impulsado por el gradiente electroquímico. O sea que un ion puede difundir de un lado a otro de la membrana, gracias a la diferencia de concentración como a la diferencia de carga eléctrica a ambos lados de la membrana.

La mayoría de los canales no permanecen abiertos permanentemente, sino que se abren en respuesta a estímulos. Estos estímulos pueden ser tanto la presencia de una sustancia inductora como una modificación de la carga eléctrica de la membrana (modificación del potencial eléctrico). Los canales que se abren o cierran en presencia de sustancias inductoras (ligandos) son llamados dependientes de ligando y los otros, dependientes de voltaje.

Fig. 4.20 - Diferentes tipos de canales.

b2) Carriers o permeasas:

Al igual que los canales iónicos, las permeasas están formadas por proteínas transmembrana multipaso. Suelen transportar una gran variedad de iones como el HCO3- y otras moléculas polares sin carga como la glucosa.

Este tipo de proteínas fijan una única molécula de sustrato (o unas pocas) a la vez, y a continuación sufren un cambio conformacional reversible que les permite

transportar el soluto de un lado al otro de la membrana (translocación). Aquí vale hacer otra aclaración: para entender la difusión facilitada no hay que pensar si una

sustancia “entra o sale” de la célula, lo importante es considerar que se está movilizando algo a favor del gradiente (químico o eléctrico) gracias a la acción de

proteínas transportadoras. Por esta razón es que no se requiere de energía adicional, no se requiere gasto de ATP, ya que es el propio gradiente el que

impulsa el pasaje a través de los transportadores.

Este tipo de transporte es siempre sin gasto de energía y a favor del gradiente electroquímico. La velocidad de transporte es muy inferior al de los canales iónicos.

Fig. 4.21 -Transporte facilitado por medio de una permeasa.

Existen tres tipos de permeasas:

-MONOTRANSPORTADORA O UNIPORTE: Transfieren UN solo tipo de soluto de un lado al otro de la membrana. (ej.: transporte de glucosa en la mayoría de las células animales, desde el medio extracelular, la sangre, donde la concentración es mayor, hacia el interior de las mismas donde es menor)

-COTRANSPORTADORA O SIMPORTE: Transfieren DOS tipos de solutos, ambos en el mismo sentido.

-CONTRATRANSPORTADORA O ANTIPORTE: Transfiere DOS tipos distintos de solutos en sentidos contrarios. Es decir, uno ingresa al citoplasma si, y solo si, simultáneamente el otro sale.

Fig. 4.22 - Tres tipos de transporte mediados por proteínas transportadoras

Los uniportes transportan las moléculas a favor de su gradiente de concentración. Como ejemplo podemos citar la glucosa y distintos aminoácidos. En cambio, los otros dos tipos de transporte acoplan el movimiento de un tipo de ion o molécula a favor de su gradiente de concentración con el de otro tipo de molécula o ion en contra de su gradiente de concentración. O sea lo que hacen es acoplar un transporte energéticamente favorable con otro que no lo es. Un ejemplo de COTRANSPORTE sería el transporte de Na+ y glucosa en la membrana plasmática de las células intestinales (ver más adelante) y uno de CONTRATRANSPORTE, el transporte de Cl- y HCO3

- en la membrana de los glóbulos rojos.

Tanto el cotransporte como el contratransporte, son también llamados transportes acoplados, ya que no se pueden llevar a cabo si no están presentes ambos tipos de solutos.

Casos particulares de transporte pasivo: Ionóforos y Aquaporinas

IONOFOROS

Fig. 4.23 - Mecanismo de pasaje de iones a través de ionóforos transportadores móviles

Estas sustancias tienen la propiedad de poder incorporarse a las membranas y aumentar la permeabilidad a ciertos iones. En general son fabricados por bacterias

como mecanismos defensivos. Existen dos tipos distintos:

-Transportadores móviles: Se unen reversiblemente a un ion que se encuentra en el medio con mayor concentración, giran en la bicapa y lo liberan en el otro lado de la membrana. Ejemplo: Valinomicina (Fig.4.23).

- Formadores de canales: Son proteínas con estructura helicoidal, en cuyo interior de la hélice hay una región hidrofílica que permite el paso de iones monovalentes (con una sola carga eléctrica). Ejemplo: Gramidicina (Fig. 4.24).

Fig. 4.24 - Esquema de la estructura del canal de gramicidina

ACUAPORINAS

Son canales especiales con estructura helicoidal que permiten el paso selectivo de H20. No son canales iónicos. En ciertas clases de células, por ejemplo en algunas células renales, se requiere un mayor transporte de H20 que el logrado exclusivamente con la difusión simple (osmosis). La estructura de las acuaporinas es semejante a la de los ionoforos formadores de canales.

c) TRANSPORTE ACTIVO

Las células no pueden depender únicamente del transporte pasivo dado que deben importar, por un lado, moléculas que están en menor concentración en medio extracelular que en el citoplasma y, por otro, necesitan mantener constante la composición iónica intracelular. Ambas funciones se llevan a cabo por medio del transporte activo.

Es un transporte que se realiza en contra del gradiente, ya sea este de concentración o eléctrico y, en consecuencia, se requerirá gasto de energía en forma de ATP.

El transporte activo se realiza por medio bombas y también presenta formas de monotransporte, cotransporte y contratransporte.

Posee las mismas características de especificidad y saturabilidad que la difusión facilitada, aunque difiere de ésta por realizarse contra el gradiente electroquímico. El transporte activo esta desfavorecido termodinámicamente (es endergónico) y se da solamente cuando está acoplado (directa o indirectamente) a un proceso

exergónico como, por ej., la conversión de ATP a ADP + Pi. Debido a esto, las bombas se suelen denominar ATPasas de transporte.

Existen muchos tipos de ATPasas distintas. Aquí vamos a hablar de las más importantes, que son la Bomba de Na+-K+ (bomba sodio –potasio)y la de K+/H+.

Fig. 4.25 - Esquema de la ATPasa.

Las sustancias que se movilizan por transporte activo son en muchos casos las mismas que lo hacen a través de difusión facilitada, la diferencia fundamental es que en el primer caso lo hacen en contra del gradiente mientras que en el segundo lo hacen a favor.

Bomba Na+/K+

Está presente en todas las membranas plasmáticas de las células animales. También se la conoce como Na+-K+ ATPasa. Es un complejo proteico formado por cuatro subunidades, todas ellas proteínas integrales de la membrana plasmática.

Su función es expulsar Na+ al espacio extracelular e introducir K+ al citosol. Ambos son movilizados en contra de su gradiente electroquímico, estableciendo así diferencias de concentración y carga entre el espacio extra e intracelular para ambos iones. Debido a que se esta transportando simultáneamente dos solutos distintos en sentidos opuestos, estamos en presencia de un sistema de contratransporte. Es importante recordar que, si bien el Na+ sale y el K+ ingresa a la célula, ambos lo hacen en contra de su gradiente y, en consecuencia, hace falta hidrolizar ATP para movilizarlos.

La Bomba Na+-K+ tiene simultáneamente funciones de proteína transportadora y de ATPasa (hidroliza ATP para obtener energía). Por lo menos un tercio de la energía que consume una célula animal se destina para impulsar esta bomba. En las células nerviosas, donde la actividad eléctrica es sumamente importante, este valor asciende al 60%. Cada ATPasa puede hidrolizar hasta 100 moléculas de ATP

Mecanismo de acción de la Bomba Na+/K

1)      Tres iones de Na+ se unen al dominio citoplasmático de la ATPasa, debido a la gran afinidad que existe entre ambos.

2)     Luego se hidroliza el ATP y se fosforila la proteína. Esto lleva a un cambio conformacional en la misma.

3)     Esto permite la translocación de los iones Na+ hacia el espacio extracelular.

4)     A continuación, dos iones K+ del medio extracelular, donde su concentración es menor, se unen a un sitio receptor de K+ accesible ahora desde el exterior de la célula. La unión del K+ con la proteína induce la liberación del fosfato.

5)     La desfosforilación de la bomba, restituye la conformación original.

6)     Esto permite la translocación de los iones K+ hacia el citoplasma. Se puede comenzar nuevamente el proceso. Por cada molécula de ATP que se hidroliza se posibilita el transporte de 3 iones Na+ hacia espacio extracelular y de 2 iones K+ al citoplasma.

Las transferencias de iones se hallan acopladas, y por lo tanto no pueden realizarse una independientemente de la otra.

Fig. 4.26 Mecanismo de acción de la ATPasa Na+/K+

Las funciones de la bomba de Na+/K+ son:

a) Mantener diferencias en las concentraciones de Na+ y K+ intra y extracelulares.

b)     Generar un potencial eléctrico de membrana, que es una diferencia de voltaje, o sea de carga, entre ambos lados de la membrana. Al bombear tres iones en una dirección y sólo dos en otra, se genera un potencial eléctrico negativo del lado interno de la membrana con respecto al externo. El lado citosólico es normalmente más negativo que el espacio extracelular.

c)      Intervenir en la regulación del volumen celular.

d)     Generar diferencias de concentración de Na+ o K+ para que otros transportadores pasivos utilicen indirectamente la energía potencial acumulada en este gradiente. Como ejemplo podemos citar al:

-COTRANSPORTE Na+/GLUCOSA (ya citado en difusión facilitada). Esta situación se da en las membranas apicales de las células del intestino delgado o en membranas de células renales, donde deberá absorberse glucosa desde la luz del intestino o de los túbulos renales, aunque las concentraciones extracelulares sean bajas. Gracias a la acción de la bomba Na+-K+ se expulsan iones Na+ a través de la membrana basal de la célula. De este modo, la concentración de Na+ intracelular se mantenida baja. En la región apical de la membrana se encuentra una permeasa pasiva cotransportadora de Na+ y glucosa. El Na+ ingresa de este modo a favor de su gradiente electroquímico al interior de la célula y arrastra a la glucosa con él, que ingresa de este modo en contra de su gradiente de concentración, gracias al sistema de cotransporte. Este tipo de transporte también se denomina transporte acoplado a gradientes iónicos o TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO (ya que indirectamente está ligado a una bomba).

Posteriormente, la glucosa atravesará la célula y saldrá por difusión facilitada, a favor de su gradiente de concentración, hacia el torrente sanguíneo.

Fig. 4.27 Mecanismo de co-transporte Na+/glucosa en epitelio

intestinal

Hay otro tipo de ATPasa, presente en las membranas internas mitocondriales y de cloroplastos, que juega un papel muy importante en la obtención de la energía. Actúa como una ATPsintetasa (sintetiza ATP), gracias al gradiente de H+ que se genera a ambos lados de las membranas internas de cloroplastos y mitocondrias. Dicho proceso se verá con detenimiento en los capítulos de Respiración y fotosíntesis.

Existen otro tipo de bombas, como las de las membranas del Retículo endoplasmático liso de las células musculares, que se encargan de bombear iones Ca++ hacia el interior del REL y mantener baja la concentración citosólica Ca++ , o

las de los lisosomas, que bombean H+ hacia el interior de los mismos, disminuyendo así el pH intralisosomal.

d) TRANSPORTE EN MASA (Fig. 4.28)

Hasta aquí analizamos el modo en el que los iones y las pequeñas moléculas atraviesan la membrana celular. Pero como ingresan o abandonan la célula partículas de mayor tamaño. Esto se realiza por medio del TRANSPORTE EN MASA. Este tipo de transporte involucra siempre gasto de ATP, ya que la célula realiza un movimiento general de su estructura (en particular de la membrana plasmática y del citoesqueleto -ver funciones del citoesqueleto-).

El mecanismo por medio del cual los materiales entran a la célula se denomina endocitosis y aquel por el cual la abandonan, exocitosis.

d1) ENDOCITOCIS

En este proceso una extensión de la membrana rodea progresivamente al material que será internalizado, luego se produce una gemación o invaginación de la membrana, y finalmente ésta se separa de la membrana, formando una vesícula endocítica. Posteriormente, el material incorporado es digerido por los lisosomas.

Las fibras de actina y miosina del citoesqueleto intervienen en este proceso.

Se distinguen 3 tipos de endocitosis:

-Fagocitosis

-Pinocitosis

-Endocitosis mediada por receptor

A)    Fagocitosis: Implica la ingestión de partículas de gran tamaño, como microorganismos, restos celulares, inclusive de otras células, por medio de vesículas llamadas fagosomas. Estos fagosomas suelen presentar un gran tamaño.

La fagocitosis sólo se da en determinados tipos de células. En algunos organismos unicelulares (protistas) constituye un modo de alimentación: engloban grandes partículas, por ej. bacterias, por medio de prolongaciones de la membrana plasmática llamados pseudópodos y las internalizan, formándose así un fagosoma o vesícula fagocítica. Posteriormente será degradada por las enzimas lisosomales. Para ampliar consultar en la bibliografía: Lisosomas.

En los animales sólo se da en algunas células altamente especializadas, llamadas células fagocíticas (macrófagos de los tejidos y glóbulos blancos sanguíneos denominados neutrófilos). En estos casos la función no es de índole nutricional, sino defensiva. Las células fagocíticas defienden nuestro organismo contra infecciones, ingiriendo microorganismos patógenos. Otra función sería eliminar células muertas o dañadas, o restos celulares (por ejemplo glóbulos rojos no funcionales). El proceso fagocítico se desencadena por la unión del material a endocitar con ciertos receptores de la membrana plasmática que reconocen al mismo.

B)     Pinocitosis: Es la incorporación de fluído y de partículas disueltas en él por medio de pequeñas vesículas. Es un proceso inespecífico y la velocidad de ingestión es muy elevada. Por ejemplo, un macrófago puede ingerir por hora un cuarto de su volumen celular. El tamaño de estas vesículas endocíticas en mucho menor que el de los fagosomas.

C)     Endocitosis mediada por receptor: En muchos aspectos es similar a la anterior, salvo que en este proceso, la endocitosis es mucho más selectiva. Determinadas moléculas (ligandos) que la célula desea incorporar son reconocidos por receptores específicos, ubicados en la membrana plasmática. Los ligandos se unen a estos receptores y estos complejos ligando-receptor confluyen, gracias a la fluidez de la membrana, a determinadas zonas de la misma, donde serán endocitados. La invaginación de la membrana se denomina en este caso fosita revestida. Esto se debe a que las vesículas presentan en su cara citosolica un revestimiento de proteínas características, en este caso de clatrina. La función de la misma, sería entre otras, permitir que se produzca la invaginación.

A continuación se forma la vesícula recubierta o revestida que se fusionará con un conjunto de vesículas llamadas endosomas, donde se clasifican las moléculas endocitadas y se las separa de los receptores.

Este proceso puede incrementar mil veces la eficiencia de internalización de un determinado ligando, sin tener que incrementar la absorción de fluido extracelular.

Un ejemplo importante de este proceso es la captación de colesterol por las células animales. El colesterol, debido a su carácter hidrofóbico, es transportado por la sangre unido a proteínas, formando complejos llamados lipoproteínas de baja densidad (LDL). Estas LDL se unen a receptores ubicados en la superficie celular y los complejos LDL-receptor son internalizados en vesículas revestidas y luego transferidas a los endosomas, previa liberación de la cubierta de clatrina. En el interior de los endosomas, el LDL se disocia del receptor y este es reciclado nuevamente a la membrana plasmática para captar nuevamente LDL.

Fig.4.28- Tipos de transporte en masa

d2) EXOCITOSIS

Es el proceso inverso a la endocitosis. En este caso, material contenido en vesículas intracelulares también llamadas vesículas de secreción es vertido al medio extracelular.

La secreción de sustancias comienza generalmente con estímulos provenientes del medio extracelular, que inducen a las vesículas de secreción, ubicadas en las cercanías de la membrana, a fusionarse con la misma y volcar su contenido al medio extracelular. Así por ejemplo se liberan las proteínas de exportación (ver funciones del Aparato de Golgi) y los neurotransmisores (para ampliar esto ultimo consultar Sinapsis nerviosa en la bibliografía)

En este caso, la membrana de la vesícula pasa a “formar parte” de la membrana plasmática. Es decir, hay ganancia de membrana, mientras que en la endocitosis hay pérdida de membrana.