MEMBRANAS BIOLÓGICAS
INTRODUCCIÓN
La membrana plasmática es la estructura que delimita a la célula de su entorno.
Controla el tráfico de moléculas hacia dentro y hacia fuera de la célula, y presenta permeabilidad selectiva, esto es, permite el pasaje de ciertas sustancias y bloquea el paso de otras.
El concepto “membranas biológicas” incluye tanto a la membrana plasmática, como a las organelas y el sistema de endomembranas de las células eucariontes.
FUNCIONES DE LAS MEMBRANAS
Las membranas son barreras selectivamente permeables: permiten el ingreso y la salida de sustancias a la célula, e impiden el de otras
Compartimentalización. La membrana plasmática delimita el contenido de la célula; en cambio la membrana nuclear y las de las organelas, delimitan compartimientos dentro de la célula (núcleo y organelas, respectivamente).
Transporte de sustancias. Las membranas poseen mecanismos para transportar sustancias de un lado al otro de las mismas, por ejemplo, ingreso de alimentos y oxígeno, y liberación de dióxido de carbono y proteínas fabricadas por las células, que cumplen diversas funciones fuera de estas.
Interacción entre células: las células se comunican entre sí liberando sustancias químicas: una célula fabrica determinada sustancia, la libera; esta sustancia se une luego a una proteína receptora de otra célula. En consecuencia, esta última célula realiza una respuesta específica ante esa señal. De ese modo, la membrana actúa como un “órgano de los sentidos”.
Soporte de enzimas: En la membrana puede haber enzimas “ancladas”.
ESTRUCTURA DE LA MEMBRANA
Con respecto a la estructura y composición molecular de la membrana, actualmente se acepta el modelo de “mosaico fluido”.
Según este modelo, la base de la membrana es una bicapa de lípidos, con proteínas dispuestas como un mosaico de moléculas, que pueden atravesar la bicapa por completo, o permanecer en la periferia de esta, tanto en el lado externo como en el intracelular.
Además, las membranas son fluidas y sus componentes son móviles, es decir, pueden desplazarse y rotar. Esto se debe a que los lípidos y las proteínas no están unidos covalentemente entre sí formando una estructura rígida, sino que están agrupados mediante interacciones hidrofóbicas e hidrofílicas (ver más adelante). Sin embargo, las proteínas y los lípidos pueden unirse en forma covalente, a hidratos de carbono, formando glucoproteínas y glucolípidos, respectivamente (Figura 1).
Figura 1. Modelo del Mosaico Fluido.
Todas las membranas, independientemente de la célula en la que se encuentren, y ya sean plasmáticas, nucleares o citoplasmáticas, tiene componentes semejantes y una organización estructural común.
COMPONENTES DE LAS MEMBRANAS
Las membranas están compuestas por lípidos, proteínas y glúcidos
Lípidos: Fosfolípidos, colesterol y glucolípidos
Proteínas: Integrales o intrínsecas - Periféricas o extrínsecas Glúcidos: unidos a proteínas y a lípidos
A continuación estudiaremos estos componentes.
Lípidos de membrana
Los lípidos forman la estructura básica de la membrana, es decir, una capa que limita a la célula.
Los tres componentes lipídicos mayoritarios de las membranas son los fosfolípidos, el colesterol (en animales, no en vegetales) y los glucolípidos. El porcentaje de cada uno de estos tipos de lípidos varía en las distintas membranas y está relacionado con las funciones específicas de estas membranas.
Los tres grupos de moléculas lipídicas son anfipáticas: el extremo de la molécula con el grupo fosfato es polar (hidrofílico) y el extremo con las colas hidrofóbicas es no polar (hidrofóbico). Debido a esta característica, cuando se encuentran en un medio acuoso, las moléculas se organizan espontáneamente escondiendo hacia el interior sus zonas no polares y exponiendo en el medio extra o intracelular, su extremo polar, formando así, una bicapa.
Los lípidos de la bicapa tienen la fluidez de un aceite, es decir, pueden desplazarse lateralmente por la membrana y también rotar. También puede existir intercambio de lípidos en monocapas opuestas, proceso denominado "flip-flop" (para esto, es necesaria la participación de una proteína) (Figura 2).
La fluidez de la bicapa lipídica depende del largo y grado de saturación de las cadenas hidrocarbonadas (cantidad de enlaces simples y dobles entre carbonos). Los dobles enlaces producen “torceduras” en las colas, dificultando su empaquetamiento. Es decir, cuanto más insaturadas sean las colas, más fluida será la membrana; y por el contrario, cuánto más saturadas las colas, menos fluida será la membrana.
Existen distintos tipos de fosfolípidos aunque todos ellos presenten una estructura similar. La membrana es asimétrica en cuanto a la composición de lípidos, esto significa que la proporción de los distintos típos de fosfolípidos difieren en cada capa. Por ejemplo, en los eritrocitos humanos, en la capa interna predominan los fosfolípidos fosfatidiletanolamina y fosfatidilserina, mientras que la capa externa es rica en fosfatidilcolina y esfingomielina. Otro lípido presente en las membranas de las células animales, es el colesterol, constituido por cuatro anillos de carbono unidos entre sí, más un grupo hidroxilo.
El colesterol solo está presente en las membranas de las células animales, no en vegetales, y se ubica entre las colas de los fosfolípidos. Su extremo hidrofílico mira hacia la superficie de la bicapa, y todo el resto está entre las colas de los ácidos grasos de los fosfolípidos.
El colesterol regula la fluidez de la membrana: a bajas concentraciones de colesterol, el anillo del esteroide separa las colas de los fosfolípidos evitando que se empaqueten, lo que provoca que el interior de la bicapa sea más fluido.
Por el contrario, a concentraciones más altas, el anillo esteroide impide que los fosfolípidos se desplacen lateralmente, por lo tanto, la fluidez de la membrana disminuye.
El colesterol también se distribuye asimétricamente al no estar uniformemente distribuido en ambas bicapas.
El tercer grupo de lípidos es el de los glucolípidos. Los glucolípidos constituyen una fracción pequeña en comparación con los fosfolípidos.
Figura 2. El movimiento de los fosfolípidos en la bicapa puede ser en flip-flop (arriba) o, simplemente, un movimiento lateral sobre la misma cara de la bicapa (abajo).
Tienen una estructura similar a un fosfolípido, en el sentido de que tienen una cabeza polar formada por el glúcido, y dos colas no polares.
Los glucolípidos destacan el carácter asimétrico de la membrana, ya que se encuentran únicamente en la capa externa, mirando hacia afuera de la célula.
Su función está relacionada con la comunicación celular, recibiendo señales químicas del entorno celular, a modo de “antenas” (ver más adelante).
Proteínas de membrana
Las proteínas de membrana se clasifican en dos grupos:
a) integrales o intrínsecas b) periféricas o extrínsecas
Las proteínas integrales atraviesan la bicapa lipídica. Son de carácter anfipático, ya que poseen regiones hidrofóbicas que interaccionan con las colas de los fosfolípidos, manteniéndose así, ancladas en la bicapa; y regiones hidrofílicas que miran hacia el lado extra e intracelular.
Las proteínas, al igual que los lípidos, pueden desplazarse lateralmente y rotar.
Las proteínas contribuyen a la asimetría de la membrana porque las secuencias de aminoácidos que emergen a cada lado de la bicapa, son diferentes (Figura 3).
Figura 3. Ejemplos de proteínas intrínsecas
Las proteínas periféricas se encuentran en un lado de la bicapa, ya sea del lado extracelular o del lado intracelular, sin atravesarla. También pueden anclarse a la membrana mediante interacciones no covalentes con otras proteínas integrales (Figura 4).
Figura. Interacción de las proteínas integrales y periféricas con la
Figura 4. Proteínas de membrana. 1: atravesando totalmente la bicapa; 2: atravesando parcialmente la bicapa; 3: fijadas por interacciones no covalentes con otras proteínas de
membrana; 4: ancladas a fosfolípidos de una monocapa
Glúcidos de membrana
Como dijimos previamente, los glúcidos se encuentran en la superficie de las células unidos a proteínas (formando glucoproteínas) y o unidos a lípidos (formando glucolípidos).
Pueden estar en forma de monosacáridos o de oligosacáridos.
Como se dijo anteriormente, los glúcidos miran hacia el lado extracelular, y forman una especie de entramado que rodea a la célula, llamado glucocálix.
Como también se dijo anteriormente, la función de los glúcidos en la membrana es captar las señales del ambiente. En lugar de “ver” o “escuchar”, las células perciben el ambiente externo gracias a los glúcidos unidos a lípidos o a proteínas, que participan en la captación de sustancias del medio externo, y estas sustancias actúan como señales.
En la Figura 5 se presenta un esquema detallado de todos los componente de la membrana
Figura 5. Componentes de la membrana
Grupos sanguíneos
Ciertos glucolípidos de la membrana del eritrocito (glóbulo rojo) presentan distintos tipos de oligosacáridos, y estos oligosacáridos determinan los grupos sanguíneos.
Una persona será de grupo A, B o 0 si tiene oligosacáridos de tipo A, B o 0 Glucofo
respectivamente; mientras que una persona de grupo AB, tendrá oligosacáridos de tipo A y de tipo B.
TRANSPORTE DE SUSTANCIAS A TRAVÉS DE LA MEMBRANA
La membrana es una barrera semipermeable que permite el pasaje de sustancias hacia adentro y hacia afuera de las células, manteniendo un medio intracelular diferente al extracelular.
Las células deben incorporar agua, oxígeno y alimento. También, deben liberar sustancias, ya sea por ser tóxicas, o porque cumplen su función fuera de la célula, por ejemplo, enzimas digestivas, anticuerpos, hormonas, etc.
Asimismo, deben mantener una determinada concentración de iones fuera y dentro de la célula.
Existen distintos tipos de mecanismos de transporte a través de la membrana, que se los puede clasificar en pasivos y activos, dependiendo de si la célula no gasta (pasivos) o gasta energía (activos).
Transporte pasivo: Difusión
Se llama transporte pasivo al movimiento de partículas desde un lugar en que se encuentran más concentradas hacia donde se hallan menos concentradas, es decir, a favor de un gradiente de concentración. Este desplazamiento es una difusión.
El movimiento es espontáneo de las partículas, por lo cual no requiere aporte de energía, y se realiza hasta que las partículas queden uniformemente distribuidas, es decir, con la misma concentración en todo el sector que ocupan.
Se puede visualizar cuando se arroja una gota de tinta en un vaso con agua, y la tinta difunde hasta distribuirse homogéneamente por todo el recipiente.
Difusión simple
La difusión simple es el pasaje de una sustancia a través de la membrana lipídica, desde una zona de mayor concentración a una de menor concentración. Para que las moléculas atraviesen la bicapa deben ser solubles en lípidos. La excepción es el agua, que si bien es insoluble en lípidos, puede atravesar la bicapa porque es muy pequeña y pasa entre las colas hidrofóbicas (Figura 6).
Ejemplos de sustancias que atraviesan la membrana por difusión simple son el oxígeno, el dióxido de carbono y los lípidos esteroides; y como se dijo previamente, el agua. El pasaje de agua por este mecanismo, recibe el nombre de ósmosis (ver más adelante).
Figura 6. Esquema de la difusión simple.
Ósmosis
El concepto de ósmosis es sólo aplicable al pasaje de agua desde un compartimiento a otro, a través de una membrana que sólo permite el pasaje de solvente pero no de solutos.
Supongamos que tenemos un recipiente separado en dos mitades, mediante una membrana. En cada mitad hay agua con sal disuelta, y la membrana que separa ambos sectores permite el pasaje de agua pero no de sal (soluto).
El pasaje de agua se realiza desde el compartimiento que tenga la solución más diluida
(mayor proporción de agua, pero menos soluto), hacia el compartimiento que posea la solución más concentrada (menor proporción de agua, pero más soluto). La tendencia es a equilibrar la cantidad de agua en ambos compartimientos.
La solución más diluida se denomina hipotónica, y la más concentrada, hipertónica. El agua, entonces, tiende a pasar de la solución hipotónica a la hipertónica (desde la que tiene menos concentración de soluto a la que tiene más concentración de soluto). La tendencia es a igualar las concentraciones, con lo cual, es medio sería isotónico.
Hay que aclarar, que a diferencia de la difusión simple, donde el término “concentración”
se refiere a la sustancia que atraviesa la membrana, en la ósmosis se refiere a la
“concentración del soluto”, que no la atraviesa.
Cuando ambos medios tienen la misma concentración de soluto (soluciones hisotónicas) no significa que el agua no atraviese la membrana, sólo el agua pasa en iguales cantidades de un compartimiento a otro en sentido inverso.
Una célula en un medio hipotónico, tenderá a hincharse y a estallar por el ingreso de agua; mientras que si estuviera en un medio hipertónico, tenderá a deshidratarse por la salida de agua.
Difusión facilitada
La difusión facilitada es similar a la difusión simple, la diferencia es que las sustancias no atraviesan la bicapa de lípidos, sino que pasan por proteínas que actúan como “puertas”.
Estas proteínas pueden ser de dos tipos: proteínas transportadoras (también llamadas carrier o permeasas) y canales.
Proteínas transportadoras: a través de estas proteínas pasan moléculas polares, como monosacáridos, aminoácidos y nucleótidos. Estos monómeros, para pasar, primero deben unirse selectivamente a la proteína, por lo tanto, se trata de un transporte específico, donde el reconocimiento entre la proteína y la sustancia a transportar, es similar al reconocimiento entre una enzima y el sustrato. Una vez que la molécula se une al carrier, este cambia la conformación y transporta a la sustancia hacia el otro lado de la membrana (Figura 7).
Figura 7. Esquema de la difusión facilitada
Canales: a través de las proteínas canal, pasan iones. La mayor parte de los canales iónicos son selectivos, y solo permiten el paso de un tipo particular de ión. Otra característica de los canales es que pueden abrirse o cerrarse, como si fueran compuertas.
Soluto
Proteína Transportadora
Los iones no sólo pasan por difusión facilitada desde una zona de mayor concentración a una zona de menor concentración, sino que en el pasaje también influyen las cargas de los iones. Eso se debe a que las cargas tienden a igualarse. Por eso, se habla de un gradiente electroquímico.
La abertura de los canales puede ser inducida por distintos factores, que dependen del canal en particular. Existen dos categorías principales:
a) canales regulados por voltaje, en la que su conformación abierta o cerrada depende del gradiente eléctrico a través de la membrana (es decir, la diferencia de carga entre un lado y otro de la membrana.
b) canales regulados por ligandos: el canal está cerrado, pero se abre cuando se le une un determinado tipo de sustancias, al que llamamos “ligando”.
TRANSPORTE ACTIVO
El transporte activo se caracteriza porque la célula gasta energía al transportar la sustancia. Existen tres tipos de transporte activo: por bombas, y en masa.
Bombas
Las bombas son proteínas de membrana que transportan iones en contra de gradiente y con gasto de ATP, por lo tanto, generan una diferencia de cargas a ambos lados de la membrana.
Algunas bombas transportan iones en una sola dirección, mientras que otras, como la bomba de Na+/K+, transportan iones en ambas direcciones.
La bomba de Na+/K+ bombea tres iones de Na+ hacia el exterior de la célula y dos iones de potasio hacia el interior celular por cada ATP consumido. De ese modo, aumenta la concentración de Na+ afuera de la célula, y la de K+ en el interior.
A su vez, esto genera un gradiente de potencial eléctrico: debido a que la cantidad de iones positivos es mayor afuera que adentro, el interior de la célula es más negativo que el exterior (Figura 8).
El transporte por bombas es específico, es decir, hay proteínas bomba para distintos tipos de iones, por ejemplo, bombas de Ca++ y bombas de protones (H+).
Transporte en masa
Es un mecanismo que la célula utiliza para transportar partículas de gran tamaño.
De acuerdo a la dirección del movimiento de sustancias, existen dos tipos básicos de
transporte en masa: exocitosis, consistente en la expulsión de sustancias hacia el medio extracelular, y endocitosis, que implica la incorporación de elementos hacia el interior de la célula.
El transporte en masa requiere energía, y además, es un mecanismo independiente del gradiente
*Endocitosis
Para incorporar una sustancia, la membrana plasmática primero la envuelve (o engloba) y la introduce en la célula dentro de
una vesícula. La pared de la vesícula, por lo tanto, proviene de la membrana plasmática. Eso significa que en la endocitosis, la célula pierde parte de la membrana.
Según el tipo de la partícula a incorporar, se pueden diferenciar distintos tipos de endocitosis.
Si ingresan partículas de gran tamaño, microorganismos o residuos celulares, el proceso se denomina fagocitosis.
La fagocitosis es la forma en que se alimentan los protozoos, pero también es realizada por los macrófagos, que son células del sistema inmune de los organismos pluricelulares. Los macrófagos, que viajan por la sangre y los tejidos, fagocitan organismos invasores como
virus y bacterias, células dañadas, sustancias de desecho y eritrocitos envejecidos.
Una vez que la sustancia ingresa por fagocitosis, debe ser digerida. De esto se encargan los lisosomas, organelas que contienen enzimas digestivas. Los lisosomas se fusionan con la vesícula fagocítica y así, las enzimas digestivas entran en contacto con las sustancias que ingresaron, y las digieren. Los productos de la digestión luego son utilizados por la célula.
Cuando la endocitosis consiste en la incorporación de líquidos, se denomina pinocitosis o “bebida de la célula”. El mecanismo es similar a la fagocitosis, sólo que en la pinocitosis, la vesícula contiene líquido que luego pasa al citoplasma a través de la membrana de las propias vesículas.
El tercer tipo es la endocitosis mediada por receptor. Este es un proceso altamente específico, porque la célula incorpora un determinado tipo de molécula y no otro; a diferencia de la fagocitosis, donde las células incorporan indistintamente distintos tipos de micros de organismos invasores (en el caso de los macrófagos) o distintos tipos de alimentos (en el caso de los protozoos). Para introducir una sustancia por endocitosis mediada por receptor, las células, en la membrana plasmática, presentan proteínas llamadas receptores, que se unen específicamente a determinado tipo de sustancias extracelular, y no a otro. La sustancia que ingresa se denomina, en forma general, ligando.
Partícula sólida Citoplasma
vesícula fagocítica
Líquido extracelular vesículas
pinocíticas
Figura 10. Endocitosis mediada por receptor
Como se observa en la figura:
1) Los ligandos se unen a los receptores de membrana.
2) Los receptores se desplazan y agrupan en invaginaciones (“fositas”) de la membrana.
3) Se forma una vesícula endocítica con el complejo ligando-receptor en su interior.
4) La vesícula se divide en dos: una con los receptores, se fusiona con la membrana plasmática y los receptores se restituyen en ella. La otra vesícula se fusiona con el lisosoma, que degrada al ligando a través de sus enzimas digestivas.
*Exocitosis
La exocitosis es un proceso de secreción de sustancias.
Ciertas células fabrican sustancias y las liberan al exterior, ya que estas cumplen determinada función en otro sitio. Por ejemplo, las células del estómago y los intestinos fabrican enzimas digestivas y las liberan al exterior (es decir, el interior del tupo de digestivo) donde realizan la digestión de los alimentos. Otro ejemplo es el de los glóbulos blancos, quienes fabrican anticuerpos que liberan a la sangre para atacar a los microorganismos invasores. Otras células liberan hormonas, como la insulina, a la sangre.
En todos estos casos, las células fabrican las proteínas (ya sean enzimas, anticuerpos u hormonas) y las envuelven en pequeñas vesículas. Estas vesículas se fusionan con la membrana plasmática y liberan su contenido al exterior.
Inversamente a lo que ocurre en la endocitosis, la célula gana membrana, porque incorpora la membrana de la vesícula.
Proceso de exocitosis.
