2) Membranas celulares

2) MEMBRANAS CELULARES

Una membrana celular consiste en una bicapa lipídica con proteínas asociadas. La plasmática no es la única membrana que poseen  las células eucariotas, sino que además encontramos membranas rodeando y limitando cada uno de sus orgánulos, lo cual representa una de las principales diferencias respecto a las células procariotas, que carecen de verdaderos orgánulos membranosos. La estructura de bicapa de la membrana se pudo deducir gracias al estudio de la membrana de los eritrocitos, los cuales al carecer de núcleo y orgánulos presentan más facilidad que otras células para separar su membrana. Al hacerlo se calculó que la superficie de monocapa extraída era suficiente para recubrir el doble del volumen de un eritrocito, por lo que se dedujo que la membrana del eritrocito debía consistir en una bicapa.

Además de limitar a la célula y separarla del medio que la rodea, la membrana plasmática tiene otras funciones: Intervenir en la señalización celular, la organización y localización de función (esto es, organizar las estructuras y permitir que cumplan su función) permitir la comunicación con otras células (pudiendo darse un intercambio de iones), controlar el paso de moléculas con el exterior celular gracias a su permeabilidad selectiva y llevar a cabo el transporte (para mantener la homeóstasis). Para poder realizar con efectividad dichas funciones, los componentes de la membrana, tanto lípidos como proteínas, se desplazan por la misma cuando es necesario, según el modelo de mosaico fluido: La membrana no es una cubierta rígida y estática, sino que es una bicapa fluida cuyos componentes presentan un importante dinamismo.

 

Como ya hemos dicho, los componentes de cualquier membrana son lípidos y proteínas. En cuanto a los primeros, se trata principalmente de fosfolípidos, aunque también encontramos esfingolípidos, además de colesterol y, en un porcentaje reducido, glicerolípidos, encontrándose estos últimos exclusivamente en la monocapa externa. Los fosfolípidos se nombran poniendo "fosfatidil" seguido del nombre del alcohol esterificado, el cual puede ser etanolamina, colina, serina, glicerol o inositol. Ej.: Fosfatidil-serina. Los tres últimos nombrados son grupos alcoholes con carga negativa, de forma que su unión con el fosfatidil de carga también negativa obtenemos un fosfolípido de carga negativa, mientras que la etanolamina y la colina son fosfolípidos con carga positiva, y su unión con el fosfatidil da como resultado un fosfolípido de carga neta neutra. Los esfingolípidos son lípidos que tienen esfingosina, la cual se une a un ácido graso, y a su vez se une al C1 un sustituyente, que bien puede tratarse de glucosa y entonces tendríamos un cerebrósido, o , en cuyo caso tenemos y gangliósido. Hay algunos lípidos que son exclusivos de ciertas membranas, como es el caso de la cardionilina (que tiene 2 gliceroles, no 1) la cual sólo se encuentra en la membrana mitocondrial.

Respecto a las proteínas de membrana distinguimos tres tipos, diferenciados en base a su localización: Integrales, periféricas y ancladas a lípidos. Los lípidos son moléculas anfipáticas; esto es, con una cabeza polar, que es hidrofílica, seguida de una cadena apolar hidrofóbica. Esta característica hace que dichas moléculas se asocien entre sí de una forma particular, formando micelas, orientando sus cabezas polares hacia el medio acuoso en el que estás inmersas, y situando sus regiones apolares hacia el interior de la estructura, huyendo del agua. Así se forma una monocapa. La bicapa consiste en dos monocapas enfrentadas, de forma que las cadenas hidrofóbicas de una y otra monocapa quedan enfrentadas entre sí, y las cabezas polares quedan hacia uno y otro lado.

 De la composición de las membranas no podemos saltarnos un punto muy importante: Su asimetría. Las membranas no son homogéneas, sino que la proporción de los distintos tipos de fosfolípidos varía en las distintas membranas, y también varía en las distintas zonas de una misma membrana. Lo mismo ocurre con las proteínas. La razón de esta asimetría es que las funciones que deben desempeñar las distintas membranas varían en los distintos tipos celulares, en los distintos orgánulos y en las distintas partes de un orgánulo. En cuanto a la membrana plasmática, los lípidos más abundantes de la monocapa externa son la fosfatidil- colina y la esfingomielina, mientras que el resto abundan más en la monocapa interna. El fosfatidil-inositol, que se encuentra casi únicamente en la monocapa interna, es un componente minoritario pero que tiene un papel importante en los procesos de endocitosis y de señalización celular. En cuanto al colesterol, su proporción es la misma en ambas monocapas. La posición inicial de los fosfolípidos en la membrana (refiriéndonos por posición a cuál de las 2 monocapas son enviados tras ser sintetizados) depende de su síntesis en el REL, de forma que si son sintetizados quedando en la cara citosólica del REL,  cuando sean enviados a su membrana de destino tendrán también esa localización, y quedarán en la monocapa citosólica, de la misma forma que si en su síntesis quedaron en la monocapa interna y no en la citosólica, cuando luego sean enviados a la membrana de un orgánulo quedarán posicionados hacia la luz, y en caso de ir a la membrana plasmática quedarán situados en la monocapa externa. Para conseguir la asimetría necesaria, los fosfolípidos han de poder moverse y cambiar de posición cuando sea necesario, como ya habíamos dicho anteriormente: Pueden girar sobre su eje, desplazarse lateralmente o, para disminuir el grosor de la membrana, contraer sus colas (la región hidrofóbica). En casos puntuales, pueden pasar a la otra monocapa realizando un movimiento llamado de flip-flop, para lo cual necesitan de unas proteínas especiales llamadas flipasas, que les hagan flipar.

Un buen ejemplo de la importancia de la asimetría es el proceso de apoptosis celular, la muerte programada de la célula: Por diversos motivos, llega un momento en que es necesario que determinadas células mueran. Para dar la señal a los macrófagos de que la célula en cuestión debe ser degradada y fagocitada,  los fosfolípidos fosfatidil-serina deben pasar a la monocapa externa de la membrana plasmática para lo cual deben flipar, dado que en un principio se encuentran en mayor proporción en la membrana interna.

 

Las características mecánicas de la membrana plasmática no sólo dependen de su composición sino de otros factores: La fluidez de la membrana depende de la temperatura, de la cantidad de insaturaciones, y de la cantidad de colesterol (el cual es exclusivo de animales). Así, cuanto más alta sea la temperatura y más dobles enlaces haya, más fluida será la membrana. Por su parte, el colesterol tiene efectos distintos dependiendo de la temperatura: A temperaturas relativamente altas, cuanto más colesterol haya, menor será la fluidez; esto es así porque los anillos hidrocarbonados rígidos del colesterol interactúan con las regiones de las cadenas hidrofóbicas de ácidos grasos que son adyacentes a las cabezas de los fosfolípidos, disminuyendo la movilidad de dichas regiones y reduciendo la permeabilidad de los lípidos a pequeñas moléculas. Por el contrario, a bajas temperaturas, gracias a que el colesterol interactúa con las interacciones entre los ácidos grasos, impide que la membrana se congele y mantiene su fluidez. Las células vegetales y las bacterias, en lugar de colesterol, cuentan con otro tipo de moléculas lipídicas para mantener la fluidez, tales como los esteroles o similares.

La disposición de los componentes de la membrana plasmática se explicaba en un principio según el modelo de "mosaico fluido" (1972) pero actualmente se está desmintiendo este modelo, ya que se ha descubierto que en la membrana hay distintos "dominios" (raft, en inglés) lipídicos en los cuales dichos lípidos se mueven por la membrana como una unidad, todos en conjunto, y se caracterizan por una composición lipídica y proteica determinada (no al azar); son zonas de la membrana con una funcionalidad específica.

 

En cuanto a las proteínas ya las hemos nombrado como componentes esenciales de la membrana plasmática; ahora nos queda resaltar su importancia: No son meros componentes estructurales sino que cada tipo de proteína de membrana tiene una función. A continuación explicamos estos 3 tipos y sus funciones correspondientes:

·         Las integrales se encuentran atravesando la bicapa lipídica. Constan de una región transmembranosa, que es la que abarca el espacio de la membrana y está formada por unos 20-30 aminoácidos hidrofóbicos, y dos regiones hidrofílicas, una intracelular, que está en contacto con el citosol y otra extracelular, que da al medio extracelular. El dominio transmembranoso puede atravesar la membrana una sola vez o varias veces; en el primer caso se trata de una proteína de paso único, mientras que si se trata del segundo caso hablamos de una proteína de paso múltiple. Los dominios transmembranosos pueden ser en α-hélice, que es el caso de las bombas, las permeasas y los canales iónicos, o en β-laminar, que es lo que caracteriza a las porinas, las cuales se encuentran en la membrana de las mitocondrias, de los cloroplastos y en bacterias. Este tipo de proteínas no pueden separarse de la membrana sin romperlas; para disolverlas es necesario el uso de detergentes: Los detergentes tienen una cabeza hidrofílica y una cola hidrofóbica; de esta forma, las colas se unirán a las regiones hidrofóbicas de las proteínas integrales y dejarán las cabezas hacia fuera, formándose así un complejo (proteína + detergente) que es soluble en agua.

 

·         Las proteínas periféricas pueden ser arrancadas de la membrana plasmática sin romperla, cosa que no podemos hacer con las integrales. Unas se encargan del anclaje del citoesqueleto, otras se encargan de la adhesión al citoplasma de otra célula, y otras son enzimas.

·         Las proteínas ancladas a lípidos pueden estar hacia el exterior celular, en cuyo caso se encuentran unidas a GPI, o quedar hacia el citosol, y entonces se hayan unidas a un ácido graso o a un grupo prenilo.

Hay proteínas de membrana que al igual que los lípidos son capaces de desplazarse a lo largo de la membrana, aunque más lentamente. Realizan así un movimiento dinámico (pero  no pueden flipar), que es necesario para el correcto funcionamiento de la célula. El movimiento lateral de las proteínas por la membrana se descubrió fusionando células humanas con células de ratón y observando las células híbridas con microscopía de fluorescencia. Se utilizaron anticuerpos que reconocían específicamente las proteínas de ratón y las humanas, y se marcaron dichos anticuerpos con distintos tintes fluorescentes para así poder distinguir al microscopio cuales eran las proteínas humanas y cuales las de ratón. En un primer momento, justo después de la fusión, se distinguían las proteínas de ratón a un lado de la célula híbrida, y al otro lado las humanas; tras esperar un tiempo a una determinada temperatura, los dos tipos de proteínas no se encontraban en mitades diferentes de la célula sino que se habían mezclado sobre la superficie celular, fenómeno cuya única explicación era que las proteínas se habían desplazado. El tipo de transporte por la membrana es otro criterio de clasificación de las proteínas, según el cual distinguimos 3 tipos diferentes:

·         Proteínas inmovilizadas por anclaje: Son aquellas que no pueden desplazarse, ya que están ancladas al citoesqueleto. En otros casos, el movimiento de las proteínas está restringido por su asociación con otras proteínas de membrana, con las proteínas de membrana de una célula vecina o con la matriz extracelular.

·         Proteínas de difusión intermitente: Pueden desplazarse pero luego regresan a su posición inicial.

·         Proteínas de difusión libre: Pueden moverse libremente por la membrana

El último aspecto de importancia que nos queda señalar acerca de las proteínas de membrana es la determinación de su posición en función de su síntesis: La posición que ocupará una proteína en una membrana dependerá de cómo haya sido sintetizada en el RER, de la misma forma que ocurría con los fosfolípidos (que eran sintetizados en el REL) Así, si una proteína de membrana  ha sido sintetizada quedando el extremo COO  orientado  hacia  el citosol y el extremo NH2 terminal quedando hacia la luz del RER, cuando luego sea enviada a la membrana plasmática o a la membrana de un orgánulo, también quedará orientada de esa forma, el COO hacia el citoplasma celular y el NH2 hacia el exterior celular ( lo mismo ocurriría si el COO quedase hacia la luz y el NH2 hacia el citosol).

 

En la membrana plasmática hay un último componente, que son los glúcidos, los cuales se encuentran unidos a fosfolípidos y a proteínas de la monocapa externa. Los que se unen a proteínas lo hacen por N-glicosilación, y dan lugar a glicoproteínas (se unen al grupo amino terminal de la proteína) Esta porción glucídica formada por todos los glúcidos de la membrana, tanto los que están unidos a lípidos como los que están ligados a proteínas se denomina glicocálix, y entre sus funciones están la adhesión transitoria entre dos células y el reconocimiento celular.

 

 

Otros conceptos:

La cara citosólica, hablemos de un orgánulo, membrana o cualquier cosa, es aquella que da al citosol/citoplasma celular. Si nos referimos a la membrana plasmática, la otra cara sería la externa. El interior de un orgánulo es el lúmen, así que la cara que no es la citosólica es la cara que da al lúmen.