ESTRUCTURA Y FUNCION DE LA MEMBRANAS BIOLOGICAS

2. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS.

    2.1 COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DE LA MEMBRANA.

    2.1.1 MODELOS.

    2.1.1.1 MODELO DE GORTER Y GRENDEL (1925).

·             Trabajaron con glóbulos rojos o eritrocitos.

·             Se cuestionaron cuántas capas lipídicas se  encuentran presentes en la cubierta.

·             Extrajeron los lípidos de un número conocido de eritrocitos y usaron el método de Langmuir para expandir los lípidos en una sup

erficie acuosa.

·             Concluyeron que la membrana plasmática de los eritrocitos no consiste en 1, sino en 2 capas de lípidos.

·             La bicapa lípidica que ellos imaginaron llegó a ser la base de cada ajuste sucesivo en el entendimiento de la estructura de la membrana.

        2.1.1.2 MODELO DE DAVSON Y DANIELLI (1935)

·             Imaginaron la presencia de proteínas en las membranas proponiendo que la bicapa lipídica está cubierta en ambos lados con finas láminas de proteínas.

·             Modelo original fue modificado para acomodar los descubrimientos posteriores.

·              En 1954 se sugirió que las proteínas hidrofilicas podían atravesar la membrana y formarían poros polares en lo que anteriormente era la bicapa hidrofóbica.

·             Estas proteínas podían cambiar de permeabilidad y las propiedades de resistencia de la membrana.

·             Reconocimiento de la importancia de la presencia de proteínas en la estructura de la membrana.

·             El modelo de sándwich de Davson-Danielli fuera la base para la mayoría de la investigación posterior sobre la estructura de la membrana.

       2.1.1.3 MODELO ROBERTSON (1950) Y SINGER Y NICHOLSON (1972).

ROBERTSON:

·             Observaron que la mayoría de los orgánulos subcelulares estaban limitados por membranas similares.

·             Se observa en la membrana plasmática de 2 células adyacentes separadas una de otra por un espacio intercelular fino (3 capas).

·             Sugirió que todas las membranas celulares compartían una estructura subyacente común.

·             Espacio ligeramente teñido contenía la región hidrofóbica de las moléculas lipídicas.

·             Las dos líneas oscuras, representaban los grupos de las cabezas de fosfolípidos.

SINGER Y NICHOLSON:

Todos los fosfolípidos forman una doble capa mientras que las proteínas integrales están insertadas en la capa fluida.

 En la membrana plasmática, las proteínas se intercalan en la bicapa de fosfolípidos dependiendo de las interacciones con las regiones de la zona lípidica. Existen tres tipos de proteínas según su disposición en la bicapa:

·             Integrales o intrínsecas: cruzan la membrana y se encuentran a ambos lados.

·             Glucoproteínas: se encuentran

Atravesando toda la capa.

·             Periféricas o extrínsecas: están

unidas a la superficie interna o

externa.

·              

2.2 ORGANIZACIÓN DE LOS LÍPIDOS Y MOVILIDAD DE LA MEMBRANA.

Organización de los lípidos.

La región hidrofílica, que ama el agua, de un fosfolípido es su cabeza. Esta contiene un grupo fosfato cargado negativamente y un pequeño grupo que también puede tener carga o ser polar. Las cabezas hidrofílicas de los fosfolípidos en una membrana bicapa se dirigen hacia afuera y están en contacto con el líquido acuoso de adentro y de afuera de la célula. Debido a que el agua es una molécula polar, fácilmente forma interacciones electrostáticas (basadas en cargas) con las cabezas de fosfolípidos.

La parte hidrofóbica, o "que odia el agua", de un fosfolípido consta de sus largas colas de ácidos grasos no polares. Las colas de ácido graso pueden interactuar fácilmente con otras moléculas no polares, pero interactúan poco con el agua. Debido a esto, es energéticamente más favorable para los fosfolípidos que oculten sus colas de ácidos grasos en el interior de la membrana, donde están protegidos del agua circundante. La bicapa de fosfolípidos formada por estas interacciones es una buena barrera entre el interior y el exterior de la célula, porque el agua y otras sustancias polares o cargadas no pueden cruzar fácilmente el interior hidrofóbico de la membrana.

Movilidad de la membrana.

Las bicapas lipídicas son fluidos bidimensionales en los que las moléculas de lípido pueden intercambiar con facilidad su lugar con moléculas vecinas de la bicapa produciéndose la difusión lateral en el plano de la membrana, pero, en cambio, las moléculas de lípidos no cambian fácilmente de una cara de la bicapa a la otra (difusión transversa o “flip-flop”), movimiento que requeriría que el grupo de la cabeza polar del lípido pasara a través del centro apolar de la bicapa; de esta manera, las moléculas de una bicapa se mueven con facilidad en su monocapa pero no es fácil que se trasladen a la otra. De todas formas, aunque el  "flip-flop" no esté favorecido, hay enzimas (flipasas y fosfolípido translocasas) que llevan a cabo este movimiento para fosfolípidos específicos; un ejemplo de esto es la redistribución de la fosfatidilserina desde la monocapa interna a la externa en la apoptosis.

También se dan movimientos de rotación de las moléculas (difusión rotacional) y en las cadenas hidrocarbonadas de los lípidos de membrana puede haber rotación de sus enlaces C-C y flexibilidad de esas cadenas sobre todo si hay dobles enlaces.

2.3 PROTEÍNAS DE MEMBRANA Y FUNCIÓN.

2.3.1 PROTEÍNAS INTEGRALES.

Tienen al menos una región hidrofóbica que las ancla al interior hidrofóbico de la bicapa de fosfolípidos. Algunas abarcan solo una parte de la membrana, mientras que otras atraviesan la membrana de un lado al otro y están expuestas a ambos lados. Las proteínas que se extienden por toda la membrana se llaman proteínas transmembrana.

Las partes de una proteína integral de membrana que se encuentran dentro de esta son hidrofóbicas, mientras que las que están expuestas al citoplasma o líquido extracelular tienden a ser hidrofílicas. Las proteínas transmembranales pueden atravesar la membrana una sola vez o bien, pueden tener hasta doce secciones diferentes que cruzan la membrana. Un segmento normal que atraviesa la membrana consiste en 20-25 aminoácidos hidrofóbicos organizados en una hélice alfa, aunque no todas las proteínas transmembranales se ajustan a este modelo. Algunas proteínas integrales de membrana forman un canal que permite a los iones o moléculas pequeñas de otro tipo que atraviesen.

2.3.2 PROTEÍNAS PERIFÉRICAS.

Las proteínas periféricas de membrana se encuentran en las superficies exterior e interior de las membranas, unidas a las proteínas integrales o a los fosfolípidos. A diferencia de las proteínas integrales de membrana, las proteínas periféricas no se extienden hacia el interior hidrofóbico de la membrana y su unión es menos estrecha.

2.4 EL TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA.

+2.4.1 PERMEABILIDAD DE LA MEMBRANA

La permeabilidad de las membranas es la facilidad de las moléculas para atravesarla. Esto depende principalmente de la carga eléctrica y, en menor medida, de la masa molar de la molécula. Moléculas pequeñas o con carga eléctrica neutra pasan la membrana más fácilmente que elementos cargados eléctricamente y moléculas grandes. Además, la membrana es selectiva, lo que significa que permite la entrada de unas moléculas y restringe la de otras.

La permeabilidad depende de los siguientes factores:

·             Solubilidad en los lípidos: Las sustancias que se disuelven en los lípidos (moléculas hidrófobas, no polares) penetran con facilidad en la membrana dado que está compuesta en su mayor parte por fosfolípidos.

·             Tamaño: la más grande parte de las moléculas de gran tamaño no pasan a través de la membrana. Solo un pequeño número de moléculas polares de pequeño tamaño pueden atravesar la capa de fosfolípidos.

·             Carga: Las moléculas cargadas y los iones no pueden pasar, en condiciones normales, a través de la membrana. Sin embargo, algunas sustancias cargadas pueden pasar por los canales proteicos o con la ayuda de una proteína transportadora.

También depende de las proteínas de membrana de tipo:

·             Canales: algunas proteínas forman canales llenos de agua por donde pueden pasar sustancias polares o cargadas eléctricamente que no atraviesan la capa de fosfolípidos.

·             Transportadoras: otras proteínas se unen a la sustancia de un lado de la membrana y la llevan al otro lado donde la liberan.

2.4.2 TRANSPORTE PASIVO.

El transporte pasivo es el proceso que permite el paso de moléculas e iones a través de la membrana celular sin una fuente de energía.

El gradiente de concentración o diferencia de concentración de una especie entre los dos lados de la membrana es el impulso que determina el movimiento y la dirección del transporte pasivo.

Características del transporte pasivo:

·             El movimiento de los solutos sigue el gradiente de concentración, de mayor concentración a menor concentración.

·             Depende del gradiente de concentración, del tamaño de las partículas y de la temperatura.

·             Se movilizan iones y moléculas pequeñas.

·             No requiere de hidrólisis de ATP.

·             Es mediado por proteínas transmembrana, canales y transportadores, en la difusión facilitada.

Tipos de transporte pasivo

1)          DIFUSIÓN SIMPLE

Pequeñas moléculas no polares como el oxígeno O2 y el dióxido de carbono CO2 se disuelven fácilmente en las membrana lipídicas. Pequeñas moléculas polares sin carga como el agua H2O y la urea, también se difunden por la membrana en forma lenta o restringida. De manera general, las moléculas lipofílicas o afines a las grasas pueden atravesar la membrana por difusión simple.

2)          DIFUSIÓN FACILITADA

Las células desarrollaron mecanismos para transferencia de moléculas solubles en agua e iones a través de la membrana. A través de proteínas especializadas transmembrana (atraviesan la membrana) se transportan iones y moléculas. Como se produce la difusión de mayor concentración a menor concentración con ayuda de "pasadizos", se habla de difusión facilitada.

3)          ÓSMOSIS

La ósmosis es el movimiento del agua a través de una membrana semipermeable, cuando de un lado se encuentra un soluto que no puede atravesar la membrana. En la ósmosis sólo se produce movimiento de agua.

2.4.3 TRANSPORTE ACTIVO.

El transporte activo es el proceso por el que la célula transporta material en contra de su gradiente de concentración, utilizando como fuente energética ATP.

Características del transporte activo

·             Se realiza a través de proteínas integrales de membrana.

·             Es específico del soluto.

·             Experimenta saturación, esto es, cuando todos los sitios de unión del soluto están ocupados, por más que se adicione más sustrato, el flujo se mantiene constante.

Tipos de proteínas de transporte activo.

1.           Bombas de ATP.

Las bombas de ATP realizan el transporte del soluto acoplado a la hidrólisis del ATP, es decir, el ATP libera un grupo fosfato (PO4-3) y se transforma en ADP. La energía liberada en la hidrólisis es la que "bombea" el soluto de un lado al otro de la membrana.

2.           TRANSPORTADORES ACOPLADOS

El transporte de un ión o molécula es concomitante con otro soluto. En este caso, el soluto en mayor concentración de un lado de la membrana pasa al otro lado y promueve el movimiento del soluto de menor a mayor concentración. Los transportadores impulsados por gradientes iónicos se llaman también transporte activo secundario.

3.           BOMBAS ACTIVADAS POR LUZ

4.           Predominante en bacterias y arqueas, este transporte de solutos se lleva a cabo de menor a mayor concentración gracias a la captación de energía lumínica. Por ejemplo, las bacteriorhodopsinas y las halorhodopsinas son bombas de protones activadas por la luz.

2.4.4 ÓSMOSIS Y DIFUSIÓN.

La ósmosis es un tipo de transporte pasivo en el cual solo las moléculas de agua son transportadas a través de la membrana. El movimiento se realiza a favor de la gradiente, esto es desde el medio de mayor concentración de agua (menor concentración de soluto) hacia al de menor concentración de agua (mayor concentración de soluto y solvente), con ello permite equilibrar las concentraciones del soluto de los medios separados por las membranas celular. La función de la ósmosis es mantener hidratada a la célula, dicho proceso no requiere del gasto de energía (ATP).

Ósmosis en una célula animal

·             En un medio isotónico, tanto la entrada como salida de agua es constante, es decir, existe un equilibrio dinámico.

·             En un medio hipotónico, desaparece el equilibrio dinámico por tanto la entrada de agua es superior a la salida, en consecuencia, la célula absorbe el agua hasta reventarse, fenómeno conocido como citólisis.

·             En un medio hipertónico, al contrario la salida de agua es superior a la entrada de agua por lo tanto la célula se deshidrata perdiendo su contenido hasta arrugarse y morir, este fenómeno es conocido como crenación.

2.4.5 ENDOCITOSIS: FAGOCITOSIS Y PINOCITOSIS.

La célula dispone de un mecanismo para incorporar grandes cantidades de moléculas extracelulares de forma masiva: la endocitosis. Mediante endocitosis se incorporan moléculas extracelulares englobadas por membrana plasmática, que al cerrarse quedan en el interior celular, sobre todo en forma de vesículas.

·             Pinocitosis

El término pinocitosis se refiere a la incorporación inespecífica de moléculas disueltas. No cabe duda de que parte del contenido de cualquier vesícula que se forme en la membrana plasmática tendrá moléculas disueltas que se hayan colado en el interior de la vesícula de manera inespecífica. Por tanto, en mayor o menor medida todas las rutas de endocitosis realizan pinocitosis. Hay tipos de endocitosis espcializados pinocitosis, como es la macropinocitosis, donde la incorporación inespecífica de moléculas es su principal característica, como veremos más adelante.

·             Fagocitosis

Es un tipo especial de endocitosis que consiste en la incorporación de partículas de gran tamaño como son bacterias, restos celulares o virus. Este mecanismo lo llevan a cabo células especializadas como son los macrófagos, neutrófilos y las células dendríticas. Un ejemplo claro son los macrófagos que fagocitan a los complejos formados por inmunoglobulinas unidas a otras partículas que pueden ser virus o bacterias. También son los encargados de eliminar miles de glóbulos rojos al día. Los macrófagos suelen ser residentes de tejido.

2.4.6 EXOCITOSIS.

La exocitosis es la fusión de vesículas con la membrana plasmática. Las vesículas son producidas principalmente por el aparato de Golgi, el dominio trans, y viajan hasta la membrana plasmática con quien se fusionan.

Tipos.

1.           La exocitosis constitutiva se produce en todas las células y se encarga de liberar moléculas que van a formar parte de la matriz extracelular o bien llevan moléculas en la propia membrana de la vesícula que sirven para regenerar la membrana plasmática. Es un proceso constante de producción, desplazamiento y fusión de vesículas, con diferente intensidad de tráfico según el estado fisiológico de la célula.

2.           La exocitosis regulada se produce sólo en aquellas células especializadas en la secreción, como por ejemplo las productoras de hormonas, las neuronas, las células del epitelio digestivo, las células glandulares y otras. En este tipo de exocitosis se liberan moléculas que realizan funciones para el organismo como la digestión o que afectan a la fisiología de otras células que están próximas o localizadas en regiones alejadas en el organismo, a las cuales llegan a través del sistema circulatorio, como es el caso de las hormonas. Las vesículas de secreción regulada no se fusionan espontáneamente con la membrana plasmática sino que necesitan una señal que normalmente es un aumento de la concentración de calcio. Además, necesitan ATP y GTP.

2.5      CITOESSQUELETO Y SU RELACIÓN CON LA MEMBRANA CELULAR.               

2.5.1                 Microtúbulos, microfilamentos, filamentos intermediarios y microtrabéculas.

Microtúbulos.

Los microtúbulos son estructuras celulares formadas por polímeros proteicos, de 25 nm de diámetro exterior y unos 12 nm de diámetro interior, con longitudes que varían entre unos pocos nanómetros a micrómetros y se encuentran distribuidos por todo el citoplasma.

Los microtúbulos intervienen en diversos procesos celulares que involucran desplazamiento de vesículas de secreción, movimiento de orgánulos, transporte intracelular de sustancias, así como en la división celular (mitosis y meiosis) y que, junto con los microfilamentos y los filamentos intermedios, forman el citoesqueleto. Además, constituyen la estructura interna de los cilios y los flagelos.

Microfilamentos.

Los microfilamentos son finas fibras de proteínas globulares de 3 a 7 nm de diámetro que le dan soporte a la célula. Los microfilamentos forman parte del citoesqueleto y están compuestos predominantemente de una proteína contráctil llamada actina. Estos se sitúan en la periferia de la célula y se sintetizan desde puntos específicos de la membrana celular. Su función principal es la de darle estabilidad a la célula, le dan la estructura y el movimiento.Solo están presentes en células de organismos supracelulares.

Filamentos intermediarios.

Los filamentos intermedios son componentes del citoesqueleto, formados por agrupaciones de proteínas fibrosas.

Su función principal es darle rigidez a la célula. La función depende de la composición y la localización de los filamentos. Las laminas nucleares además de darle rigidez al núcleo participan en la regulación de transcripción. Otros miembros, las queratinas, participan en algunas uniones celulares (desmosomas y hemidesmosomas).

Además:

·             Apoyo estructural

·             Fijación al núcleo

·             Suministran una conexión adaptable

·             Proporcionan un marco estructural

·             No dan movimiento        

Microtrabeculas.

Se ha observado la existencia de una fina y compleja malla dispuesta de manera tridimensional en la matriz del citoplasma, que sujeta e interconecta los diversos organelos, membranosos y no membranosos presentes en el citoplasma. Las unidades que la conforman se han denominado microtrabeculas; tienen un diámetro de 3 a 6 nm y su conjunto forman una malla microtrabecular que se extiende por todo el citoplasma y termina por debajo de la membrana plasmática.

Por medio de la microscopía electrónica de alto voltaje, se describió la trama microtrabecular (TMT), donde pudo observar estructuras microfilamentosas, que están relacionadas con otras estructuras que atraviesan el citosol. Los canales entre la trama microtrabecular miden de 50 a 100 nm, lo que posibilita la difusión de sustancias por el citosol. Además se puede encontrar que la trama microtrabecular se encuentra en contacto,con la membrana plasmática, organelos, polirribosomas y con microtúbulos.

2.5.2                 Relevancia e importancia del citoesqueleto en las funciones celulares.

El citoesqueleto es una estructura celular compuesta por filamentos. Se encuentra dispersa por el citoplasma y su función es principalmente de sostén, para mantener la arquitectura y forma celular. Estructuralmente se compone de tres tipos de fibras, clasificadas de acuerdo a su tamaño.

Estas son las fibras de actina, los filamentos intermedios y los microtúbulos. Cada uno le otorga una propiedad específica a la red. El interior celular es un ambiente donde ocurre desplazamiento y tránsito de materiales. El citoesqueleto media estos movimientos intracelulares.

El citoesqueleto está involucrado en el movimiento. Esto ocurre gracias a las proteínas motoras. Estos dos elementos se combinan y permiten los desplazamientos dentro de la célula.

También participa en el proceso de fagocitosis (proceso en el que una célula captura del medio externo una partícula, que puede o no ser alimento).

El citoesqueleto permite conectar a la célula con su medio exterior, física y bioquímicamente. Este papel de conector es el que permite la formación de tejidos y uniones celulares.

2.5.3                 Movilidad celular: estructura de cilios y flagelos.

Los cilios y flagelos son estructuras complejas con más de 250 proteínas diferentes. Ambos contienen una estructura central de microtúbulos y otras proteínas asociadas, denominadas conjuntamente como axonema, rodeado todo ello por membrana celular. En su interior, además del axonema, se encuentran una gran cantidad de moléculas solubles que participan en cascadas de señalización y que forman la denominada matriz. Un axonema consta de 9 pares de microtúbulos exteriores que rodean a un par central. A esta disposición se la conoce como 9x2 + 2. El par central de microtúbulos contiene los 13 protofilamentos típicos, pero las parejas externas comparten protofilamentos. Los cilios primarios carecen de par central. A uno de los  microtúbulos de cada par periférico se le denomina túbulo A y al otro túbulo B. El A es un microtúbulo completo mientras que el B contiene sólo 10 u 11 protofilamentos propios y 2 o 3 compartidos con el A.

Esta disposición se mantiene gracias a un entramado de conexiones proteicas internas. Al menos doce proteínas diferentes se han encontrado formando parte del axonema, las cuales están implicadas fundamentalmente en mantener la organización de los microtúbulos. Las parejas de microtúbulos externos están conectadas entre sí mediante una proteína denominada nexina. Los túbulos A de cada pareja están conectados por radios proteicos a un anillo central que encierra al par central de microtúbulos. En los microtúbulos externos aparece una proteína motora asociada llamada dineína que está implicada en el movimiento de cilios y flagelos.