3. MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y TRANSPORTE

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1 3. MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y TRANSPORTE Resulta difícil explicar la estructura y función de células y organelos celulares sin considerar el papel que desempeña la membrana celular. Para llevar a cabo las reacciones químicas necesarias en el mantenimiento de la vida, la célula necesita mantener un medio interno apropiado. Esto es posible porque las células se encuentran separadas del mundo exterior por una membrana limitante: la membrana plasmática. Además, la presencia de membranas internas en las células eucariotas proporciona compartimientos adicionales que limitan ambientes únicos en los que se llevan al cabo funciones altamente específicas, necesarias para la supervivencia celular. Sin la existencia de las membranas habría sido imposible que la vida en la tierra evolucionara hasta alcanzar su estado actual. Las membranas celulares no son paredes rígidas, sino estructuras complejas y dinámicas compuestas por moléculas que poseen características especiales. Tales características hacen posible la existencia de interacciones selectivas entre los sistemas de membrana internos en la célula, y de la célula con el medio que la rodea. Entre otras funciones de la membrana celular, se destacan la regulación del transporte de moléculas hacia adentro y afuera de la célula, la transmisión de señales e información entre el medio y el interior de la célula, la capacidad de actuar como sistema de transferencia y almacenamiento de energía y el reconocimiento de la célula con su entorno. Con el fin de entender los mecanismos mediante los cuales las membranas celulares realizan dichas funciones, es necesario hacer una revisión de los conocimientos acerca de la estructura y composición de las membranas en general. Aunque este tema se centra principalmente en la estructura y función de la membrana plasmática, gran parte de los conceptos que se vierten también se aplican al sistema de membranas interno. 1 Organización de las membranas biológicas. Una de las cosas más sorprendentes que se descubren al observar una micrografía electrónica para comparar los tamaños de las distintas estructuras celulares, es el hecho de que la membrana plasmática parece ser excesivamente delgada. Efectivamente, la membrana plasmática tiene un grosor no mayor de 5 nm (El nanómetro es la unidad de longitud que equivale a una milmillonésima parte de un metro. La abreviatura del nanómetro es nm. (1 nm = 1x10-9 m) Mucho antes de que se inventara el microscopio electrónico ya se sabía que las membranas estaban compuestas de proteínas y lípidos. Ya entre 1920 y 1930 se aceptaba que la parte central de la membrana plasmática estaba formada de lípidos, principalmente fosfolípidos. Además, el estudio de la membrana de los eritrocitos (que sólo tienen membrana plasmática) y la comparación del área de superficie de membrana con el número total de moléculas de lípidos por célula permitió a los investigadores arribar a la conclusión de que la membrana se compone de fosfolípidos, y que su grosor no es mayor que el de dos moléculas de éstos. Debido a que la mayor parte de las proteínas tiene un diámetro mayor a 10 nm, uno de los principales problemas para comprender la estructura básica de las membranas consistía en determinar la forma en que las moléculas se disponían en un espacio tan pequeño.

2 En 1972, S.T. Singer y G.L. Nicholson 1 propusieron un modelo de estructura de membranas que sintetizaba las propiedades conocidas de las membranas biológicas. Según este modelo del mosaico fluido 1, que ha tenido gran aceptación, las membranas constan de una bicapa lipídica (esencialmente una doble capa de fosfolípidos) en la cual están inmersas diversas proteínas. Esta bicapa lipídica constituye la estructura básica de la membrana y actúa de barrera relativamente impermeable al paso de la mayoría de las moléculas hidrosolubles. Las moléculas proteicas, que normalmente se hallan disueltas en la bicapa lipídica, actúan como mediadores o facilitadores de casi todas las funciones de la membrana, ya sea transportando moléculas específicas a través de ella o catalizando reacciones asociadas a la membrana, como la síntesis de ATP. Algunas proteínas actúan como eslabones estructurales que relacionan la membrana plasmática al citoesqueleto y/o con la matriz extracelular de las células adyacentes, mientras que otras proteínas actúan como receptores que reciben y transducen las señales químicas procedentes del entorno celular. En la actualidad se sabe que los lípidos de membrana tienen propiedades especiales que les permiten formar estructuras de doble capa, y que estas estructuras permiten la integración de membranas biológicas. Pero, Cómo es posible que los lípidos se comporten en esa forma? 2 Bicapa lipídica Los lípidos son insolubles en agua pero se disuelven fácilmente en disolventes orgánicos. Constituyen aproximadamente el 50% de la masa de la mayoría de las membranas plasmáticas de las células animales, siendo casi todo el resto proteínas. Existen 10 9 moléculas lipídicas en la membrana plasmática de una célula animal pequeña. Las propiedades físicas de los fosfolípidos, en particular la forma en que dichas moléculas se asocian en el agua, son las que permiten la formación de capas dobles. Ya se ha mencionado que los fosfolípidos están formados por dos cadenas de ácidos grasos unidas a dos de los tres carbonos de la molécula del glicerol. Las dos cadenas de ácidos grasos de la molécula son hidrófobas (no afines al agua) y pueden tener diferente longitud (usualmente contienen de 14 a 24 átomos de carbono). Normalmente una de estas cadenas presenta uno o más dobles enlaces cis (es decir, es insaturada) mientras que la otra normalmente no tiene dobles enlaces (es saturada). Las diferencias en longitud y grado de instauración entre las colas hidrocarbonadas son importantes porque afectan la capacidad de las moléculas de fosfolípidos para empaquetarse, modificando su fluidez (como veremos más adelante). El tercer carbono del glicerol está unido por intermedio de un grupo fosfato a una molécula orgánica hidrofílica (afín al agua), que generalmente contiene un átomo de nitrógeno o un hidrato de carbono. Las moléculas de este tipo, con una región hidrofóbica y otra hidrofílica, se denominan moléculas anfipáticas. Todas las moléculas que conforman el centro de la membrana tienen características anfipáticas. 1 Singer, SJ; Nicolson, GL (Febrero de 1972) «The fluid mosaic model of the structure of cell membranes» Science. Vol n.º 23. pp

3 Debido a que las moléculas del tipo de los fosfolípidos tienen un extremo que se asocia libremente con el agua y otro que no lo hace, cuando se encuentran dispersas en agua adoptan, por lo general, una conformación de capa doble. La estructura en bicapa permite que los grupos del extremo hidrofílico se asocien libremente con el medio acuoso, y que las cadenas hidrofóbicas de ácidos grasos permanezcan en el interior de la estructura, lejos de las moléculas de agua. No todos los lípidos son capaces de formar bicapas: algunos forman micelas con las colas hidrocarbonadas hacia el interior, como es el caso de los ácidos grasos libres. Los triglicéridos, por ejemplo, son hidrófobos, de manera que forman gotas de aceite dentro de la célula. Las características más importantes de los lípidos que forman bicapas son, entonces: a) ser claramente dipolares, exhibiendo un polo hidrofóbico y otro hidrofílico, lo que hace que sus moléculas sean fuertemente anfipáticas, y b) su forma les permite asociarse con el agua en forma de una estructura de doble capa. Estas bicapas lipídicas tienden a cerrarse sobre si mismas formando compartimientos herméticos, eliminando así los bordes libres en los que las colas hidrofóbicas podrían estar en contacto con el agua. Por esta misma razón los compartimientos formados por bicapas lipídicas tienden a cerrarse de nuevo después de haber sido rotos, propiedades denominadas de autoensamblaje y autosellado. Además una bicapa lipídica tiene otras características que hacen de ella una estructura ideal para constituir membranas celulares, de las cuales una de las más importantes es su fluidez, crucial para muchas funciones. 3 La bicapa lipídica como un líquido bidimensional Una característica importante de las bicapas de fosfolípidos es que en determinadas condiciones se comportan como cristales líquidos. Las bicapas tienen propiedades semejantes a los cristales, pero también tienen propiedades semejantes a los líquidos, porque a pesar de la ordenada disposición de sus moléculas los grupos hidrocarbonados están en movimiento constante. Por lo tanto, una molécula se desplaza rápidamente de un punto al otro en un mismo lado de la estructura. Este movimiento confiere a la bicapa la propiedad de un fluido bidimensional'. En condiciones normales, esto significa que una molécula de fosfolípido puede atravesar la superficie de una célula eucariota en pocos segundos. Las propiedades de líquido de la bicapa lipídica también permiten el desplazamiento de las moléculas que se encuentran insertas en ella sobre el plano de la membrana (siempre que no estén ancladas mediante algún otro mecanismo, como en algunas conexiones intercelulares). La fluidez de las membranas celulares es biológicamente importante. Algunos procesos de transporte y actividades enzimáticas pueden detenerse cuando la viscosidad de la membrana (parámetro inversamente relacionado con la fluidez) se incrementa más allá de un nivel 1 Singer, SJ; Nicolson, GL (Febrero de 1972) «The fluid mosaic model of the structure of cell membranes» Science. Vol n.º 23. pp crítico umbral. La fluidez de la bicapa depende tanto de su composición como de la temperatura. Una menor longitud de las cadenas reduce la tendencia de las colas a interaccionar entre sí y los dobles enlaces cis producen pliegues en las cadenas hidrocarbonadas que dificultan su empaquetamiento, de forma que las membranas permanecen fluidas a temperaturas más bajas. La mayor parte de las membranas biológicas se encuentran en un estado cristalino líquido; sin embargo, a temperaturas bajas, las fuerzas de Van der Waals 1 entre las cadenas de hidrocarburos dispuestas una cerca de otra convierten las bicapas de fosfolípidos en un gel sólido. Bacterias, levaduras y otros organismos cuyas temperaturas varían con la de su entorno controlan la composición de ácidos grasos de sus lípidos de membrana para mantener una fluidez relativamente constante. Si la temperatura 1 Ocurren entre dipolos inducidos no permanentes de enlaces covalentes poco polares, como C H. Cuando los orbitales moleculares de dos enlaces apolares se ponen en contacto, las nubes de electrones se rechazan mutuamente y se inducen dipolos, lo que establece una fuerza de atracción débil. Conforme los átomos se alejan, los dipolos desaparecen y se pierde la fuerza de van der Waals

4 disminuye sintetizan ácidos grasos insaturados, de manera de evitar la pérdida de fluidez de sus membranas por efecto de la disminución de la temperatura. Los principales fosfolípidos que se encuentran en las membranas son la fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina y esfingomielina. La razón por la cual hay tal variedad de fosfolípidos quizás se deba a que serían necesarios para los distintos tipos de proteínas que se hallan asociadas a la membrana, que únicamente podrían funcionar en presencia de grupos polares específicos, como los que brinda la cabeza polar de los distintos tipos de fosfolípidos. Algunos fosfolípidos como el fosfatidilinositol, son funcionalmente importantes pero se hallan en cantidades relativamente pequeñas A menudo las membranas plasmáticas bacterianas están compuestas por un único tipo de fosfolípido y no contienen colesterol. Contrariamente, la composición de la membrana celular de la mayoría de las células eucarióticas es más variada conteniendo además algún esterol (colesterol en las células animales) y glicolípidos. Las membranas plasmáticas de algunas células animales contienen cantidades especialmente elevadas de colesterol, hasta una proporción de más de una molécula de colesterol por cada molécula de fosfolípido. Las moléculas de colesterol se acomodan entre los fosfolípidos y actúan como "amortiguadores de fluidez". A bajas temperaturas las moléculas de colesterol se interponen entre las cadenas de hidrocarburos, con lo cual evitan que se acerquen y formen interacciones de van der Waals, los cuales provocarían la cristalización de la membrana. Por otro lado, a temperaturas elevadas, las moléculas de colesterol restringen el movimiento excesivo de las cadenas de ácidos grasos disminuyendo la fluidez de la membrana. Las bicapas lipídicas, sobre todo las que se encuentran en estado de cristal líquido, tienen también otras propiedades biológicas importantes. Las bicapas tienden a resistir la formación de extremos libres: como resultado tienden a autosellarse y casi en cualquier circunstancia forman vesículas cerradas espontáneamente. Por último, en condiciones apropiadas, las bicapas son capaces de fusionarse con otras. La fusión de membranas es un fenómeno celular muy importante y que requiere de membranas en estado fluido para producirse. Cuando una vesícula se fusiona con otra membrana, ambas bicapas y sus compartimientos forman una continuidad. Esto permite tanto la transferencia de material de un compartimiento a otro, o el movimiento de una vesícula secretora hacia afuera de la célula, mediante un proceso Ilamado exocitosis. De modo similar, aunque inverso, la endocitosis permite la incorporación de grandes moléculas del exterior mediante la formación de vesículas en alguna porción de la membrana. Otro aspecto importante es que la bicapa lipídica es asimétrica, hecho que tiene una obvia relación funcional y se refiere a la diferente composición lipídica de cada una de sus monocapas. En los glóbulos rojos, la mayoría de las moléculas lipídicas que tienen colina en su grupo cabeza (fosfatidilcolina y esfingomielina) se encuentran en la mitad exterior de la bicapa, mientras que la mayoría de las moléculas de fosfolípido que contienen un grupo amino (fosfatidiletanolamina y fosfatidilserina) se hallan en la mitad interior. Algunos fosfolípidos, como el fosfatidilinositol, actúan como intermediarios en el proceso de señalización celular: ante estímulos extracelulares, el fosfatidilinositol ubicado en el interior de la membrana es primero fosforilado en dos oportunidades y luego hidrolizado en trifosfato de inositol y diacilglicerol. Ambos fragmentos de la molécula actúan dentro de la célula como mensajeros solubles que permiten la difusión de la señal hacia el interior de la célula. Como ya se ha mencionado, la síntesis de fosfolípidos ocurre en el retículo endoplásmico liso y es allí donde se genera la asimetría por traslocadores que trasladan específicamente moléculas de fosfolípidos de una capa a la otra. Los fosfolípidos son sintetizados en la cara externa (citosólica). Si bien 4

5 se sintetizan tanto fosfatidilcolina como el resto de los fosfolípidos, sólo la fosfatidilcolina pasa a la cara interna de la membrana del retículo gracias a un traslocador fosfolipídico específico (una flipasa ). La pérdida de la asimetría de la membrana es una señal de muerte celular, ya que la exposición de fosfatidilserina en la monocapa externa es un índice de apoptosis o muerte celular programada que favorece la fagocitosis de estas células por macrófagos. También existen glicolípidos en la membrana. Se presentan probablemente en las membranas plasmáticas de todas las células animales, constituyendo el 5% de las moléculas de lípido de la monocapa externa y son las moléculas que presentan una asimetría mas marcada en cuanto a su distribución en las membranas celulares. Estas moléculas se encuentran exclusivamente en la mitad no citoplasmática de la membrana plasmática. En la membrana plasmática, los grupos azúcares quedan al descubierto en la superficie de la célula, lo que sugiere que deben desempeñar una función en las interacciones de la célula con su entorno. Debido a que los azúcares se añaden en la cara luminal del aparato de Golgi, al formarse la vesícula de transporte el residuo glicosídico queda hacia el interior de la misma, pero cuando ésta se fusiona con la membrana plasmática, la porción glicosilada, que es hidrófila, queda hacia el exterior de la célula. Hay variados tipos de glicolípidos: los más complejos contienen oligosacáridos con uno o más residuos de ácido siálico que les proporciona carga negativa. Estos lípidos son más abundantes en la membrana plasmática de células nerviosas. La función de los glicolípidos puede ser variada: en las células epiteliales tapizan la cara que da al epitelio, donde las condiciones son extremas (bajos o altos valores de ph, enzimas degradativas), protegerían la integridad de las propias proteínas de membrana; también cumplen funciones aislantes, como ocurre en la membrana que rodea el axón de las células nerviosas, tapizada totalmente por glicolípidos en la cara externa. La presencia de carga eléctrica negativa en su molécula es responsable también de la concentración de iones, especialmente Ca +2 en la superficie externa. Además desempeñan una importante función en procesos de reconocimiento celular, ayudando a su vez a las células a unirse a la matriz extracelular y a otras células. 5 Proteínas de membrana Aunque la estructura básica de las membranas biológicas es provista por los fosfolípidos, la mayoría de las funciones específicas de la membrana son llevadas a cabo por proteínas. De acuerdo con ello, las cantidades y tipos de proteínas de membrana son muy variables: en la membrana mielínica, que sirve de aislación eléctrica al axón de la neurona, menos del 25% son proteínas, en tanto que en las membranas donde hay transducción energética (mitocondrias y cloroplastos) el porcentaje alcanza al 75%. En promedio, hay un 50% de lípidos y otro tanto de proteínas, pero como las proteínas son mucho más grandes, la relación numérica es de alrededor de 50 moléculas de fosfolípidos por cada molécula de proteína. Al principio, los investigadores encontraban difícil pensar que las proteínas se asociaran en otro sitio que no fuese la superficie exterior de las membranas. Sin embargo en estudios fisicoquímicos de las proteínas de membrana se mostró que gran parte de éstas son del tipo globular; esto significa que son demasiado voluminosas como para asociarse sólo a la superficie de las membranas. Por último, se obtuvieron pruebas por las cuales puede afirmarse que algunas proteínas se asocian con las membranas de tal manera que una región (o dominio) de ellas se encuentra de un lado de la membrana y otra en el lado opuesto. Por lo tanto, el modelo de la estructura de membrana más razonable es aquél en el que se forma un mosaico de proteínas, en el cual gran parte de éstas son móviles y se extienden dentro o a ambos lados de la bicapa lipídica. Hoy se sabe que existen dos tipos de proteínas de membrana: proteínas integrales o intrínsecas y proteínas periféricas o extrínsecas. Las proteínas integrales de membrana poseen algunas regiones insertadas en las regiones hidrófobas de la bicapa lipídica. Algunas atraviesan toda la membrana, de manera que gran parte de ellas se encuentra en alguno de los lados de la membrana; estas proteínas integrales se llaman también proteínas transmembrana. Algunas otras proteínas integrales

6 poseen solo una pequeña porción dentro de la bicapa que sirve como ancla y el resto de la molécula en el citoplasma o hacia la superficie celular. Otras están casi por completo insertas en la región hidrófoba y poseen cadenas polipeptídicas que atraviesan una y otra vez (incluso hasta doce veces) la bicapa lipídica. Las proteínas integrales de membrana son capaces de insertarse en la bicapa lipídica debido a que las porciones que lo hacen son hidrófobas y, por tanto, son compatibles con el interior de la membrana. Cuando alguna proteína de membrana contiene una porción hidrofílica, ésta generalmente se encuentra en protrusión por fuera de la superficie de la membrana, en contacto con el medio acuoso 2. También las proteínas transmembránicas pueden estar unidas por una cadena de ácido graso a la cara interna de la membrana, pasar una sola vez a través de la misma (1) o muchas veces (2), estar solubles en el citosol pero ancladas a la cara interna por un resto acilo 3 o prenilo (3), o haber sido sintetizadas como proteínas transmembrana en el retículo endoplásmico rugoso y unidas a un resto de glicosilfosfatidilinositol, que las ancla a la cara externa de la membrana (4). 6 En las proteínas integrales, la parte que se halla dentro de la membrana usualmente adopta una estructura en -hélice, con predominio de aminoácidos hidrofóbicos. Además este enrollamiento asegura que todas las uniones peptídicas (que son polares) estén disminuidas en su polaridad debido a la formación de puentes de hidrógeno. Sólo hacen falta aminoácidos para atravesar la membrana en forma de -hélice y sólo unos diez para hacerlo en forma de hoja -plegada. La mayoría de las proteínas integrales atraviesan la membrana en forma de hélices, pero algunas (como las porinas de bacterias y de mitocondrias) forman láminas que se disponen en forma de barril ( -barrel ). Las proteínas integrales de membrana pueden ser solubilizadas por medio de detergentes, que en agua forman micelas. El otro tipo de proteínas de membrana, las proteínas periféricas, pueden eliminarse de ésta sin alterar la estructura de la doble capa. Por lo general se unen a regiones expuestas de proteínas integrales. Las proteínas periféricas están usualmente asociadas por interacciones no covalentes a otras proteínas transmembránicas y se pueden ubicar hacia adentro (5) o hacia fuera (6) de la membrana. Si bien las proteínas pueden migrar dentro de la membrana, existen distintos dispositivos por los cuales las células pueden confinar a las proteínas dentro de determinados dominios membranosos. En las células epiteliales que tapizan el intestino y los túbulos renales, las proteínas que miran hacia la luz del 2 La diferencia entre proteínas solubles y proteínas ligadas a membranas no consiste en que una contenga aminoácidos hidrófobos y la otra no, sino en que en aquéllas los aminoácidos hidrófobos se encuentran en el interior de la molécula, lejos del medio acuoso, en tanto que en éstas las porciones hidrófobas de los aminoácidos se presentan en la superficie de la molécula, en contacto con las cadenas de ácidos grasos de la bicapa lipídica 3 Un grupo acilo es un grupo derivado de un oxoácido, normalmente un ácido carboxílico, por eliminación de al menos un grupo hidroxilo. Los derivados de un ácido carboxílico tienen como fórmula general R-CO-.

7 tubo no pueden pasar hacia las paredes laterales o hacia la cara opuesta de la célula debido a la existencia de uniones estrechas (se verán más adelante) que les impiden el paso. Sin embargo no es el único medio, aunque en algunos casos no se conoce el mecanismo que impide la migración libre: en espermatozoides de mamíferos las proteínas del ápice, del resto de la cabeza y de la cola forman tres dominios perfectamente individualizables con anticuerpos fluorescentes, pero se desconoce cuál es la función de dichas proteínas y las fuerzas que impiden su migración. Otros ejemplos de confinamiento de proteínas en determinadas zonas de la membrana están dadas por asociación de proteínas con el citoesqueleto (glóbulos rojos), o con la matriz extracelular, o con ambos, o puede haber interacciones entre proteínas de dos células distintas en zonas de membrana contiguas. Asimetría de proteínas de las membranas Una de las pruebas más evidentes de que las proteínas se insertan en la bicapa lipídica proviene del estudio con microscopía electrónica por el método de criofractura, el cual prácticamente permite a los investigadores observar las membranas de "adentro hacia afuera". Al comparar, con el método descrito, las dos superficies de una membrana, se muestra que en una de estas superficies hay gran cantidad de partículas, en tanto que en la otra superficie se observan muy pocas. Estas partículas son proteínas embebidas en la doble capa de lípidos. De aquí se deduce que las proteínas presentes en una membrana biológica están distribuidas de manera asimétrica. Cada lado de la membrana tiene características diferentes debido a que cada proteína de membrana se orienta en la bicapa en un solo sentido. Esta asimetría está dada por la forma tan específica en que se forman e intercambian las membranas de una parte de la célula a otra. Los hidratos de carbono se encuentran unidos a las porciones de las proteínas expuestas en la superficie celular, y no a las que se internan al citoplasma. Esta distribución asimétrica de los hidratos de carbono se debe a la forma en que las glucoproteínas se insertan en las membranas al ser sintetizadas. Como se dijo, las proteínas de la membrana plasmática son producidas por ribosomas del retículo endoplásmico rugoso (RER) y se insertan en la membrana de éste durante su síntesis. Los hidratos de carbono se añaden a las proteínas en el lumen del RER. Si se sigue de cerca la gemación y fusión de membrana que forman parte del proceso de transporte se podrá observar que la porción proteica en protrusión hacia el compartimiento interno (cisterna) del RER también estará expuesta al interior del complejo de Golgi, donde se encuentran las enzimas que modifican los hidratos de carbono de las proteínas. La porción proteica permanecerá en el compartimiento interior al separarse del complejo de Golgi para ser empaquetada en una vesícula secretora. Cuando la vesícula secretora se fusiona con la membrana plasmática, la porción de la proteína que contiene el hidrato de carbono, orientado hacia el interior de la vesícula, se convertirá en parte de la proteína de membrana expuesta en la superficie celular. 7 Funciones de las proteínas de membrana Por qué motivo la membrana plasmática requiere de tantas proteínas distintas? La diversidad de proteínas en una membrana refleja el número de funciones que se llevan a cabo en ella. Habitualmente la manera en que una proteína se asocia a la bicapa lipídica es un indicativo de la función de la proteína. Así, sólo las proteínas transmembrana pueden actuar a ambos lados de la bicapa o transportar moléculas a través de ellas. Las proteínas de la membrana plasmática pueden ser clasificadas en diferentes grupos, de acuerdo a la función que desempeñan: a) Proteínas de adhesión celular, que unen firmemente las membranas de células adyacentes y actúan como puntos de anclaje con componentes del citoesqueleto. b) canales proteicos entre dos células (uniones de hendidura, permiten el paso de moléculas pequeñas entre dos células vecinas. c) Proteínas de transporte que permiten el transporte selectivo de moléculas esenciales, ya sea en forma pasiva o en forma activa mediante procesos que requieren de energía.

8 d) Proteínas transductoras receptoras de señales, que se unen a moléculas portadoras de señales externas y que luego transfieren el mensaje al interior de la célula. e) Bombas dependientes de ATP, que transportan activamente iones de un compartimiento a otro, constituyendo así un mecanismo de almacenamiento de energía (se verán en mitocondrias y cloroplastos). f) Algunas proteínas intrínsecas de la membrana actúan como enzimas, con sitios activos localizados en la superficie de la membrana o en el interior de ella. 8 PASO DE LOS MATERIALES A TRAVÉS DE LAS MEMBRANAS (Transporte de membrana) Debido a su interior hidrofóbico, la bicapa lipídica de una célula constituye una barrera altamente impermeable a la mayoría de las moléculas polares. Esta función de barrera es de especial importancia, ya que permite a una célula mantener en su citosol ciertos solutos a concentraciones diferentes a las que están en el fluido extracelular y en cada uno de los compartimientos intracelulares. Sin embargo, para poder utilizar esta barrera las células han tenido que desarrollar sistemas para transportar específicamente moléculas hidrosolubles a través de la membrana y así poder ingerir nutrientes esenciales, excretar los productos de deshecho del metabolismo y regular las concentraciones intracelulares de iones. El transporte de iones inorgánicos y de pequeñas moléculas orgánicas hidrosolubles a través de la bicapa lipídica se consigue mediante proteínas transmembrana especializadas, cada una de las cuales es responsable de la transferencia de una molécula o un ion específico o de un grupo de moléculas afines. El hecho de que una membrana permita el paso de ciertas sustancias depende de su estructura y del tamaño y carga eléctrica de las moléculas. Se dice que una membrana es permeable para alguna sustancia si permite que ésta la cruce e impermeable si no permite el paso de dicha sustancia. Una membrana selectivamente permeable permite el paso de algunas sustancias pero no el de otras. Todas las membranas biológicas (aquellas que rodean a las células, núcleos, vacuolas, mitocondrias, cloroplastos y otros organelos celulares) son selectivamente permeables.

9 Al reaccionar a las condiciones ambientales cambiantes o a las diversas necesidades de la célula, la membrana puede constituir una barrera al paso de un compuesto determinado en cierto momento, mientras promueve activamente su paso en otro momento. Mediante la regulación del tráfico químico de esa manera, la célula controla su propia composición interna de iones y moléculas que puede ser muy diferente a la del exterior. En el mundo abiótico, los materiales se mueven pasivamente por procesos físicos como la difusión. En los seres bióticos, los materiales también se mueven activamente por procesos fisiológicos como transporte activo, exocitosis y endocitosis. Esos procesos fisiológicos activos demandan un gasto de energía por parte de la célula. Difusión Algunas sustancias se desplazan hacia adentro y afuera de las células, y se mueven dentro de éstas por medio de un proceso llamado difusión simple, el cual se basa en el desplazamiento al azar. Cuando se deja caer un terrón de azúcar en un vaso de precipitado lleno con agua, las moléculas de aquél se disuelven y luego comienzan a difundirse hacia toda el agua del recipiente, como consecuencia de que las moléculas de azúcar individuales se desplazan al azar en todas direcciones. En última instancia, la difusión ocasiona una distribución uniforme de las moléculas de azúcar en toda el agua del vaso. Por lo tanto, puede decirse que la difusión implica el movimiento neto de partículas en favor de un gradiente de concentración (diferencia de concentración de una sustancia de un punto a otro). La velocidad de difusión está en función del tamaño y forma de las moléculas, de sus cargas eléctricas y de la temperatura. Al aumentar la temperatura, las moléculas se mueven con mayor rapidez y aumenta la proporción de difusión. Este movimiento de las partículas pequeñas (llamado movimiento browniano) constituye un modelo que explica el mecanismo de difusión de las moléculas. 9 Diálisis La difusión de un soluto (una sustancia disuelta) a través de una membrana diferencialmente permeable se llama diálisis. Para demostrar la diálisis se utiliza una bolsa de celofán, llena con una solución de azúcar, que luego se sumerge en un matraz que contiene agua pura. Si la membrana de celofán es permeable a azúcar y al agua, las moléculas de azúcar pasarán a través de ella hasta que la concentración de azúcar en el agua de los dos lados de la membrana sea exactamente igual. A partir de ese momento, las moléculas de soluto (así como también las moléculas de agua) seguirán pasando a través de la membrana, pero ya no habrá ningún cambio neto en las concentraciones, ya que la velocidad de movimiento será igual en ambos sentidos. La diálisis renal es una aplicación práctica de este proceso; los productos de desecho, que se difunden a través de las membranas artificiales del aparato, pueden retirarse del organismo, pero los eritrocitos, proteínas sanguíneas y otras moléculas grandes, no se difunden a través de la membrana y por tanto se retendrán en el organismo. El celofán con frecuencia se utiliza como "membrana artificial" Está compuesto por moléculas de polisacáridos y puede formar una lámina delgada que permite el paso de moléculas de agua. Estas membranas se fabrican con permeabilidad variable para diferentes solutos. Con suficiente tiempo, prácticamente cualquier molécula acabará difundiendo a través de la bicapa lipídica. Sin embargo la velocidad a la que se produce esta difusión varía enormemente dependiendo en parte del tamaño de la molécula y principalmente de su solubilidad relativa. En general cuanto menor y menos soluble en agua sea una molécula (es decir, cuanto más hidrofóbica o no polar) más rápidamente difunde a través de la bicapa. Las moléculas pequeñas no polares (O2, CO2) se disuelven fácilmente en la bicapa lipídica y por lo tanto difunden con rapidez. Las moléculas polares no cargadas también difunden rápidamente a través de la bicapa lipídica si su tamaño es reducido: por ejemplo agua, etanol y urea atraviesan rápidamente una bicapa, el glicerol lo hace con menor rapidez y la glucosa prácticamente no la atraviesa. Las moléculas de agua, por ejemplo, pueden desplazarse fácilmente a través de una bicapa lipídica fluida, pasando a través de brechas que se forman cuando una cadena de ácido graso se mueve

10 momentáneamente. Por el contrario, las bicapas lipídicas son altamente impermeables a todas las moléculas cargadas (iones) por muy pequeñas que sean; la carga y el grado de hidratación les impide penetrar la fase hidrocarbonada de la bicapa. Ósmosis La ósmosis es una variedad especial de difusión y en consecuencia transporte pasivo, que implica el movimiento de moléculas solventes (en este caso, el agua) a través de una membrana de permeabilidad selectiva. Las moléculas de agua pasan libremente en cualquier dirección, pero al igual que en todos los procesos de difusión, el movimiento neto ocurre a partir de la región de mayor concentración a la de menor, separadas por una membrana semipermeable, para igualar concentraciones. De acuerdo al medio en que se encuentre una célula, la ósmosis varía. Dicho proceso no requiere gasto de energía. 10 Permeabilidad de la bicapa lipídica a diferentes sustancias Tipo de molécula Ejemplo Permeabilidad Hidrófoba N2, O2 hidrocarburos Permeabilidad libre Polar pequeña H20, CO2, glicerol, urea Permeabilidad libre Polar grande Glucosa y otros monosacáridos No permeable y disacáridos sin carga Iones y moléculas con carga Aminoácidos, H +, HCO - 3, Ca +, No permeable Cl - ; Mg + Los principios que intervienen en el proceso de ósmosis se ilustran mediante la utilización de un aparato llamado tubo en U. El tubo en U se divide en dos secciones por una membrana de permeabilidad selectiva que impide el paso de las moléculas de soluto (glucosa, sal y otras) En una parte del tubo se coloca una solución de agua y solutos; en la otra se coloca agua pura. La solución de agua y solutos contiene una concentración de agua menor a la del agua pura, porque las moléculas de soluto han "diluido" las moléculas de agua. Por tanto, hay un movimiento neto de moléculas de agua del lado del agua pura (con mayor concentración de moléculas de agua) hacia el lado del agua con soluto (que tiene menor concentración de moléculas de agua), como resultado de esto el nivel de líquido del lado del agua pura disminuye, mientras que se eleva el del lado del agua con soluto. Sin embargo, aún existe una diferencia en la concentración de las moléculas de agua entre ambos lados, debido a que las moléculas de soluto no pueden moverse a través de la membrana. El movimiento neto de agua continuará, y el nivel de líquido del lado del agua con soluto seguirá aumentando. En condiciones no sujetas a la gravedad, este proceso continuaría indefinidamente, pero en la tierra, el peso de la columna de líquido en aumento finalmente ejercerá una presión suficiente para detener el cambio en los niveles de líquido, aunque las moléculas de agua continuarán pasando a través de la membrana en ambas direcciones. La presión osmótica de una solución está relacionada con la tendencia que presenta el agua de moverse hacia dicha solución mediante ósmosis. En el ejemplo del tubo en U se podría medir la presión osmótica insertando un pistón del lado del agua con soluto y midiendo la presión necesaria que debe ejercer el pistón para evitar el aumento en el nivel del líquido de dicho lado del tubo. Una solución con una alta concentración de soluto tendrá una baja concentración de agua y una elevada presión osmótica; en cambio, una solución con una baja concentración de soluto tendrá una elevada concentración de agua y una baja presión osmótica. Soluciones isotónicas, hipertónicas e hipotónicas Con frecuencia deseamos comparar las presiones osmóticas de dos soluciones. En todo compartimiento de una célula viva se encuentran disueltas sales, azúcares y otras sustancias que le confieren a dicho líquido una determinada presión osmótica. Cuando una célula se coloca en una solución

11 cuya presión osmótica es igual a la suya, no hay movimiento neto de moléculas de agua, ni hacia afuera ni hacia adentro de ella; por tanto, la célula no se hincha ni se encoge. Se dice que el líquido en el cual se colocó la célula es un líquido isotónico (es decir que tiene presión osmótica igual) con respecto al líquido del interior de la célula. Normalmente, el plasma de la sangre (componente líquido de ella) y los demás líquidos corporales son isotónicos con respecto al líquido intracelular; es decir, contienen una concentración de agua igual a la del líquido intracelular. Una solución de cloruro de sodio al 0,9% (llamada solución salina fisiológica) es isotónica respecto a las células humanas y a las células de otros mamíferos. Los eritrocitos humanos colocados en una solución de cloruro de sodio al 0,9% no se encogen ni se hinchan. Concentración de solutos en la Solución A Concentración de solutos en la Solución B Tonicidad Dirección de movimiento del agua Mayor Menor A es hipertónica respecto a B; B hacia A B es hipotónica respecto a A Mayor Mayor B es hipertónica respecto a A. A hacia B A es hipotónica respecto a B Igual Igual Isotónica No hay movimiento neto 11 EN SOLUCIÓN ISOTÓNICA EN SOLUCIÓN HIPERTÓNICA EN SOLUCIÓN HIPOTÓNICA Si el líquido circundante tiene una concentración de solutos mayor que la del líquido intracelular y, por tanto, una presión osmótica mayor que la de éste se dice que es una solución hipertónica; una célula colocada en una solución hipertónica pierde agua y por tanto, se encoge. Así, los eritrocitos humanos colocados en una solución de cloruro de sodio al 1,3% pierden agua y se encogen. Cuando una célula con pared celular se coloca en un medio hipertónico pierde agua, y entonces su contenido disminuye dentro de la pared celular; este proceso se llama plasmólisis. Dicho fenómeno se observa en las plantas cuando se depositan grandes cantidades de sales o fertilizantes en la tierra o agua que las rodea. Si el líquido circundante posee una concentración de solutos menor que la del líquido intracelular, y por lo tanto tiene una presión osmótica menor que la de éste, se denomina solución hipotónica; en estas circunstancias, el líquido se desplazará hacia el interior de la célula, provocando que ésta se hinche, ejerciendo presión contra las membranas celulares llamada presión de turgencia, las cuales se ponen tensas, fenómeno llamado turgencia (del latín turgens- turgentis; hinchar). En una solución de cloruro de sodio al 0,6%, el agua entra hacia el interior de los eritrocitos, provocando el hinchamiento de éstos y eventualmente su ruptura o lisis (visualizado por la disolución de la hemoglobina en el líquido hipotónico, que lo colorea de rojo). Las paredes celulares rígidas de células vegetales, algas, bacterias y hongos hacen posible que esos organismos vivan sin reventar en un medio externo muy diluido, que contenga una concentración muy baja de solutos. Debido a las sustancias disueltas en el citoplasma, las células son hipertónicas respecto al medio externo (el medio circundante es hipotónico respecto al citoplasma.). El agua tiende a difundir hacia el interior de las células por ósmosis, llenando sus vacuolas centrales y distendiéndolas. La presión de turgencia es un factor importante en el sostén del cuerpo de las plantas herbáceas. Por este motivo, una flor se marchita cuando la presión de turgencia de sus células disminuye (las células han sufrido plasmólisis) por falta de agua.

12 Transporte mediado de moléculas pequeñas La membrana celular es relativamente impermeable a casi todas las grandes moléculas polares. Esto constituye una ventaja biológica para la célula, ya que casi todos los compuestos metabolizados en su interior son polares y la impermeabilidad de la membrana impide su pérdida por difusión. Para transportar nutrientes polares, como glucosa y aminoácidos, a través de la membrana lipídica hacia el interior de la célula, han aparecido a lo largo de la evolución sistemas de proteínas transportadoras que se unen a esas moléculas y facilitan su pasaje a través de la membrana. El paso de solutos a través de la membrana celular por el sistema de transporte se llama transporte mediado. Transporte Pasivo (Difusión facilitada) Algunas moléculas son demasiado grandes como para difundir a través de los canales de la membrana y demasiado insolubles en lípidos como para poder difundir a través de la capa de fosfolípidos. Tal es el caso de azúcares como la glucosa, aminoácidos, nucleótidos y muchos metabolitos. En los casos más simples, la célula utiliza la energía almacenada por el gradiente de concentración de una sustancia 12 Comparación entre un transporte pasivo a favor del gradiente electroquímico y el transporte activo en contra del gradiente electroquímico cuya concentración es mayor en el líquido extracelular que en el intracelular. En estas circunstancias, mientras la membrana sea permeable a dicha sustancia, ésta se desplazará hacia el interior de la célula. Para que esto suceda se necesita de la presencia de proteínas especiales de membrana. Este tipo de transporte se llama transporte pasivo o difusión facilitada. La difusión facilitada depende de la existencia de proteínas transportadoras, las cuales se combinan temporalmente con la molécula de soluto para acelerar el paso de ésta a través de la membrana celular. Cada proteína está destinada al transporte de un tipo particular de molécula y con frecuencia de una cierta especie molecular, por lo que presentan especificidad. La proteína transportadora no se modifica por esta acción; después de transportar la molécula de soluto, queda libre para unirse a una nueva molécula. Todas las proteínas de transporte estudiadas son proteínas transmembranales. La difusión facilitada es mucho más rápida que la difusión simple y depende:

13 * Del gradiente de concentración de la sustancia a ambos lados de la membrana * Del número de proteínas transportadoras existentes en la membrana * De la rapidez con que estas proteínas hacen su trabajo El transporte de las moléculas de glucosa en los eritrocitos es un buen ejemplo de difusión facilitada por transportador. Las moléculas que transportan glucosa son glucoproteínas; éstas comprenden un 2% de las proteínas totales de la membrana. Las células mantienen una baja concentración interna de glucosa mediante la adición inmediata de un fosfato a las moléculas de glucosa que entran en ellas: de esta manera convierten dichas moléculas en fosfatos de glucosa con elevada carga eléctrica y, así, no pueden regresar al otro lado de la membrana. El mecanismo de transporte de glucosa no se comprende a fondo. Parece que la proteína transportadora no forma un hoyo en la membrana para que la glucosa pase a través de él; si tal fuera el caso, otras moléculas similares a la glucosa y algunas moléculas más pequeñas que ésta también podrían pasar a través del "hoyo". Al parecer, lo que ocurre es que la glucosa se une de modo específico a una porción de proteína expuesta en la superficie celular externa, y con esto, modifica la conformación de la proteína, de manera que se abre un canal dentro de la proteína misma (o entre varias subunidades de la misma cadena polipeptídica), que permite el paso de la molécula de glucosa para liberarla en el interior de la célula. Según este modelo, una vez que la glucosa se libera en el interior de la célula, la proteína recupera su conformación original y está lista para unirse nuevamente a una molécula de glucosa en la superficie celular. Otra clase de proteínas transportadoras son las formadoras de canal; estas no se unen al soluto sino que forman poros hidrofílicos que atraviesan la bicapa lipídica, que al estar abiertos permiten que determinados solutos (habitualmente iones inorgánicos de tamaño y carga apropiados) puedan pasar a su través y por lo tanto atravesar la membrana). 13 Transporte activo Algunas moléculas se transportan a través de la célula mediante el proceso de difusión; a otras las requiere la célula en concentraciones mayores a su concentración extracelular. Estas moléculas se incorporan mediante mecanismos de transporte activo. Este mecanismo exige una fuente de energía debido a que el transporte activo implica el "bombeo" de una molécula en contra de su gradiente de concentración (de una zona de baja concentración hacia una de concentración elevada). Por tanto, los sistemas de transporte activo utilizan energía generada por el metabolismo celular en forma de trifosfato de adenosina (ATP) o bien

14 utilizan algún otro tipo de energía almacenada, derivada de la hidrólisis del ATP. Los sistemas de transporte activo están basados en permeasas específicas e inducibles. Las permeasas son enzimas que transportan sustancias a través de la membrana celular, sea hacia el interior o hacia el exterior de la célula al mismo tiempo que rompen por hidrolisis un enlace fosfato del ATP. Un ejemplo de transporte activo es la bomba de calcio esta es una proteína de la membrana celular de todas las células eucariotas. Su función consiste en transportar calcio iónico (Ca 2+ ) hacia el exterior de la célula, gracias a la energía proporcionada por la hidrólisis de ATP, con la finalidad de mantener la baja concentración de Ca 2+ en el citoplasma que es unas diez mil veces menor que en el medio externo, necesaria para el normal funcionamiento celular. Se sabe que las variaciones en la concentración intracelular del Ca 2+ (segundo mensajero) se producen como respuesta a diversos estímulos y están involucradas en procesos como la contracción muscular, la expresión genética, la diferenciación celular, la secreción, y varias funciones de las neuronas. Dada la variedad de procesos metabólicos regulados por el Ca 2+, un aumento de la concentración de Ca 2+ en el citoplasma puede provocar un funcionamiento anormal de los mismos. Si el aumento de la concentración de Ca 2+ en la fase acuosa del citoplasma se aproxima a un décimo de la del medio externo, el trastorno metabólico producido conduce a la muerte celular. El calcio es el mineral más abundante del organismo, además de cumplir múltiples funciones. Uno de los ejemplos más sorprendentes de los mecanismos de transporte activo es la bomba de sodio y potasio que se observa en todas las células animales. Esta bomba consta de una proteína específica, localizada en la membrana plasmática, que utiliza ATP para intercambiar iones de sodio del interior de la célula por iones de potasio de su exterior. Esto provoca un desequilibrio en la concentración de iones de sodio y potasio en los lados opuestos de la membrana, de manera que en condiciones normales, la concentración de potasio sea de 10 a 15 veces mayor en el interior que en el exterior de la célula y a la inversa para el sodio. Las células son capaces de utilizar estos enormes gradientes de concentración para generar un potencial eléctrico (separación de cargas eléctricas) a través de la membrana, el cual constituye la base para la transmisión de los impulsos eléctricos necesarios para la transmisión de los impulsos nerviosos. Estos gradientes de concentración también almacenan energía, la cual puede utilizarse para la conducción de otros mecanismos de transporte activo. El gradiente electroquímico producido por estas bombas es tan importante que de hecho algunas células (p. ej., las células nerviosas) utilizan el 70% de su energía en el funcionamiento de este sistema de transporte. El uso de los potenciales electroquímicos con tales propósitos no es exclusivo de la membrana plasmática de las células animales. Las células de plantas y hongos también utilizan bombas impulsadas por ATP con las cuales "bombean" protones del citoplasma hacia el exterior de la célula. La salida de protones (con carga positiva) del interior de la célula provoca una enorme diferencia en la concentración de ellos, de manera que el exterior tiene carga positiva y el interior negativo. Como se verá más adelante, estas bombas de protones que utilizan ATP, usadas en sentido inverso para producir ATP en bacterias, mitocondrias y cloroplastos, constituyen el principal transductor de energía en todas las células, desde las bacterias hasta las células de plantas y animales complejos. La hipótesis aceptada en la actualidad sostiene que la bomba de sodio y potasio (y otras bombas que requieren ATP) está formada por proteínas transmembranales que se extienden a través ella. La proteína tiene centros de unión para el Na + y el ATP en su superficie citoplasmática y para K + en su superficie externa. Después de una serie de cambios en su conformación son capaces de intercambiar sodio por potasio a través de la membrana celular. A diferencia de la difusión facilitada, parte de los cambios de conformación de la proteína durante el ciclo de bombeo requieren de la energía liberada por el ATP. Parece que la energía se transfiere del ATP a la bomba mediante la formación de un enlace covalente entre uno de los fosfatos del ATP y la proteína, seguido por la retirada del mismo en etapas más avanzadas del ciclo de bombeo. Debido al bombeo de 3 iones Na + positivamente cargados hacia el exterior de la célula cada dos que bombea hacia el interior, se dice que la bomba es electrogénica, es decir dirige una corriente neta a través de la membrana tendiendo a crear un potencial eléctrico, con el 14

15 interior negativo con relación al exterior. Por otra parte la bomba tiene un papel directo regulando el volumen celular a través de sus efectos osmóticos, que pueden hacer que la célula se hinche o se retraiga. Por último, también se utiliza para dirigir el transporte de azúcares y aminoácidos hacia el interior de la célula, como se verá a continuación. Transporte activo secundario o cotransporte Algunas proteínas de transporte actúan como transportadores acoplados, en los que la transferencia de un soluto depende de la transferencia simultánea o secuencial de un segundo soluto, ya sea en la misma dirección (transporte unidireccional) o en dirección opuesta (bidireccional). En el sistema de transporte más simple, conocido como uniporte, un soluto en particular se mueve directamente a través de la membrana en una dirección. En el tipo de cotransporte conocido como simporte dos solutos diferentes se mueven a través de la membrana, simultáneamente y en el mismo sentido. Así, las proteínas transportadoras actúan como transportadores acoplados. Frecuentemente, un gradiente de concentración, que involucra a uno de los solutos transportados, impulsa el transporte del otro; por ejemplo, un gradiente de concentración de iones Na+ frecuentemente impulsa el cotransporte de moléculas de glucosa. En otro tipo de sistema de cotransporte, conocido como antiporte, dos solutos diferentes se mueven a través de la membrana, simultánea o secuencialmente en sentidos opuestos. La bomba o ATPasa Na + -K + es un ejemplo de sistema de cotransporte antiport o antiporte. 15 Sistemas de transporte múltiple integrado En algunas células se observa el funcionamiento de más de un sistema de transporte para una sustancia determinada. Por ejemplo, el transporte de la glucosa del intestino hacia el torrente circulatorio se lleva a cabo a través de una delgada capa de células epiteliales que recubren la luz del intestino y que poseen regiones especializadas, o dominios, en su membrana plasmática. La superficie de estas células, expuesta en el intestino, posee una gran cantidad de microvellosidades o protrusiones digitiformes que incrementan con eficacia la superficie de membrana disponible para absorción. El transporte de glucosa en esta zona de la superficie celular es parte de un sistema de transporte activo que se efectúa en cotransporte con el sodio. La concentración intracelular de sodio se mantiene baja por función de una bomba de sodio y potasio en la superficie opuesta de la célula, que bombea el sodio hacia el torrente circulatorio. Gracias a su elevada concentración dentro de la célula, la glucosa puede ser transportada hacia el torrente circulatorio mediante difusión facilitada. La localización de dos proteínas diferentes que participan en el transporte de glucosa en dos regiones distintas de una misma membrana plasmática se produce gracias a la presencia de uniones especializadas en la célula ( uniones estrechas, se verá en el módulo 6). Si una célula careciera de un mecanismo específico para determinar este proceso, entonces las proteínas estarían distribuidas al azar en ambas superficies de la célula; luego, no habría transporte neto de glucosa.

16 16 La distribución asimétrica de las proteínas transportadoras en la membrana plasmática de una célula epitelial intestinal da lugar al transporte transcelular de glucosa a través del epitelio intestinal Transporte de grandes moléculas a través de las membranas o transporte en masa En la difusión simple, en la difusión facilitada y en el transporte activo las moléculas individuales y los iones pasan a través de la membrana celular. Sin embargo, en ocasiones también es necesario el desplazamiento de cantidades más grandes de material o de partículas de alimento o incluso de células completas, hacia afuera o adentro de una célula. Esto implica un gasto de energía por parte de la célula y en ocasiones conlleva también la fusión de membranas. En la endocitosis, la célula incorpora materiales hacia su interior. La endocitosis es el proceso celular, por el que la célula mueve hacia su interior moléculas grandes o partículas, englobándolas en una invaginación de su membrana citoplasmática, formando una vesícula que luego se desprende de la membrana celular y se incorpora al citoplasma. Esta vesícula, llamada endosoma, luego se fusiona con un lisosoma que realizará la digestión del contenido vesicular. Existen tres procesos de endocitosis: 1. Pinocitosis: ("bebido por células"), consiste en la ingestión de líquidos y solutos mediante pequeñas vesículas. En este tipo de endocitosis, la célula incorpora materiales disueltos. Algunos pliegues de la membrana plasmática engloban gotas de líquido, las cuales emergen en el citoplasma celular en forma de pequeñas vesículas. El contenido líquido de estas vesículas se libera lentamente en el citoplasma celular y las vesículas van disminuyendo poco a poco de tamaño, hasta el punto en que parecen desvanecerse. 2. Fagocitosis: (literalmente "ingesta de células") consiste en la ingestión de grandes partículas sólidas (como bacterias o nutrientes) que se engloban en grandes vesículas (fagosomas) que se

17 desprenden de la membrana celular. La fagocitosis es el mecanismo utilizado por protozoarios y leucocitos para ingerir partículas, incluso algunas tan grandes como una bacteria completa. Durante la ingestión, los pliegues de la membrana celular engloban a la partícula, que se ha unido a la superficie celular, y forman una vacuola o vesícula alrededor de ella. Una vez que la membrana ha encerrado a la partícula en cuestión, se fusiona en el punto de contacto e ingresa en el citoplasma. Posteriormente la membrana de la vesícula se fusiona con la membrana del lisosoma (que contienen enzimas hidrolíticas), donde el material es ingerido y degradado. A veces también se degradan por este mecanismo organelos celulares (una mitocondria, en el ejemplo), envolviendo al organelo en una vesícula formada con membranas del retículo endoplásmico; a este proceso se lo denomina autofagocitosis Endocitosis mediada por receptor o ligando: es de tipo específica, captura macromoléculas del ambiente, fijándose a través de proteínas receptoras ubicadas en la membrana plasmática. Luego, las moléculas ligadas al receptor emigran hacia las depresiones revestidas, que son regiones de la superficie citoplásmica de la membrana recubiertas con estructuras en forma de cepillo (proteínas denominadas clatrinas), momentáneamente forman una estructura en forma de cesto alrededor de ellas. Algunos segundos después, las vesículas son liberadas dentro del citoplasma; sin embargo, el recubrimiento se separa de ellas, dejando a las vesículas libres en él. En seguida, las vesículas se fusionan con otras vesículas semejantes y forman endosomas, vesículas más grandes que transportan materiales libres, que no están unidos a los receptores de membrana. Los endosomas forman dos tipos de vesículas: unas contienen receptores que pueden regresar a la membrana; otras, que contienen las partículas ingeridas, se fusionan con los lisosomas y después son procesadas por la célula. La endocitosis mediada por receptor resulta ser un proceso rápido y eficiente. La endocitosis mediada por receptores es un proceso importante: por su medio, Endocitosis mediada por receptores

18 las células animales incorporan hacia su interior el colesterol del torrente circulatorio. Gran parte del mecanismo de esta variedad de endocitosis fue detallada en estudios del receptor de lipoproteínas de baja densidad (LDL, low density lipoproteins ). El LDL está constituido por proteína flanqueada por moléculas de fosfolípidos y colesterol; en el centro hay un acumulo de moléculas de colesterol esterificado con ácidos grasos de cadena larga. Las partículas de proteína de baja densidad (LDL) se unen a proteínas receptoras específicas en la membrana plasmática. Los complejos receptores de LDL se mueven a lo largo de la superficie y se agrupan en la región de placas recubiertas con clatrina de la membrana plasmática. La endocitosis de tales placas recubiertas da por resultado la formación de vesículas recubiertas en el citoplasma celular. Algunos segundos después el recubrimiento de clatrina se elimina y las vesículas se fusionan con otras similares hasta formarse grandes vesículas (endosomas jóvenes early endosomes ). En estas estructuras, los receptores y las partículas de LDL se disocian, separan y dirigen hacia diferentes regiones de la vesícula. A partir de los endosomas se forman nuevas vesículas. Las vesículas que contienen los receptores se desplazan hacia la superficie y se fusionan con la membrana plasmática, en la cual los receptores son reciclados. Las vesículas que contienen partículas de LDL se fusionan con los lisosomas. Finalmente el colesterol se libera por medio de diversas enzimas hidrolíticas: sólo entonces puede utilizarlo la célula. Las personas con incapacidad hereditaria para la producción de receptores de membrana para el LDL (puede faltar el gen o fabricar un receptor defectuoso, incapaz de unirse a la cubierta de clatrinas) son propensas a arterioesclerosis prematura y a sufrir ataques cardíacos. El reciclaje del receptor de LDL a la membrana plasmática a través de la formación de vesículas ilustra un problema común a todas las células que emplean los mecanismos de endocitosis y exocitosis. En las células que secretan sustancias en forma continua, una porción equivalente de membrana debe incorporarse al interior de la célula por cada vesícula que se fusiona con la membrana plasmática; de no ocurrir así, la superficie de la célula estaría en expansión constante, aunque el crecimiento de la célula esté limitado. Existe una situación similar para las células que realizan endocitosis. Los macrófagos, por ejemplo, incorporan en forma de vesículas el equivalente del total de su volumen en cerca de 30 minutos, y requieren un reciclamiento similar para que las células mantengan su área de superficie y su volumen. 18 La exocitosis es el proceso celular por el cual las vesículas situadas en el citoplasma se fusionan con la membrana citoplasmática, liberando su contenido. En la exocitosis una célula expulsa productos de desecho o productos específicos de secreción (como hormonas, p. ej. insulina), mediante la fusión de una vesícula con la membrana plasmática de la célula. La exocitosis consiste en la fusión de la membrana de la vesícula secretora con la membrana plasmática. Este es también un mecanismo primario de crecimiento de la membrana plasmática. La exocitosis se observa en muy diversas células secretoras, tanto en la función de excreción como en la función endocrina. También interviene la exocitosis en la secreción de un neurotransmisor a la brecha sináptica, para Neurona A (transmisora) a neurona B (receptora) 1. Mitocondria 2. Vesícula sináptica con neurotransmisores 3. Autoreceptor 4. Sinapsis con neurotransmisores liberados (Serotonina) 5. Receptores Post-sinápticos activados por neurotransmisores (inducción de un Potencial postsináptico) 6. Canal de calcio 7. Exocitosis de una vesícula 8. neurotransmisor recapturado. posibilitar la propagación del impulso nervioso entre neuronas. La secreción química desencadena una despolarización del potencial de membrana, desde el axón de

19 la célula emisora hacia la dendrita (u otra parte) de la célula receptora. Este neurotransmisor será luego recuperado por endocitosis para ser reutilizado. Sin este proceso, se produciríaun fracaso en la transmisión del impulso nervioso entre neuronas. La secreción puede ser constitutiva, como cierto tipo de proteínas que son regularmente secretadas por la célula, o ser una secreción regulada, cuando es necesario que una sustancia externa (una señal, como una hormona o un neurotransmisor) desencadene un proceso (transducción de señal) que finaliza con la secreción de una sustancia producida por la célula que es requerida en el medio extracelular. 19

20 BIBLIOGRAFIA Alberts B., D. Bray, J. Lewis., M. Raff, K. Roberts & J.D. Watson. Biología Molecular de la Célula. 3ra Ed Cooper, G.M. (2002). La Célula. 2ª edición. Marbán Libros, S.L., España. (Traducido de la 2ª edición inglesa, 2000). Curtis, H. y N.S. Barnes (2000) Biología. 6ª edición española. Editorial Médica Panamericana. Lehninger, A.L., D.L. Nelson y M.M. Cox (1993) Principios de Bioquímica, Ediciones Omega, Barcelona, 2a edición (traducido de la segunda edición inglesa. 1993). Lodish, H., A. Berk, S.L. Zipursky, P. Matsudaira, D. Baltimore & J. Darnell (2002) Biología Celular y Molecular, Editorial Médica Panamericana (traducido de la 4ª. Ed. inglesa, 2000). Purves, K.W., D. Sadava, G.H. Orians & H.C. Heller (2003) Vida. La Ciencia de la Biología, 6ª. Edición. Editorial Médica Panamericana (traducido de la 6ª edición inglesa, 2001). Solomon, E.P., L. R. Berg, D.W. Martin & C.A. Villee (1996) La Biología de Villee, Interamericana McGraw-Hill. Stryer L.(1992). Bioquímica. Ed. Reverté. 3ra Edic CUESTIONARIO TEÓRICO 1. Por qué se dice que las membranas celulares no son paredes rígidas sino estructuras complejas y dinámicas? 2. Cómo podría explicar el modelo del mosaico fluido y cuál es su relación con el comportamiento de las membranas biológicas? 3. Qué características tiene una sustancia anfipática? Todas las moléculas que integran la membrana plasmática son anfipáticas? 4. La membrana plasmática es simétrica o asimétrica? Cuál es el efecto funcional de este hecho? 5. Cuál es la función de las proteínas presentes en la membrana plasmática? Qué tipos de proteínas de membrana conoce? 6. Cómo explica que si en la membrana plasmática hay un 50% de lípidos y otro tanto de proteínas, la relación numérica sea de alrededor de 50 moléculas de fosfolípidos por cada molécula de proteína? 7. Explique por qué es falsa esta expresión: la diferencia entre proteínas solubles y proteínas ligadas a membranas consiste en que una no contiene aminoácidos hidrofóbicos y la otra sí 8. Qué diferencias existen entre los fenómenos de difusión, diálisis y ósmosis? 9. De qué depende que una solución sea isotónica, hipotónica o hipertónica? 10. Los iones, azúcares, aminoácidos, nucleótidos y muchos metabolitos ingresan a la célula por el mecanismo de difusión facilitada. Es necesario algún componente especial en la membrana plasmática para que esto suceda? 11. A qué se denomina transporte activo de moléculas a través de la membrana plasmática? Mencione ejemplos. 12. Qué diferencia hay entre la endocitosis, la fagocitosis y la autofagia? Qué es lo que tienen en común? 13. Describa la endocitosis mediada por receptores. 14. En qué consiste un sistema de transporte múltiple integrado? Proporcione un ejemplo. 15. Qué entiende por exocitosis? Qué diferencias existen entre una secreción constitutiva y una secreción regulada?