2.3.1. Membranas celulares: composición, estructura y funciones. Describir, localizar e identificar los componentes de la célula eucariótica en relación con su estructura y función. Se sugiere la mención de, al menos, los siguientes componentes de la célula procariótica: apéndices (flagelo o fimbrias), cápsula, pared celular, membrana plasmática, citoplasma, cromosoma bacteriano, plásmidos, ribosomas, mesosomas y gránulos (o inclusiones). La membrana plasmática, citoplásmica o plasmalema, es el límite entre el medio externo extracelular y el intracelular. Tiene un grosor aproximado de 75 Å; no se puede observar con microscopio óptico pero si se puede con microscopios electrónicos. Composición química: Del análisis de membranas aisladas se ha comprobado que están formadas por lípidos, proteínas y en menor proporción por glúcidos. LIPIDOS. Las membranas plasmáticas de todas las células eucarióticas están formadas por tres tipos de lípidos: fosfolípidos, glucolípidos y esteroles (como el colesterol). Todos tienen naturaleza anfipática y, por tanto en un medio acuoso se orientan espacialmente formando miscelas esféricas o bicapas lipídicas. Su distribución en la célula es irregular y asimétrica, pudiendo existir zonas de naturaleza fluida (modelo del mosaico fluido); se ha observado que sus componentes se pueden mover lo que le da la fluidez antes comentada. Los movimientos que se han descrito son los siguientes: De rotación: supone el giro de la molécula lipídica en torno a su eje mayor. Es muy frecuente y el responsable, en gran medida, de otros movimientos. De difusión lateral o flexión: Las moléculas lipídicas pueden difundirse libremente de manera lateral dentro de la bicapa. Flip-flop: Es el movimiento de un lípido de una monocapa a su paralela gracias a unos enzimas denominados flipasas La fluidez de las moléculas que componen las membranas depende de la temperatura, naturaleza de los lípidos y de la presencia de colesterol. Cuando aumenta la temperatura aumenta la fluidez; de la misma forma si los lípidos son insaturados y de cadena corta la membrana es más fluida. La presencia de colesterol aumenta la rigidez de la membrana.
De la fluidez de las membranas dependen importantes funciones, como el transporte, la adhesión celular, reconocimiento de antígenos. Debido a esto, las membranas tienen mecanismos de adaptación homeoviscosa responsable de mantener la fluidez adecuada en cada momento. POTEÍNAS Las proteínas (Prt) les confieren a la membrana sus funciones específicas y son características de cada especie. Pueden tener un movimiento de difusión lateral, contribuyendo a su fluidez. La mayoría de ellas tienen estructura globular y se pueden clasificar según el lugar que ocupen en la membrana: PROTEINAS TRANSMEMBRANAS O INTRÍNSECAS y PROTEÍNAS PERIFÉRICAS O EXTRÍNSECAS. Las proteínas intrínsecas o integrales representan entre el 50-70% de todas las Prt de membrana. Se encuentran incrustadas en la bicapas lipídicas pueden atravesar la membrana y se pueden observar a ambos lados de la membrana. Las Proteína extrínsecas o periféricas no atraviesan la biacapa y se sitúan tanto en el exterior como en el interior de la membrana. Se unen a los lípidos de la bicapa mediante enlaces covalentes; se han descrito uniones de estas proteínas a las Prt intrínsecas mediante enlaces por puente de hidrógeno.
GLÚCIDOS Los más abundantes son los oligosacáridos unidos mediantes enlaces de tipo covalentes a los dominios extracelulares de las proteínas y de los lípidos, formando glucoproteínas y glucolípidos. Su distribución es asimétrica y solo se localizan en el exterior de la células eucarióticas. Constituyen la cubierta celular o glucocálix, que muestra las siguientes propiedades: Protege mecánicamente a las células. Se relaciona con las moléculas de la matriz extracelular. Les da a algunas células la capacidad de poder deslizarse y moverse. Les confiere a las células una capacidad antigénica (grupos sanguíneos) Interviene en fenómenos de reconocimiento celular constituyendo una huella dactilar propia; es imprescindible este reconocimiento en fenómenos de desarrollo embrionario. Contribuye al reconocimiento y fijación de moléculas que posteriormente entraran por pinocitosis o fagocitosis en el interior celular. Estructura de la membrana celular: Modelo del mosaico fluido. Mediante análisis bioquímicos y observación por microscopía electrónica, se han elaborado diversos modelos de membranas biológicas. Actualmente se sigue el modelo de SINGER & NICHOLSON (1972), denominado modelo del mosaico fluido. Este modelo tiene las siguientes características: Considera a la membrana como un mosaico fluido en el que la bicapa lipídica es el cementante y las proteínas están embebidas en ella, interaccionado unas con otras y con los lípidos, presentando un movimiento lateral. Este movimiento presenta ciertas limitaciones. Las proteínas integrales están dispuestas en mosaico. Las membranas son estructuras asimétricas en cuanto a la distribución de todos sus componentes químicos (lípidos, proteínas, glúcidos)
FISIOLOGÍA DE LA MEMBRANA CITOPLASMÁTICA La membrana es un filtro selectivo bidireccional. Puesto que su interior es hidrofóbico, impide todas las moléculas solubles en agua. Sin embargo, su permeabilidad selectiva permite la salida de catabolitos y algunas sustancias sintetizadas; igualmente, permite la entrada hacia el citosol de moléculas necesarias para su integridad metabólica. Receptores de membranas Las células son capaces de estimularse mediante señales externas, provocando un cambio conformacional de las proteínas receptoras de membrana. Ya que estas moléculas son proteicas, reconocen de forma específica a las moléculas-mensaje. Estas células se denominan en general células diana. A la molécula mensaje se le denomina primer mensajero, cuando se une a su receptor cambia la conformación de la proteína y produce una señal de activación de una segunda molécula o segundo mensajero. El segundo mensajero puede provocar efectos metabólicos importantes como la estimulación de la síntesis proteica. Ejemplos de segundos mensajeros son el AMPc (AMP cíclico) y el GMPc
Transporte a través de la membrana La membrana posee mecanismos para transportar físicamente moléculas, permitiendo que las células dejen pasar metabolitos necesarios para la síntesis de macromoléculas y libere los productos derivados del catabolismo y sustancias de secreción. Por lo tanto, se podría decir que se comporta como una barrera semipermeable, permitiendo el paso, mediante diversos mecanismos, de sustancias en contra o a favor de un gradiente de concentración osmótico o elétrico. TRANSPORTE DE SUSTANCIAS DE BAJA MASA MOLECULAR: TRANSPORTE PASIVO Se hacen a favor de un gradiente; por lo tanto, este transporte no gasta energía. Difusión simple: Por este mecanismo entran en la célula sustancias solubles como O 2, CO 2 ; etanol, urea, etc., deslizándose por los fosfolípidos. Las moléculas que pueden pasar no tienen carga. Las denominadas proteínas de canal forman canales acuosos a través de la bicapa lipídica que permite el paso de sustancias cargadas eléctricamente a favor de un gradiente de concentración. Difusión facilitada: Se transportan moléculas polares como glúcidos, nucleótidos, aminoácidos, etc., siempre se produce a favor de un gradiente electroquímico y es efectuada por unas proteínas que se denominan proteínas transportadoras o carriers. Cuando se unen a la molécula que tienen que transportar, sufren un cambio de conformación que ayuda a las moléculas en su paso por el canal. TRANSPORTE ACTIVO
Se realiza en contra de un gradiente de concentración, de presión osmótica o bien eléctrica; siempre se realiza con un consumo de energía. Solo lo pueden hacer cierto de tipo de proteínas. Un ejemplo clásico es la bomba de sodio-potasio que realizan las neuronas en el SN: POTENCIAL DE ACCIÓN Andrés Santos El movimiento de los iones a través de una membrana celular neuronal se debe fundamentalmente a dos efectos: difusión: en presencia de un gradiente de concentración atracción eléctrica: en presencia de un campo eléctrico. En condiciones normales, en el interior de la célula neuronal hay una concentración 20 veces superior que en el exterior de iones de K +. Ello hace que a través de los canales de K + se produzca un flujo de iones hacia el exterior. Este flujo a su vez hace que el interior de la célula adquiera una carga negativa, que tiende a contrarrestar el flujo debido a la difusión. Además las proteínas (neurotransmisores) tienden a salir de la neurona, sin embargo, no pueden hacerlo por su radio iónico que es muy grande. Las dos fuerzas (difusión y campo eléctrico) se compensan cuando la diferencia de potencial entre el interior y el exterior es de -80mv (en ausencia de otros iones o de canales que permitan la difusión de otros iones). Este valor lo proporciona la ecuación de Nernst: Eion = 2.303 RT/zF log([ion] o /[ion] i ) R,F constantes T temperatura absoluta (ºK) z carga del ion [ion] o [ion] i concentración iónica en el exterior e interior de la célula(respectivamente) En las neuronas, existen las siguientes relaciones entre concentraciones, con sus correspondientes potenciales de equilibrio: ION Exterior : Interior E ion (37ºC) K + 1 : 20-80 mv / hay mucho más fuera que dentro Na + 10: 1 62 mv / Hay mucho más dentro que fuera Ca ++ 10 4 : 1 123 mv /Hay muchísimos más fuera que dentro Cl - 11.5 : 1-65 mv / Hay mucho más fuera que dentro Prt - Todo está en el interior celular.
En reposo (equilibrio dinámico) el potencial de membrana viene determinado por los iones de K + y Na +. Al ser la membrana mucho más permeable (unas 40 veces) a los iones de K+, el potencial de equilibrio está más cerca de la tensión de equilibrio debida sólo al K +. Potencial de membrana en reposo: -60 mv La bomba de sodio-potasio tiene como misión mantener la diferencia de concentración de iones de sodio y de potasio entre el interior y el exterior de la neurona. Dado que el potencial de membrana no es ni el que corresponde al equilibrio de K + ni al de Na +, existe un cierto flujo de iones a través de los respectivos canales. Este flujo al cabo del tiempo variaría el equilibrio si no estuviera compensado por la bomba de iones. Esta bomba mueve hacia el exterior tres iones de Na + por cada dos iones de K + que introduce en el interior. En este proceso se consume energía: moléculas de ATP, que transforma en ADP. El 70% del consumo energético de las neuronas se invierte en activar las bombas de sodio-potasio. Potencial de acción Si, por algún motivo, la célula se despolariza por encima de unos - 48 mv, se abren más canales de Na + (canales dependientes de la tensión). Entonces aumenta el flujo de iones Na + y la tensión se acerca al punto de equilibrio para el Na +, llegando a unos +55 mv. Este es un proceso rápido. Al producirse esta despolarización de la célula, lentamente se producen dos efectos: los canales de Na + recién abiertos vuelven a cerrarse nuevos canales de K + (dependientes de la tensión) se abren Ambos efectos hacen que vuelva a restablecerse el equilibrio normal. El potencial de acción es la composición de los potenciales debidos a los iones de Na + (canales de apertura rápida y cierre lento) y de K + (canales de apertura y cierre lento). Aquí se consideran sólo los canales adicionales, dependientes de la tensión (no los que están abiertos siempre, manteniendo las condiciones de reposo).
El potencial de acción tiene una duración de unos pocos milisegundos. Es un proceso automática: una vez que se ha disparado, se completa un ciclo completo en un tiempo fijo. Existe un periodo refractario en el que no se puede volver a disparar un nuevo potencial de acción. Se puede distinguir: Periodo refractario absoluto: unos 2 ms. En este tiempo los canales de Na+ están inactivos (no pueden volver a abrirse). Periodo refractario relativo: la membrana está hiperpolarizada debido a que todavía hay más canales de K+ abiertos que en reposo. Se puede producir un nuevo potencial de acción pero se necesita una excitación superior para llegar al umbral de -48 mv. TRANSPORTE DE SUSTANCIAS DE ELEVADA MASA MOLECULAR Existen tres tipos de mecanismos principales: endocitosis, exocitosis y transcitosis. En todos ellos juega un papel fundamental las denominadas vesículas revestidas. A microscopía electrónica se observa que estas vesículas están revestidas por moléculas filamentosas de una proteína denominada clatrina. ENDOCITOSIS: Es un proceso por el que la célula capta partículas del medio externo, lo hace mediante una invaginación de la membrana en la que queda incluida la partícula a ingerir. Posteriormente se estrangula la invaginación y la partícula queda encerrada. Dependiendo de la naturaleza y tamaño de la partícula englobada se distinguen dos tipos de endocitosis: PINOCITOSIS o endocitosis de fase fluida: consiste en pequeñas vesículas rodeadas de clatrina con un diámetro inferior a 150nm FAGOCITOSIS o endocitosis de fase sólida: Se forman grandes vesículas rodeadas de clatrina denominadas fagosomas, que pueden incluir microorganismos y restos celulares. ENDOCITOSIS MEDIADA POR RECEPTOR: Es un proceso por el cual se endocita una sustancia para la cual hay un receptor específico en la membrana. Una vez que se forma el complejo ligando-receptor, se forma la correspondiente vesícula endocítica revestida de clatrina. Así se incorporan las moléculas de insulina a las células.
EXOCITOSIS: Es el proceso por el cual las macromoléculas contenidas en vesículas endocíticas son transportadas desde el interior celular hasta la membrana plasmática, para ser vertidas al medio extracelular. Este vertido requiere que la membrana de la vesícula y la membrana plasmática se fusionen generando un poro a través del cual se libera el contenido de la vesícula al exterior. En este proceso es necesaria la colaboración del calcio y proteínas como la anexina y la calmodulina. Los restos de la parte interior de la vesícula se fusionan con la cara interior de la membrana plasmática. La parte exterior de la vesícula se fusiona con la cara externa de la membrana plasmática. TRANSCITOSIS: Es el conjunto de fenómenos que permiten a una sustancia atravesar todo el citoplasma celular. Implica el doble proceso de endocitosis y exocitosis. Ocurre en las células endoteliales que constituyen los vasos sanguíneos, transportando sustancias desde el torrente circulatorio a las células de los tejidos. PROPIEDADES DERIVADAS DE LA COMPOSICIÓN LIPÍDICA DE LAS MEMBRANAS 1- Autoensamblaje. Todos los lípidos tienen una tendencia natural a autoensamblarse y formar bicapas que se cierran espontáneamente, sobre todo los fosfolípidos. 2- Autosellado. Es una consecuencia de la propiedad anterior. Si se rompen o se separan se vuelven a ensamblar. Gracias a esta propiedad se pueden formar vesículas endocíticas y exocíticas; de la misma manera un vesícula se puede escindir en dos y posteriormente volver a unirse.
3- Fluidez. Puesto que no hay enlaces covalentes entre los fosfolípidos, ni entre estos y las proteínas, la bicapa se mantiene con enlaces débiles o fuerzas de Van der Waals, dando a las membranas fluidez. 4- Impermeabilidad. La naturaleza hidrófoba y apolar de la bicapa lipídica es responsable de su relativa impermeabilidad frente a moléculas hidrosolubles; por esta razón las membranas han desarrollado sistemas de transporte por canal.