UNIDAD 3. MEMBRANA CELULAR Documento elaborado con fines docentes por: GUSTAVO LOZANO CASABIANCA Biólogo M. Sc. Profesor asociado Escuela de Nutrición y Dietética Universidad de Antioquia VIVIANA MARTÍNEZ BETANCUR Bióloga. M. Sc. Universidad de Antioquia SANDRA MILENA JARAMILLO JARAMILLO Nutricionista Dietista Universidad de Antioquia Las membranas celulares son cruciales para la vida de la célula; esta estructura, define sus límites y mantiene diferencias esenciales entre el citosol y el ambiente extracelular. Además la membrana contiene receptores que actúan como sensores de señales externas, permitiendo a la célula cambiar su comportamiento en respuesta a señales ambientales (1). ESTRUCTURA A pesar de sus diferentes funciones, todas las membranas biológicas tienen una estructura general común: es una capa delgada compuesta de lípidos y proteínas, que se mantienen unidas principalmente por interacciones no covalentes (Figura 3.1). Las membranas celulares son estructuras dinámicas y fluidas y la mayoría de sus moléculas son capaces de moverse en el plano de la membrana (1). Bicapa lipídica Las moléculas lipídicas están organizadas como una doble capa continua de alrededor de 5 nm de espesor. Esta bicapa lipídica provee la estructura básica de la membrana y sirve como una barrera relativamente impermeable para el paso de la mayoría de moléculas solubles en agua (1).
Figura 3.1 Vista tridimensional de la membrana celular. Los fosfolípidos tienen un grupo llamado cabeza polar y dos cadenas hidrocarbonadas hidrofóbicas, llamadas colas. Su forma y su naturaleza anfipática les permiten formar bicapas espontáneamente en ambientes acuosos ocultando las colas hidrofóbicas en el interior y exponiendo sus cabezas hidrofílicas al agua (Figura 3.2) (1). Figura 3.2 Organización de los fosfolípidos en la membrana plasmática La estructura de los fosfolípidos es responsable de la función básica de las membranas como barreras entre dos compartimentos acuosos. Debido a que el interior de la capa fosfolipídica es ocupada por cadenas de ácidos grasos
hidrofóbicos, la membrana es impermeable a moléculas solubles en agua incluyendo iones y la mayoría de moléculas biológicas (2). La membrana plasmática de células animales contiene cuatro principales fosfolípidos: fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina y esfingomielina (Figura 3.3). Estos fosfolípidos se distribuyen asimétricamente entre las dos caras de la membrana; la externa consiste principalmente de fosfatidilcolina y esfingomielina, mientras la fosfatidiletanolamina y fosfatidilserina son los predominantes de la cara interna. Un quinto fosfolípido, el fosfatidilinositol es un componente cuantitativamente menor localizado en la cara interna y desempeña un rol importante en la señalización celular (2). Además de los fosfolípidos, la membrana plasmática de células animales contiene glicolípidos y colesterol (Figura 3.4). Los glicolípidos se encuentran extensivamente en la cara externa con sus porciones de carbohidratos expuestos sobre la superficie celular. El colesterol, por otro lado, es constituyente esencial de la membrana de células animales, su función es evitar que se adhieran las colas de ácido graso de la bicapa, mejorando la fluidez de la membrana. Además es responsable de la formación de las balsas lipídicas, microdominios de membrana enriquecida en colesterol, que son importantes en procesos de señalización celular (2). Proteínas de membrana Mientras los lípidos son los elementos estructurales fundamentales de las membranas, las proteínas son las responsables de las funciones específicas de la membrana. En 1972, Jonathan Singer y Garth Nicolson propusieron el modelo del mosaico fluido, en el cual las membranas son vistas como fluidos bidimensionales en los que las proteínas están insertadas en la bicapa lipídica (2). Singer y Nicolson distinguieron dos clases de proteínas asociadas a la membrana: -Proteínas periféricas: no se insertan en el interior hidrofóbico de la bicapa lipídica. En lugar de ello, se asocian normalmente a las membranas por medio de interacciones proteínas-proteína que involucran frecuentemente enlaces iónicos capaces de romperse debido a ph extremos o alta concentración de sal (Figura 3.5) (2).
Figura 3.3 Estructura de los fosfolípidos
Figura 3.4 Componentes de la membrana celular Proteínas integrales: Se insertan en la bicapa lipídica, por lo tanto sólo pueden ser liberadas por tratamientos que rompen las interacciones hidrofóbicas como el uso de detergentes. Muchas proteínas integrales son proteínas transmembrana, las cuales atraviesan la bicapa lipídica y exhiben porciones a ambos lados de la membrana (2); estas proteínas son anfipáticas, es decir, tienen regiones hidrofóbicas (que pasan a través de la membrana) y regiones hidrofílicas (que se exponen hacia el agua en cualquiera de los lados de la membrana) (Figura 3.5) (2). Figura 3.5 Membrana celular con sus proteínas integrales y proteínas periféricas.
TRANSPORTE DE MOLÉCULAS A TRAVÉS DE LA MEMBRANA La mayoría de moléculas biológicas son incapaces de difundir a través de la bicapa fosfolipídica, de tal manera que la membrana plasmática forma una barrera que bloquea el libre intercambio de moléculas entre el citoplasma y el ambiente exterior de la célula. El transporte específico por proteínas (proteínas transportadoras y canales iónicos) media entonces el cruce selectivo de pequeñas moléculas a través de la membrana, permitiendo a la célula controlar la composición de su citoplasma (2). Transporte pasivo o difusión Es el mecanismo más simple por el cual las moléculas pueden cruzar la membrana plasmática (2). Difusión simple: en este tipo de difusión, una molécula se disuelve en la bicapa fosfolipídica, difundiendose a través de esta y luego se disuelve en la solución acuosa del otro lado de la membrana. La dirección del transporte es determinada por las concentraciones relativas de la molécula dentro y fuera de la célula; así el flujo neto de la molécula es siempre desde donde está más concentrado hacia donde está más diluido (2). No todas las moléculas tienen la capacidad de cruzar la bicapa lipídica por difusión simple. Muchas moléculas hidrofóbicas y pequeñas moléculas polares pero no cargadas son capaces de hacerlo a tasas significativas (Figura 3.6) (2).
Figura 3.6 Difusión a través de la membrana plasmática Moléculas Grandes Glucosa O O 2 Gases Moléculas hidrofóbicas B e n ce n o Moléculas Pequeñas H 2 O Etanol HO HO OH OH OH Aminoácidos O NH 2 Moléculas Cargadas K + Cl - Na + Ca 2+ CO 2 Difusión facilitada y proteínas transportadoras: la difusión facilitada, al igual que la difusión pasiva, involucra el movimiento de moléculas en una dirección determinada por sus concentraciones relativas dentro y fuera de la célula (o dentro y fuera del compartimento celular), y no requiere el aporte de una fuente de energía extra. Sin embargo la difusión facilitada difiere de la pasiva en que las moléculas no se disuelven en la membrana sino que su paso es mediado por proteínas que posibilitan el cruce a través de la membrana sin interactuar directamente con el interior hidrofóbico. Por lo tanto la difusión facilitada permite a moléculas polares y cargadas tales como carbohidratos, aminoácidos, nucleósidos e iones, cruzar la membrana plasmática (2). Se distinguen dos clases de proteínas que median la difusión facilitada: Proteínas transportadoras: unen moléculas específicas para ser transportadas a un lado de la membrana y a continuación cambian la conformación para permitir a la molécula pasar a través de la membrana y ser liberada en el otro lado (Figura 3.7) (2).
Figura 3.7 Difusión facilitada por proteína transportadora Proteínas de canal: forman un poro abierto a través de la membrana, permitiendo la libre difusión de la molécula del tamaño y carga adecuada. Las proteínas canal mejor caracterizadas son los canales iónicos, los cuales median el transporte de iones a través de la membrana plasmática (Figura 3.8) (2). Transporte activo En muchos casos, la célula debe transportar moléculas en contra de su gradiente de concentración. En el transporte activo, la energía provista por una reacción acoplada (como la hidrólisis del ATP o un gradiente de iones) es utilizada para dirigir el transporte de moléculas en una dirección energéticamente desfavorable (2).
Figura 3.8 Difusión facilitada por proteínas de canal Dirigido por la hidrólisis del ATP: durante este transporte se utiliza energía derivada directamente de la hidrólisis de ATP para transportar moléculas en contra de sus gradientes electroquímicos. Todas las proteínas transportadoras impulsadas por ATP tienen uno o más sitios de unión al ATP. Debido al acoplamiento estrecho entre la hidrólisis del ATP y el transporte de moléculas, la energía almacenada en los enlaces fosfoanhidro no es disipada. Así, las proteínas de transporte impulsadas por ATP son capaces de colectar la energía libre liberada durante la hidrólisis del ATP y utilizarla para mover los iones u otras moléculas en contra de un gradiente de concentración (3). Dirigido por gradiente de iones: algunas moléculas son transportadas en contra de su gradiente de concentración utilizando la energía derivada del transporte acoplado a una segunda molécula en la dirección energéticamente favorable. El gradiente de Na + encontrado a través de la membrana plasmática establecido por una bomba de Na + -K + provee la fuente de energía que es frecuentemente utilizada para el transporte activo de azúcares, aminoácidos e iones en las células de mamífero (2). Existen diferentes tipos de transporte dirigido por gradiente de iones:
Simporte: es el transporte de dos moléculas en la misma dirección a través de la membrana. Antiporte: es el transporte de dos moléculas en direcciones contrarias a través de la membrana (Figura 3.9) (2). Figura 3.9 Ejemplo de antiporte TRÁFICO VESICULAR Cada célula tiene que alimentarse y comunicarse con el mundo que lo rodea. La membrana plasmática es un sitio clave durante este proceso; algunas células por ejemplo secretan enzimas digestivas a través la membrana plasmática hacia el exterior, otras toman sustancias del exterior y las interiorizan utilizando el tráfico vesicular (1). Endocitosis Mediante este proceso la célula toma del medio extracelular macromoléculas, partículas y, en casos especiales, incluso otras células. Durante este proceso el material que va a ser ingerido se encierra progresivamente por una porción pequeña de la membrana plasmática, la cual primero se invagina y luego se
desprende de la membrana para formar un vesícula endocítica que contiene adentro la partícula o sustancia (1). Existen dos tipos de endocitosis dependiendo del tamaño de la vesícula formada: Fagocitosis: involucra la ingestión de partículas grandes como microorganismos o células muertas por medio de vesículas llamadas fagosomas que tienen generalmente más de 250 nm de diámetro (Figura 3.10). Este proceso es realizado eficientemente por células fagocíticas especializadas (1). La unión de una partícula al receptor en la superficie de la célula fagocítica impulsa la extensión de un pseudópodo que rodea la partícula y sus membranas se fusionan para formar el fagosoma. Estos se fusionan luego con los lisosomas produciendo fagolisosomas en los cuales el material ingerido es digerido por la acción de hidrolasas lisosomales (2). Figura 3.10 Fagocitosis Pinocitosis: involucra la ingestión no específica de fluido extracelular y solutos disueltos en este por medio de vesículas pinocíticas de alrededor de 100 nm de diámetro. Este es un proceso constitutivo que ocurre continuamente, a diferencia de la fagocitosis que requiere receptores que inicien la respuesta (1).
Endocitosis mediada por receptor Este proceso provee un mecanismo para la toma selectiva de macromoléculas específicas que se unen primero a receptores específicos de la superficie celular. Estos receptores están concentrados en regiones especializadas de la membrana plasmática que contienen una proteína llamada clatrina. De esta manera, se forman vesículas recubiertas de clatrina que contienen los receptores con las macromoléculas unidas (Figura 3.11). Estas vesículas luego se fusionan con endosomas tempranos donde sus contenidos se clasifican para que sean transportados a lisosomas o reciclados a la membrana plasmática (2). Figura 3.11 Formación de vesículas recubiertas de clatrina No obstante, no todas las vesículas pinocíticas están recubiertas de clatrina. Se han encontrado vesículas que se forman en los lipid rafts, las partes de la membrana plasmática ricas en colesterol, glicoesfingolípidos y proteínas ancladas a glicofosfatidilinositol; la principal proteína estructural es la caveolina, una proteína integral de membrana.
Exocitosis Durante este proceso material de la célula es transportado hacia el exterior. Las vesículas de transporte destinadas a la membrana plasmática normalmente parten del aparato de Golgi. Las proteínas de membrana y los lípidos de estas vesículas proveen nuevos componentes para la membrana plasmática, mientras las proteínas solubles que se encuentran dentro son secretadas al espacio extracelular. Es la fusión de las vesículas con la membrana plasmática lo que se denomina exocitosis. De esta manera, las células secretan la mayoría de proteoglicanos y glicoproteínas de la matriz extracelular (1). Todas las células requieren esta vía de secreción constitutiva, por medio de la cual la mayoría de las proteínas son transportadas directamente a la superficie celular. Células secretoras especializadas, sin embargo, tienen una segunda vía de secreción en la cual proteínas solubles y otras sustancias se almacenan inicialmente en vesículas de secreción para liberarse más tarde en respuesta a señales extracelulares. Esta es la vía de secreción regulada encontrada principalmente en células especializadas en secretar rápidamente productos de demanda tales como hormonas, neurotransmisores o enzimas digestivas (Figura 3.12) (1). Figura 3.12 Vías de secreción constitutiva y regulada
BIBLIOGRAFIA 1. Alberts B, Bray D, Hopkin K, Jonson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. Introducción a la biología celular. 2 a ed. España: Panamericana; 2006. 2. Cooper GM, Hausman RE. La célula. 4 a ed. Madrid: Marbán; 2008. 3. Lodish H, Berk A, Zipursky LS, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J. Biología celular y molecular. 5 a ed. Madrid: Panamericana; 2005.