ESTRUCTURA DE LA MEMBRANA

ESTRUCTURA DE LA MEMBRANA
Una célula viva es un sistema de moléculas que se autorreproduce dentro de un recipiente.
El recipiente es la membrana plasmática −una película lipídica tan delgada y transparente que
no puede ser visualizada directamente al microscopio óptico. Su construcción es muy sencilla,
basada en una lámina de moléculas lipídicas de aproximadamente 5 nm −es decir, de unos 50
átomos− de grosor. Sin embargo, sus propiedades son diferentes a las de cualquier otra lámina
de un material que nos sea familiar del mundo que nos rodea. Es mucho más que una barrera
que impide que el contenido celular se escape y se mezcle con el medio circundante (Figura
11− 1A). Los nutrientes han de cruzar la membrana hacia el interior de la célula para que la
célula pueda sobrevivir y crecer, y los productos de desecho han de cruzarla hacia el exterior.
Así pues, en la membrana hay canales y bombas altamente selectivas, formadas por
moléculas proteicas, que permiten que determinadas sustancias sean importadas hacia el
interior celular y que otras sustancias sean exportadas hacia el exterior. Además, otras
moléculas proteicas actúan de s ensores que permiten a la célula responder a los cambios de
su entorno. También son destacables las propiedades mecánicas de la membrana. Cuando la
célula crece o cambia de forma, también lo hace la membrana plasmática: se alarga,
incorporando más membrana sin perder su continuidad, y puede deformarse sin romperse
(véase Figura 11-2). Si se agujerea, nunca se colapsa como un globo ni se rompe; al
contrario, rápidamente se vuelve a soldar.
Figura 11.1
Las membranas
celulares como barreras
Las membranas celulares entre dos
compartimientos −entre el interior y
el exterior de la célula (A) o entre
dos compartimientos intracelulares
(B). En cada caso la membrana
impide que las moléculas de ambos
compartimientos se mezclen
1
Figura 11.2 Algunas de las
funciones de la membrana
plasmática
Las bacterias más sencillas tienen una sola membrana −la membrana plasmática. En cambio, las
células eucariotas tienen, además, una profusión de membranas internas (endomembranas) que
envuelven los compartimientos intracelulares. Estas membranas están construidas siguiendo los
mismos principios que la membrana plasmática, y también actúan de barrera selectiva entre los
espacios que contienen distintas colecciones de moléculas (Figura 11−1B). Así pues, las
membranas del retículo endoplásmico, del complejo de Golgi, de las mitocondrias y de los
otros orgánulos (Figura 11−3) mantienen las características diferenciales de composición y
función entre estos orgánulos. Estas membranas internas actúan mucho más que como
barrera: sutiles diferencias entre ellas, especialmente en cuanto a las moléculas proteicas que las
forman, son las principales responsables de otorgar a cada orgánulo su carácter diferencial.
2
Figura 11.3 Las membranas forman
los distintos compartimientos de las
células eucariotas
En la figura se muestran los distintos
orgánulos rodeados de membrana de
una típica célula animal. Obsérvese
que el núcleo y las mitocondrias están
rodeados por dos membranas.
Todas las membranas celulares están formadas por lípidos y proteínas y tienen una estructura
básica común (Figura 11−4). El componente lipídico está formado por muchos millones de
moléculas de lípidos ordenados en dos láminas íntimamente superpuestas, formando una
bicapa lipídica (véase Figura 11−4B y C). La bicapa lipídica proporciona la estructura básica y
actúa de barrera permeable. Las moléculas proteicas intervienen en el resto de funciones de la
membrana y otorgan a las distintas membranas sus características individuales. En este
capítulo discutiremos en primer lugar los lípidos de la membrana y luego las proteínas.
3
Figura 11.4 Tres perspectivas de la membrana celular
(A)
Electromicrografía de una membrana plasmática de un eritrocito humano en sección transversal
(B) y (C) Dibujos esquemáticos que muestran en dos y tres dimensiones la membrana celular
4
La bicapa lipídica
La bicapa lipídica se ha establecido como la base universal de la estructura de la membrana
celular. Sus propiedades son las responsables de las propiedades generales de las membranas
celulares. Empezaremos esta sección considerando de qué forma la estructura de la bicapa es
una consecuencia del comportamiento de las moléculas lipídicas en un medio acuoso.
Los lípidos de las membranas forman bicapas en el agua
Los lípidos de las membranas celulares combinan dos propiedades muy distintas en una misma
molécula: tienen una cabeza hidrofílica ("que se siente atraída por el agua") y una o dos
colas hidrocarbonadas hidrofóbicas ("que rehúyen el agua") (Figura 11−5). Los lípidos de
membrana más abundantes son los fosfolípidos, en los cuales el grupo del extremo hidrofílico
se encuentra unido al resto de la molécula por medio de un grupo fosfato. En la mayoría de
membranas celulares el tipo más común de fosfolípido es la fosfatidilcolina, que tiene una
pequeña molécula de colina unida a un fosfato como cabeza hidrofílica y dos largas cadenas
hidrocarbonadas como colas hidrofóbicas (Figura 11−6).
Figura 11.5 Dibujo esquemático de una
típica molécula lipídica de la membrana
5
Figura 11.6 Molécula de fosfatidilcolina
La fosfatidilcolina, representada
( A ) de forma esquemática
(B)
como fórmula química
(C) como modelo espacial compacto
(D) como símbolo
Ese fosfolípido tiene cinco partes: la cabeza hidrofílica, la colina unida por el fosfato al glicerol; que está unido a
las dos cadenas hidrocarbonadas que forman la cola hidrofóbicas. Las dos cadenas son sintetizadas como ácidos
grasos – cadenas hidrocarbonadas con un grupo – COOH en un extremo- que están unidas al glicerol por sus
grupos − COOH. Cuando hay un doble enlace entre dos carbonos se produce un doblegamiento de las cadenas
hidrocarbonadas; la curvatura debida al doble enlace está exagerada en los dibujos. El término fosfatidil− que
forma parte del nombre de los fosfolípidos se refiere a la parte fosfato–glicerol−ácido graso de la molécula.
6
Todas las moléculas con propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas reciben el nombre de
anfipáticas. Esta característica también la presentan otros tipos de lípidos de membrana −los
esteroles (como el colesterol en las membranas celulares animales) y los glucolípidos, que tienen
azúcares en su cabeza hidrofilica (Figura 11−7)− y juega un papel muy importante en el
ensamblaje de los lípidos que forman la bicapa.
Figura 11.7 Tres tipos
distintos de moléculas
lipídicas de membrana
Todas son antipáticas,
con
una
cabeza
hidrofílica y una o dos
colas hidrofóbicas.
La
cabeza (sombreada en
rosa)
es
una
serina−fosfato
en
la
fosfatidilserina, un grupo
−OH en el colesterol, y un
azúcar (galactosa) en el
galactocerebrósido
Como hemos discutido en el Capítulo 2, las moléculas hidrofílicas se disuelven fácilmente en el
agua puesto que disponen de átomos cargados o grupos polares (es decir, grupos con una
7
distribución desigual de cargas positivas y negativas) que pueden formar enlaces hidrostáticos
o enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua, las cuales también son polares (Figura
11−8). Por el contrario, las moléculas hidrofóbicas son insolubles en el agua puesto que todos, o
casi todos, sus átomos son apolares o sin carga y, por tanto, no pueden formar enlaces con
las moléculas de agua. En lugar de disolverse, fuerzan a las moléculas de agua adyacentes a
reorganizarse adoptando una estructura parecida a una jaula alrededor de la molécula hidrofóbica
(Figura 11−9). Esta estructura es mucho más ordenada que el agua que la envuelve, por lo que
su formación necesita energía. Sin embargo, el coste energético es mínimo si las moléculas
hidrofóbicas se agrupan de manera que quede afectado el número mínimo de moléculas de agua.
Así pues, las moléculas puramente hidrofóbicas, como las grasas de las células adiposas
animales y los aceites de las semillas de las plantas (Figura 11−10), coalescen en una única
gran gota cuando se dispersan en el agua.
Figura 11.8 Una molécula hidrofílica interactuando con
moléculas de agua
La acetona es una molécula polar, por los que puede
formar interacciones favorables con las moléculas de agua,
las cuales también son polares. Así pues la acetona se
disuelve fácilmente en agua. δ- indica una carga parcial
negativa y δ+ una carga parcial positiva. En la figura los
átomos polares se han coloreados en rosa y azul y los
grupos no polares están en gris.
Figura 11.9 Una molécula hidrofóbica en el agua
La molécula de 2−metil propano es completamente
Hidrofóbica, por lo que no puede formar interacciones
favorables con el agua y fuerza a las moléculas de agua
adyacentes a reorganizarse en una estructura en forma
de caja a su alrededor.
8
Figura 11.10 Comparación entre
una molécula grasa (triacilglicerol)
y una molécula de fosfolípido
(fosfatidiletanolamina)
Las
zonas
hidrofóbicas
están
sombreadas en gris, y las hidrofílicas
en rosa. La molécula de grasa es
totalmente hidrofóbica mientras que
la molécula de fosfolípido es
antipática. (En la figura, la tercera
cola del triacilglicerol está situada
hacia arriba de la molécula para
poderla comparar con el fosfolípido,
aunque normalmente se encuentra
hacia abajo)
Las moléculas antipáticas como los fosfolípidos están sujetas a dos fuerzas conflictivas: la
cabeza hidrofílica es atraída por el agua, mientras que las colas hidrofóbicas rehuyen el agua y
tienden a agregarse a otras moléculas hidrofóbicas.
Este conflicto se resuelve
maravillosamente con la formación de una bicapa lipídica −una disposición que satisface ambas
partes y es lo más favorable desde el punto de vista energético. Las cabezas hidrofílicas
quedan expuestas al agua mientras que todas las colas hidrofóbicas quedan alejadas del medio
acuoso, unas junto a otras en el interior del sándwich (Figura 11−11).
9
Figura 11.11 Visión transversal de una bicapa de fosfolípidos.
(A) Simulación por ordenador que muestra las moléculas de fosfolípido (Colas rojas y cabezas amarillas)
y las moléculas de agua que las rodean (azul).
(B) Dibujo esquemático de una bicapa de fosfolípidos en el agua. (Adaptado de Science 262:223-228(1993),
cortesía de R. Venable y R. Pastor.)
Las mismas fuerzas que conducen a las moléculas anfipáticas a formar una bicapa confieren a
é sta bicapa su capacidad autoselladora. Cualquier rotura de la bicapa dará lugar a un
extremo libre en el agua, y puesto que esto es energéticamente desfavorable, las moléculas
de la bicapa se reordenarán espontáneamente, con lo cual la bicapa será reparada,
restableciéndose de nuevo una capa continua. Si la fisura es muy grande, la capa puede
romperse en vesículas aisladas. En estos casos, el principio predominante es que los extremos
10
libres sean rápidamente eliminados.
La prohibición de que existan extremos libres tiene una consecuencia muy importante: sólo existe
un sistema para que una lámina finita pueda evitar tener extremos libres, que consiste en
cerrarse sobre sí misma y originar un espacio cerrado (Figura 11−12). Así pues, las moléculas
antipáticas como los fosfolípidos se ensamblan necesariamente formando recipientes que se
autosellan definiendo así compartimientos cerrados. Este comportamiento tan importante,
fundamental para la creación de una célula viva, es en esencia sencillamente el resultado del
hecho de que cada molécula es hidrofílica en un extremo e hidrofóbica en el otro.
Figura 11.12 Las bicapas de fosfolípidos
se doblan espontáneamente formando
comportamientos cerrados.
La estructura cerrada es estable puesto que
evita
la
exposición
de
las
colas
hidrocarbonadas hidrófóbicas al agua, hecho
energéticamente desfavorable.
11
La bicapa lipídica es un fluido bidimensional
El ambiente acuoso dentro y fuera de la célula impide a los lípidos de la membrana escaparse
de a bicapa, pero nada impide que estas moléculas se desplacen y cambien de posición las unas
respecto a las otras dentro del plano de la bicapa. Por lo tanto, la membrana se comporta
como un fluido bidimensional, lo cual es crucial para sus funciones. Esta propiedad es distinta
de la de flexibilidad, que es la capacidad de la membrana para doblegarse. La flexibilidad de la
membrana también es importante, y establece un límite menor de aproximadamente 25nm para el
tamaño de la vesícula que las membranas celulares pueden formar.
La fluidez de las bicapas lipídicas puede estudiarse utilizando bicapas lipídicas sintéticas, que
pueden generarse fácilmente de manera artificial mediante la agregación espontánea de
moléculas lipídicas anfipáticas en el agua. En estudios experimentales se suelen utilizar dos
tipos de estas bicapas sintéticas. Al añadir fosfolípidos puros al agua se forman vesículas
esféricas cerradas, llamadas liposomas; son de tamaño variable, desde 25nm hasta 1mm de
diámetro (Figura 11−13). Alternativamente, se pueden formar bicapas de fosfolípidos planas a
través de un agujero situado en una separación entre dos compartimientos acuosos (Figura
11−14).
Figura 11.13 Liposomas
Electrónmicrografía de vesículas de
fosfolípidos
(liposomas)
que
muestra la estructura de la bicapa
de la membrana.
Esquema de un pequeño liposomas
esférico
visto
en
sección
transversal.
12
Figura 11.14
Representación de una
sección transversal de una bicapa
lipídica sintética
Esta bicapa plana se forma a través de un
pequeño agujero (aproximadamente de
1mm de diámetro) en una pared que separa
dos compartimientos acuosos. Para formar
la bicapa en el agujero, el agujero se
sumerge en una solución acuosa y la
solución de fosfolípidos (en disolvente no
acuoso) se “pinta” a través del agujero con
un pincel.
Estas bicapas artificiales sencillas permiten medidas delicadas del desplazamiento de las
moléculas lipídicas, y revelan que algunos desplazamientos son raros mientras que otros son
rápidos y frecuentes. Así pues, en las bicapas lipídicas sintéticas, las moléculas de fosfolípidos
raramente saltan de un lado de la monocapa (una mitad de la bicapa) al otro; sin proteínas que
lo faciliten y en condiciones similares a las de la célula, se estima que este proceso,
denominado "flip-flop", se produce menos de una vez al mes en cualquier molécula lipídica.
Por otro lado, debido a movimientos térmicos, las moléculas lipídicas giran muy rápidamente
sobre su eje longitudinal y constantemente intercambian su lugar con el de las moléculas vecinas
dentro de cada monocapa (Figura 11−15). Este intercambio da lugar a una rápida difusión lateral;
por ejemplo, una molécula lipídica en una bicapa artificial puede difundir una longitud igual a la de
una gran célula bacteriana (~2µm) en aproximadamente un segundo. Si la temperatura
disminuye, la caída de la energía térmica hace disminuir la velocidad del movimiento de los
lípidos, con lo que la membrana es menos fluida.
13
Se han obtenido resultados parecidos con membranas celulares aisladas y con células enteras, lo
cual indica que la bicapa lipídica de una membrana celular también se comporta como un fluido
bidimensional en el que las moléculas constituyentes son libres de desplazarse lateralmente;
como en las bicapas sintéticas, en las células las moléculas individuales de fosfolípido
normalmente se hallan restringidas a su propia monocapa y no sufren espontáneamente el
proceso de "flip-flop" (véase Figura 11−15).
Figura 11−15 Movilidad de los fosfolípidos
Tipos de movimientos posibles de las moléculas
de fosfolípidos en una bicapa lipídica.
La fluidez de una bicapa lipídica depende de su composición
El grado de fluidez de una membrana celular −la facilidad con la que sus moléculas lipídicas se
desplazan en el plano de la bicapa− es importante para su función y se ha de mantener dentro
de unos ciertos límites. La fluidez de una bicapa lipídica a una temperatura determinada
depende de su composición de fosfolípidos y, especialmente, de la naturaleza de las colas
14
hidrocarbonadas: cuanto más regular y más compacto sea el empaquetamiento de estas colas,
más viscosa y menos fluida será la bicapa. Dos propiedades de las colas hidrocarbonadas
afectan su empaquetamiento en la bicapa −su longitud y su insaturación (es decir, el número de
dobles enlaces que contienen). Los extremos hidrocarbonados de las moléculas de fosfolípidos
varían entre 14 y 24 átomos de carbono de longitud, siendo lo más habitual 18-20 átomos.
Una longitud menor de la cadena reduce la tendencia de las colas hidrocarbonadas para
interaccionar entre sí, de forma que aumenta la fluidez de la bicapa. Generalmente una de las
dos colas hidrocarbonadas de cada molécula de fosfolípido tiene uno o más dobles enlaces
entre átomos de carbono adyacentes (véase Figura 11−6). Por lo tanto, no tiene el número
máximo de átomos de carbono que en principio podrían unirse a su esqueleto carbonado, por lo
que se dice que está insaturada respecto a los hidrógenos. Generalmente la otra cola de ácido
graso no tiene dobles enlaces, es decir, presenta el complemento completo de átomos de
hidrógeno, con lo cual está saturada. Cada doble enlace de una cola insaturada genera un
pequeño remolino en la cola hidrocarbonada (véase Figura 11−6) que dificulta el
empaquetamiento de las colas. Por esta razón, las bicapas lipídicas que tienen grandes
cantidades de colas hidrocarbonadas insaturadas son mucho más fluidas que las que tienen
proporciones menores.
Las bacterias y las levaduras, que han de adaptarse a temperaturas muy variables, ajustan
constantemente tanto la longitud como la insaturación de las colas hidrocarbonadas de los
fosfolípidos de su bicapa para mantener relativamente constante la fluidez de la membrana: por
ejemplo, a temperaturas altas la célula fabrica lípidos de membrana con colas más largas y
que contienen muy pocos dobles enlaces. Se utiliza un truco parecido en la fabricación de la
margarina a partir de aceites vegetales. Las grasas producidas por las plantas son
generalmente insaturadas y, por tanto, líquidas a temperatura ambiente, a diferencia de las
grasas animales tales como la mantequilla o el sebo, que están generalmente saturadas y, por
lo tanto, a esta misma temperatura son sólidas. La margarina se fabrica con aceites
vegetales a los cuales se les han eliminado los dobles enlaces añadiéndoles hidrógeno, con lo
que a temperatura ambiente son más sólidos y parecidos a la mantequilla.
15
La fluidez de la membrana es importante para la célula por muchas razones. Permite a las
proteínas de membrana difundir rápidamente en el plano de la bicapa y que interaccionen
unas con otras, lo cual es muy importante, por ejemplo, en los procesos de señalización celular
(se discute en el Capítulo 15). Proporciona una manera sencilla de distribuir los lípidos y las
proteínas, mediante difusión desde los lugares donde han sido insertados en la bicapa después
de su síntesis, hasta otras regiones de la célula. Permite a las membranas fusionarse unas
con otras y mezclar sus moléculas, y permite que las moléculas de la membrana se
distribuyan de forma equitativa entre las dos células hijas durante la división celular. Es difícil
imaginarse cómo podría una célula vivir, crecer y reproducirse si sus membranas no fueran
fluidas. En las células animales, la fluidez de la membrana está modulada por la presencia del
esterol colesterol, ausente en plantas, levaduras y bacterias. Estas cortas y rígidas moléculas
se encuentran en grandes cantidades en la membrana plasmática, donde rellenan los espacios
existentes entre las moléculas vecinas de fosfolípidos provocados por los remolinos de sus
extremos hidrocarbonados insaturados (Figura11−16). De esta forma el colesterol endurece la
bicapa y la hace menos fluida y menos permeable.
16
Figura 11−16
Esquemas superiores
Estructura del colesterol representada
mediante:
(A) su fórmula
(B) un esquema
(C) un modelo compacto espacial.
Esquema inferior:
Papel del colesterol en las membranas
celulares
El colesterol en una bicapa lipídica. Dibujo
esquemático de una molécula de colesterol
interactuando con 2 moléculas de fosfolípido
en una de las monocapas de la bicapa lipídica.
17
ACTUALIZACION 1
La membrana plasmática contiene microdominios lipídicos
esfingolípidos, colesterol y algunas proteínas de membrana.
enriquecidos
en
La mayoría de los diferentes tipos de moléculas lipídicas de las membranas celulares están
distribuidas al azar mezcladas unas con otras en la monocapa en la que residen. Las fuerzas de
atracción de van der Waals entre los ácidos grasos adyacentes no son tan selectivas como para
mantener unidos grupos de moléculas de este tipo. Sin embargo, para algunas moléculas
lipídicas, como los esfingolípidos que suelen presentar cadenas hidrocarbonadas saturadas
largas, las fuerzas de atracción podrían ser lo suficientemente fuertes como para mantener
unidas temporalmente las moléculas adyacentes formando pequeños microdominios. Estos
microdominios lipídicos pueden considerarse una transición de fase temporal en la bicapa
lipídica en la que los esfingolípidos se concentran.
Parece que la membrana plasmática de las células animales contiene muchos pequeños
microdominios lipídicos (de aproximadamente 70nm de diámetro), ricos tanto en esfingolípidos
como en colesterol. Las cadenas hidrocarbonadas de los lípidos concentrados son más largas y
rectas que las de la mayoría de los lípidos de membrana por lo que los microdominios son más
gruesos que el resto de la bicapa (fig. 10.9) y pueden acomodar con mayor facilidad ciertas
proteínas de membrana que tienden a acumularse en ellos (fig. 10.13). Así, parece que los
microdominios lipídicos favorecen la organización de estas proteínas – concentrándolas para su
transporte en pequeñas vesículas o permitiendo que puedan actuar unidas, como cuando
transducen señales extracelulares en señales intracelulares.
Casi siempre las moléculas lipídicas de una monocapa de la bicapa se desplazan
independientemente de las de la otra monocapa. Sin embargo en los microdominios lipídicos
las largas cadenas hidrocarbonadas de los esfingolípidos de una monocapa interaccionan con
las de otra monocapa, de forma que en estos microdominios lipídicos las dos monocapas se
comunican a través de sus colas lipídicas.
Tomado de ALBERTS B.Biología molecular de la célula (4ª edición−2004) – Editorial Omega
18
Fig.10.9
Fig 10.13
19
ACTUALIZACION 2
Las gotas de lípido están rodeadas por una monocapa de fosfolípidos
La mayoría de las células almacena un exceso de lípidos como gotas, a partir de las cuales se
obtienen bloques constructores para la síntesis de la membrana o como fuente de alimento.
Los adipocitos son células especializadas en el almacenamiento de lípidos. Tienen un alto
contenido de gotas lipídicas de las cuales los ácidos grasos pueden ser liberados por
demanda y exportados a otras células a través del torrente sanguíneo.
Las gotas de lípidos almacenan lípidos neutros tales como triacilglicéridos y ésteres del
colesterol, los cuales son sintetizados por enzimas a partir de ácidos grasos y colesterol en la
membrana del retículo endoplásmico. Como estos lípidos no contienen grupos hidrofílicos,
son moléculas hidrofóbicas, se agregan en gotas tridimensionales más que en bicapas.
Las gotas de lípidos son organelos únicos porque están rodeados por una monocapa de
fosfolípidos, la cual contiene una gran variedad de proteínas. Algunas de éstas son enzimas
involucradas en el metabolismo de los lípidos, pero de la mayoría se desconoce su función.
Las gotas de lípidos se forman rápidamente cuando las células son expuestas a una alta
concentración de ácidos grasos. Se forman a partir de discretas regiones de la membrana del
retículo endoplásmico donde están concentradas varias de las enzimas relacionadas con el
metabolismo lipídico. En la figura se muestra un modelo de cómo las gotas lipídicas podrían
formarse y adquirir la monocapa que las rodea.
Tomado de ALBERTS B.Biología molecular de la célula (5ª edición−2004) – Editorial Omega
20
21
La bicapa lipídica es asimétrica
Generalmente las membranas celulares son asimétricas, presentando un aspecto muy distinto
en el interior de la célula o del orgánulo que en el exterior. Frecuentemente las dos mitades de
una bicapa presentan diferencias importantes en cuanto a su composición de fosfolípidos y de
glucolípidos (Figura 11−17). Además, las proteínas están embebidas en la bicapa en una
orientación específica, muy importante para su función.
Figura 11−17 La distribución asimétrica de los fosfolípidos y de los glucolípidos en la bicapa lipídica de
una membrana plasmática
muestran en
distintosempieza
colores cinco
moléculas de
(marcados
roja), Enlas
azul,nuevas
los
La Se
asimetría
lipídica
entipos
el de
momento
de fosfolípidos
su síntesis.
En en
lasletra
células,
glucolípidos,
con
grupos
de
cabeza
hexagonales
que
representan
los
azúcares.
Todas
las
moléculas
de
moléculas de fosfolípido son sintetizadas por enzimas unidas a la membrana, que utilizan como
glucolípidos se encuentran en la monocapa externa, mientras que el colesterol se distribuye por igual en ambas
sustratos
ácidos grasos disponibles en una de las dos mitades de la bicapa −esto es, en una
monocapas.
monocapa− y liberan el nuevo fosfolípido en la misma monocapa.
Para permitir que la
22
membrana entera crezca, una proporción de las moléculas lipídicas se ha de trasladar a la
monocapa opuesta. Esta transferencia está catalizada por unas enzimas llamadas flipasas
(Figura 11−18). Se ha sugerido que las flipasas pueden transferir selectivamente moléculas
específicas de fosfolípido, con lo cual en las dos mitades de la bicapa habría distintos tipos de
flipasas.
Figura 11−18 Papel de las flipasas en las síntesis de las bicapas lipídicas
Todas las moléculas de fosfolípido de nueva síntesis se añaden a una de las caras de la
bicapa, pero las flipasas transfieren algunas de ellas a la monocapa opuesta, con lo cual la
bicapa se alarga
La inserción en una sola cara y la presencia de flipasas selectivas no son los únicos sistemas
de producir bicapas lipídicas asimétricas. En el caso de los glucolípidos, el tipo de moléculas
lipídicas que presentan la distribución asimétrica más consistente y sorprendente, actúa un
mecanismo distinto. Para explicar su distribución es necesario conocer con más detalle la ruta de
formación de membrana en las células eucariotas.
23
La asimetría lipídica se genera dentro de la célula
En las células eucariotas la síntesis de la membrana se produce en un compartimiento
intracelular −el retículo endoplásmico, o ER (de "endoplasmic reticulum", discutido con más
detalle en el Capítulo 14). La nueva membrana, una vez ensamblada, es exportada hasta las
otras membranas de la célula mediante un ciclo de gemación y fusión: del retículo
endoplásmico se desprenden pequeñas porciones de membrana, formando pequeñas
vesículas, las cuales se incorporan mediante fusión a otras membranas. Durante este proceso
de transporte vesicular se conserva la orientación de la bicapa respecto al citosol, por lo
que todas las membranas celulares, tanto la membrana plasmática externa como las
intracelulares que rodean los orgánulos, tienen caras "internas" y "externas" distintas: la interna,
o citosólica, limita con el citosol, mientras que la externa, o no citosólica, está expuesta al exterior
celular o al espacio interior de un orgánulo (Figura 11−19).
Los glucolípidos están localizados principalmente en la membrana plasmática, y se encuentran
únicamente en la mitad no citosólica de la bicapa. Por lo tanto, sus grupos de azúcar están
expuestos al exterior celular (véase Figura 11−17), donde forman parte de la cubierta
protectora de hidratos de carbono que rodea la mayoría de las células animales. Las moléculas
de glucolípido adquieren sus grupos azúcar en el complejo de Golgi (se discute en el Capítulo
14). Las enzimas que añaden estos grupos se encuentran localizadas en el interior del
complejo de Golgi, con lo cual las moléculas de azúcar se añaden a las moléculas lipídicas
en la mitad no citosólica de la bicapa lipídica. Cuando se ha formado una molécula de
glucolípido, permanece atrapada en esta monocapa, puesto que allí no hay flipasas que puedan
transferirla a la monocapa citosólica. Así pues, cuando finalmente llega a la membrana
plasmática, la molécula de glucolípido está situada de forma que su azúcar está colocado
hacia el exterior de la célula (véase Figura 11− 19).
24
Figura 11−19 Aproximación y fusión de una
vesícula de membrana
Una vesícula de membrana aproximándose a un
orgánulo rodeado de membrana y fusionándose
con su membrana plasmática. Obsérvese cómo
durante el proceso de aproximación y fusión se
mantiene la orientación de la membrana, de
forma que la superficie citosólica sigue siendo la
superficie citosólica.
Otras moléculas lipídicas presentan tipos distintos de distribución asimétrica, relacionados con
otras funciones. Por ejemplo, los fosfolípidos del tipo inositol son componentes minoritarios de la
membrana plasmática, pero juegan un papel especial en la transmisión de señales desde la
s uperficie celular hasta los compartimientos intracelulares que responderán a la señal (se discute
en el Capítulo 15). Actúan con posterioridad a que la señal haya sido transmitida a través de la
membrana plasmática, por lo que están concentrados en la mitad citosólica de la bicapa lipídica
(véase figura 11-17).
25
Las bicapas lipídicas son impermeables a los solutos y a los iones
Hemos visto que una de las funciones más importantes de las membranas celulares es el
control del paso de moléculas a través de la bicapa lipídica. En este aspecto el interior
hidrofóbico de la bicapa lipídica juega un papel muy importante, puesto que constituye una
barrera al paso de la mayoría de moléculas hidrofílicas. Estas moléculas rehúyen entrar en un
ambiente graso, como lo hacen las moléculas hidrofóbicas a entrar en el agua.
Esta función de barrera de las bicapas lipídicas se puede poner de manifiesto en bicapas
sintéticas del tipo que se ilustra en la Figura 11−14. Con tiempo suficiente, prácticamente
cualquier molécula acabará difundiendo a través de una 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 sus propiedades de solubilidad. En general, cuanto
menor es la molécula y cuanto más soluble es en aceite (es decir, cuanto más hidrofóbica o no
polar sea) más rápidamente difunde a través de una bicapa. Así pues:
1. Moléculas pequeñas no polares, tales como el oxígeno molecular (O2, de 32 daltons de
peso molecular) y el dióxido de carbono (44 daltons), se disuelven fácilmente en las
bicapas lipídicas y por lo tanto difunden con rapidez a través de ellas; de hecho, las
células necesitan ser permeables a los gases para los procesos de respiración celular, los
cuales se tratan en el Capítulo 13.
2. Moléculas polares no cargadas (moléculas con una distribución desigual de la carga
eléctrica) también difunden rápidamente a través de una bicapa, si su tamaño es
suficientemente reducido. Por ejemplo, el agua (18 daltons) y el metanol (46 daltons)
atraviesan rápidamente una bicapa; el glicerol (92 daltons) lo hace con menor rapidez, y
la glucosa (180 daltons) prácticamente no la atraviesa (Figura 11-20).
3. Por el contrario, las bicapas lipídicas son altamente impermeables a todos los iones y
moléculas cargadas, por muy pequeñas que sean. Su carga y el elevado grado de
26
atracción hacia las moléculas de agua les impiden penetrar en la fase hidrocarbonada de
la bicapa. Así, las bicapas artificiales son mil millones (109) de veces más permeables
al agua que a los iones, incluso a los de reducido tamaño como el Na+ o el K+.
Figura 11−20
Permeabilidad
relativa de una bicapa lipídica
artificial a diferentes tipos de
moléculas
Cuanto más pequeña sea la
molécula y, lo que es más
importante, cuanto menor sea el
número de interacciones con el agua
(es decir, cuanto menos polar sea),
más rápidamente difundirá a través
de una bicapa.
Obsérvese que
muchas de las moléculas que
utilizan las células como nutrientes
son demasiado grandes y polares
para cruzar a través de una bicapa
pura.
27
Por lo tanto, las membranas celulares permiten el paso, por simple difusión, del agua y de las
moléculas no polares. Sin embargo, para que las células puedan captar nutrientes y eliminar
los productos de deshecho, las membranas también han de permitir el paso de muchas otras
moléculas, tales como iones, azúcares, aminoácidos, nucleótidos y muchos metabolitos
celulares. Estas moléculas cruzan las bicapas lipídicas con gran lentitud por difusión simple, por
lo que son necesarias proteínas de transporte especializadas para transportarlas de manera
eficiente a través de las membranas celulares. Estas proteínas transportadoras de membrana
son objeto de estudio en el Capítulo 12. Sin embargo, antes de entrar a estudiar este punto,
vamos a considerar algunos principios generales sobre cómo están asociadas las proteínas con
la bicapa lipídica en las membranas celulares
Proteínas de membrana
La bicapa lipídica es la estructura básica de todas las membranas biológicas y actúa de barrera
de permeabilidad, pero la mayoría de las funciones específicas de la membrana las
desempeñan las proteínas de membrana. En las células animales, las proteínas constituyen
cerca del 50% de la masa total de la mayoría de membranas plasmáticas, mientras que la otra
mitad de la masa son lípidos y una cantidad relativamente pequeña de carbohidratos. Sin
embargo, las moléculas lipídicas son mucho más pequeñas que las moléculas de proteína, por
lo que por cada molécula de proteína hay alrededor de 50 moléculas de lípidos (véase Figura
11−4).
28
Figura 11−21 Algunas funciones de las proteínas de la membrana plasmática
Las proteínas de membrana realizan muchas otras funciones, además de transportar nutrientes,
metabolitos, o iones a través de la bicapa lipídica. Algunas de ellas unen macromoléculas a la
membrana, a uno u otro lado. Otras actúan como receptores que detectan señales químicas
en el ambiente celular y las transmiten al interior de la célula; otras, como las enzimas, catalizan
reacciones específicas (Figura 11-21; Tabla11-1). Cada tipo de membrana presenta un juego
diferente de proteínas, lo cual refleja las funciones particulares de una membrana
determinada. En esta parte del capítulo discutiremos la estructura de las proteínas de
membrana e ilustraremos las distintas maneras en que se asocian con la bicapa lipídica.
29
Tabla 11−1 Algunos ejemplos de proteínas de membrana plasmática y sus funciones
Clase funcional
Ejemplo de proteínas
Función específica
Transportadores
bomba de Na+
bombea en forma activa Na+ hacia el
exterior y K+ hacia el interior de la célula
Conectores
integrinas
unen los filamentos intracelulares de actina
con las proteínas de la matriz extracelular
Receptores
receptor del factor de crecimiento derivado
de las plaquetas (PDGF)
une el PDGF extracelular y, como
consecuencia,
genera
una
señal
intracelular que provoca que la célula
crezca y se divida
Enzimas
adenilato ciclasa
cataliza la producción de AMP cíclico
intracelular como respuesta a señales
intracelulares
Las proteínas de membrana pueden estar asociadas a la bicapa lipídica de varias
maneras
Las proteínas se pueden asociar a la bicapa lipídica de una membrana celular de tres
maneras principales (Figura 11-22).
1. Muchas proteínas de membrana atraviesan la bicapa lipídica de forma que parte de
su masa se sitúa a cada lado de la membrana (Figura 11−22A). Estas proteínas
transmembrana, al igual que sus vecinas lipídicas, tienen regiones hidrofílicas e
hidrofóbicas. Las regiones hidrofóbicas se sitúan en el interior de la membrana en
contacto con las colas hidrofóbicas de las moléculas lipídicas. Sus regiones hidrofílicas
se hallan expuestas al medio acuoso de ambos lados de la membrana.
30
2. Otras proteínas de membrana se hallan localizadas completamente en el exterior de la
bicapa, unidas a la bicapa únicamente por medio de una o más uniones covalentes con
grupos de lípidos (11−22B).
3. Otras proteínas están unidas de manera indirecta a un lado u otro de la membrana sólo
mediante interacciones con otras proteínas de membrana (Figura 11−22C).
Todas las proteínas de membrana presentan una orientación característica: por ejemplo, una
proteína transmembrana siempre tiene la misma región proteica en contacto con el citosol.
La orientación es una consecuencia de la manera por la que se ha sintetizado la proteína, como
se discute en el Capítulo 14.
Figura 11.22 Distintas formas de asociación de las proteínas de membrana con la bicapa lipídica
(A) Las proteínas transmembrana pueden atravesar la bicapa como hélices α sencillas, como hélices α
múltiples, como láminas β cerradas (barril β).
(B) Otras proteínas de membrana están unidas a la bicapa solamente mediante unión covalente a las
moléculas de lípidos (líneas rojas en zig – zag).
(C) Finalmente, muchas proteínas de membrana están unidas a la membrana mediante interacciones no
covalentes relativamente débiles con otras proteínas de membrana.
31
ACTUALIZACION 3
Tomado de ALBERTS B.Biología molecular de la célula (4ª edición−2004) – Editorial Omega
Varios sistemas de asociación de las proteínas con la bicapa lipídica
Proteínas transmembrana que atraviesan la bicapa:
(1) como una α-hélice única (de paso único).
(2) en forma de múltiples α-hélices (de paso múltiple)
Algunas de estas proteínas de paso único o de paso múltiple están unidas covalentemente a cadenas de ácidos grasos insertados en
la monocapa citoplasmática
(3) en forma de hebra β enrollada (un barrilβ).
Otras proteínas están expuestas sólo a un lado de la membrana:
(4) algunas de ellas están unidas a la superficie citosólica mediante una α hélice anfipática que se une a la monocapa citosólica a
través de la superficie hidrofóbica de la hélice.
(5) otras se encuentran unidas a la BL únicamente a través de su unión covalente a una cadena de lípido (a una cadena de ácido graso
o a un grupo prenil) de la monocapa citosólica
(6) a través de una unión mediante un oligosacárido, a un fosfatidilinositol de la monocapa no citosólica.
Proteínas periféricas
(7) y (8) unidas a través de interacciones no covalentes con otras proteínas de membrana
32
Las proteínas que están unidas directamente a la membrana -ya sean transmembrana o unidas a
lípidos− solamente se pueden disociar de las membranas rompiendo la bicapa lipídica con
detergentes, como se discute más adelante. Estas proteínas se conocen como proteínas
integrales de membrana. Al resto de proteínas se las conoce como proteínas periféricas de
membrana; éstas pueden ser liberadas de la membrana mediante procedimientos de extracción
relativamente suaves que interfieren con las interacciones proteicas pero que mantienen intacta la
bicapa lipídica.
Una cadena polipeptídica habitualmente cruza la bicapa mediante una conformación de
hélice α
Las zonas de una proteína transmembrana que se localizan fuera de la bicapa lipídica están
conectadas unas con otras mediante segmentos especializados de la cadena polipeptídica que
atraviesan la membrana. Estos segmentos, que atraviesan el ambiente hidrofóbico del interior de
la bicapa lipídica, están formados principalmente por aminoácidos cuyas cadenas laterales son
hidrofóbicas. Debido a que estas cadenas laterales no pueden interaccionar con las moléculas
de agua, prefieren el ambiente lipídico, en el que no hay agua.
Sin embargo, al contrario que las cadenas laterales hidrofóbicas, los enlaces peptídicos que
unen los aminoácidos sucesivos de una proteína normalmente son polares, lo cual determina
que el esqueleto polipeptídico sea hidrofilico (Figura 11− 23). Debido a que en la bicapa no hay
agua, todos los enlaces peptídicos de la zona de la cadena que atraviesa la bicapa tienden a
formar enlaces de hidrógeno entre ellos. Este tipo de uniones se hace máximo si la cadena
polipeptídica que cruza la bicapa forma una hélice α regular; se cree que la mayoría de los
segmentos de las cadenas polipeptídicas que atraviesan la membrana se hallan en esta
conformación. En este tipo de hélice α, los aminoácidos hidrofóbicos de las cadenas laterales
están expuestos al exterior de la hélice, donde entran en contacto con las colas hidrofóbicas de
los lípidos, mientras que las distintas partes de] esqueleto polipeptídico forman enlaces de
hidrógeno entre sí en el interior de la hélice (Figura 11−24).
33
Figura 11.23 Enlaces peptídicos
Los enlaces peptídicos (sombreados en gris) que
unen loa aminoácidos adyacentes en una
cadena polipeptídica son polares y pt lo tanto
hidrofilitos δ- indica una carga parcial negativa y
δ+ indica una carga parcial positiva.
Figura 11.24 Un fragmento de una hélice que atraviesa
una bicapa lipídica
Las cadenas laterales hidrofóbicas de los aminoácidos que
forman las hélices α entran en contacto con las colas
hidrofóbicas hidrocarbonadas de las moléculas de
fosfolípido, mientras que las zonas hidrofílicas del esqueleto
polipeptídico forman enlaces de hidrógeno entre ellas, por
el interior de la hélice. Se necesitan aproximadamente 20
aminoácidos para atravesar la membrana de esta forma.
34
La cadena polipeptídica de muchas proteínas transmembrana cruza la membrana una sola vez
(véase Figura 11-22A). Muchas de estas proteínas son receptores de señales extracelulares; su
extremo extracelular se une a la molécula señalizadora, mientras que su porción
citoplasmática transmite la señal hacia el interior celular (véase Figura 11−21).
Otras proteínas transmembrana forman poros acuosos que permiten el paso a través de la
membrana de moléculas solubles en agua. Estos poros no los pueden formar las proteínas que
tienen una sola hélice α transmembrana, uniformemente hidrofóbica. Son necesarias proteínas
transmembrana mucho más complejas, en las que la que la cadena polipeptídica cruza la bicapa
varias veces, como hélice α o como un “barril cerrado” (denominado barril β ) (véase Figura
11−22A). Muchas de estas proteínas tienen una o más regiones transmembrana formadas a
partir de hélices α que contienen aminoácidos con cadenas laterales hidrofilicas y con cadenas
laterales hidrofóbicas. Las cadenas laterales hidrofóbicas yacen en un lado de la hélice,
expuestas a los lípidos de la membrana. Las cadenas laterales hidrofílicas están concentradas en
el otro lado, donde forman parte de un poro hidrofílico creado mediante el empaquetamiento de
distintas hélices que forman un tubo dentro del ambiente hidrofóbico de la bicapa lipídica (Figura
11−25). En el Capítulo 12 se discute cómo actúan estos poros en el transporte selectivo de
pequeñas moléculas solubles en el agua,
Figura 11.25 Formación de un poro hidrofílico
transmembrana mediante varias hélices
En este ejemplo, cinco hélices α transmembrana
forman un canal relleno de agua a través de la
bicapa lipídica.
Las cadenas laterales de
aminoácidos hidrófobicos (verde) en uno de los
lados de cada hélice entran en contacto con las
colas hidrocarbonadas hidrofóbicas, mientras que
las cadena laterales hidrofílicas (rojo) en el lado
opuesto de las hélices forman el poro relleno de
agua.
35
Sin lugar a dudas, la hélice α es la forma más común mediante la cual una cadena
polipeptídica cruza la bicapa lipídica, pero algunas proteínas transmembrana pueden cruzarla en
estructura de lámina β (discutido en el capítulo 5), curvada formando un cilindro en forma de barril
que se abre y cierra, llamado barril β. Como era de esperar, las cadenas laterales de los
aminoácidos que están en contacto con el interior del barril, y por lo tanto forman un canal acuoso,
son principalmente hidrofilicas, mientras que las cadenas laterales hidrofóbicas están en el
exterior, en contacto con el núcleo hidrofóbico de la bicapa lipídica. El ejemplo más
representativo de este tipo de proteínas transmembrana son las proteínas llamadas porinas,
que forman grandes poros llenos de agua a través de la membrana externa de las
mitocondrias y de algunas bacterias, permitiendo el paso de nutrientes y pequeños iones,
pero que impiden la entrada de antibióticos y toxinas. A diferencia de las hélices α, los barriles β
solamente pueden formar canales anchos, puesto que existe un límite en la forma en que la
lámina β puede curvarse para formar el barril (Figura 11-26). Desde este punto de vista, una
lámina β es menos versátil que un conjunto de hélices α.
Figura 11.26 Estructura tridimensional de
una porina de la membrana externa de
una bacteria (Rhodoabacter capsulatus)
determinada por cristalografía de rayos X
La proteína forma una lámina β de 16
cadenas, que se curva sobre si misma
formando un canal transmembrana lleno de
agua. Aunque no se muestra en la figura, las
porinas se asocian de tres en tres formando
trímeros, con tres canales independientes
(Adaptado de S.W. Cowan, Curr. Opin Struct.
Biol.. 3:501-507, 1993)
36
Las proteínas de membrana se pueden solubilizar purificar mediante detergentes
Para comprender totalmente una proteína es necesario conocer con todo detalle su estructura,
lo cual no es fácil en el caso de las proteínas de membrana. La mayoría de procedimientos
bioquímicos han sido diseñados para trabajar con moléculas disueltas en agua o en disolventes
sencillos; sin embargo, las proteínas de membrana están diseñadas para trabajar en un ambiente
que es parcialmente acuoso y parcialmente lipídico: sacarlas de este ambiente y purificarlas
manteniendo su estructura, es un trabajo arduo.
Para estudiar detalladamente una proteína determinada es necesario separarla del resto de
proteínas. Para la mayoría de proteínas de membrana esta primera etapa del proceso de
aislamiento implica la solubilización de la membrana con agentes que destruyen la bicapa lipídica
y rompen las asociaciones hidrofóbicas. Para ello los más útiles son los detergentes, moléculas
parecidas a lípidos, anfipáticas y pequeñas, con regiones hidrofilicas y regiones hidrofóbicas
(véase Figura 11−27). Los detergentes se diferencian de los fosfolípidos de membrana en que
disponen de una sola cola hidrofóbica y, por tanto, se comportan de un modo significativamente
distinto. Debido a su cola hidrofóbica sencilla, las moléculas de detergente adoptan formas más
parecidas a los conos que a los cilindros y en el agua tienden a agregarse en pequeños grupos
llamados micelas, en lugar de formar bicapas más cilíndricas, como los fosfolípidos. Al
mezclarlos en exceso con las membranas, los extremos hidrofóbicos de las moléculas de
detergente se unen a las regiones hidrofóbicas de la zona externa de las proteínas
transmembrana, y también a las colas hidrofóbicas de las moléculas de fosfolípido,
separándolos de las proteínas. Puesto que el otro extremo de la molécula de detergente es
hidrofílico, la unión tiende a disolver las proteínas de membrana en la solución en forma de
complejos detergente-proteína (Figura 11−28). Al mismo tiempo, el detergente solubiliza los
fosfolípidos. L o s complejos proteína−detergente pueden separarse unos de otros y de los
complejos lípido−detergente mediante electroforesis en gel de poliacrilamida con SDS (véase
Capítulo 5).
37
Figura 11−27 Estructura de dos detergentes utilizados
habitualmente
El dodecil sulfato sódico (SDS) es un detergente iónico fuerte
(es decir, que tiene un grupo ionizado en su extremo hidrofílico),
y el Tritón X- 100, es un detergente no iónico suave (es decir,
tiene una estructura no ionizada pero polar en su extremo
hidrofílico).
La porción hidrofóbica de cada detergente se
muestra en verde, y la porción hidrofílica en rojo. Obsérvese
que la zona marcada entre corchetes del Tritón X-100 se repite
unas ocho veces. Los detergentes iónicos fuertes como el SDS,
no sólo desplazan las moléculas lipídicas de las proteínas sino
que también producen un desplegamiento de estas proteínas.
(Véase Panel 5-5, pp. 164-165).
38
Figura 11−28 Utilización de detergentes
suaves como el Tritón X−100 para
solubilizar proteínas de membrana
El detergente rompe la bicapa lipídica e
incorpora la proteína a la solución en
forma de complejos proteína−detergente.
Los fosfolípidos de la membrana también
se solubilizan por acción del detergente.
Como se ilustra en la figura, las moléculas
de detergente tienen forma de cono y
tienden a agregarse formando grupos
llamados micelas
39
Se conoce la estructura completa de muy pocas proteínas de membrana
Mucho de lo que sabemos acerca de la estructura de las proteínas de membrana lo hemos
aprendido a través de medidas indirectas. El método directo estándar para determinar la
estructura proteica se basa en la cristalografía de rayos X (se discute en el Capítulo 5), pero
requiere que la molécula a estudiar adopte una disposición cristalina ordenada, y es muy difícil
lograr que las proteínas transmembrana cristalicen. Sin embargo, hay dos excepciones
notables, la bacteriorrodopsina y el centro de reacción fotosintético; ambas son proteínas de
membrana bacterianas que desempeñan un papel primordial en la captación y utilización de la
energía procedente de la luz solar. La estructura de estas dos proteínas ha revelado exactamente
de qué forma las hélices α cruzan la bicapa lipídica, y también cómo pueden ensamblarse
distintos tipos de moléculas proteicas formando complejos funcionales en una membrana.
La estructura de la bacteriorrodopsina se muestra en la Figura 11−29. Esta pequeña proteína
(de unos 250 aminoácidos) se encuentra en grandes cantidades en la membrana plasmática de la
arqueobacteria Halobacterium halobium, en los pantanos salinos. La bacteriorrodopsina actúa
como una proteína transportadora que bombea H+ hacia el exterior de la bacteria. Este bombeo
necesita energía, y la bacteriorrodopsina capta directamente la energía de la luz solar. Cada
molécula de bacteriorrodopsina contiene una molécula no proteica − llamada retinal − que absorbe
la luz y que le da a la proteína (y a la bacteria) su característico color púrpura. Esta pequeña
molécula hidrofóbica está unida covalentemente a una de las siete hélices α transmembrana de
la bacteriorrodopsina, y está situada en el plano de la bicapa lipídica, completamente
envuelta por estas siete hélices α (véase Figura 11−29). Cuando el retinal absorbe un fotón de
luz, cambia de forma provocando una serie de pequeños cambios conformacionales en la
proteína situada en la bicapa lipídica. Estos cambios dan lugar a la transferencia de un H+
desde el retinal hasta el exterior de la bacteria: el H+ se desplaza a través de la bicapa a lo
largo de una vía de cadenas laterales de aminoácidos polares colocados estratégicamente
(véase Figura 11−29). Entonces, el retinal se regenera captando un H+ del citosol y la
proteína recupera su conformación original, con lo cual el ciclo puede reiniciarse. El resultado de
todo este proceso es la transferencia de un H+ hacia el exterior de la bacteria, lo que disminuye
40
la concentración de H+ en el interior de la célula.
En presencia de luz brillante, miles de moléculas de bacteriorrodopsina bombean H+ hacia el
exterior celular, generando un gradiente de concentración de H+ a través de la membrana
bacteriana. Este gradiente de H+ actúa como almacén de energía, como el agua en una presa:
tal como el agua de una presa puede ser utilizada para generar energía cuando fluye cuesta
abajo a través de una turbina, este gradiente de H+ puede ser utilizado para generar ATP
cuando los H+ regresan hacia el interior de la bacteria a través de una segunda proteína de
membrana, llamada ATP sintasa. Este mismo tipo de ATP sintasa es el que genera la mayor
parte del ATP en las células de las plantas y de los animales, tal y como se discute en el Capítulo
13.
Figura 11−29 Estructura tridimensional
de la molécula de bacteriorrodopsina
La cadena polipeptídica atraviesa la bicapa
de forma de siete hélicesα. Se muestra la
localización del retinal y el camino
probables que siguen los protones durante
el ciclo de bombeo activado por la luz; se
cree que en el proceso de transferencia de
H+ intervienen dos cadenas laterales de
aminoácidos polares, los cuales se
muestran en negro en la figura. Nuestros
ojos también utilizan el retinal para
detectar la luz, y en ellos el retinal también
está unido a una proteína que tiene una
estructura muy parecida a la de la
bacteriorrodopsina.
41
La estructura del centro de reacción fotosintético bacteriano se muestra en la Figura 11−30.
Se trata de un gran complejo proteico formado por cuatro moléculas. Tres de ellas son proteínas
transmembrana; dos (M y L) tienen múltiples hélices α que atraviesan la bicapa lipídica, mientras
que la tercera (H) tiene una sola hélice α. La cuarta proteína (el citocromo) está asociada con
la superficie externa de la membrana, unida a otras proteínas transmembrana. En conjunto, el
complejo proteico actúa como una máquina proteica, captando la energía de la luz absorbida
por las moléculas de clorofila y produciendo electrones de alta energía necesarios para las
reacciones fotosintéticas (véase Capítulo 13). Muchas proteínas de membrana se distribuyen
en grandes complejos; la estructura del centro de reacción fotosintético es el mejor modelo del
que disponemos para otros miles de proteínas de membrana cuyas estructuras desconocemos.
Figura 11−30 Estructura tridimensional del
centro de reacción fotosintético de la
bacteria Rhodopseudomonas viridis
La estructura se determinó mediante análisis
de difracción de rayos X de cristales de este
complejo proteico transmembrana.
El
complejo está formado por subunidades L, H,
M y el citocromo. Las subunidades L y M
forman el núcleo del centro de reacción y cada
una de ellas tiene cinco hélices α que
atraviesan la bicapa lipídica. Las hélices α se
han dibujado en forma de cilindro. En negro
se muestra la localización de varios grupos
transportadores
de
electrones,
unidos
covalentemente a las subunidades proteicas,
excepto el par especial de moléculas de
clorofila que son excitadas por la luz, que se
muestran como rectángulos verde oscuro en el
centro del dibujo.
Obsérvese cómo el
citocromo está unido a la superficie externa de
la membrana solamente a través de su unión a
las subunidades transmembrana (Véase
Figura 11−22C)
42
La membrana plasmática está reforzada por el córtex celular
Una membrana celular por sí misma es extremadamente delgada y frágil. Se necesitarían
aproximadamente 10.000 membranas celulares colocadas unas encima de otras para conseguir
el grosor de esta hoja de papel. Por ello, la mayoría de las membranas celulares están
reforzadas por un esqueleto proteico, unido a la membrana mediante proteínas transmembrana.
En particular, la forma de la célula y las propiedades mecánicas de la membrana plasmática
están determinadas por una red de proteínas fibrosas, llamada córtex celular, que se halla
unida a la superficie citosólica de la membrana.
El córtex celular de los glóbulos rojos sanguíneos humanos es una estructura relativamente
sencilla y regular, con diferencia la mejor comprendida. Estas células son de pequeño tamaño
y presentan una forma bicóncava característica (Figura 11−31).
Figura 11−31 Electrónmicrografia
de barrido de eritrocitos humanos
Las células tienen forma bicóncava
característica y carecen de núcleo y
de otros orgánulos
43
El principal componente del córtex del eritrocito es la proteína espectrina, una varilla larga,
delgada y flexible de aproximadamente 100nm de longitud. Forma una red que proporciona el
soporte para la membrana plasmática y que mantiene la forma de la célula. La red de espectrina
está conectada a la membrana mediante proteínas intracelulares de unión que unen la espectrina
a proteínas transmembrana específicas (Figura 11−32). La importancia de esta red se pone de
manifiesto en ratones y en humanos que presentan anomalías genéticas en la estructura de la
espectrina. Estos individuos son anémicos: disponen de una menor cantidad de eritrocitos y las
células son esféricas en vez de ser bicóncavas, y extraordinariamente frágiles.
Figura 11-32 El córtex celular basado en la espectrina del eritrocito humano.
A) Moléculas de espectrina (junto a un número reducido de moléculas de actina) forman una red que se une a la
membrana plasmática mediante la unión de al menos dos tipos de proteínas (se muestran en azul y en amarillo) a
dos especies de proteínas transmembrana (mostradas en marrón y en verde). La electrómicrografía de (B)
muestra la red de espectrina de la cara citoplasmática del eritrocito. La red de espectrina se ha dibujado estirada
para que se puedan observar los detalles de su estructura; en la célula normal, la trama mostrada debe ocupar
únicamente una décima parte de esta área. (B, por cortesía de T. Byers y D. Branton, Proc. Natl. Acad Sci. USA
82:6153-6157,1985.)
44
En el córtex de la mayoría de nuestras células se encuentran proteínas semejantes a la
espectrina y a sus proteínas de unión asociadas, pero este córtex es mucho más complejo que
el de los eritrocitos. Mientras que los glóbulos rojos necesitan el córtex principalmente para que
les proporcione sustento mecánico mientras son impulsados a través de los vasos sanguíneos,
otras células también necesitan el córtex para poder cambiar de forma activamente y moverse,
tal y como se discute en el Capítulo 16.
La superficie celular está recubierta de carbohidratos
Ya hemos visto cómo muchos de los lípidos de la capa externa de la membrana plasmática
de las células eucariotas tienen azúcares unidos de manera covalente. Esto también es válido
para la mayoría de proteínas de la membrana plasmática. La gran mayoría de estas proteínas
tienen unidas cadenas cortas de azúcares, llamados oligosacáridos; estas proteínas se
denominan glucoproteínas. Otras proteínas de membrana están unidas a una o más cadenas
largas de polisacáridos; son los llamados proteoglucanos. Todos los hidratos de carbono de las
glucoproteínas, de los proteoglucanos y de los glucolípidos se encuentran en una de las caras
de la membrana, el lado no citosólico, donde forman una cubierta de azúcares llamada
glucocáliz (Figura 11−33 A y B).
A
45
B
Figura 11−33
(A) Diagrama simplificado de la cubierta celular o glucocáliz
La cubierta celular o glucocáliz está formada por las cadenas laterales de oligosacáridos de los
glucolípidos y las glucoproteínas integrales de membrana y por cadenas de polisacáridos de
proteoglucanos integrales de membrana. Las glicoproteínas y los proteoglicanos que han sido
secretados por la célula y adsorbidos de nuevo sobre su superficie, también pueden contribuir a
formar el glucocáliz. Se observa que todos los carbohidratos se hallan en la superficie
extracelular (no citosólica) de la membrana plasmática.
(B) Electrónmicrografía de la superficie de un linfocito contrastado con rojo de rutenio para
mostrar la cubierta celular
El glucocáliz ayuda a proteger la superficie celular de las lesiones mecánicas y químicas. Puesto
que los oligosacáridos y los polisacáridos del glucocáliz absorben agua, confieren a la célula
una superficie viscosa. Esto ayuda a las células móviles, como por ejemplo los glóbulos
blancos, a que se deslicen a través de superficies estrechas, e impide que las células
46
sanguíneas se adhieran unas a otras o a las paredes de los vasos sanguíneos.
Sin embargo, los carbohidratos de la superficie celular hacen mucho más que proteger y lubricar
la célula. Juegan un papel muy importante en el reconocimiento célula-célula y en la adhesión
celular. De la misma forma que muchas proteínas reconocen y se unen a un lugar
determinado de otra proteína, algunas proteínas (llamadas lectinas) están especializadas en
reconocer determinadas cadenas de oligosacárido y unirse a ellas. Las cadenas laterales de
oligosacárido de las glucoproteínas y de los glucolípidos, aunque cortas (habitualmente
menos de 15 residuos de azúcar), son extremadamente diversas. A diferencia de las cadenas
polipeptídicas (proteínas), en las que los aminoácidos están unidos de forma lineal y mediante
enlaces peptídicos idénticos (véase Figura 11−23), los azúcares pueden estar unidos de
distintas formas y en secuencias muy variadas, a menudo formando cadenas ramificadas de
oligosacáridos (véase Panel 2-3, pp. 56-57). Solamente con tres grupos de azúcar agrupados
mediante distintas combinaciones de uniones covalentes se pueden formar cientos de trisacáridos
distintos.
En un organismo pluricelular, el glucocáliz puede considerarse como un tipo de vestido diferencial,
como el uniforme de un policía, que es característico de una célula especializada en una función
particular y es reconocido por otras células que han de interactuar con ella. Por ejemplo,
determinados oligosacáridos del glucocáliz intervienen en el reconocimiento de un óvulo por el
espermatozoide. También participan en procesos inflamatorios. Por ejemplo, en las primeras
etapas de una infección bacteriana, los carbohidratos de la superficie de los glóbulos blancos
llamados neutrófilos son reconocidos por una lectina de las células de los vasos sanguíneos
donde se ha producido la infección. Este reconocimiento determina que los neutrófilos se
adhieran a los vasos sanguíneos y migren desde la sangre hasta los tejidos infectados donde
contribuirán en la eliminación de las bacterias (Figura 11−34).
47
Figura 11−34 El reconocimiento de carbohidratos de la superficie celular es la primera etapa
de la migración de los neutrófilos desde la sangre hacia los lugares de infección
Como respuesta a determinadas señales químicas enviadas desde los lugares de infección, las
células que forman los vasos sanguíneos (llamadas células endoteliales) sintetizan proteínas
transmembrana (llamadas lectinas). Estas proteínas reconocen residuos específicos de azúcares
transportados por los glucolípidos y las glicoproteínas de la superficie de los neutrófilos circulantes
de la sangre. Como consecuencia de este reconocimiento, los neutrófilos se fijan a la pared de los
vasos sanguíneos.
Esta asociación no es muy fuerte, pero conduce a otra interacción
proteína−proteína mucho más fuerte (no mostrada en la figura) que ayuda al neutrófilo a migrar
fuera de la sangre atravesando las células endoteliales hacia el tejido infectado.
48
Las células pueden restringir el desplazamiento de las proteínas de membrana
La membrana es un fluido bidimensional, por lo que muchas de sus proteínas, al igual que sus
lípidos, pueden moverse libremente dentro del plano de la bicapa lipídica. Esto se puede
demostrar fácilmente fusionando una célula de ratón con una célula humana, formando una
célula híbrida, y siguiendo la distribución de las proteínas humanas y de ratón de la membrana
plasmática. Inicialmente, las proteínas humanas y de ratón se mantienen confinadas en sus
propias mitades de la célula híbrida formada, pero al cabo de media hora aproximadamente los
dos tipos de proteínas se han mezclado en toda la superficie celular (Figura 11−35).
Figura 11−35 Experimento que demuestra que en células híbridas ratón−humana las proteínas de
membrana se mezclan
Inicialmente las proteínas de ratón y las humanas están confinadas a sus propias mitades de la membrana
plasmática de la célula híbrida recién formada, pero se van mezclando en un corto período de tiempo. Para
detectar las proteínas, dos anticuerpos que se unen respectivamente a las proteínas humanas y a las de ratón se
han marcado con moléculas fluorescentes distintas y se han añadido a las células. Los dos anticuerpos
Sinfluorescentes
embargo, el
de una
membrana
como
un mar dedado
lípidos
el que lasesproteínas
se esquema
pueden distinguir
en un
microscopio
de fluorescencia,
que en
la fluoresceína
verde y la
flotan
libremente
rodamina
es roja. es demasiado sencillo. Las células disponen de diferentes sistemas para
49
confinar determinadas proteínas de membrana en áreas localizadas de la bicapa, dando lugar
de este modo a regiones especializadas funcionalmente, o dominios de membrana, en la
superficie de la célula o de un orgánulo. Algunos de estos sistemas de restringir el
desplazamiento de las proteínas de membrana se resumen en la Figura 11-36.
Figura 11−36 Cuatro sistemas mediante los
cuales se puede restringir la movilidad lateral
de determinadas proteínas de membrana
plasmática
Las proteínas por interacción con agregados
macromoleculares de membrana pueden estar
trabadas del interior (A) o del exterior (B) de la
célula, o pueden interactuar con proteínas de la
superficie de otra célula (C). Finalmente, las
barreras de difusión (se muestran en forma de
barras negras) pueden restringir las proteínas en
un dominio de membrana particular (D)
Las proteínas pueden unirse a estructuras fijas del exterior celular − por ejemplo, a moléculas
de la matriz extracelular (se discute en el Capítulo 19). Las proteínas de membrana también
pueden anclarse a estructuras relativamente inmóviles del interior de la célula, especialmente del
córtex celular (véase Figura 11−32). Por último, las células pueden crear barreras que restrinjan
el desplazamiento de determinados componentes de la membrana a un dominio de
membrana. Por ejemplo, en las células epiteliales del intestino es importante que las
proteínas transportadoras que intervienen en el transporte de nutrientes en el intestino se
encuentren en la cara apical de la célula (la superficie que limita con el contenido intestinal) y
que el resto de proteínas que intervienen en el transporte de solutos desde la célula epitelial hacia
los tejidos y a la sangre se encuentren en las caras basal y lateral de la célula (Figura 11−37).
50
Esta distribución asimétrica de las proteínas de membrana se mantiene debido a la barrera
formada por la línea a lo largo de la cual se unen las células epiteliales adyacentes
mediante un tipo específico de uniones intercelulares llamadas uniones estrechas o estancas.
En este lugar, proteínas de unión especializadas forman un cinturón continuo alrededor de la
célula donde entra en contacto con las células vecinas y sellan el espacio entre las
membranas celulares adyacentes. Las proteínas de membrana no pueden difundir a través de
tales uniones.
En el próximo capítulo, examinaremos las funciones particulares de las -moléculas proteicas
que se encuentran en la superficie transportando moléculas hacia el interior y hacia el exterior de
la célula.
Figura 11−37 Esquema de una célula
epitelial en el que se muestra como una
proteína de membrana plasmática se
halla confinada en un dominio particular
de membrana
La proteína A (en la zona apical de la
membrana) y la proteína B (en la zona
basolateral) pueden difundir lateralmente en
sus dominios de membrana respectivos pero
no pueden entrar en el otro dominio, en parte
debido a una unión celular especial
denominada unión estrecha o estanca)
Tomado y modificado de
ALBERTS B. – BRAY D. – JOHNSON A. – LEWIS J. – RAFF M. – ROBERTS K. – WATSON J.:
Introducción a la Biología Celular 1ª edición, 1999
51