2.3.1. Membranas celulares: composición, estructura y funciones.

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 O2, CO2; 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
Eion (37ºC)
+
K
1 : 20
-80 mv
/ hay mucho más fuera que dentro
Na+
10: 1
62 mv
/ Hay mucho más dentro que fuera
++
4
Ca
10 : 1
123 mv
/Hay muchísimos más fuera que dentro
Cl
11.5 : 1
-65 mv
/ Hay mucho más fuera que dentro
PrtTodo 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.