Membrana citoplasmática

A. GENERALIDADES.

Es una envoltura continua que rodea la célula y sirve de frontera periférica. Su aparición fue un paso crucial en el origen de la primera célula.

Se caracteriza porque:

– Define la extensión de la célula y mantiene las diferencias esenciales con el exterior.

– Es un filtro altamente selectivo que mantiene un gradiente de concentración.

– Estructura general común de lípidos y proteínas unidos por enlaces no covalentes.

– Capa muy delgada de 75 A.

El MODELO DEL MOSAICO FLUIDO es el que se acepta actualmente. Fue propuesto por Singer y Nicholson.

Este modelo sostiene que:

– Los lípidos y las proteínas integrales están dispuestas en un mosaico.

– Las membranas biológicas son estructuras fluidas en las que los lípidos y proteínas se mueven por difusión lateral.

– La membrana es una estructura asimétrica en cuanto a todos sus componentes.

Este modelo explica:

– La organización asimétrica de la membrana y su fluidez.

– El transporte de sustancias no solubles en los lípidos, gracias a las proteínas integrales.

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B. COMPOSICIÓN QUÍMICA.

1. MEMBRANA DEL ERITROCITO HUMANO.

La membrana más conocida y más fácil de obtener es la del eritrocito humano. Sí se tratan los eritrocitos con una solución hipotónica que produce hemólisis, se obtienen fragmentos de membrana denominados fantasmas de eritrocitos que pueden ser de dos tipos:

a) Resellados: tras la hemólisis suave se realiza una reunión posterior de la membrana dando una estructura fisiológica. Las vesículas pueden ser

– directas: la misma orientación que en el eritrocito

– invertidas: orientación invertida con respecto al eritrocito

– fantasmas soldados: vesículas grandes.

b) Blancos: se logran por hemólisis drástica. Son útiles para el estudio bioquímico.

2. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE DISTINTAS MEMBRANAS CITOPLASMÁTICAS.

ORIGEN % DE PROTEÍNA % DE LÍPIDO % DE GLÚCIDOS
MIELINA 20 80
CLOROPLASTOS 50 50
MÚSCULO 65 15 20
ERITROCITO 52 40 8
MITOCONDRIA 70 29 1

C. BICAPA LIPÍDICA.

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1. CARACTERÍSTICAS GENERALES.

a) Los lípidos se disponen en una bicapa lipídica que forma una barrera impermeable a las sustancias hidrosolubles. Estos lípidos dan las características a la membrana.

b) Son moléculas anfipáticas (extremo hidrófobo frente al hidrófilo). Cuando estas moléculas anfipáticas se sitúan en ambiente acuoso, orientan su polo hidrofóbico hacia el interior formando micelas esféricas o bicapas lipídicas.

c) Los lípidos que forman la bicapa lipídica son fosfolípidos, colesterol y glicolípidos.

d) El grado de saturación y la longitud de los ácidos grasos que forman los fosfolípidos van a dar las características a la membrana:

– A mayor longitud del ácido graso (AG), mayor rigidez

– A mayor insaturación del AG, mayor fluidez

e) Para realizar estudios experimentales son muy útiles:

– Liposomas: bicapa lipídica esférica de 25 nm de diámetro a 1 micra.

– Membranas negras: bicapa lipídica planar formada a través de un agujero que comunica dos compartimentos acuosos.

2. MOVIMIENTOS DE LOS LÍPIDOS.

– Difusión Lateral: muy frecuente y ocurre uno cada 0.1 segundo.

– Rotación: es el movimiento más frecuente. Gira la molécula alrededor de su eje longitudinal.

– Flexión de la cadena del AG: se produce en el centro de la bicapa.

– Flip- Flop: intercambio de una molécula lipídica de una monocapa a otra. Es el menos frecuente.

3. FLUIDEZ DE LA MEMBRANA LIPÍDICA.

Se denomina fluidez al hecho de difundirse lateralmente los lípidos. Depende de la composición química de la membrana:

a) Grado de insaturación de las cadena de ácidos grasos (AG) de los fosfolípidos (PL). Una bicapa lipídica puede pasar del estado líquido al estado cristalino rígido (gel) en un punto de congelación

característico (Tf). La temperatura a la que se produce el cambio de fase (Tf) es más baja sí:

– Las cadenas de los AG son cortas (menor tendencia a interaccionar unas con otras).

– Tienen dobles enlaces en “cis” (favorecen el desempaquetamiento). Sí los AG tienen muchos dobles enlaces (mayor insaturación), la membrana tendrá mayor fluidez.

Si los AG tienen sus cadenas hidrocarbonadas largas o carecen de dobles enlaces, la membrana será menos fluida y la Tf será más elevada. Los AG saturados aumentan la Tf y disminuyen viscosidad de la bicapa (la membrana es menos fluida).

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b) Presencia de colesterol: es muy abundante en las células eucariotas, y la relación es 1:1 con los PL. Regula la fluidez y aumenta la estabilidad mecánica de la membrana.

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– La molécula de colesterol se une a los fosfolípidos con el OH que hay en posición 3′ (por puente de hidrógeno que forma con los grupos hidroxilos de la cabeza polar de los PL) de manera que el anillo anular se coloca al lado de la cabeza del PL e inmoviliza a la cadena de AG de los PL. Aumenta la estabilidad mecánica.

– Aunque de esta manera el colesterol tiende a hacer menos fluidas las membranas lipídicas, a las altas concentraciones en que se presenta en los eucariotas también impide que las cadenas hidrocarbonadas de los AG se junten y cristalicen. De esta manera, el colesterol inhibe posibles transiciones de fases.

– El colesterol disminuye la permeabilidad de las bicapas lipídicas para las pequeñas moléculas solubles en agua.

– El colesterol aumenta la flexibilidad de la membrana y facilita los cambios de forma de la membrana, ya que el colesterol se puede redistribuir rápidamente entre las dos capas de la membrana (flip-flop).

Se ha comprobado que los anestésicos no específicos como el cloroformo, etanol y éter disminuyen la densidad de la membrana y aumenta su desorden, con lo que se consigue un aumento de fluidez y se altera la permeabilidad de la membrana.

4. DISTRIBUCIÓN ASIMÉTRICA DE LOS LÍPIDOS.

Hay cuatro tipos de fosfolípidos en la membrana celular: fosfatidilcolina, esfingomielina (en este fosfolípido la glicerina ha sido sustituída por un aminoalcohol llamado D-4-esfingenina), fosfatidilserina y fosfatidiletanolamina.

La zona media hidrófoba de la membrana es la que impide el paso de moléculas e iones hidrosulobles. Pero sin embargo sabemos que existen moléculas polares que atraviesan la membrana. Esta propiedad selectiva y especializada del transporte de membrana se deben al componente proteico de las mismas.

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En el eritrocito se ha comprobado que hay una distribución asimétrica de las moléculas que forman la membrana:

CARA EXTERNA – Hay fofolípidos voluminosos con colina (fosfatidilcolina y esfigomielina), junto con el colesterol y glucilípidos.

– Las cadenas de los AG están muy saturadas.

CARA INTERNA – Hay fosfolípidos no voluminosos (fosfatidiletanolamina y fosfatidilserina) que contienen grupos aminos simples.

– Las cadenas de AG están más saturadas.

– La cara interna es algo más fluida que la cara externa y la carga negativa es mayor por la presencia de fosfatidilserina.

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Está asimetría se genera en el REL, que es el punto de síntesis de membranas en general.

5. GLUCOLÍPIDOS.

Son las moléculas lipídicas que presentan una asimetría más marcada. Se sitúan en la cara externa de la membrana, y los grupos azúcar quedan libres en la superficie exterior. Los glucolípidos se sintetizan por adición de grupos azúcar a las moléculas lipídicas en el aparato de Golgi. Constituyen el 5% de los lípidos de la cara externa y varían de una especie a otra o de un tejido a otro.

– Los glucolípidos de bacterias y vegetales derivan del glicerol.

– Los glucolípidos de animales derivan de la esfingosina. Los glucolípidos más abundantes son los neutros (derivados de ceramida), como el galactocerebrósido (principal componente de la mielina).

Los glucolípidos más complejos son los gangliósidos, llevan ácido siálico que proporcionan carga negativa. En las neuronas, pueden llegar a constituir el 5-10% del total de la masa lipídica. Algunas de las funciones son:

– Los glicoesfingolípidos GM1 y GM2 inhiben el crecimiento celular al bloquear la actuación de los factores del crecimiento.

– GM1 en el intestino es el receptor de la toxina colérica.

6. LOS LÍPIDOS DE LA BICAPA.

LÍPIDO HEPATOCITO ERITROCITO MIELINA MITOC. RE E. coli
COLESTEROL 17 23 22 3 6 0
FOSFATIDIL-

ETANOLAMINA

7 18 15 35 17 70
FOSFATIDILSERINA 4 7 9 2 5 Trazas
FOSFATIDILCOLINA 24 17 10 39 40 0
ESFINGOMIELINA 19 18 8 0 5 0
GLUCOLÍPIDOS 7 3 28 Trazas Trazas 0
OTROS 22 13 8 21 27 30

La mayoría de los fosfolípidos son neutros, excepto la fosfatidilserina que tiene carga negativa.

D. PROTEÍNAS DE MEMBRANA.

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1. CARACTERÍSTICAS GENERALES.

a) Representan el componente fundamental de las membranas y determinan sus funciones específicas:

– Transportan moléculas.

– Hacen de puente entre el citoesqueleto y la matriz extracelular.

– Actúan como receptores de señales químicas de medio extracelular.

– Enzimas.

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b) Son moléculas anfipáticas y se pueden insertar en la bicapa lipídica por su zona apolar. Su distribución es asimétrica y refleja la asimetría de RE (lugar de síntesis).

c) Desde el punto de vista morfológico, se pueden clasificar atendiendo a su asociación de las proteínas con los lípidos de la membrana:

Proteínas transmembrana, que atraviesan la membrana lipídica. Son anfipáticas y el carácter apolar puede aumentar por la unión covalente a una o varias cadenas de AG. Estás proteínas pueden ser de paso único o paso múltiple.

Proteínas de membrana que no están integradas en la membrana y sólo están unidas a ésta por enlace covalente con los lípidos o a un oligosacárido que se halla unido a un fosfolípido poco frecuente de la cara externa (fosfatidilinositol).

Unidas por enlaces no covalentes a proteínas transmembrana. Son las proteínas periféricas de membrana y pueden estar a un lado o a otro de ésta.

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d) Las proteínas pueden estar formadas por cadenas lineales o pueden ser globulares y estar plegadas en la membrana.

e) Según la forma de extracción, las proteínas se pueden clasificar en:

Proteínas intrínsecas o integrales (70%): se necesitan procedimientos drásticos para aislarlas, ya que se encuentran íntimamente unidas a los lípidos. Son insolubles en agua y por eso se utilizan detergentes polares (SDS) o apolares (Tritón). Este grupo incluye a las glucoproteínas.

Proteínas extrínsecas o periféricas: se aíslan con facilidad y se encuentran poco asociados a los lípidos. Son solubles con baja concentración de detergente.

f) La estructura molecular de estas proteínas sería:

– Residuos de aminoácidos apolares en la zona de interacción con los AG.

– Atraviesan la membrana con una estructura en alfa hélice (estructura más estable en ambiente hidrófobo).

– Residuos polares en la zona de contacto con el medio acuoso.

2. ESTUDIO DE LAS PROTEÍNAS DE LA MEMBRANA ERITROCITARIA.

El estudio de los fantasmas de eritrocitos mediante PAGE-SDS, ha revelado 15 bandas proteicas diferentes. Tres de ellas representan el 60% de las proteínas totales y son:

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PROTEÍNA CARACTERÍSTICAS
GLUCOFORINA – Se encuentra sobre la superficie externa de la membrana. El extremo N-t esta en el exterior de la célula y tiene una cadena en alfa-hélice que atraviesa la membrana. El extremo C-t está en el citosol.

– El 60% de la molécula corresponde a los carbohidratos que se sitúan en el lado externo y contienen los determinantes antigénicos para los grupos sanguíneos ABO y MN.

– El ácido siálico constituye el 90% de los azucares de la proteína y la confiere carga negativa. Su perdida ocasiona su retirada del torrente circulatorio por los macrófagos del bazo.

– Esta molécula actúa de receptor para el virus de la gripe y para ciertas lectinas.

BANDA 3 – Es una proteína transmembrana de múltiple paso (atraviesa la membrana 10 veces).

– Su función es la de transportar aniones a través de la membrana (Cl- y HCO3) de forma pasiva. En muchas células nucleadas existen proteínas análogas a banda 3 que controlan el pH de la célula.

– Posee movimiento de difusión lateral que contribuye a la fluidez de la membrana.

ESPECTRINA – Se sitúa en la cara interna del eritrocito.

– Está formado por dos cadenas polipeptídicas que se entrelazan (dímeros) que después se asocian en disposición cabeza-cabeza para formar tetrámeros que se hallan unidos formando una red laxa por medio de complejos de unión compuestos por cortos filamentos de actina. Esta red se extiende sobre la cara citosólica de la membrana.

– Interacciona con la proteína banda 3 a través de la anquirina, anclándose en la membrana. También puede estar anclada mediante la proteína banda 4.1 que interacciona con la glicoforina.

– Se considera una elemento del citoesqueleto e intervienen en el mantenimiento de la forma bicóncava de eritrocito.

– En las células nucleadas normales existe una red de citoesqueleto análoga que constituyen la región cortical o CORTEX del citoplasma.

– En las neuronas hay una proteína parecida llamada fodrina, con dos cadenas polipeptídicas. También se ha encontrado en las células gliales.

3. MOVIMIENTOS DE DIFUSIÓN EN EL PLANO DE LA MEMBRANA.

Los linfocitos se han usado para estudiar la movilidad de las proteínas en la membrana. Se ha comprobado que los anticuerpos fluorescentes dirigidos contra proteínas de membrana se agrupan rápidamente formando parches (PATCHING) y finalmente forman un casquete en un polo de la célula (CAPPING). Después hay endocitosis de estas moléculas.

En el eritrocito no se da el fenómeno de capuchón porque las proteínas de membrana están sujetas por el citoesqueleto.

Los componentes del citoesqueleto que intervienen en estos movimientos son:

– Microfilamentos; mueven las proteínas y realizan un control directo.

– Microtúbulos; inmovilizan las proteínas y realizan un control indirecto. La colchicina bloquea el movimiento de las proteínas en la membrana.

E. CARBOHIDRATOS DE MEMBRANAS.

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1. CARACTERÍSTICAS GENERALES.

a) Todas las células tienen una cubierta celular formada por carbohidratos llamada GLICOCALIX. Los H de C tienen distribución asimétrica y se sitúen en la CARA EXTERNA de la membrana. La mayoría de los azucares forman oligosacáridos o polisacáridos unidos covalentemente a proteínas y lípidos, formando glucoproteínas (mayoría) y glucolípidos respectivamente.

b) Existen dos formas de unión de los oligosacáridos a las proteínas:

– Unión N-glucosídica a un residuo de asparragina. El azúcar tiene 14 residuos.

– Unión O-glucosídica a un residuo de serina o treonina. El azúcar tiene 4 residuos.

c) El ácido siálico es uno de los más abundantes y se sitúa en el extremo de la cadena hidrocarbonada, dando carga superficial negativa a la célula eucariota.

Para observar el glicocalix al microscopio se usan distintas tinciones:

Microscopio óptico Microscopio electrónico
Anticuerpos marcados con fluorocromo Rojo rutenio
PAS Ácido fosfotúngstico
Azul de alcián Nitrato de lantano

2. FUNCIONES DE LOS CARBOHIDRATOS DE LA MEMBRANA.

– Anclage y orientación de ciertas glucoproteínas de la sustancia intercelular, como la fibronectina.

– Interviene en el reconocimiento celular.

– Estabiliza la estructura plegada de las proteínas.

– Conduce a las glucoproteínas hacia su destino adecuado.

– Tiene función protectora de la membrana. Acción mecánica y protectora frente a enzimas mucolíticos y proteolíticos (esto no funciona con neuraminidasa e hialuronidasa).

– Da carga negativa a la superficie celular y une calcio.

– Da adhesividad.

– Esta alterado en las células cancerosas.

– Separa las células del tejido conectivo.

3. COMPOSICIÓN.

GRUPO MOLÉCULA
GLUCOLÍPIDOS Galactolípidos (cerosina)
GLUCOPROTEÍNAS Contienen oligosácaridos con glucosa, manosa, fructosa, N-acetil-galactosamina, y en el extremo ácido siálico que da carga negativa.
GLUCOSAMINOGLICANOS Ac. hialurónico, condroitina, dermatan-sulfato.

4. RENOVACIÓN.

Se renueva permanentemente:

– Se elimina por endocitosis

– Se sintetiza en el RER y REL. Viajan a través del aparato de Golgi y de las vesículas de secreción, hasta la membrana plasmática.

El aparato de Golgi equilibra las velocidades de síntesis y degradación.

5. RELACIÓN CON EL MEDIO EXTRACELULAR.

– Exterior a esta cubierta celular, existe una trama imbricada de moléculas extracelulares denominada matriz extracelular. Se encuentra formada por colágeno, elastina y fibronectina ( esta orientada de igual modo que la actina intracelular). Esta matriz esta secretada por las células e influye en la organización y comportamiento de las células a las que rodean.

– La lamina basal es una matriz especializada que contiene colágeno de tipo IV y laminina. Se encuentra debajo de todas las capas celulares, y su función es separar a la célula del tejido conectivo.

F. RECEPTORES DE SUPERFICIE.

Se denomina Rc de superficie a una molécula generalmente proteica, existente en número limitado en la membrana plasmática de determinadas células, que es capaz de reconocer específicamente una molécula mensaje. Como resultado de la interacción aparece un efecto biológico determinado.

1. CARACTERÍSTICAS DE LOS RECEPTORES.

a) Los Rc se sitúan en las células dianas de un órgano específico.

b) Sólo interaccionan con una única molécula-mensaje que se pueden denominar

Agonistas: desencadenan una serie de reacciones. Ej: beta-adrenérgicos.

Antagonistas: interaccionan con el Rc pero no desencadenan ningún efecto biológico. Ej: antihistamínicos.

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2. NATURALEZA DE LAS MOLÉCULAS-MENSAJE.

a) Hormonas elaboradas por órganos endocrinos, viajan por la sangre para actuar en una determinada célula diana.

b) Neurotransmisores: sustancias segregadas en las sinapsis químicas que permiten la transmisión de un impulso nervioso debido a la interacción con el Rc en la célula diana.

c) Factores de crecimiento: sustancias que están en muy baja concentración y son capaces de producir proliferación celular.

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3. EFECTOS EN EL RECEPTOR.

Cuando hay una interacción entre ligando y Rc, el Rc sufre un cambio conformacional que conduce a la formación de una señal intracelular que desencadena la formación de un segundo mensajero.

Segundo mensajero es el compuesto liberado dentro de la célula diana como resultado de la interacción ligando-Rc. El primer mensajero seria el propio ligando. Se conocen diversos segundos mensajeros que actúan por dos mecanismos distintos:

a) Activando o desactivando una enzima ligada a la cara interna de la membrana plasmática, como la adenilciclasa o guanilatociclasa.

b) Abriendo o cerrando canales iónicos de la membrana plasmática que están acoplados a canales de calcio. La apertura de estos canales favorece la entrada de calcio en la célula y favorece la formación del segundo mensajero.

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