La membrana celular

Désmido, un alga carofita unicelular (Netrium).

La composición de la membrana celular
¿Cómo podemos entender cómo se organiza la célula? La aproximación más concreta que tenemos de contestar esta pregunta es a través de un modelo que nos permita explicar lo que vemos en la realidad. El principal problema que surgió una vez que se estableció la existencia de la célula era el esclarecimiento de la naturaleza de la membrana celular.
La principal función y la más evidente de la membrana celular es delimitar el tamaño y forma de la célula, separando su contenido del medio externo. Incluso, durante las escenas que describimos anteriormente, las únicas células con una membrana celular visible y distinguible son las vegetales, mientras que en las células animales no era posible discernir la membrana celular, pero de acuerdo con la teoría celular era hipotetizado que debía existir tal estructura en las células animales.La primera persona en adentrarse en el estudio de la membrana celular fue Moritz Traube (1826-1894), un fisiólogo químico alemán que abordó múltiples áreas de la química de la vida. En 1864, Traube logró crear la primera membrana semipermeable artificial; por aquel entonces era claro que la membrana, que limitaba y separaba la célula de su medio, debía permitir el paso de agua y e nutrientes hacia el interior, por lo que debía ser semipermeable, es decir, permitir el flujo de agua y solutos deseables, pero impedir la entrada de compuestos tóxicos o innecesarios.

Los cristales de ferrocianuro de potasio se colocan en una solución acuosa de sulfato de cobre (izq.) que posteriormente comienzan a crecer (der.).

La confirmación de que era posible obtener membranas de esa naturaleza la obtuvo Traube al crear membranas semipermeables artificiales (o célula de Traube) al mezclar compuestos orgánicos e inorgánicos. Por ejemplo, al colocar pegamento en ácido tánico obtenía burbujas que crecían conforme el agua entraba en su interior; también sucedía lo mismo cuando mezclaba soluciones de cobre con ferrocianuro de potasio, y cuando esta “célula” era colocada en un medio con sulfato de cobre disuelto en agua, comenzaba a crecer y a fragmentarse en burbujas más pequeñas. Dentro de la célula se concentraba el ferrocianuro de cobre, que era incapaz de salir, pero tanto el agua como el sulfato de cobre eran capaces de entrar. Fue así que Traube descubrió los principios de difusión y de ósmosis que explicamos anteriormente. Sin embargo, aunque Traube comprobó la existencia de las membranas semipermeables, no fue capaz de explicar los componentes de la membrana celular e hipotetizó que se trataba de una interacción química entre la fase del protoplasma (interior de la célula) y el fluido extracelular.Gracias a los trabajos de Traube, otros fisiólogos y químicos lograron explicar el proceso de ósmosis que se podía observar en las células vegetales; hacia la segunda mitad del siglo XIX empezaron a surgir los primeros candidatos para componer la membrana celular: los lípidos.

Micrografía electrónica de una
vesícula de lípidos. Las dos bandas
oscuras son las dos capas o membranas
de lípidos que separan el exterior del
interior.

Heinrich Irenaeus Quincke (1842-1922) fue un internista y cirujano alemán, estudiante de Rudolf Virchow en la Universidad de Würzburg. Quincke observó que las células se dividían mediante un proceso de fisión binaria produciendo dos esferas de tamaño menor a la original, y notó que el mismo fenómeno ocurría con las gotas de aceite al estar en un medio acuoso. Fue así que diseñó un experimento para comprobar una hipótesis: “Si las gotas de aceite se comportan como las células, entonces las membranas de aceite deben ser semipermeables”. Tras concluir el experimento confirmó que las gotas de aceite formadas en el agua eran también semipermeables y creó el primer modelo de una membrana celular: una capa de lípidos de no más de 100 nanómetros de grosor.Un modelo es una abstracción de la naturaleza que permite explicar fenómenos semejantes en todos los casos que pretende estudiar, así aunque no se sabía mucho sobre la naturaleza de la membrana, el modelo de Quincke explicaba dos fenómenos el comportamiento celular y la semipermeabilidad, con la causa de la composición, una membrana lipídica.La naturaleza de los lípidos era algo bastante estudiado y tanto Benjamin Franklin como Lord Rayleigh habían descubierto que como producto de la interacción entre el agua y los aceites se formaban capas o películas debido al efecto hidrófobo. Benjamin Franklin (1706-1790) fue un científico estadunidense y un importante político que ayudó a consolidar la Independencia de las Trece Colonias de América del Norte (hoy parte de Estados Unidos de América); Franklin realizó estudios en todas las áreas de la física de aquel entonces y uno de sus intereses más grandes fueron los fenómenos eléctricos. Un día, observando gotas de aceite en un charco, comenzó a estudiar la interacción entre el agua y el aceite que describió como una posible interacción electrostática de repulsión entre ambas fases.Posteriormente, John William Strutt, tercer Barón de Rayleigh (o Lord Rayleigh) fue un físico inglés que descubrió el gas conocido como argón. Este físico repitió el experimento de Franklin en condiciones medibles: colocó una capa de aceite de oliva sobre una tina con agua caliente hasta que toda la superficie se encontró cubierta con lípidos. Luego determinó el grosor de la película lipídica.La historia prosigue con una pionera alemana de la química, Agnes Pockels (1862-1935), quien fue una científica amateur no formal. La ciencia del siglo XIX se mudó a las universidades, que en todo el mundo negaban el acceso a las mujeres. Pockels tuvo acceso a la literatura científica y principalmente a la física gracias a su hermano menor Friedrich Pockels, pero nunca fue una científica con preparación académica. La leyenda cuenta que su interés por la naciente ciencia de las superficies surgió cuando, soltera y sin nadie que cuidara de sus padres enfermos, se encontraba la mayor parte del tiempo lavando platos y cocinando, por lo que empezó a estudiar lo que se conoce como surfactantes, como el jabón y los detergentes. Pockels es reconocida por haber inventado una artesa para medir la tensión superficial del agua y varios surfactantes. En 1891, gracias a la ayuda de Lord Rayleigh, Agnes publica sus trabajos en la revista inglesa Nature e inició una carrera formal en la ciencia de las superficies.Charles Ernst Overton (1865-1933), un fisiólogo y biólogo británico, utilizó los trabajos de Quincke para identificar la barrera que conformaría la membrana celular. Overton descubrió que para que un anestésico funcionara debía ser soluble tanto en agua como en aceite, por lo que interpretó esto como un indicativo de que la sustancia que entraría a la célula debí atravesar una fase lipídica y una fase acuosa; tras varios experimentos, concluyó que la membrana celular debería componerse de una mezcla de lecitina (fosfatidilcolina) y colesterol. Sin embargo, aún no había evidencias experimentales sobre la composición de la membrana.

Alga clorofita del género Spirogyra, llamada así por la distribución en
espiral de los cloroplastos, que se aprecian en esta fotografía.

Entre 1895 y 1900, Overton publicó varios artículos sobre sus estudios con un alga y su pared celular, Spirogyra. Lo que Overton realizó fue un experimento donde colocaba a Spirogyra en una solución hipertónica induciendo a la célula a un estado de plasmólisis (ver apartado 1.2.1.1): en este estadio, la célula reducía su tamaño, pero no así la cubierta externa formada de celulosa. Eso implicaba que la membrana permeable que limitaba el protoplasma era la responsable del proceso de ósmosis y por lo tanto su composición era diferente a la celulosa externa. Sumando este experimento, que descartó a los polisacáridos de componer la membrana, a sus conclusiones sobre las características de solubilidad de los anestésicos, Overton proveyó evidencias de que la membrana era una película de lípidos.Diecisiete años después, el químico y físico estadunidense Irving Langmuir (1881-1957) publicaba un artículo que le catapultaría en 1932 a ganar el Premio Nobel de Química. Langmuir realizó un modelo de la estructura molecular del aceite que consistía en una cadena alifática con un grupo hidrofílico en un extremo (ya fuera un alcohol o un ácido). Hay que hacer una pausa para reflexionar en el punto de la historia en que nos encontramos. Los avances del microscopio permitían empezar a dilucidar con más y más detalle la estructura fina de las células, pero las moléculas estaban completamente fuera del alcance. La estrategia de la química consistía en analizar la composición química de una sustancia a través de reacciones químicas y, hacia principios del siglo XX, con los análisis de la interacción de la radiación (como los rayos catódicos, los rayos gama o la luz) con las substancias (a esto se le conoce como espectroscopia). Una vez que se reunían estos datos, se diseñaban modelos que explicaran las propiedades químicas y físicas así como la estructura.
Entonces, en el tiempo de Langmuir, no había aún un modelo de un lípido como los que se ilustraron anteriormente. El modelo de Langmuir de una cadena hidrofóbica y una cabeza hidrofílica explicaba el fenómeno de la repulsión y la tensión superficial: las cadenas hidrofóbicas se atraían entre ellas y se agrupaban para repeler en conjunto al agua, mientras que las cabezas hidrofílicas interactuaban con el agua en la superficie y formaban así la capa lipídica. El grosor de la película podía ser determinada si se tenía un volumen y área conocido del aceite, que Langmuir midió modificando la artesa inventada por Pockels, que se denomina como artesa Langmuir-Blodgett, nombrado así para honrar también a Katherine Blodgett, física británica y primera mujer en recibir un doctorado de la Universidad de Cambridge (hasta 1926). Blodgett había descubierto que si sobre la artesa uno hacía presión, la capa de una sola molécula de grosor terminaba por convertirse en un acumulo de varias capas.
La membrana celular Omar Rafael Regalado Fernandez se distribuye bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivar 4.0 Internacional. Las imágenes de este apartado se encuentran bajo dominio público a excepción de que se indique lo contrario.
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