La membrana plasmática

LÍPIDOS

Son componentes fundamentales de la membrana (suponen alrededor del 50%) y proporcionan el soporte estructural de la membrana plasmática.

Constituyen una barrera impermeable: sólo deja pasar moléculas que le interesan para el metabolismo. Dentro de los  lípidos:

-Los fosfolípidos son moléculas anfipáticas: constan de una parte hidrofílica (cabeza polar: tiene gran apetencia por el agua) y una parte hidrofóbica formada por ácidos grasos (cola à miedo al agua)

Químicamente, están constituidos por glicerol esterificado con un grupo fosfato (que se une a un grupo alcohólico) y por dos ácidos grasos: uno saturado y otro insaturado (con dobles enlaces

Las diferencias de longitud y grado de saturación son importantes, ya que ambas juegan un papel fundamental en la fluidez de la membrana plasmática:

-Cuanto más cortas sean las cadenas

-Cuanto mayor número de insaturaciones

En las bicapas, las partes hidrofílicas se orientan hacia el exterior (el citoplasma contien agua) y las hidrofóbicas hacia el interior, enfrentadas unas con otras:

Los fosfolípidos más comunes dentro de la bicapa son:

-Fosfatidil colina

-Esfingomielina

-Fosfatidil inositol: desempeña un importante papel en la generación de segundos mensajeros( señalización)

-Fosfatidil etanolamina

-Fosfatidil serina responsable de la carga negativa de la m. interna

fagocitosis: se traslada a la cara externa para reconocer a los macrófagos (en células en procesos de degeneración

-Otro componente muy importante es el colesterol: influye en la fluidez y permeabilidad de membranas plasmáticas (las membranas con mucho colesterol son más impermeables y tienen menos fluidez.

-Otro componente importante pero en menor cantidad son los glucolípidos, que tienen  un importante papel en fenómenos de reconocimiento celular y sólo se localizan en la membrana externa. Destacan:

-Galactocerebrósidos

-Gangliósidos: desempeñan un papel muy importante poseer al final de su cadena de monosacáridos el ácido siálico (NANA), que posee carga negativa. Son, pues, responsables de la carga negativa de la membrana externa en algunas células. Destaca Gm1: receptor de toxina colérica. Además, los gangliósidos intervienen en la recepción del impulso nervioso a través de la sinapsis.

La secuencia final de monosacáridos de los glucolípidos es diferente para cada célula, por lo que constituye un carnet de identidad de la célula: tiene un importante papel en el reconocimiento celular y el la especificidad del grupo sanguíneo (antígenos de histocompatibilidad)

PROTEÍNAS

Las proteínas confieren a la membrana sus funciones específicas, así como sus propiedades fisiológicas

-Las proteínas integrales: se encuentran inmersas en las bicapas lipídicas, atravesándolas. Hay receptores, ATPasa, glicoforina, selectina…

Algunas son de un solo paso (atraviesan la bicapa sólo una vez), otras son multipasos (tienen elevado peso molecular y atraviesan la bicapa varias veces); otras forman canales que permiten el paso de moléculas (como la porina) y que se denominan barriles β; y algunas se localizan en una sola monocapa.

Es posible la integración de esta proteína en la bicapa porque los aminoácidos hidrofílicos se quedan fuera de la bicapa y los aminoácidos hidrofóbicos son atraídos por lípidos de la bicapa y quedan unidos a ella. Es muy importante la proteína de banda 3(se denominan así porque en la electroforesis se queda en la banda 3), encargada de regular el dióxido de carbono desde los tejidos a los pulmones.

-Las proteínas periféricas: no están integradas en la bicapa, sino que se sitúan en el exterior o en el interior. Se unen a lípidos de la bicapa mediante una serie de enlaces.

Destacan la ankirina, proteína 4.1, proteína G y la acetil-colinesterasa.

En la capa interna se localizan las que intervienen en procesos metabólicos; mientras que en la externa están las encargadas de la señalización celular.

Algunas periféricas se unen a proteínas integrales mediantes un enlace no covalente.

Funciones de las proteínas de la membrana:

*   Unión intercelular: las células que forman tejidos se encuentran en contacto directo unas con otras y se unen entre sí mediante modificaciones de sus membranas, denominadas uniones intercelulares. Destacan las cadherinas (uniones estrechas) y las integrinas.

*   Comunicación entre células por medio de canales (conexina)

*   Reconocimiento celular: selectinas

*   Enzimas importantes: adenilato ciclasa

*   Transporatdoras: ATPasa

*   Receptores

*   Canales para permitir el paso de iones importantes (Na⁺, K⁺, Ca⁺²) a través de la membrana plasmática

MODELO DEL MOSAICO FLUIDO

Explica la organización molecular de la membrana plasmática:

-Es un mosaico porque presenta una distribución asimétrica de los componentes (no es igual la capa externa que la interna)

-Es fluido porque los componentes se desplazan lateralmente según la función que vayan a realizar.

*En algunas partes de la bicapa lipídica, suele haber una mayor concentración de lípidos à microdominios lipídicos (balsas lipídicas). La concentración de lípidos favorece la concentración de proteínas, que poseen importantes funciones como ya hemos visto. Los lípidos que forman balsas suelen ser el colesterol y los esfingolípidos.

*Ultraestructura de la membrana: se dice de la membrana que posee una estructura trilaminar, dado que al observarla al microscopio la zona externa correspondiente a las cabezas hidrófilas se ve negra:

Propiedades fisiológicas de la membrana: FLUIDEZ de la membrana

Se llegó a la conclusión de la fluidez de la membrana a través de un experimento. Se utilizó una célula de ratón en un medio de cultivo con una célula humana. A este cultivo se le añadió el virus senday, capaz de cortar las membranas de las células de dos especies distintas y unirlas formando una célula heterocarionte (producida por fusión de células de dos especies diferentes).

A continuación se hizo un experimento inmunocitoquímico: se añadió al medio de cultivo el anticuerpo contra los antígenos de ratón y se marcó con una sustancia fluorescente verde (fluoresceína).Después se incorporaron anticuerpos contra los antígenos de humanos que estaban marcados con otra sustancia fluorescente roja (rodamina).

Posteriormente, se puso este medio de cultivo en estufas. Al observar en el microscopio óptico de fluorescencia, vemos que en un tiempo igual a 0 se observa una célula con la mitad de color verde y la otra mitad de color rojo. Si esperamos un determinado tiempo, sacamos el medio de cultivo de la estufa y observamos en el microscopio, esas células tienen fluorescencia repartida por toda la célula.

Se concluye, pues, que las proteínas integrales se han desplazado por la bicapa, apareciendo una disposición totalmente diferente, lo que indica la fluidez de la bicapa: las proteínas se pueden desplazar a lo largo de la membrana.

FUNCIONES DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA

Difusión simple

1. Intercambio de iones y moléculas

Canales Transportadores

Receptores asociados a proteínas G y enzimas

1. Señalización celular

Receptores asociados a canales iónicos

1. Lugar de anclaje del citoesqueleto
2. Reconocimiento celular
3. Comunicaciones intercelulares

1. Intercambio de iones y moléculas

Las moléculas hidrofóbicas atraviesan fácilmente la membrana por difusión simple (se disuelven fácilmente en las bicapas lipídicas y difunden rápidamente a través de ellas). Estas moléculas son el oxígeno, dióxido de carbono, el nitrógeno, y el benceno.

Las moléculas pequeñas polares no cargadas (como el agua, la urea o el glicerol) atraviesan la membrana por difusión simple, aunque más despacio; las moléculas grandes no.

Ni las moléculas cargadas ni las moléculas polares grandes no cargadas pueden atravesarla. En general, cuando menos insoluble en agua es la molécula y más soluble en aceite (cuanto más hidrofóbica es), más rápidamente difunde a través de la bicapa.

Este tipo de paso a través de la membrana es la difusión simple: no requiere proteínas, no requiere energía y depende de gradiente electroquímico.

Las moléculas grandes polares no cargadas (glucosa, sacarosa) no pueden pasar por difusión simple, ni tampoco los iones. Por ello, han de emplear canales y transportadores (también llamados proteínas transportadoras o permeasas).

Los canales no se unen al soluto, sino que forman poros hidrofílicos que atraviesan la bicapa lipídica; cuando estos poros están abiertos, permiten que determinados solutos puedan pasar a través de él. Así pues, se trata de proteínas integrales que dejan un hueco en su interior, permitiendo el paso de iones inorgánicos de tamaño y carga apropiados (H⁺, Na⁺, K⁺, Ca⁺², Cl^–, Mg²⁺, HCO₃^–). Es un tipo de transporte pasivo (no necesita energía) que se realiza a favor de gradiente electroquímico.

Los canales iónicos no están abiertos continuamente, sino que tienen “puertas” que les permiten abrirse brevemente y volver a cerrarse de nuevo. Se abren en respuesta a un estímulo específico.  Los tipos principales de estímulos que se sabe que causan esta abertura de canales pueden ser: cambios en el voltaje a través de la membrana (canales regulados por voltaje) o la unión de un ligando (canales regulados por ligando):

• Canales regulados por voltaje: algunos canales se abren cuando les llega una corriente eléctrica. El voltaje hace que se produzca un cambio en la carga de la membrana, permitiendo el paso de iones a través del canal hasta que la concentración se iguala a ambos lados de la membrana. Este es muy característico de las neuronas; en ellas, el impulso nervioso hace que se modifiquen las características de la membrana y permita la entrada de iones a través de canales.

• Canales regulados por ligando: otros canales para abrirse necesitan una molécula ligando o señal, que se une al receptor específico de la proteína canal, provocando un cambio conformacional en la estructura tridimensional de la proteína que hace que el canal se abra y permita el paso de iones hasta que se iguale la concentración a los dos lados de la membrana.

Resumiendo: el transporte de  iones a través de canales es un transporte pasivo que no requiere energía, y permite el paso a través del gradiente electroquímico. Se pueden abrir bien mediante voltaje o bien mediante un ligando. Las propiedades que diferencian a los canales de los simples poros acuosos son dos: los canales presentan selectividad  iónica (solo pasan determinados iones con tamaño y carga específica) y no están siempre abiertos.

En el momento en que falla un canal puede haber una grave enfermedad. Así, por ejemplo, la fibrosis quística es una enfermedad provocada por una mutación en el gen que expresa el canal de iones Cl-. Como consecuencia estos iones no pueden pasar y el agua tampoco, por lo que se forma una especie de moco que impide respirar bien y favorece la proliferación de las bacterias.

Los transportadores, sin embargo, se unen al soluto que va a ser transportado específicamente y sufren una serie de cambios conformacionales que permiten su transferencia. Hay dos tipos de trasportadores en función de si necesitan o no energía:

   -Transportadores pasivos: no necesita energía, dado que se realiza a favor de gradiente electroquímico  (que es una combinación del gradiente de concentración y del gradiente eléctrico).

Destaca el transporte pasivo acoplado, que es capaz de facilitar el transporte a dos moléculas distintas. Hay que nombrar el que de glucosa y sodio que se localiza en la membrana intestinal. El transportador tiene dos huecos: uno para que entre un ión (sodio) y otro para que entre una molécula (la glucosa). Se trata de un transporte pasivo, sólo depende de la concentración del producto. Cuando empieza la digestión en el intestino hay una concentración muy alta de glucosa e iones sodio y los transportadores funcionan de acuerdo con el gradiente electroquímico: las moléculas van entrando. Llega un momento en que la concentración en el medio extracelular de glucosa es pequeña, aunque la de sodio se mantiene alta. Por ello, el sodio sigue pasando y la glucosa aprovecha su acoplamiento con el sodio para entrar en la célula (aunque su concentración fuera sea baja).

   -Transportadores activos: se trata de proteínas transportadoras que bombean activamente ciertos solutos a través de la membrana en contra de su gradiente electroquímico (desde donde hay poca concentración a donde hay mucha) y gracias al aporte de energía.

*Los ionóforos son pequeñas moléculas hidrofóbicas que se disuelven en las bicapas lipídicas e incrementan su permeabilidad a determinados iones. Hay dos clases de ionóforos: los transportadores móviles y los formadores de canal. Ambos tipos actúan rodeando la carga del ion transportando para que pueda atravesar el interior hidrofóbico de la bicapa lipídica. Como no están acoplados a fuentes de energía, sólo permiten el transporte de iones a favor de su gradiente electroquímico (transporte pasivo).

2. Implicación en los procesos de señalización celular

La señalización puede ser de tipo endocrino: hormona. Las hormonas se secretan al sistema circulatorio hasta llegar a los diferentes tejidos. Cuando la hormona llega a una célula diana (que tiene el receptor concreto para esa hormona) sale del sistema circulatorio y se une a dicha célula.

La señalización también puede ser de tipo sináptica: mediante neurotransmisores. En el mismo lugar donde se libera éste se encuentra el receptor, mientras que en el caso anterior se encuentra a grandes distancias.

Los receptores son proteínas integrales de la membrana que se caracterizan por su especificidad, dado que sólo se unen a moléculas específicas.

Veamos ahora los receptores asociados a proteínas G+enzimas. La unión molécula-receptor inicia una serie de cambios que hacen que la célula sintetice mensajeros universales como el AMP o el Ca⁺².   Pueden producir: respuesta citoplasmática o cambios de expresión génica.

1. Unión molécula-receptor
2. Cambio estructural del receptor, que se encuentra cerca de la proteína periférica G, en algunos casos están asociados formando un complejo. La activación del receptor por la unión de la señal extracelular cambia su conformación, lo que a su vez altera también la conformación de la proteína G asociada al receptor.  La proteína G se activa y cambia su GDP por GTP.
3.  La proteína G se separa y, gracias a la fluidez de la bicapa lipídica, se desliza hasta que se encuentra con una enzima de la membrana, a la cual activa: adenil ciclasa o fosfolipasa.

*   Cuando la proteína se une a la adenil ciclasa, la activa para que sintetice un mensajero universal de todas las células: AMPc. El AMPc modifica las propiedades bioquímicas de las proteínas de la célula; en función del tipo celular, las células responderán de un modo u otro.

*   Si la proteína G se separa y desliza hasta encontrar el enzima fosfolipasa: se activa el inositol 3P, que se dirige a las cisternas del REL y se une a los canales de calcio, que ante su llegada se abren permitiendo la salida de iones Ca²⁺ . De este modo, se libera gran cantidad de calcio al citoplasma, que actúa como mensajero El calcio se suele llamar mensajero  universal.  Ese aumento de calcio actúa sobre la actividad de las proteínas de la célula y produce una respuesta biológica distinta dependiendo el tipo celular

Ejemplo: hormona del tiroides. Es una célula que tiene el producto de secreción almacenado en vesículas secretoras que no se liberan hasta que no reciben una señal. Cuando la hormona del tiroides recibe una señal, aumenta el número de iones calcio y las vesículas se dirigen cerca de la membrana plasmática, hasta fusionarse con ellas y liberar su contenido.

Así pues, en función del tipo de célula que reciba una misma molécula señal, tendrá una consecuencia u otra sobre la célula. Como, por ejemplo, la adrenalina:

-En el corazón: aumenta la frecuencia cardiaca;

-En una célula hepática: actúa sobre el glucógeno para rendir glucosa.

Receptores asociados a canales iónicos: cuando llega el impulso nervioso al final de axón de una neurona, se produce la liberación de vesículas que contienen neurotransmisores (como la acetil colina); éstos se unen a los receptores de los canales iónicos, provocando su apertura y permitiendo el paso de sodio, lo que modifica el potencial de membrana de la célula diana postsináptica y permite la transmisión del impulso nervioso.

3. Anclaje del citoesqueleto

La membrana plasmática es el lugar de anclaje del citoesqueleto. Gracias a esta asociación es posible que las células tengan forma.

Ejemplo: los glóbulos rojos tienen forma de disco bicóncavo gracias a que el citoesqueleto está unido en determinados puntos  a la membrana plasmática, lo que le confiere cierta elasticidad. De este modo, los glóbulos rojos adquieren forma bicóncava, que es la ideal para resistir el paso por los capilares sin romperse.

Una pequeña mutación en el gen que expresa alguna de las proteínas que intervienen en este anclaje del citoesqueleto a la membrana podría ser la responsable de la esferocitosis (hay varios tipos). La esferocitosis es una enfermedad que consiste en que el glóbulo rojo se hace esférico y no resiste el paso por los capilares, por lo que se rompe y vierte todo su contenido fuera. De este modo, disminuye el número de glóbulos rojos, dando lugar a anemias graves.
El citoesqueleto del eritrocito humano está formado por una red de espectrina. En los puntos de cruce de esta red, encontramos la actina con tropomiosina y aducina.

Esta red de filamentos se puede unir a las proteínas integrales de membrana gracias a proteínas periféricas. Así pues, la proteína banda 4 (proteína intermedia) se asocia a la glucoforina (proteína integral de la membrana). Otro proteína integral de membrana es la proteína de banda 3, que se une a la red de espectrina a través de la anquirina (proteína periférica).

A nada que hay una mutación génica que implique la codificación de las espectrina o de alguna de estas proteínas intermedias, la red no se puede unir a la membrana del glóbulo rojo y éste se hace esférico y, en consecuencia, aparece la enfermedad.

El anclaje del citoesqueleto también tiene importancia en las células musculares: los filamentos de actina se unen a la proteína integral de membrana a través de una proteína periférica: la distrofina. (En las fibras musculares no hay espectrina)

La distrofia muscular es una enfermedad causada por una mutación en el gen que codifica la distrofina. Así pues, la distrofina se sintetiza de manera anómala y es rechazada por las propias células, por lo que al final acaba sin sintetizarse. Hay grados de distrofia en función de la mutación génica, aunque siempre suele ser grave: problemas en la contracción muscular, fallos cardiacos…