Tema 2. La membrana plasmática
Contenido
Membranas celulares, estructura y funciones.
– Bicapa lipídica: base universal de la estructura de la membrana celular.
– Lípidos de membrana.
– Proteínas de membrana.
– Propiedades de las membranas.
Transporte de molticulas pequeñas a travtis de la membrana.
– Principios de transporte a travtis de la membrana.
– Proteínas transportadores. Transporte pasivo y activo.
– Canales iónicos.
Transporte de macromolticulas y partículas a travtis de la membrana.
– Exocitosis.
– Endocitosis: pinocitosis y endocitosis mediado por receptores.
– Fagocitosis.
La bicapa lipídica: base universal de la estructura de la membrana
celular.
La bicapa lipídica proporciona la estructura básica de todas las membranas celulares. Es
fácil de observar con el microscopio electrónico; su estructura se debe exclusivamente a
las propiedades especiales de las molticulas lipídicas que la forman, que se ensamblan
espontáneamente formando bicapas, incluso bajo condiciones artificiales sencillas.
Los fosfoglictiridos, los esfingolípidos y los esteroles son los principales lípidos de
las membranas celulares.
Las molticulas lipídicas constituyen aproximadamente el 50% de la masa de la mayoría de
las membranas en ctilulas animales y casi todo el resto es proteína. En una sección de
bicapa lipídica de 1 µm x 1 µm hay 5×106 molticulas lipídicas, es decir 109 molticulas
lipídicas en la membrana plasmática de una ctilula animal pequeña. Todas las molticulas
de la membrana plasmáticas son anfifílicas, es decir tienen un extremo hidrofílico o polar y
otro hidrofóbico o no polar.
Los lípidos más abundantes de la membrana son los fosfolípidos. Tienen una cabeza
polar y dos colas hidrocarbonadas hidrofóbicas. Las cuales suelen ser ácidos grasos de
longitud variable, aunque en general de 14 a 24 molticulas de carbono. Una de las colas
normalmente no tiene doble enlaces (insaturada), cada doble cis genera una suave
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curvatura de la cadena. Las diferencias de longitud y de grado de saturación entre las
colas hidrocarbonadas son importantes porque afecten al modo que se empaquetan las
molticulas de fosfolípidos unas contra otras y determinan, por tanto, la fluidez de la
membrana.
Los principales fosfolípidos de la mayoría de membranas son los fosfoglictiridos, que
tienen como esqueleto el glicerol, que tiene 3 átomos de carbono. Dos ácidos grasos de
cadena larga están unidos mediante enlaces tister a 2 átomos de carbono adyacentes al
glicerol, el tercer átomo de carbono está unido a un grupo fosfato, el cual, a su vez, está
unido a uno de entre varios tipos de grupos cabeza. Combinando ácidos grasos diferentes
y grupos cabeza, la ctilula fabrica muchos fosfoglictiridos diferentes. En las membranas
de las ctilulas animales, los principales son la fosfatidiletanolamina, la fosfatidilserina y la
fosfatidilcolina.
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Otro fosfolípido importante, denominado esfingomielina está formada a partir de
esfingosina en lugar de glicerol, la esfingosina es una larga cadena acilo con un grupo
amino (NH2) y dos grupos hidroxilo (OH) en un extremo de la molticula. En la
esfingomielina, una cola de ácido graso está unido al grupo hidroxilo terminal, quedando
por tanto un hidroxilo libre. Este hidroxilo libre contribuye a las propiedades polares del
grupo cabeza adyacente, ya que puede formar enlace de hidrógeno con el grupo cabeza
de un lípido vecino una molticula de agua o una proteína de membrana. En conjunto, las
fosfolípidos fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina y esfingomielina
constituyen más de la mitad de la masa de lípidos de la membrana de la mayoría de
ctilulas de mamíferos.
Además de los fosfolípidos, las bicapas lipídicas de muchas membranas celulares
contienen colesterol y glucolípidos. Las membranas plasmáticas de eucariotas contienen
cantidades especialmente elevadas de colesterol. El colesterol es un esterol. Contiene
una estructura anular rígida a la que se encuentra unido un solo grupo hidroxilo polar y
una corta cadena hidrocarbonada no polar. Las molticulas de colesterol se orientan solas
en la bicapa con su grupo hidroxilo cerca de los grupos polares de las molticulas
adyacentes de fosfolípidos.
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Los fosfolípidos forman bicapas espontáneamente
La forma y la naturaleza anfifílica de las molticulas de fosfolípidos hace que formen
espontáneamente bicapas lipídicas en un entorno acuoso las molticulas hidrofílicas se
disuelven con facilidad en agua, ya que contienen grupos cargados o grupos polares no
cargados que les permiten establecer interacciones electrostáticas o enlaces de
hidrógeno favorables con las molticulas de agua. Por el contrario, las molticulas
hidrofóbicas son insolubles en agua, porque todos o casi todos sus átomos no presentan
carga o son no polares, por lo que no pueden crear interacciones favorables
energtiticamente con el agua. Si se dispersan en agua fuerzan a las molticulas de agua
adyacentes a reorganizarse alrededor de las molticulas hidrofóbicas formando una
especie de entramado similar al hielo. Dado que en estos entramados las molticulas de
agua se encuentran más ordenadas que en el agua que los rodea, su formación
incrementa la energía libre. Sin embargo, este coste de energía libre se reduce si las
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molticulas hidrofóbicas (o las proporciones hidrofílicas de las molticulas anfifílicas) se
agregan entre si, reduciendo el mínimo el número de molticulas de agua afectadas.
Las regiones hidrofóbicas e hidrofílicas de las molticulas lipídicas se comparten de esta
misma forma. Así, las molticulas lipídicas se agregan espontáneamente de manera que
sus colas hidrofóbicas se esconden en el interior del agregado y sus cabezas hidrofílicos
queden expuestas al agua. Dependiendo de cual sea su forma, pueden conseguir esta
disposición de una de estas dos maneras, pueden formar micelas esftiricas, con las colas
hacia el interior, o pueden formar láminas de dos capas o bicapas, con las colas
hidrofóbicas escondidas entre dos capas de cabezas hidrofílicas.
Debido a su forma cilíndrica, en un entorno acuoso la mayoría de los fosfolípidos de
membrana forman espontáneamente bicapas. En esta distribución más favorable desde
un punto de vista energtitico. Las cabezas hidrofílicos están en contacto con el agua en la
superficie de la bicapa, y las colas hidrofóbicas están protegidas del agua en el interior de
la estructura. Las mismas fuerzas que impulsan a los fosfolípidos a formar bicapas les
confieren propiedades de autosellado. Una pequeña rotura de la bicapa crea un extremo
libre en contacto con el agua; los lípidos tienden a reorganizarse de forma espontánea y
eliminen este extremo libre energtiticamente desfavorable. (En las membranas de las
ctilulas eucariotas,, los grandes “desgarrones” son reparados mediante la fusión de
vesículas intracelulares). El hecho de que no pueden existir extremos libres tiene una
consecuencia importante: la única manera de que una bicapa lipídica pueda evitar tener
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extremos libres es cerrándose sobre si misma y formar un compartimento sellado. Este
notable compartimento es fundamental para la creación de una ctilula viva, es una
consecuencia directa de la forma y la naturaleza anfifílica de las molticulas de fosfolípidos.
Además de esta propiedad de autosellado, las bicapas lipídicas tienen otras
características que hacen de ellas una estructura ideal para constituir las membranas
celulares. Una de las más importantes es su fluidez, que es crucial para muchas
funciones de la membrana.
La bicapa es un fluido bidimensional
Hacia la dticada de 1970, los investigadores reconocieron por primera vez que las
distintas molticulas lipídicas pueden difundir libremente dentro de las bicapas lipídicas. La
demostración inicial procede de unos estudios sobre las bicapas lipídicas sinttiticas. En
estas han resultado muy útiles 2 tipos de proporciones:
1. Las bicapas producidas en forma de vesículas esftiricas: denominadas
liposomas con un tamaño entre 25 nm y 1 mm de diámetro.
2. Las bicapas planas denominadas membranas negras, formadas a travtis de un
agujero situado en una separación entre dos compartimentos acuosos.
Se han utilizado diversas tticnicas para medir el desplazamiento de las molticulas lipídicas
y de sus componentes. Por ejemplo, se puede construir una molticulas lipídica con un
colorante fluorescente o una pequeña partícula de oro unida a su grupo cabeza polar y
seguir la difusión de cada molticula individual en una membrana. Otra opción es modificar
un grupo cabeza para que contenga una “marca de espín”, tal como un grupo nitroxilo,
que contiene un electrón desapareado cuyo espín genera una señal paramagntitica que
se puede medir mediante espectroscopia de resonancia de espín electrónico. Mediante el
espectro ESR se puede medir el movimiento y la orientación de un lípido marcado dentro
de una bicapa. Estos estudios denmuestran que las molticulas fosfolípidos de las bicapas
artificiales raras veces migran de un lado a otro de la monocapa (tambitin denominada
una hoja). Este proceso, denominado “flip-flop”, se produce menos de una vez al mes en
cualquier molticula lipídica, aunque el colesterol es una excepción ya que puede saltar por
flip-flop rápidamente de una cara a otra de una bicapa. Por el contrario, las molticulas
lipídicas intercambian con facilidad su lugar con el de las molticulas vecinas dentro de
cada monocapa. Este fenómeno da lugar a una rápida difusión lateral, con un coeficiente
de difusión de aproximadamente 10-8 cm2/segundo, lo cual significa que una molticula
lipídica promedio difunde en la longitud de una gran ctilula bacteriana en cerca de 1
segundo. Además, estos estudios indican que las molticulas lipídicas de las membranas
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están muy desordenadas presentando una superficie irregular formada por grupos de
cabeza orientados y espaciados de forma variada hacia la fase acuosa a cada lado de la
bicapa.
Estudios de movilidad similares con molticulas lipídicas marcadas en membrana
biológicas aisladas.y en ctilulas vivas han proporcionado resultados similares a los de las
bicapas artificiales. Demuestran que el componente lipídico de las membranas biológicas
en un líquido bidimensional en el que las molticulas que las constituyen son libres de
desplazarse lateralmente. Como en las bicapas sinttiticas, las molticulas de. fosfolípidos
se hallan confinadas en su propia monocapa. Este confinamiento constituye un problema
para su síntesis. Los fosfolípidos sólo son sintetizados en una de las monocapas de las
membranas, la monocapa citosólica de la membrana del retículo endoplasmático. Si
ninguna de estas molticulas reictin sintetizadas pudiera migrar en un tiempo razonable
hacia la monocapa no citosólica, no se podría construir más bicapa lipídica.
La fluidez de una bicapa lipídica depende de su composición
La fluidez de las membranas celulares que ser regulada con precisión. Algunos procesos
de transporte y algunas actividades enzimáticas, por ejemplo, pueden detenerse cuando
la viscosidad de la bicapa se incrementa experimentalmente más allá de un nivel umbral.
La fluidez de una bicapa lipídica depende tanto de su composición como de su
temperatura, como se ha demostrado por estudios en bicapa sinttiticas. Una bicapa
sinttitica, producida a partir de un único tipo de fosfolípido, pasa de un estado líquido. aun
estado cristalino rígido (o gel) en un punto de congelación característico. Este cambio de
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estado recibe el nombre de transición de fase; la temperatura a la que se produce es más
baja (es decir, la membrana resulta más difícil de congelar) si las cadenas
hidrocarbonadas son cortas o tienen dobles enlaces cis. Una menor longitud de la cadena
reduce la tendencia de las colas hidrocarbonadas a interaccionar entre sí, tanto entre
fosfolípidos de la misma capa como de la capa opuesta, y los dobles enlaces cis producen
pliegues en las cadenas hidrocarbonadas que dificultan su empaquetamiento, de forma
que las membranas permanecen fluidas a temperaturas más bajas. Bacterias, levaduras y
otros organismos cuyas temperaturas fluctúan con la de su entorno, controlan la
composición de los ácidos grasos de sus lípidos de membrana manteniendo una fluidez
relativamente constante. En caso de que la temperatura disminuya, las ctilulas de estos
organismos sintetizan ácidos grasos con más dobles enlaces cis, de manera que evitan
una ptirdida de fluidez de la bicapa por efecto de la disminución de la temperatura.
El colesterol modula las propiedades de las bicapas lipídicas. Cuando se mezcla con
fosfolípidos incrementa las propiedades de barrera permeable de la bicapa lipídica. Se
inserta en la bicapa con su grupo hidroxilo próximo a las cabezas polares de las
molticulas de fosfolípidos de forma que su anillo esteroideo, plano y rígido, interactúa con
-y en parte inmoviliza- las regiones de las cadenas hidrocarbonadas que están más
próximas a los grupos polares de la cabeza. El colesterol disminuye la movilidad de los
primeros grupos CH2 de las cadenas hidrocarbonadas de las molticulas de fosfolípidos;
este hecho provoca que la bicapa lipídica sea menos deformable en esa región y se
reduzca su permeabilidad a pequeñas molticulas solubles en agua. A pesar de que el
colesterol condensa el empaquetamiento de los lípidos de una bicapa, no hace que la
membrana sea menos fluida. A las elevadas concentraciones a las que se presenta en la
mayoría de las membranas plasmáticas de las ctilulas eucariotas, el colesterol tambitin
impide que las cadenas hidrocarbonadas se junten y cristalicen.
En la tabla de a continuación se compara la composición lipídica de distintas membranas
biológicas. Obstirvese que a menudo las membranas plasmáticas bacterianas están
compuestas principalmente por un único tipo de fosfolípido y no contiene colesterol; su
estabilidad mecánica está asegurada por la pared celular que las recubre. En las arqueas,
los lípidos contienen cadenas prenilo de 20-25 átomos de longitud en lugar de ácidos
grasos. Las cadenas prenilo tienen una flexibilidad y unas características hidrofóbicas
similares a las cadenas de ácidos grasos. Así, las bicapas lipídicas pueden estar
formadas por diferentes diseños moleculares pero tener características similares. La
composición de la membrana plasmática de la mayoría de las ctilulas eucariotas es más
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variada que la de los procariotas y las arqueas, ya que no sólo contienen grandes
cantidades de colesterol, sino tambitin una mezcla de diferentes fosfolípidos.
El análisis de las membranas lipídicas mediante espectrometría de masas ha revelado
que la composición lipídica de una membrana celular típica es mucho más compleja de lo
que inicialmente se había creído. De acuerdo con estos estudios, las membranas están
compuestas por una extraordinaria variedad de especies lipídicas diferentes (entre 500 y
1000). Parte de esta complejidad refleja las variaciones combinatorias de grupos de
cabeza, longitudes de cadenas hidrocarbonadas y grados de insaturación de las
principales clases de fosfolípidos, pero las membranas tambitin contienen muchos lípidos
menos frecuentes y estructuralmente diferentes, al menos algunos de los cuales tienen
funciones importantes. Por ejemplo, los fosfolípidos de inositol están presentes en
cantidades pequeñas pero desempeñan funciones cruciales regulando el tráfico a travtis
de la membrana y la señalización celular. Su síntesis y destrucción locales están
reguladas por un elevado número de enzimas, que dan lugar a pequeñas molticulas señal
intracelulares y a lugares lipídicos de unión sobre las membranas que reclutan
específicamente proteínas del citosol.
A pesar de su fluidez, las bicapas lipídicas pueden formar dominios de composición
diferente
Dado que una bicapa lipídica es un fluido bidimensional, podríamos esperar que la
mayoría de los diferentes tipos de molticulas lipídicas presentes en ella se encontrarán
distribuidas al azar mezcladas unas con otras en cada monocapa. Las fuerzas de
atracción de van der Waals entre las colas hidrocarbonadas adyacentes no son lo
bastante selectivas para mantener unidos grupos de molticulas de fosfolípidos. Sin
embargo, con ciertas mezclas lipídicas, diferentes molticulas lipídicas pueden permanecer
juntas transitoriamente generando una mezcla dinámica de parches de diferente dominio.
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En bicapas lipídicas sinttiticas compuestas de fosfatidilcolina, esfingomielina y colesterol,
las fuerzas de van der Waals entre las largas cadenas hidrocarbonadas saturadas de las
molticulas de esfingomielina podrían ser bastante fuertes para mantener unidas de forma
temporal a las molticulas adyacentes.
Se han producido un largo debate entre científicos sobre si las molticulas lipídicas de la
membrana plasmática de las ctilulas animales pueden ensamblarse transitoriamente
formando dominio especializados, denominados bolsas lipídicas. Cierran regiones
especializadas de la membrana plasmática como es el caso de las caveolas que
participan en la endocitosis están enriquecidas en esfingolípidos y colesterol y parece que
las proteínas específicas que se ensamblan en ellos pueden ayudar a estabilizar estas
balsas. Dado que las cadenas hidrocarbonadas de los esfingolípidos son más largas y
más rectas que las de los otros lípidos de membrana, los dominios lipídicos son más
gruesos que otras zonas de la bicapa.y pueden acomodar mejor ciertas proteínas de
membrana. Así, la segregación lateral de proteínas y lípidos en dominios lipídicos o balsas
podría ser, en principio, un proceso mutuamente estabilizante. De esta forma, las balsas
lipídicas facilitan la organización de las proteínas de membrana concentrándolas para
transportarlas en vesículas de membrana, o para que trabajen juntas en ensamblajes
proteicos, como cuando transforman señales extracelulares en intracelulares.
Las gotas lipídicas están envueltas por una monocapa de fosfolípidos
La mayoría de las ctilulas almacenan su exceso de lípidos en gotas lipídicas, de donde
se pueden recuperar como bloques de construcción para utilizarlos en la síntesis de
membranas o como fuentes de energía. Las ctilulas adiposas, tambitin denominadas
adipocitos, están especializadas en el almacenamiento de lípidos. Contienen un elevado
número de gotas lipídicas a partir de las cuales se pueden liberar ácidos grasos a
demanda y ser exportados a otras ctilulas a travtis de la sangre. Las gotas lipídicas
almacenan lípidos neutros, como son los triacilgliceroles y los tisteres de colesterol,
sintetizados a partir de los ácidos grasos y colesterol por enzimas de la membrana del
retículo endoplasmático. Dado que estos lípidos no contienen grupos hidrofílicos, son
molticulas exclusivamente hidrofóbicas, que se agregan formando gotas tridimensionales
en lugar de bicapas.
Las gotas lipídicas son orgánulos especiales por el hecho de que están envueltos por una
sola monocapa de fosfolípidos que contiene una elevada variedad de proteínas. Algunas
de estas proteínas son enzimas que participan en el metabolismo lipídico, pero la función
de la mayoría de ellas es desconocida. Cuando las ctilulas se exponen a elevadas
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concentraciones de ácidos grasos se forman rápidamente estas gotas lipídicas, a partir de
discretas regiones de la membrana del retículo endoplasmático donde se concentran
muchas enzimas del metabolismo lipídico.
La asimetría de la bicapa lipídica es importante para su función
En muchas membranas, la composición lipídica de las dos monocapas de la bicapa
lipídica es marcadamente diferente entre si. Por ejemplo, en la membrana del glóbulo rojo
humano en la monocapa exterior de la bicapa lipídica se encuentran la mayoría de las
molticulas de fosfolípidos que tienen colina en su grupo de cabeza (fosfatidilcolina y
fosfatidilserina) mientras que en la monocapa interior se encuentran la mayoría de las que
contienen un grupo amino primario terminal (fosfatidiletanolamina y fosfatidilserina). Así, la
fosfatidilserina, de carga negativa, está localizada en la monocapa interior, por lo que
existe una importante diferencia de carga entre las dos mitades de la bicapa.
La asimetría de los lípidos es importante desde el punto de vista funcional, especialmente
para transformar las señales extracelulares en señales intracelulares. Muchas proteínas
citosólicas se unen a un grupo de cabeza de un lípido determinado en la monocapa
citosólica de la bicapa lipídica. Por ejemplo, la enzima proteína quinasa C (PKC) se activa
como respuesta a varias señales extracelulares. Se une a la cara interna de la membrana
plasmática donde se concentra la fosfatidilserina y, además, para ser activa necesita este
fosfolípido cargado negativamente.
En otros casos, determinados grupos cabeza de fosfolípidos deben ser previamente
modificados y generar lugares de unión a proteínas en ciertos momentos y lugares de la
membrana. Por ejemplo, el fosfatidilnositol es un fosfolípido minoritario que se concentra
en la monocapa citosólica de la membrana celular. Un variado grupo de quinasas de
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lípidos pueden añadir grupos fosfato en varias posiciones en el anillo inositol, generando
sitios de unión que reclutan hacia la membrana determinadas proteínas del citosol. Un
ejemplo importante de quinasa de lípidos es la fosfatidilnositol 3-quinasa, que se activa en
respuesta a señales extracelulares y ayuda a reclutar, en la cara citosólica de la
membrana plasmática, proteínas de señal intracelulares. Otras quinasas de lípidos
similares fosforilan fosfolípidos de inositol en las membranas intracelulares y facilitan la
captura de proteínas implicadas en el transporte de membrana.
Los fosfolípidos de la membrana plasmática tambitin actúan de otra manera
transformando señales extracelulares en intracelulares. La membrana plasmática contiene
varias fosfolipasas, que tras se activadas por señales extracelulares, cortan
específicamente ciertas molticulas de fosfolípidos, produciendo fragmentos que actúan
como mediadores intracelulares de vida corta. Por ejemplo, la fosfolipasa C, corta un
fosfolípido de inositol en la monocapa citosólica de la membrana plasmática y produce
dos fragmentos, uno de los cuales permanece en la membrana plasmática favoreciendo la
activación de la proteína quinasa C, mientras que el otro es liberado al citosol y estimula
la liberación de ion calcio desde el retículo endoplasmático.
Los animales aprovechan la asimetría de fosfolípidos de sus membranas para distinguir
