Modelos de la estructura de membrana: una perspectiva experimental Hasta que no se aplicó la microscopía electrónica para el estudio de la estructura celular, a principios de la década de 1950, nadie había visto nunca una membrana. Hasta ese momento, las evidencias indirectas habían conducido a los biólogos a postular la existencia de membranas mucho antes de que se hubieran podido ver en realidad. De hecho, los investigadores habían tratado de entender, durante más de un siglo, la organización molecular de las membranas. Las células contienen muchos tipos de membranas diferentes, por esta razón, ha supuesto un gran esfuerzo encontrar las características estructurales comunes a todas ellas. Sin embargo, valió la pena el intenso esfuerzo realizado en investigación ya que condujo al modelo de la estructura de membrana del mosaico fluido. Este modelo, del que ahora se piensa que sirve para describir a todas las membranas biológicas, imagina a la membrana como dos capas de lípidos bastante fluidas, con proteínas localizadas dentro y sobre las capas lipídicas y orientadas de forma específica con respecto a las dos superficies de membrana. Probablemente en el futuro, el modelo del mosaico fluido se redefinirá ya que las capas de lípidos se están convirtiendo en algo mucho más complejo de lo que inicialmente se pensó. Sin embargo, el modelo básico tal y como se imagina hoy en día es, casi con certeza, correcto. Antes de mirar el modelo en detalle, describiremos alguno de los experimentos principales que han conducido hasta esta visión de la función y de la estructura de la membrana. A medida que lo hacemos, puede profundizar sobre cómo se han realizado esos descubrimientos, así como conocer todos los aspectos de la diversidad de enfoques y técnicas que son necesarios para el avance del entendimiento de un fenómeno biológico. La Figura 7.3 muestra la cronología de los estudios sobre la estructura de la membrana, que comenzó aproximadamente hace un siglo con el entendimiento de que las capas de lípidos forman parte de la estructura de la membrana y finalmente nos llevan al conocimiento actual en el que se considera a las membranas como mosaicos fluidos. Consulte la Figura 7.3 cuando lea la siguiente sección. Figura 7.3 Cronograma del desarrollo del modelo de mosaico fluido El modelo de mosaico fluido de estructura de membrana propuesto por Singer y Nicholson en 1972 fue la culminación de unos estudios que se remontan a 1890 y que habían sido redefinidos d manera muy significativa por estudios posteriores. Overton y Langmuir: los lípidos son componentes importantes de la membrana Un buen punto de partida para esta revisión experimental es el trabajo pionero de Charles Overton hacia 1890. Trabajando con células de raíces aéreas de plantas, observó que las sustancias solubles en lípidos penetran fácilmente en las células, mientras que las solubles en agua, no. En realidad él encontró una buena correlación entre la naturaleza lipofílica de una sustancia («amante de lípidos») y la facilidad con la que puede entrar en las células. De estos estudios Overton concluyó que los lípidos presentes en la superficie celular son una especie de «cubierta» (Figura 7.3a). Él incluso sugirió que las cubiertas celulares son probablemente una mezcla de colesterol y lecitina, lo que se comprobó que era claramente previsible en base a lo que ahora conocemos sobre la importancia de los esteroles y lípidos como componentes de la membrana. Un segundo e importante avance vino una década después mediante el trabajo de Irving Langmuir, que estudió el comportamiento de fosfolípidos purificados disueltos en benceno y produjo capas de esa solución de benceno y lípidos sobre una superficie acuosa. Cuando el benceno se evapora, las moléculas permanecen como una lámina de lípidos de una molécula de ancho —que se denomina “monocapa”—. Langmuir sabía que los fosfolípidos son pailas anfipáticas que poseen tanto regiones hidrofílicas como hidrofóbicas (véase Figura 2.11 para ilustrar los grupos de las cabezas polares y las «colas» no polares de las moléculas de fosfolípidos). Él razonó, que los fosfolípidos se orientan sobre el agua de forma que sus cabezas hidrofíIicas están en contacto con el agua y que sus colas hidrofóbicas sobresalen del agua (Figura 7.3b). La monocapa lipídica de Langmuir fue la base que permitió nuevos estudios le la estructura de la membrana en los primeros años del siglo XX. Gorter y Grendel: la base de la estructura la membrana es una bicapa lipídica El siguiente avance importante se produjo en 1925 cuando dos fisiólogos holandeses E. Gorter y F. Grendel leyeron los bajos de Langmuir y pensaron que este enfoque podría ayudar a contestar una cuestión referente a la membrana los glóbulos rojos, o eritrocitos, con los que ellos trabajaban. Los trabajos iniciales de Overton habían mostrado la presencia de una cubierta lipídica en la membrana celular. ¿Pero cuántas capas lipídicas están presentes en la cubierta? Para contestar a esta pregunta Gorter y E Grendel extrajeron los lípidos de un número conocido de eritrocitos usaron el método de Langmuir para expandir los lípidos en una superficie acuosa. Encontraron que el área de la superficie de los lípidos sobre el agua era aproximadamente dos veces el área de las membranas de los eritrocitos, por lo que concluyeron que la membrana plasmática de los eritrocitos no consiste en una, sino en dos capas de lípidos. (Como se descubrió después, Grendel y Gorter cometieron dos errores, subestimaron un tercio del área superficial de glóbulos rojos y un tercio de la cantidad de lípidos presentes en su membrana plasmática. Más aún, no tuvieron en cuenta la porción significativa que ocupan las proteínas de membrana de los glóbulos rojos. Sin embargo, afortunadamente esos errores se abolieron uno con otro, por ella la conclusión de Gorter y Grendel fue correcta aunque sus datos no. Para tener una oportunidad de repetir sus cálculos y descubrir la fuente de sus errores, véase Problema 7.3 al final del capítulo. Hipotetizando la existencia de una estructura de bicapa, Gorter y Grendel razonaron que sería favorable termodinámicamente que las cadenas hidrocarbonadas no polares estuvieran hacia el interior, fuera del medio acuoso que aparece a ambos lados de la membrana. Los grupos polares hidrofílicos de cada capa estarían dirigidos hacia el exterior, hacia el entorno acuoso que existe a cada lado de la membrana (Figura 7.3c). Sus experimentos y conclusiones fueron temporales ya que este trabajo representó el primer intento para entender las membranas desde el punto de vista molecular. Más aún, la bicapa lipídica que ellos imaginaron llegó a ser la base de cada ajuste sucesivo en el entendimiento de la estructura de la membrana. Davson y Danielli: las membranas también contienen proteínas Poco después de que Gorter y Grendel propusieran el modelo de bicapa en 1925, quedó claro que una característica importante de la estructura de la membrana era que se trataba de una bicapa lipídica simple, sin embargo este hecho, no podía explicar todas las propiedades de la estructura de la membrana, particularmente todas aquéllas relacionadas con la tensión superficial, permeabilidad a los solutos y resistencia eléctrica. Por ejemplo, la tensión superficial de una película lipídica fue significativamente mayor que la de las membranas celulares pero ésta se podía bajar añadiendo proteínas a la película lipídica. Más aún, azúcares, iones y otros solutos hidrofílicos se movían hacia dentro y hacia fuera de las células mucho más fácilmente de lo que se podía explicar por la permeabilidad a las sustancias solubles en agua de las bicapas lipídicas puras. Para explicar estas diferencias, Hugh Davson y James Danielli imaginaron la presencia de proteínas en las membranas proponiendo en 1935 que las membranas biológicas consisten en una bicapa lipídica que están recubiertas en ambos lados con finas láminas de proteínas (Figura 7.3d). De manera que el modelo original de Davson y Danielli era en esencia el «modelo sándwich» de proteína-lípido-proteína. Su modelo fue la primera representación detallada de la organización de la membrana, que imperó en el pensamiento de los biólogos celulares en las décadas siguientes. El modelo original fue modificado posteriormente para acomodar los descubrimientos posteriores. Particularmente notable fue la sugerencia, hecha en 1954, de que las proteínas hidrofílicas podían atravesar la membrana y formarían poros polares en lo que anteriormente era una bicapa hidrofóbica. Esas proteínas podían cambiar la permeabilidad y las propiedades de resistividad de la membrana, que no podían ser explicadas fácilmente en términos de la existencia de una bicapa lipídica solamente. Específicamente, el interior lipídico responsable de las propiedades hidrofóbicas de la membrana y los componentes proteicos explican sus propiedades hidrofílicas. La importancia real del modelo de Davson-Danielli, sin embargo, fue el reconocimiento de la importancia de la presencia de proteínas en la estructura de la membrana. Esta característica, más que cualquier otra, hizo que el modelo de sándwich de Davson-Danielli fuera la base para la mayoría de la investigación posterior sobre la estructura de la membrana. Robertson: todas las membranas comparten una estructura subyacente común Todos los modelos de membrana tratados hasta el momento se desarrollaron mucho antes de que nadie hubiera visto una membrana biológica y cada uno de ellos se pensó específicamente como un modelo de membrana plasmática. Con la llegada de la microscopía electrónica en la década de 1950, los biólogos celulares pudieron finalmente verificar la presencia de una membrana plasmática alrededor de cada célula. Además, observaron que la mayoría de los orgánulos subcelulares estaban limitados por membranas similares. Además, cuando las membranas se tiñeron con osmio, un metal pesado, y se examinaron con detalle a gran aumento, se observó que había regiones extensas con aspecto de «vía férrea» que aparecían como dos líneas oscuras separadas por una zona central teñida tenuemente, con un espesor total de 6-8 nm. Este patrón se observa en la membrana plasmática de dos células adyacentes separadas una de otra por un espacio intercelular fino (Figura 7.4). El hecho de que este mismo patrón de tinción trilaminar, o de tres capas, se observase en distintas clases de membranas condujo a J. David Robertson a sugerir que todas las membranas celulares compartían una estructura subyacente común, que denominó la unidad de membrana (Figura 7.3e). Figura 7.4 Aspecto trilaminar de las membranas celulares. Ésta es una micrografía electrónica de una sección fina entre dos células adyacentes que muestra sus membranas plasmáticas separadas por un espacio intercelular pequeño. Cada membrana aparece como dos líneas oscuras separadas por una zona central teñida ligeramente, un patrón de tinción que le da a la membrana un aspecto trilaminar o de «vía de ferrocarril» (MET). Cuando se propuso por primera vez, la estructura de la unidad de membrana parecía coincidir extraordinariamente bien con el modelo de Davson y Danielli. Robertson sugirió que el espacio ligeramente teñido (entre las dos líneas oscuras del patrón trilaminar) contenía la región hidrofóbica de las moléculas lipídicas, que no se teñían con facilidad. Por el contrario, se pensó que las dos líneas oscuras, representaban los grupos de las cabezas de los fosfolípidos y que las finas capas de proteínas unidas a la superficie de la membrana, aparecían oscuras debido a su afinidad por la tinción con metales pesados. Esta interpretación parecía proporcionar un apoyo sólido al modelo de Davson y Danielli que proponía que una membrana consiste en una bicapa lipídica recubierta por ambas superficies con finas láminas de proteínas. Una investigación más detallada reveló los principales defectos del modelo de Davson y Danielli El modelo de Davson-Danielli, a pesar de su aparente confirmación por microscopía electrónica y su extensión a todas las membranas por Robertson, se empezó a cuestionar, a medida que en la década de 1960 iban surgiendo más datos que no cuadraban con el modelo. Considere, por ejemplo, el problema de las dimensiones de la membrana: si nos basamos en la microscopía electrónica, se ha descrito que la mayoría de las membranas tendrían entre 6 y 8 nm de espesor y de estos, 4-5 nm corresponderían a la bicapa lipídica. Quedan alrededor de 1-2 nm de espacio en cada superficie de la bicapa para las proteínas de membrana, un espacio que podría acomodarse en el mejor de los casos a una fina monocapa de proteínas formada principalmente por regiones extensas con estructura en láminaβ. A medida que las proteínas de membrana se fueron aislando y estudiando, se hizo evidente que la mayoría de ellas eran proteínas globulares con extensas regiones con estructura en α-hélice. Tales proteínas tienen tamaños y formas inconsistentes con el concepto de finas láminas proteicas sobre las dos superficies de la membrana, sugiriendo que deben sobresalir hacia el interior de la membrana. Una complicación adicional es que el modelo de Davson-Danielli no se ajusta fácilmente a las características distintivas de las diferentes clases de membranas. Dependiendo de su origen, las membranas varían considerablemente en su composición química y especialmente en la proporción de proteínas y lípidos (Tabla 7.1). La relación proteína/lípido puede ser tan elevada como 3 o más en algunas células bacterianas y tan bajo como 0,23 para la vaina de mielina que sirve de aislante eléctrico membranoso para los axones nerviosos. Incluso las dos membranas de las mitocondrias difieren de manera significativa: la proporción proteína/lípido es de alrededor de 1,2 para la membrana externa y de cerca de 3,5 para la membrana interna, que contiene todas las enzimas y proteínas relacionadas con el transporte de electrones y la síntesis de ATP. Sin embargo, todas estas membranas parecen la misma cuando se visualizan al microscopio electrónico con la técnica de tinción con osmio de Robertson y colaboradores. A medida que se estudiaban más membranas se hacía cada vez más difícil conciliar la enorme variación existente en el contenido de proteína con el modelo de unidad de membrana, ya que la anchura y apariencia de los «raíles» simplemente no variaba en la misma proporción. El modelo de Davson-Danielli también se puso en cuestión por estudios en los que las membranas se exponían a fosfolipasas, enzimas que degradan los fosfolípidos retirando los grupos de las cabezas. De acuerdo con este modelo, los grupos hidrofílicos de las cabezas de los lípidos de las membranas deberían estar cubiertos por una capa de proteínas y por tanto protegidos de la digestión por las fosfolipasas. Incluso una proporción significativa (por encima del 75% dependiendo del tipo celular) de los fosfolípidos de la membrana de las células se degrada cuando la membrana se expone a las fosfolipasas. Esta susceptibilidad a la digestión enzimática sugirió que muchos de los grupos de las cabezas de los fosfolípidos estarían expuestos en la membrana, en vez de estar cubiertos por una capa de proteína. Además, la localización superficial de las proteínas de membrana especificada por el modelo de Davson-Danielli no estaba basada en los experimentos de los científicos que intentaron aislar esas proteínas. La mayoría de las proteínas de membrana resultaron ser bastante insolubles en agua y sólo podían extraerse con el uso de solventes orgánicos o detergentes. Estas observaciones indicaban que muchas proteínas de membrana son hidrofóbicas (o por lo menos antipáticas) y sugería que se localizaban, al menos en parte, en el interior hidrofóbico de la membrana más que en cualquiera de sus superficies. El modelo de Davson-Danielli fue posteriormente desacreditado por la evidencia experimental, se tratará más tarde, indicando que las membranas son estructuras fluidas en las que la mayoría de los lípidos y muchas de las proteínas se mueven libremente en el plano de la membrana. La movilidad de lípidos y proteínas no se ajusta fácilmente a un modelo que imagina láminas de proteínas superficiales unidas por puentes iónicos a la bicapa lipídica subyacente. Porcentaje aproximado en peso membrana proteína lípido carbohidratos índice proteína/lípido eritrocito humano 49 43 8 1.14 célula hepática de mamífero 54 36 10 1.50 ameba 54 42 4 1.29 vaina de mielina del axón nerviosos 18 79 3 0.23 envoltura nuclear 66 32 2 2.06 retículo endoplasmático 63 27 10 2.33 aparato de Golgi 64 26 10 2.46 tilacoides del cloroplasto 70 30 0 2.33 membrana mitocondrial externa 55 45 0 1.22 membrana mitocondrial interna 78 22 0 3.54 bacterias gram-positivas 75 25 0 3.00 membrana plasmática Tabla 7.1 Contenido en lípidos, proteínas y carbohidratos en las membranas biológicas Singer y Nicholson: una membrana consiste en un mosaico de proteínas dentro de una bicapa lipídica fluida Los problemas previos que surgieron con el modelo de Davson-Danielli estimularon el interés para desarrollar nuevas ideas respecto a la organización de las membranas, culminando en 1972 con el modelo de mosaico fluido propuesto por S. Jonathan Singer y Garth Nicholson. Este modelo, que ahora domina nuestra visión de la organización de la membrana, tiene dos características principales, las dos aparecen en el nombre. Dicho simplemente, el modelo imagina una membrana como un mosaico de proteínas incluidas, o por lo menos unidas, de forma discontinua a una bicapa lipídica fluida (Figura 7.3f). En otras palabras, el modelo de Singer-Nicholson mantuvo la estructura de bicapa lipídica básica de modelos previos, pero veía a las proteínas de la membrana de una forma completamente diferente, no como capas finas de proteínas sobre la superficie de la membrana, sino como entidades globulares discretas que se asocian a la membrana basándose en su afinidad relativa por el interior hidrofóbico de la bicapa lipídica (Figura 7.5a). Singer y Nicholson fueron unos revolucionarios cuando propusieron por primera vez esta forma de pensar en las proteínas de la membrana, pero resultó que todos los datos cuadraban bastante bien. Basándose en el diferente anclaje a la bicapa, se reconocen tres clases de proteínas de membrana. Las proteínas integrales de membrana están embebidas en la bicapa lipídica y se mantienen en su sitio por la afinidad de los segmentos hidrofóbicos de la proteína por el interior hidrofóbico de la bicapa lipídica. Por otro lado, proteínas periféricas, que son mucho más hidrofílicas y por tanto están localizadas en la superficie de la membrana, donde están ancladas de forma no covalente a los grupos polares de las cabezas de los fosfolípidos y/o a las partes hidrofílicas de otras proteínas de membrana. Proteínas ancladas a lípidos, aunque no son parte del modelo de mosaico fluido original, ahora se reconoce, como una tercera clase de proteínas de membrana. Estas proteínas son esencialmente hidrofílicas y por esto residen en la superficie de la membrana, pero están unidas covalentemente a moléculas de lípido que están incluidas en la bicapa. Figura 7.5 El modelo del mosaico fluido de estructura de membrana (a) Singer y Nicholson imaginaron la membrana como una bicapa de lípidos fluida con un mosaico de proteínas asociadas o bien integrales o bien periféricas. Las proteínas integrales de membrana están ancladas al interior hidrofóbico de la membrana por uno o más segmentos hidrofóbicos transmembrana que normalmente tienen conformación en α-hélice (púrpura claro). Los segmentos hidrofílicos (púrpura oscuro) se extienden hacia el exterior, hacia uno o ambos lados de la membrana. Las proteínas periféricas de membrana se asocian con la superficie de la membrana por fuerzas electrostáticas débiles que las unen a regiones hidrofílicas de otras proteínas integrales de membrana adyacentes o a grupos polares de las cabezas de los fosfolípidos. (b) Una proteína integral de membrana con múltiples segmentos transmembrana en α-hélice como se reveló en los trabajos posteriores de Unwin y Henderson. Muchas proteínas integrales de la membrana plasmática tienen orientadas hacia la superficie externa de la membrana, cadenas laterales de carbohidratos unidas a sus segmentos hidrofílicos. (c) Un segmento transmembrana en α-hélice con aminoácidos representados por círculos dentro de la hélice La naturaleza fluida de la membrana es la segunda característica crítica del modelo de SingerNicholson. La mayoría de los componentes lipídicos de una membrana están en constante movimiento, son capaces de tener movilidad lateral (es decir, movimiento paralelo a la superficie de la membrana) más que de estar bloqueados rígidamente en su sitio. Muchas proteínas de la membrana son también capaces de moverse lateralmente dentro de la membrana, aunque algunas están ancladas a elementos estructurales de uno u otro lado de la membrana y por esto tienen una movilidad restringida. La fuerza del modelo de mosaico fluido está en que proporciona una explicación fácil para la mayoría de las críticas realizadas al modelo de Davson-Danielli. Por ejemplo, el concepto de proteínas parcialmente embebidas en la bicapa lipídica concuerda con la naturaleza hidrofóbica y la estructura globular de la mayoría de las proteínas de la membrana y elimina la necesidad de acomodar las proteínas de membrana en finas capas superficiales de espesor invariable. Además, la variabilidad de la proporción de proteínas/lípidos de membranas diferentes, simplemente significa que algunas membranas tienen relativamente pocas proteínas embebidas en la bicapa lipídica, mientras que otras membranas tienen más proteínas de este tipo. La exposición de las cabezas de los lípidos en la superficie de la membrana es obviamente compatible con su susceptibilidad a la digestión por las fosfolipasas, mientras que la fluidez de las capas lipídicas y la mezcla de lípidos y proteínas dentro de la membrana hace más fácil imaginar la movilidad tanto de lípidos como de proteínas. Unwin y Henderson: la mayoría de las proteínas de membrana contienen segmentos transmembrana La ilustración final en el cronograma (Figura 7.3g) representa una propiedad importante de las proteínas integrales de membrana que los biólogos celulares empezaron a entender en la década de 1970: la mayoría de las proteínas tienen en su estructura primaria una o más secuencias hidrofóbicas que abarcan la bicapa lipídica (Figura 7.5b y c). Estos segmentos transmembrana anclan las proteínas a la membrana y las sostienen alineadas correctamente dentro de la bicapa lipídica. El ejemplo de la Figura 7.3g es de la bacteriorrodopsina, primera proteína de membrana que se demostró que poseía esta característica estructural. La bacteriorrodopsina es una proteína de la membrana plasmática encontrada en una arqueobacteria del género Halobacterium, donde su presencia le permite a las células obtener energía directamente de la luz del sol. Para captar esta energía solar, la bacteriorrodopsina tiene, como parte de su estructura, una molécula de retinal, la misma molécula con capacidad para absorber luz, que utiliza el ojo humano para detectar la luz. Además de absorber la energía luminosa, el retinal provoca un cambio conformacional en la bacteriorrodopsina que causa que la proteína bombee protones fuera de la célula. El gradiente de protones resultante a través de la membrana puede ser utilizado como fuente de energía. Nigel Unwin y Richard Henderson utilizaron la microscopía electrónica para determinar la estructura tridimensional de la bacteriorrodopsina y su orientación en la membrana. Su extraordinario descubrimiento, publicado en 1975, fue que la bacteriorrodopsina constaba de una única cadena peptídica que se pliega una y otra vez a través de la bicapa lipídica hasta un total de siete veces. Cada uno de los siete segmentos transmembrana de la proteína es una α-hélice empaquetada estrechamente y compuesta principalmente por aminoácidos hidrofóbicos. Los segmentos transmembrana sucesivos están anclados uno a otro por pequeños bucles de aminoácidos hidrofílicos que se extienden y sobresalen desde las superficies polares de la membrana. (Para ver en detalle la estructura tridimensional de la bacteriorrodopsina, consulte la Figura 8.14 del capítulo siguiente.) Basándose en los trabajos posteriores realizados por muchos laboratorios, los biólogos de la membrana ahora creen que todas las proteínas transmembrana están ancladas a la bicapa lipídica por uno o más segmentos transmembrana, un tema al que volveremos más tarde en este capítulo. Descubrimientos recientes mejoran nuestros conocimientos sobre la estructura de la membrana Casi desde el momento en que Singer y Nicholson lo propusieron, el modelo del mosaico fluido revolucionó la manera en la que los científicos pensaban acerca de la estructura de las membranas. El modelo lanzaba una nueva era en la investigación de la membrana que no sólo ha confirmado el modelo básico, sino que lo ha aumentado y extendido. Además, nuestros conocimientos sobre la estructura de la membrana continúan expandiéndose a medida que nuevos descubrimientos científicos mejoran y modifican el modelo básico. Descubrimientos recientes enfatizan el concepto de que las membranas no son estructuras homogéneas en las que sus componentes se mezclan de forma libre, sino que tanto los lípidos como las proteínas tienden a ordenarse, estando sus movimientos con frecuencia restringidos por mecanismos difíciles de evidenciar a partir de la estructura básica mostrada en la Figura 7.5. De hecho, la mayoría de los procesos celulares que implican a las membranas, dependen de los complejos estructurales específicos de lípidos y proteínas. La señalización celular, un tema del que trataremos en el Capítulo 14, es un ejemplo de este tipo de procesos. Hasta ahora, para entender los procesos asociados a las membranas, hemos necesitado algo más que el modelo original de mosaico fluido, con lípidos y proteínas flotando alrededor simplemente al azar. No obstante, el modelo de mosaico fluido es básico para entender la estructura de la membrana, de manera que es importante para nosotros examinar en detalle sus características esenciales. Estas características incluyen, la química, la distribución asimétrica y la fluidez de los lípidos de membrana, las relaciones de las proteínas de membrana con la bicapa y la movilidad de las proteínas en la bicapa. Comentaremos cada una de estas características por orden, centrándonos en las evidencias que lo apoyan y en las implicaciones de cada característica en la función de la membrana Tomado de BECKER W. M. – HARDIN J.: El mundo de la célula (6ª edición–2007) – Editorial Pearson-Addison Westey