Membrana

Membrana (I parte)
Introducción
La estructura y función de las
células dependen de las membranas,
las cuales no sólo separan el interior
de la célula de su medio ambiente
sino
también
definen
los
compartimentos internos de las
células eucarióticas, incluyendo el
núcleo
y
los
organelos
citoplasmáticos.
Todas las membranas comparten
una estructura común : una bicapa
de fosfolípidos. A esta bicapa se
asocian proteínas y carbohidratos.
Las proteínas participan en los
procesos de transporte y los
carbohidratos en procesos de
reconocimiento celular.
Modelos moleculares
de la membrana
A. Modelo de Davson-Danielli
Los principales problemas que se
plantearon al inicio de los años 30
eran los relacionados con la
permeabilidad
y
las
tensión
superficial de las membranas
naturales. Si la membrana era una
bicapa lipídica, ¿cómo es que podía
ser atravesada por el agua? y ¿cómo
disminuía la bicapa lipídica la
tensión superficial frente al medio
acuoso?.
Prof. Iván Rebolledo
En 1935, Hugh Davson y James
Danielli
propusieron
que
la
membrana plasmática era una
bicapa de lípidos sobre la cual
quedaban adheridos una capa de
proteínas globulares en ambas
interfases lípido-agua. Ellos fueron
los primeros en intentar explicar las
propiedades fisiológicas de la
membrana sobre bases estructurales.
El modelo de Davson-Danielli es
un modelo laminar, es decir, sus
componentes lipídicos y proteicos se
encuentran dispuestos en láminas o
capas continuas. Estas láminas
forman
un
plano
en
dos
dimensiones de proteínas separadas
por un plano de lípidos : un
emparedado lipo-proteico. De esta
manera, las propiedades hidrofílicas
de la membrana se explicaban por
las cubiertas proteicas asociadas a
los residuos fosfatos de los
fosfolípidos y las propiedades
hidrofóbicas a su centro lipídico.
Membrana celular (I parte)
B. Modelo de unidad de membrana o
de Robertson
En los años 50, la resolución del ME
ya permitía observar la composición
estructural
celular,
utilizando
tetróxido de osmio (OsO4) como
fijador. Las membranas celulares se
veían como líneas gruesas muy
teñidas de negro. Una década
después,
David
Robertson
utilizando permanganato de potasio
(KMnO4) como fijador encontró que
las líneas gruesas en realidad eran
estructuras trilaminares. Todas las
membranas
que
él
examinó
(animales, vegetales, microrganismos) mostraban la misma estructura
trilaminar. Esto deducía que la
imagen no era un artefacto. Además,
la misma imagen aparecía aunque se
cambiara de fijador. Así, Robertson
introdujo el concepto de “unidad de
membrana” para describir una
estructura que estaba presente en
membranas
procaróticas
y
eucarióticas.
El modelo de Robertson considera a
la membrana como compuesta de
dos líneas electrónicamente densas
de 20 Å de espesor con un espacio
interlínea de 35 Å, lo que hace un
espesor total de la membrana de 75
Å. Aunque las dos líneas densas
eran de 20 Å de espesor podían
observarse diferencias entre las
capas externa e interna, es decir,
había una asimetría con respecto a
sus mitades externa e interna.
La pregunta aquí es: ¿qué se tiñe de
negro en la membrana? Cuando se
tiñieron membranas a las que se
extrajeron los lípidos, se mantenía la
estructura trilaminar y cuando se
teñían membranas lipídicas sin
proteínas la observación de la
estructura trilaminar no se había
alterado.
Estas
conclusiones
sugieren que las proteínas y las
terminaciones hidrofílicas de las
moléculas lipídicas se tiñen con el
osmio y se convierten en una línea
electrónicamente densa al ME:
Membrana celular (I parte)
Las variaciones de grosor que
pueden existir entre las membranas
pueden ser explicadas por la
relación proteína : lípido. Ejemplos:
Membrana
Prot:Lipi
Mielina
0.25
Membrana hepatocito
1.00
Membrana célula. intestinal
4.60
Membrana externa mitocondr
1.20
Membrana interna mitocondr
3.60
Láminas cloroplasto
0.80
Estas diferencias en la relación
proteína : lípido puede correlacionarse con las funciones particulares
que desempeñan cada una de estas
membranas. Por ejemplo, la
membrana
interna
de
la
mitocondria posee gran cantidad
de proteínas enzimáticas que
intervienen en el metabolismo
respiratorio y producción de ATP.
La membrana presente en las
vainas de mielina contienen altas
concentraciones de lípidos para
lograr un aislamiento eléctrico que
permita una eficiente conductibilidad nerviosa.
En la actualidad, el modelo de la
unidad de membrana representa
una acentuada simplificación de la
ultraestructura de la membrana y
no toma en cuenta las proteínas
que atraviesan dicha membrana.
Por esto, la revisión crítica de este
modelo está basada en las siguientes
observaciones: (a) en cortes muy
finos se aprecia la existencia de
puentes que atraviesan la bicapa
lipídica (ver figura más abajo); (b)
por criofractura se reveló la
existencia de numerosas partículas
en el plano de clivaje de la
membrana; y (c) la aplicación de
fijadores que evitan la extracción de
proteínas ofrece un aspecto granular
a la membrana.
C. Modelo del mosaico fluído
El modelo del mosaico fluído es el
que hasta ahora tiene una aceptación
general y enfatiza las características
dinámicas de la organización de la
membrana, ya que incluye la
movilidad e interacción entre las
proteínas y los lípidos en la
membrana.
Membrana celular (I parte)
Este modelo descrito en 1972 por
S.J. Singer y G.L. Nicolson, considera
a la doble capa de lípidos como el
esqueleto
aglutinante
de
la
membrana, en la cual se encuentran
incluidos
las
proteínas
que
interactúan con los lípidos y tanto
los lípidos como las proteínas
pueden realizar movimientos de
traslación dentro de la bicapa. Esta
posibilidad
de
movimiento
presupone que entre las moléculas
de lípidos y proteínas deben existir
interacciones débiles, principalmente de carácter hidrofóbica.
Como puede observarse en el
dibujo de arriba, una bicapa de
lípidos es la base fundamental de la
membrana, en ella se encuentran
dispersas varias proteínas, algunas
atravesando toda la membrana pero
otras solo ocupan una mitad de la
misma.
El estado fluido de la membrana
implica la movilidad de sus
componentes. Recordamos el tema
de los lípidos que poseen tres tipos
de movimientos:
a) rotacional: en torno a un eje
perpendicular a la superficie de la
membrana,
b) lateral: desplazamiento en el
plano de la membrana, y
c) transversal: pasar de una cara de
la bicapa a la otra, promovido por
una proteína translocadora denominada flipasa.
Las proteínas también experimentan movimientos: la rotacional y la
lateral, nunca transversal.
Este
modelo
contempla
2
categorías grandes de proteínas: las
integrales y las periféricas. Las
proteínas integrales o intrínsecas
son de difícil extracción, ya que
están mantenidas firmemente en la
bicapa por interacciones hidrofóbicas y/o hidrofílicas. Como se
muestra en el esquema, algunas de
ellas atraviesan toda la membrana
(transmembranales), en cambio otras
están asociadas a la capa externa o
interna de la bicapa.
Como se mencionó en la sección de
proteínas,
las
características
químicas de los radicales laterales de
los aminoácidos determinan la
estructura terciara de la proteína.
Así, las porciones de la proteína que
están incluidas en la bicapa lipídica
tendrán sus radicales hidrofóbicos
orientados
hacia
las
cadenas
hidrocarbonadas de los lípidos y los
radicales hidrofílicos se orientan
Membrana celular (I parte)
hacia el exterior o interior de la
membrana. La proteína transmembranal dispondrá sus radicales
hidrofóbicos en la sección que
cursa por la membrana y sus
radicales hidrofílicos se orientan
hacia el interior y al exterior de la
membrana, como se muestra en la
figura de abajo.
Las actividades diferentes de los
distintos tipos de membranas
parecen ser el reflejo de las
diferentes clases de proteínas
presentes en la membrana o en
alguna región de ella. Además las
diferencias en el espesor de la
membrana pueden estar relacionado
con la presencia de cantidades
importantes de ciertas proteínas. Por
ejemplo, en membranas gruesas
predominan las proteínas periféricas
en cambio, en las membranas
delgadas predominan las proteínas
integrales.
C. Análisis por criofractura
La aplicación de la técnica de
criofractura al estudio de las
membranas ha aportado muchos
conocimientos sobre la estructura de
las membranas y ha apoyado el
modelo de mosaico fluido.
Las proteínas periféricas o
extrínsecas son de fácil extracción,
ya que están asociadas a la
membrana por enlaces electroestáticos débiles, ya sea a las
cabezas
hidrofílicas
de
las
moléculas lipídicas o a las
porciones hidrofílicas de las
proteínas integrales que sobresalen
fuera de la membrana. Estas
proteínas no llegan a formar una
capa continua sobre los lípidos.
La técnica de la criofractura se
inicia congelando el tejido. Para
evitar la formación de cristales de
hielo que pudieran destruir las
estructuras celulares, la muestra se
infiltra con glicerol y se congela
rápidamente en freón líquido (o
nitrógeno líquido). En corto tiempo
el tejido queda congelado y duro. En
un borde del mismo se golpea con
una cuchilla muy fría, produciéndose un plano de fractura que
abarca toda la muestra y que
corresponde a regiones de menor
unión molecular.
Membrana celular (I parte)
En el caso de las membranas
(plasmáticas e intracitoplasmáticas)
el plano de fractura se produce entre
las 2 capas monomoleculares de la
bicapa lipídica, es decir, entre la hoja
interna y externa de la membrana.
Así, pueden aparecer partículas
de diferentes tamaños en una o en
ambas caras, deduciendo la
presencia de proteínas en dichas
mitades de la membrana.
Luego, sobre estas superficies se
deposita una fina capa de un metal
pesado a fin de producir una réplica
la cual pueda observarse al ME. La
imagen producida muestra una
superficie llena de partículas
pequeñas que representan componentes moleculares de la membrana,
que por lo menos se extienden hasta
la mitad del grosor de la membrana.
(ver figura de abajo).
Doble capa de lípidos
Desde los tiempos de Irving
Langmuir (1800) se iniciaron los
estudios tendientes a averiguar la
estructura química de la membrana
Langmuir encontró que los lípidos
forman capas (monocapas) sobre
una superficie hidrofílica, ordenándose los grupos hidrofóbicos hacia
el aire y los hidrofílicos hacia el
agua.
Como el plano de fractura pasa
por el centro de la doble capa de
lípidos, podrán mostrarse 2 tipos
de caras: la cara P de la fractura o
cara protoplasmática y la cara E o
cara ectoplasmática.
Membrana celular (I parte)
Luego, Gorter y Grendel en 1926
hicieron estudios cuantitativos
sobre los lípidos existentes en la
membrana de eritrocitos y otras
células, encontrando siempre una
relación de superficie igual a dos,
lo que sugería la existencia de una
doble
capa
de
lípidos.
Concluyeron que los grupos
polares (hidrofílicos) de los lípidos
estaban orientados hacia el exterior
y
los
grupos
no
polares
(hidrofóbicos) hacia el interior de la
membrana. Sus experimentos y
conclusiones ya establecieron las
propiedades anfipáticas de las
moléculas de lípidos.
Componentes químicos
Las membranas plasmáticas e
intracitoplasmáticas están constituidas por lípidos, carbohidratos y
proteínas, en diferentes proporciones que varían según los
diferentes tipos celulares, como
puede observarse en la siguiente
tabla.
Proteínas %
Lípidos %
Eritrocito hum.
60
39
Hepatocito rata
59
40
Mielina SNC
20
79
Mitocondrias
70
29
bicapa
Lípidos
En conclusión: la organización de
los lípidos en doble capa, la
formación espontánea de la bicapa y
la cohesión de las moléculas dentro
de la bicapa, determinan que las
membranas
sean
estructuras
contínuas,
sin
rupturas,
solo
desplazándose para acomodar las
moléculas de proteínas. Además,
son estructura deformables que se
adaptan a diferentes procesos
celulares: locomoción, reproducción,
citosis, etc.
Las principales moléculas lipídicas
encontradas en la membrana son:
fosfolípidos, colesterol y galactolípidos en proporciones variables
según la célula y organelo. A pH
neutro, los fosfolípidos pueden ser
ácidos o neutros. La gran mayoría
(80-90 %) son neutros, dentro de los
cuales se destacan la fosfatidilcolina,
la fosfatidiletanolamina y esfingomielina. El restante 10-20 % son
fosfolípidos ácidos que generalmente se encuentran asociados a las
proteínas de la membrana, dentro de
los
cuales
mencionamos
la
fosfatidilserina y fosfatidilglicerol.
Membrana celular (I parte)
Los
gliceroesfingolípidos
son
minoritarios en las membranas,
aunque hay excepciones: 10 % en los
eritrocitos, 25% en la vaina de
mielina y 30 % en la membrana de
las microvellosidades de las células
absortivas del epitelio intestinal.
Por el contrario, cuando la
temperatura es baja, el colesterol
interactúa con los ácidos grasos
promoviendo la fluidez. Este
comportamiento es vital en las
membranas de los animales que
hibernan.
Un fosfolípido importante en los
procesos de señalización celular es el
fosfatidilinositol,
que
solo
se
encuentra en la mitad interna de la
membrana.
Este
lípido
suele
encontrarse
asociado
con
la
fosfatidilserina y ambos están
cargados negativamente, lo que
confiere a la mitad interna de la
membrana su característica carga
negativa (ver página 61 de Lípidos).
Un hecho interesante sobre el
colesterol es que está ausente de las
membranas de los procariontes y
también de la membrana interna de
las mitocondrias: una relación muy
reveladora para precisar el origen de
las mitocondrias (ver capítulo
Mitocondria)
Un componente lipídico muy
importante en la membrana es el
colesterol. Como se mostró en el
capítulo de lípidos, esta molécula
posee un extremo polar muy
reducido y uno apolar muy amplio.
Este último extremo le permite
ubicarse
entre
los
extremos
hidrofóbicos de la bicapa lipídica.
Dependiendo de la temperatura, el
colesterol tiene efectos sobre la
fluidez de la membrana. A
temperaturas altas, el colesterol
interfiere con el movimiento de las
cadenas de ácidos grasos de los
fosfolípidos de la capa externa de la
membrana, aumentando la rigidez y
haciendo que sea menos permeable
a pequeñas moléculas.
Por último, el colesterol se requiere
para el crecimiento y diversas
funciones celulares, pero sus altos
contenidos contribuyen al desarrollo
de enfermedades cardiovasculares.
Carbohidratos
Al igual que los lípidos, su
distribución en la membrana es
asimétrica, ya que los glucolípidos y
glucoproteínas sólo se encuentran en
la capa externa de la membrana. Así,
las células están cubiertas por una
capa de carbohidratos, que suele
llamarse glucocálix, el cual es muy
evidente en la superficie de las
células que conforman el epitelio del
intestino. Los oligosacáridos del
glucocálix tienen doble función: por
un lado sirven de protección a las
células y, por otro lado, desempeñan
Membrana celular (I parte)
funciones
de
reconocimiento
celular, como por ejemplo, los
leucocitos (glóbulos blancos) en
ocasiones deben abandonar los
vasos sanguíneos, las células de los
vasos llamadas células endoteliales
deben reconocer a los leucocitos
para dejarlos atravesar la pared de
los vasos. La membrana de las
células endoteliales poseen una
proteína llamada selectina que es
capaz de reconocer los carbohidratos de las glucoproteínas en la
membrana de los leucocitos.
Proteínas
Ya que los lípidos son los
elementos estructurales fundamentales de la membrana, las proteínas
constituyen las moléculas que
desempeñan las funciones específicas de las membranas, tales como
transporte, endocitosis, reconocimiento, etc.
Como se explicó antes, las
proteínas se clasifican en extrínsicas
o intrínsicas, llamadas también
periféricas o integrales, respectivamente.
Las proteínas periféricas representan el 30 % de las proteínas de
membrana, pueden aislarse con
tratamientos químicos suaves y
como ejemplo están la espectrina de
los eritrocitos y el citocromo C en la
mitocondria. En estas proteínas, los
aminoácidos hidrofílicos se ubican
en la superficie y los hidrofóbicos se
ocultan en su interior.
Las proteínas intrínsicas representan el 70 % de las proteínas de
membrana, para aislarlas se requiere
de tratamientos drásticos y están
asociados a carbohidratos y lípidos.
En estas proteínas los aminoácidos
hidrofóbicos están inmersos en la
capa lipídica y los hidrofílicos se
exponen hacia las superficies
exterior y citoplasmática. La porción
hidrofóbica tiende a rodearse de un
tipo
determinado
de
lípidos,
llamados lípidos anulares cuyas
funciones son restringir su difusión
lateral, actuar como cofactor de su
función y evitar escape de solutos
por dicha interfaz.
Algunas de estas proteínas
intrínsicas se ubican hacia la
superficie citosólica y otras hacia el
exterior. Esta ubicación demuestra la
disposición asimétrica de las
proteínas en la membrana.
Membrana celular (I parte)
Una forma de estudiar las
proteínas en la membrana ha sido la
utilización de eritrocitos, que al ser
puestos en soluciones hipotónicas, se
hinchan y revientan, quedando
trozos de membrana. Una pregunta
previa: ¿cómo saber en este trozo
cuál superficie es la citosólica y cuál
la exterior?
Algunas de las proteínas caracterizadas en estos trozos son:
a) glucoforina: es una proteína
transmembrana, cuya secuencia de
131 aminoácidos forman una simple
cadena polipeptídica. La porción
amino terminal extracelular es
hidrofílica proyectándose hacia el
exterior. Unidas a este dominio
existen unas 16 cadenas de
oligosacáridos, los cuales están
unidos a la serina o treonina. La
porción intramembranal corresponde a la secuencia lineal de 23
aminoácidos dispuestas en alfa
hélice con propiedades hidrofóbicas.
La porción carboxilo terminal es
intracelular.
Los carbohidratos de la glucoforina
determinan los antígenos de los
grupos sanguíneos. El sistema ABO
son cadenas de oligosacáridos ya
explicados en el capítulo de
Carbohidratos (página 50).
Otro punto interesante es que en los
carbohidratos de la glucoforina
predomina el ácido siálico (ácido Nactilneuramínico), cuya pérdida
progresiva a través de la circulación
durante los 120 días de sobrevida, va
convirtiendo al eritrocito en célula
extraña, la cual será eliminada por
los macrófagos existentes en el bazo.
b) proteína de la banda 3: se llama
así por su posición en una columna
de gel de poliaacrilamida. Es una
proteína transmembrana con pocos
carbohidratos hacia el exterior.
Como se observa en la figura
superior, está conformada por dos
unidades (un dímero), cada uno con
una larga cadena que atraviesa 12
veces la membrana. Los extremos N
y C terminales se ubican en el lado
citosólico.
Membrana celular (I parte)
La proteína de la banda 3 se
contribuye con las funciones
respiratorias del eritrocito. Así, a
medida que los eritrocitos fluyen a
través de los capilares pulmonares
intercambian aniones bicarbonatos
(H CO3) por aniones cloruros (Cl-).
Este intercambio se realiza a través
del poro transmembrana que dejan
las dos moléculas de la banda 3.
c) espectrina: es una proteína
periférica conformada por dos
cadenas largas entrelazadas de
unos 100 nm de largo. Este dímero
se
convierte
en
tetrámero
uniéndose con la ancrina y ésta a la
proteína de la banda 3.
glucoforina
Banda 3
Ancrina
espectrina
Por último, una alteración de este
citoesqueleto del eritrocito conduce
a una alteración de la forma. Sirva
como ejemplo la esferocitosis que
produciéndose una espectrina
anormal
tiene
una
unión
defectuosa con la proteína banda
4.1. Estos eritrocitos transportan
menos oxígeno y son destruidos de
manera preferencial en el bazo,
ocasionando una anemia.
Otras proteínas de membrana
que se consideran en posteriores
capítulos son:
Por otro lado, la proteína 4.1. se
une a la glucoforina por un lado y a
la espectrina por el otro. De esta
forma se establece un enrejado
subyacente a la membrana, como lo
muestra la figura superior.
a) acetilcolinesterasa: en superficie
externa postsináptica
b) adenililciclasa: en superficie
interna de células transportadoras
c) ATPasa Na+K+: proteína transmembrana que moviliza sodio
hacia el exterior celular y potasio
hacia el interior.
Membrana celular (I parte)
1. Anotar 3 evidencias de la asimetría mostrada por las moléculas constituyentes
de la membrana :
a) __________________________________________________
b) __________________________________________________
c) __________________________________________________
2. Nombrar los movimientos que presentan las siguientes moléculas en la membrana
a) fosfatidiletanolamina
________________________________________
b) transportador de glucosa ________________________________________
3. Anote 2 razones moleculares por las cuales se dice que la membrana plasmática
es asimétrica:
a) ____________________________________________________________
b) ____________________________________________________________
4. ¿A qué se refiere el modelo de la “unidad de membrana” ?
______________________________________________________________
______________________________________________________________
5. Si Ud. quisiera obtener una membrana que permanezca fluída en un ambiente con
calor y otra fluía con ambiente frío, ¿qué moléculas utilizaría en cada caso?
a) calor ________________________ b) frío _________________________
6. ¿Cuáles serían las consecuencias de una mutación en las siguientes proteínas
(anote solo una para cada proteína)
a) glucoforina ___________________________________________________
b) proteína banda 3 ______________________________________________
c) ATPasa Na-K _________________________________________________
7. ¿Cuál es la función del colesterol en la membrana?
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________