Recibido: 23.02.2019 I Aceptado: 19.03.2019 Palabras clave: Biomembranas, fosfolípidos, rafts, bicapa y citoesqueleto. La membrana plasmática: frontera dinámica de la célula Confines al óleo de enmascarada quietud, sustentan la vida. Catalina Romero ULISES MEZA VILLANUEVA [email protected] ANA CATALINA ROMERO SERGIO SÁNCHEZ-ARMASS FACULTAD DE MEDICINA, UASLP La membrana plasmática es la estructura que delimita las células de todos los seres vivos. El presente artículo revisa brevemente conceptos básicos asociados a su naturaleza, organización, relevancia funcional y modelos. Originalmente, la membrana plasmática se visualizó como una barrera limitante, estática y divisoria del interior y exterior celular, pero actualmente se la reconoce como una estructura dinámica donde tienen lugar numerosos procesos vitales para las células. 12 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 235 MAYO 2019 MEZA, U., ROMERO, A. Y SÁNCHEZ, S. PÁGINAS 12 A 17 ¿Qué es la membrana plasmática? Los componentes Las células de todos los seres vivos La membrana plasmática está consti- están delimitadas por la membrana tuida básicamente por lípidos y pro- plasmática. Su evolución biológica teínas. Sus lípidos son moléculas que favoreció el aislamiento de un deter- presentan un extremo afín al agua minado ambiente (medio intracelular) (hidrófilo) y otro que la repele (hidró- de su medio circundante (medio ex- fobo). Esta característica les permite traceluar). Este suceso crítico permi- organizarse de manera espontánea tió el establecimiento de condiciones en una bicapa, donde sus extremos fisicoquímicas que propiciaron el de- hidrófilos interactúan con las molécu- sarrollo de mecanismos de síntesis y las del agua que los rodean en el inte- replicación de moléculas clave en los rior y exterior celulares, mientras que procesos que hoy sustentan la exis- sus extremos hidrófobos se orientan tencia de todas las células y, por lo hacia el interior de la misma bicapa. tanto, de todos los seres vivos. Cabe mencionar la importante aportación En este escenario, sus proteínas cons- en este campo del biólogo mexicano titutivas se asocian de manera periféri- Alfonso L. Herrera (Science, 1942), ca a la bicapa lipídica, o bien se hallan quien completamente embebidas en ella. caracterizó microestructuras inertes con apariencia de células que denominó colpoides y sulfobios. Definir una proporción promedio de sus elementos constitutivos es todo LA MEMBRANA PLASMÁTICA La evolución de la membrana plas- un reto, ya que existe una gran varie- mática no debe entenderse única- dad de tipos celulares, a lo que debe mente como el establecimiento de sumarse la cambiante composición una frontera física entre el interior y el de sus membranas a través de su de- exterior de la célula, sino como el de- sarrollo y su ciclo celular. Más aún, se sarrollo de una intrincada estructura sabe que la membrana plasmática no que permite el intercambio dinámico es homogénea a lo ancho de su su- de materia y energía entre estos dos perficie ni entre sus monocapas cons- compartimientos y que asegura la in- titutivas. El número de distintos tipos tegridad de un ambiente delimitado de proteínas y lípidos asociados a la con características propias: el espacio membrana plasmática fluctúa entre intracelular o citoplasmático. varios cientos a miles. El concepto actual de la membrana Actualmente, se realizan grandes es- plasmática implica un complejo de lí- fuerzos para determinar con exactitud pidos y proteínas en constante reorga- el número y la variedad total de pro- nización, con un costo energético muy teínas (proteómica) y lípidos (lipidó- alto para las células. Este concepto ha mica) alojados en los diferentes tipos evolucionado de manera continua gra- de membrana plasmática. Sin embar- cias a la generación de nuevos conoci- go, cabe reconocer las dificultades mientos, resultantes de técnicas expe- técnicas que implica la discriminación rimentales y planteamientos teóricos y caracterización del alto número pre- de frontera. sente de estas biomoléculas. A pesar MAYO 2019 235 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 13 de tales limitantes, han podido esta- cos comprenden dos tipos: proteínas proteína en una región específica blecerse algunas generalidades res- periféricas e integrales. Las primeras de la membrana plasmática? Es una pecto a los componentes de la mem- se asocian o anclan a la cara externa cuestión que actualmente es aborda- brana plasmática. Así, se considera o interna de la membrana plasmática, da desde diferentes enfoques experi- que sus constituyentes lipídicos son mientras que las segundas se encuen- mentales y teóricos. En principio, dicho más abundantes que los proteicos, lo tran embebidas completamente en arreglo puede generarse a partir de las que ha dado pie al modelo del mar ella. Las proteínas integrales estable- propiedades intrínsecas de los compo- de lípidos que alberga un número cen puentes de comunicación entre nentes de la membrana o resultar de reducido de proteínas, a manera de el interior y el exterior celular de ma- procesos metabólicos que implican un icebergs, idea reflejada en el icónico nera directa, mediante la constitución costo energético. El orden estructural modelo del mosaico fluido (Singer y de canales iónicos y de acarreadores y funcional de sus elementos se refle- Nicolson, 1972). que permiten el libre flujo de iones ja en su capacidad de desarrollar una y pequeñas moléculas a través de la gran variedad de procesos, entre los Se acepta también que la asimetría en- membrana plasmática, y de manera que destacan: transporte y permeabi- tre sus monocapas se debe a una ma- indirecta por la generación de men- lidad selectiva de iones y sustancias, yor presencia de ciertos lípidos como sajeros intracelulares en respuesta a excitabilidad eléctrica, movilidad celu- la fosfatidilcolina y la esfingomielina estímulos externos, como los recep- lar, diferenciación celular, liberación de en la monocapa externa, mientras tores de membrana para hormonas y mensajeros químicos, reconocimiento que la monocapa interna preferente- neurotransmisores (figura 1). intercelular y transducción de señales extracelulares. También se vuelve evi- mente aloja elementos lipídicos diferentes como la fosfatidilserina y la fos- ¿Qué elementos, propiedades o in- dente, de manera dramática, cuando fatidiletanolamina. Los teracciones establecen el arreglo de su desarreglo da lugar a procesos dis- componentes protei- un determinado tipo de lípido o de funcionales o patológicos. Figura 1. Esquema de la membrana plasmática Balsa de membrana Proteína integral Glicolípido Proteína periférica Colesterol Canal iónico Bicapa lipídica Citoesqueleto (actina) 14 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 235 MAYO 2019 MEZA, U., ROMERO, A. Y SÁNCHEZ, S. PÁGINAS 12 A 17 El desarrollo del modelo mero conocido de estas células. Esto El establecimiento y desarrollo del los llevó a inferir que la membrana modelo de la membrana plasmáti- plasmática está constituida por una ca representa un fascinante ejemplo de la complementariedad entre los ámbitos experimental y teórico de la ciencia. A continuación, se presenta un somero recuento de sucesos clave en el desarrollo del modelo de la membrana plasmática y se remite al Lípidos y proteínas constituyen la membrana plasmática, principalmente bicapa lipídica. Más tarde, durante el desarrollo de experimentos de tensión superficial en la membrana plasmática de huevos de peces marinos, James Danielli y Edmund Harvey (1935) establecie- lector las publicaciones de Meza y ron la necesidad de incorporar un ele- cols. (2010) y Robertson (2018) para mento adicional a los componentes li- un abordaje más detallado de los mis- pídicos —hasta entonces considerados mos. Una de las primeras referencias como los únicos constituyentes de la del concepto de membrana plasmá- membrana plasmática— para explicar tica se encuentra en los trabajos que sus resultados, con ello determinaron el botánico alemán Wilhelm Pfeffer la inclusión de las proteínas al modelo (1887) realizó sobre las propiedades de la membrana plasmática. de permeabilidad de células vegetales y membranas artificiales. Con base en lo anterior, James Danielli y Hugh Davson (1934) propu- La naturaleza lipídica de la membrana sieron un nuevo modelo de mem- plasmática fue establecida original- brana que incluía una región central mente por Charles Overton (1899) lipídica revestida (a ambos lados) por con base en la mayor facilidad de las una monocapa de fosfolípidos y una sustancias lipídicas de incorporarse a cubierta externa de proteínas globula- las membranas biológicas, en relación res. Posteriormente, David Robertson con la de compuestos de otras na- (1959) planteó su teoría unitaria de turalezas. Más adelante, Hugo Fricke la membrana que establece que to- (1923) determinó el valor específico das las membranas biológicas están (1.0 μF/cm ) de una de sus propie- constituidas por una bicapa lipídica; dades íntimamente ligada a su grosor la propuesta estuvo sólidamente sus- y naturaleza lipídica denominada ca- tentada con imágenes de microscopía pacitancia eléctrica de la membrana electrónica, en las cuales se distinguía plasmática, la cual tiene importantes una región intermedia de baja densi- implicaciones en la generación y con- dad electrónica, delimitada por estruc- ducción de señales eléctricas. A partir turas periféricas de mayor densidad. de una serie de elegantes experimen- La región intermedia correspondía a tos, Evert Gorter y Francois Grendel los extremos hidrófobos de los lípi- (1925) lograron definir el valor del dos, mientras que las estructuras pe- área ocupada por los lípidos extraí- riféricas representaban sus extremos dos de la membrana plasmática de hidrófilos o a las proteínas asociadas los glóbulos rojos y encontraron que a ellos. Las proteínas en este modelo dicho valor correspondía al doble del se alojaban preferentemente sobre la de la superficie calculada para un nú- superficie de la bicapa lipídica y solo 2 LA MEMBRANA PLASMÁTICA MAYO 2019 235 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 15 una proporción muy reducida de su dispensable en la organización y proteínas y los lípidos constitutivos de estructura se insertaba en la región establecimiento de estos nanodomi- la membrana plasmática presentan hidrófoba de la misma. nios de membrana o balsas lipídicas dos tipos de difusión: de corto alcan- (rafts). Con respecto a las proteínas ce (confinada a un compartimento) El modelo actual constitutivas de la membrana, seña- y de largo alcance (dada entre com- En 1972, Seymour Singer y Garth Ni- laron la posibilidad de que algunas partimentos diferentes). La primera colson postularon el modelo del mo- de ellas estuvieran incluidas o ancla- es rápida (8 μm2 s-1), mientras que la saico fluido, originalmente planteado das a las balsas, mientras que otras segunda es unas 20 veces más len- por Singer un año antes, donde de- estuvieran excluidas de sus límites, ta. Esta diferencia, de acuerdo con el finieron a la membrana plasmática en función de su naturaleza molecu- grupo de Kusumi, se explica porque como una bicapa fluida de lípidos lar y de sus respectivas propiedades la superficie de la membrana plasmá- que aloja diversos conglomerados termodinámicas. tica está dividida en pequeños com- proteicos. Estos conceptos fueron partimentos y la difusión de lípidos y compartidos y publicados de manera En 2006 se redefinió el concepto de proteínas entre ellos enfrenta mayor independiente y casi simultánea por balsas lipídicas (lipid rafts) en favor de dificultad. A esta propuesta se le de- el científico mexicano Carlos Gitler la de balsas de membranas (membra- nominó modelo de corrales e involu- (1972) quien, lamentablemente, no ne rafts), que constituyen dominios cra estructuras de soporte intracelular ha recibido un merecido reconoci- pequeños de dos a 100 nanómetros denominadas en su conjunto citoes- miento por sus aportaciones. El mo- (nm) de diámetro, heterogéneos, al- queleto (Kusumi et al., 2012). delo del mosaico fluido resaltaba la tamente dinámicos, enriquecidos en distribución homogénea de lípidos y colesterol y esfingolípidos, que com- El modelo establece que las proteínas proteínas, al tiempo que reconocía la partimentan procesos celulares (fi- integrales que sobresalen del lado ci- asimetría entre sus hemicapas. Poste- gura 1). Actualmente se contempla toplasmático de la membrana funcio- rior a su planteamiento, este modelo la posibilidad de que estas pequeñas nan como postes e interaccionan con ha estado sujeto a una constante revi- balsas puedan estabilizarse y gene- los filamentos de actina del citoes- sión y puesta al día (Robertson, 2018). rar plataformas de mayor tamaño a queleto, dando lugar al confinamiento través de interacciones proteína-pro- de áreas o corrales (de unos 40 a 300 Así, a partir de los trabajos de Mark teína y proteína-lípido. Se reconocen nm de diámetro) en la cara interna de Bretscher (1972) se incluyó la noción dos tipos de balsas de membrana: la membrana plasmática. Los corrales de asimetría lipídica entre sus he- planas y caveolas. Las primeras se limitan el desplazamiento de las pro- micapas, mientras que los estudios alinean en el plano de la membrana teínas (integrales o periféricas) y de de Dennis Chapman (1975) y de y su caracterización detallada ha sido los fosfolípidos presentes en ambas Mahendra Jain y Harold White (1977) muy difícil debido a su pequeño ta- hemicapas de la membrana. Así, to- incorporaron el concepto de la se- maño (2-20 nm de diámetro) y gran dos los fosfolípidos y proteínas que gregación lateral de sus elementos dinamismo. Las segundas correspon- conforman la membrana plasmática lipídicos en dominios discretos. Kai den a invaginaciones o repliegues de están sujetos a los dos tipos de difu- Simons y Gerrit van Meer (1988) re- la membrana plasmática de mayor sión mencionados. tomaron estos aspectos para plantear dimensión (50-100 nm de diámetro) su modelo de nanodominios lipídicos, y menor dinamismo que los de las El modelo también asume que las bal- a partir de sus estudios sobre la dis- balsas planas. sas de membrana se alojan dentro de tribución diferencial de esfingolípidos 16 los corrales. La significancia funcional en la membrana apical de células En este escenario, Akihiro Kusumi y de las balsas y los corrales de mem- epiteliales. Más adelante, Kai Simons su grupo (2012) utilizaron la pode- brana es un un tema vigente y de gran y Elina Ikonen (1997) incorporaron rosa técnica de seguimiento de mo- interés, ya que la compartimentación el colesterol como un elemento in- lécula única y determinaron que las subcelular de procesos a la que dan UNIVERSITARIOS POTOSINOS 235 MAYO 2019 MEZA, U., ROMERO, A. Y SÁNCHEZ, S. PÁGINAS 12 A 17 lugar propicia su especificidad y efi- mática implican la comprensión de ciencia. En años recientes, la conver- los principios rectores de la dinámica gencia de intereses entre las áreas de de ensamble-disociación-señalización la física de la materia blanda, de las de estos complejos moleculares en membranas biológicas y de la simula- los diferentes escenarios y contextos ción de dinámica molecular ha defini- celulares, así como sus consecuencias do una nueva manera de abordar los sobre el funcionamiento normal o pa- procesos biológicos que se dan en el tológico de las células. ámbito de las membranas celulares. Las técnicas de microscopía de alta resolución y de simulación molecular, por ejemplo, posibilitan la detección, análisis y caracterización de estructu- ULISES MEZA VILLANUEVA Es doctor por el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados de la Ciudad de México. Es profesor investigador en la Facultad de Medicina de la UASLP, en donde trabaja el proyecto “Interacciones entre canales iónicos y lípidos en la membrana plasmática”. ras y propiedades funcionales de las membranas biológicas a nivel molecular. En los próximos años se espera que estos novedosos enfoques proporcionen un mejor entendimiento de la organización, funcionalidad y disfunción de la membrana plasmática, y de las membranas biológicas en general. Comentarios finales Como se ha mencionado, el concepto de membrana plasmática ha evolucionado radicalmente desde su propuesta inicial. La incorporación de diversas y novedosas características estructurales y funcionales ha propiciado el planteamiento de un nuevo modelo dinámico, que incluye heterogeneidades (denominadas balsas de membrana) dentro de un complejo andamiaje en el que participa de manera relevante el citoesqueleto. Las balsas de membrana se visualizan actualmente como plataformas estructurales de naturaleza lipoproteica que propician la eficiente modulación de procesos fisiológicos asociados a la membrana plasmática. Los retos actuales en el campo de investigación de la membrana plas- LA MEMBRANA PLASMÁTICA Referencias bibliográficas: Singer, S. J. y Nicolson, G. L. (1972). The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science, 175, pp. 720-731. Meza U., Romero-Méndez, A. C., Licón, Y. y Sánchez-Armass, S. (2010). La membrana plasmática: modelos, balsas y señalización. Revista de Educación Bioquímica de la UNAM, 29, pp. 125-134. Gitler, C. (1972). Plasticity of biological membranes. Annual Review of Biophysics and Bioengineering, 1, pp. 51-92. Robertson, J. L. (2018) The lipid bilayer membrane and its protein constituents. The Journal of General Physiology, 150, pp. 1472-1483. Kusumi, A., Fujiwara, T. K., Chadda, R., Xie, M., Tsunoyama, T. A., Kalay, Z., Kasai, R. S. y Suzuki, K. G. (2012). Dynamic organizing principles of the plasma membrane that regulate signal transduction: commemorating the fortieth anniversary of Singer and Nicolson’s fluid-mosaic model. Annual Review of Cell and Developmental Biology, 28, pp. 215-250. MAYO 2019 235 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 17
