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Membranas biológicas

Membrana celular
El modelo de membrana biológica más aceptado en el Mosaico Fluido de Singer y Nicholson, de acuerdo con este modelo todas las membranas biológicas, incluyendo las internas de las células eucarióticas, tienen una estructura general en común: son agrupaciones de moléculas lipídicas y proteicas unidas por enlaces no covalentes, las moléculas lipídicas forman una bicapa. La razón por la cual todas las membranas son bicapas es debido a las propiedades especiales de las moléculas lipídicas que les permite autoensamblarse en capas dobles aún fuera de las células. Estos lípidos (fosfolípidos) son moléculas anfipáticas, esto es, que tiene un extremo hidrofílico (que se siente atraído por el agua o polar) y un extremo hidrofóbico (que rehuye al agua o no polar), por esta razón las membranas en un medio eminentemente acuoso presentan propiedades de autoensamblaje y autosellado.

• Esta bicapa es un fluido bidimensional, esto es, que sus moléculas constituyentes se mueven rápida e independientemente dentro de su propia monocapa (con movimientos de flexión y rotación), esta fluidez depende de la composición: las membranas de las células eucariontes animales contienen grandes cantidades de colesterol que mantiene la estabilidad mecánica de las membranas. La combinación de grasas y las proporciones de ciertos ácidos grasos es determinante en la fluidez de la membrana de organismos como las bacterias, levaduras y animales poiquilotermos (sin un control interno de la temperatura, como peces, reptiles, anfibios).



• Esta bicapa es disolvente de proteínas de la membrana y es posible que algunas de estas proteínas se activen en presencia de grupos de cabeza de fosfolípidos específicos. Las proteínas están disueltas en esta bicapa y participan en las diversas funciones de la membrana, algunas sirven para transportar moléculas específicas hacia el interior y exterior de la célula, otras son enzimas que catalizan reacciones en la superficie de la membrana, otras actúan como eslabones estructurales entre el citoesqueleto de la célula y la matriz extracelular y otras más sirven como receptores de señales químicas procedentes del entorno de la célula.

Esta bicapa es asimétrica, esto es, la composición química de ambas capas es marcadamente diferente, existe además una importante diferencia de cargas entre las dos monocapas de membrana. Esta asimetría probablemente se genera desde su biosíntesis en el retículo endoplásmico mediante enzimas que transfieren lípidos específicos a una monocapa o a otra. Esta asimetría ayuda a mantener las proteínas de membrana en la orientación adecuada la cual es vital para sus funciones. Los lípidos de mayor y más constante asimetría son los glucolípidos, generalmente están situados en la mitad externa de la bicapa y con sus grupos de azúcares en la superficie de la célula, probablemente desempeñan un papel importante en la comunicación intercelular [galacto-cerebrósidos (mielina) y gangliósidos (en neuronas)].
La mayor parte de las funciones de la membrana, las desempeñan las proteínas en ella disueltas, por consiguiente, la cantidad y tipo de éstas, determina las funciones de la membrana y en buena parte de la célula.
Entre las funciones de las proteínas de membrana pueden mencionarse:
CANAL DE TRANSPORTE: Forman una abertura o poro que "interrumpe" la bicapa y que permite el paso selectivo y controlado de ciertas moléculas hacia el interior o exterior de la célula, por un sistema de difusión facilitada.
ENZIMAS: Son moléculas que disueltas en la bicapa de fosfolípidos controlan el paso de ciertos iones y moléculas a través de la membrana, mediante un sistema de transporte activo, en general, se trata de permeasas. Pueden encontrarse otro tipo de enzimas que catalicen reacciones en la superficie interna o externa de la célula y que los productos sean los que se transporten.
SITIO RECEPTOR: La estructura tridimensional de las proteínas les permite servir como sitios específicos de recepción de ciertas moléculas necesarias para la célula o para la activación de algunas de sus funciones, estas moléculas recibidas podrían ser hormonas, por ejemplo.
ADHESIÓN: Las proteínas de membrana de ambas monocapas pueden formar complejos que por sus enlaces y fuerzas iónicas permitan darle mayor cohesión a la estructura de la membrana. ANCLAJE DEL CITOESQUELETO: Su tamaño y estructura les permiten servir como puntos de sostén de los filamentos intracelulares que mantienen la forma celular.
MARCADORES DE IDENTIDAD: La combinación de algunas proteínas de membrana con cadenas de ciertos carbohidratos específicos para cada tipo celular, les permite participar en el reconocimiento y comunicación intercelular.
Todas las células eucariontes tienen carbohidratos en su superficie, en su mayoría se trata de cadenas laterales que se unen a proteínas formando glucoproteínas y a lípidos formando glucolípidos, conformando una cubierta celular llamada glucocálix o matriz extracelular, con funciones muy importantes en el reconocimiento y adhesión celular.
Estos carbohidratos siempre se encuentran en la superficie no citoplásmica de la bicapa. La distribución de éstos es muy asimétrica y sólo se presentan en el exterior de la célula en las membranas plasmáticas y en las membranas internas siempre mirando hacia el lumen del compartimiento. Algunos residuos de estos azúcares parecen ser los responsables de la carga negativa de la superficie de las células eucarióticas.
Las funciones de los carbohidratos de membrana se relacionan con:
El anclaje y orientación de las proteínas de membrana.
Servir de guía para las glucoproteínas, hacia su destino dentro y fuera de la célula.
Reconocimiento de las células, debido a su posición al descubierto y su complejidad.

Transporte de membrana
La bicapa lipídica por su interior hidrofóbico, actúa como una barrera altamente selectiva e impermeable a la mayoría de moléculas polares, impidiendo así que la mayor parte del contenido hidrosoluble de la célula salga de ella, es debido a esto que las células han desarrollado sistemas especiales de transporte a través de las membranas que les permitan por ejemplo ingerir nutrientes y excretar residuos y regular concentraciones iónicas intracelulares, lo que implica transportar iones hacia el interior o exterior de la célula. Este transporte es posible gracias a proteínas transmembrana especializadas, responsables de transferir moléculas específicas o grupos de moléculas afines.
Moléculas como el agua y CO2, pueden pasar a través de las membranas por difusión simple, utilizando finas aberturas entre las proteínas de membrana en su parte hidrofílica. Estos "poros" son temporales y demasiado pequeños para sustancias polares más grandes. Estas moléculas como los aminoácidos y disacáridos, pueden hacerlo por un mecanismo de difusión facilitada, que involucra la acción de una proteína acarreadora (transportadora), que interactúa con una molécula pasajero (ligando) de un lado de la membrana, como resultado el ligando cruza la membrana moviéndose a través de un canal formado por la estructura tridimensional de la proteína transportadora. Esta difusión facilitada, se lleva a cabo en sitios donde la membrana tiene proteínas muy específicas del tipo enzima llamadas permeasas. Tiene dos características: ocurre a favor de gradiente y es un sistema saturable. El transporte de Cl -, CO2, glucosa (del intestino a sangre) es de este tipo.
Cuando una sustancia tiene que ser transferida a través de la membrana, desde una región de menor concentración a una de mayor concentración, se requiere de energía, este proceso, se llama transporte activo y está acoplado a una bomba de membrana que depende para su operación del uso de moléculas de alta energía: el ATP. Es esencial para que la célula concentre nutrientes y se deshaga de sustancias de desecho. Existen sistemas de transporte activo muy estudiados como:
Bomba de Na+ y K+, que extrae sodio de la célula e introduce potasio, en proporción de 3:2; la mayoría de las células contienen mucho más K+ que Na+ en su citoplasma, aunque las membranas sean permeables a ambos, es un paso controlado y se hace en contra de un gradiente de mas de 40 veces la concentración. Cada paso de 3 iones sodio y 2 iones potasio gasta un ATP y genera una diferencia de cargas y un potencial eléctrico a través de la membrana. Un modelo de esta bomba señala el movimiento de Na+ y K+ a través de una ATPasa que requiere de ambos iones para activarse, el ATP transfiere un grupo fosfato (Pi) a una subunidad y esto le da una carga negativa extra que altera su conformación expeliendo el Na+ por un canal y dejando entrar, la misma molécula, al K+ pero por diferente sitio. Permite almacenar energía potencial como gradientes iónicos, que son utilizados para producir ATP, impulsar otros procesos de transporte y transmitir señales eléctricas. La bomba de Na -K co-transporta glucosa y aminoácidos.
Bomba de Ca++, que ocurre mediante canales de calcio formados de proteínas de membrana, esta bomba es esencial en el funcionamiento de nervios y músculos porque se crean cargas eléctricas alteradas que son traducidas como ondas de excitación.
Bomba de H+, su función es formar gradientes de protones, que son clave en la producción de ATP (fosforilación oxidativa y fotosíntesis), es también responsable de la acidificación del contenido estomacal y la orina.
Otras formas de incorporación de nutrientes y de expulsión de sustancias a nivel celular son la: Endocitosis y Exocitosis, ambas incluyen la formación de vesículas de la membrana, es la forma en la que se transportan proteínas como enzimas y neurotransmisores.
El primer proceso, la endocitosis, permite incorporar materiales en solución (pinocitosis) o partícula mayores (fagocitosis). El segundo proceso, la exocitosis permite expulsar el contenido de vesículas celulares al medio externo. Estos procesos se llevan a cabo en sitios específicos de la membrana celular debido a la presencia de receptores especiales.

BIOMOLÉCULAS

BIOMOLÉCULAS: MOLÉCULAS IMPORTANTES PARA LA VIDA
Composición química de los sistemas vivos
Los seres vivos al igual que todo en el universo son materia y energía y los materiales de los que están constituidos son elementos químicos. A pesar de que existen casi 100 elementos en el entorno, la materia viva utiliza entre 20 y 25, los cuales, por cierto, son los más abundantes en la Tierra y su atmósfera: C, N, O, H, Ca, P, K, S, Na, Cl, Cu, Mn, Mg, Co, Zn, etc., de esta forma, la vida no depende de “elementos especiales” sino de las complejas relaciones que se establecen entre estos elementos, los más comunes y abundantes.
El carbono es uno de los elementos de la tabla periódica que es capaz de formar compuestos con la mayor parte del resto de los elementos; por sus características el carbono se constituye en uno de los elementos que mayor número y variedad de compuestos puede formar, es probable que ésta sea una de las razones por las que el carbono es el centro de nuestra química, la de los seres vivos.
El carbono además, además presenta un orbital híbrido que permite establecer enlaces covalentes muy estables y sus átomos son capaces de combinarse entre sí para formar cadenas y anillos, esta característica debe haber sido crítica en la historia de la materia viviente. De todos los posibles compuestos de carbono, sin duda, son esenciales para la vida estas cinco variedades:
Carbohidratos (especialmente los de 5 carbonos y 6 carbonos)
Glicerol (3 carbonos y un grupo hidroxilo - OH)
Ácidos grasos (cadenas de carbono con terminación carboxilo -COOH)
Aminoácidos (cadena de carbono con un grupo carboxilo –COOH y un grupo amino –NH2)
Bases nitrogenadas (estructura de un anillo = pirimidinas y dos anillos = púricas).

Estas formas relativamente simples, combinables e interconvertibles de compuestos de carbono se consideran los bloques formadores de biomoléculas, es decir, todos aquellos compuestos que tienen una función específica en la estructura y el metabolismo de los seres vivos. La formación y procesamiento de estas biomoléculas es el resultado de cinco reacciones básicas: transferencia de grupos funcionales, transferencia de electrones (óxido - reducción), reordenamiento molecular, condensación o deshidratación (unión de dos moléculas con el desprendimiento de una molécula de agua) y escisión o rompimiento hidrólisis).
Las biomoléculas pueden clasificarse en dos grupos:
Con base de carbono u orgánicos: carbohidratos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y vitaminas
Los compuestos inorgánicos: agua, sales minerales y iones metálicos

Moléculas orgánicas y su importancia biológica
CARBOHIDRATOS
Los carbohidratos simples son compuestos de carbono derivados de alcoholes polivalentes que contienen en su estructura grupos aldehídicos (aldosas) o cetónicos (cetosas), son también llamados glúcidos o sacáridos, y son solubles en agua porque pueden formar puentes de hidrógeno entre sus grupos hidroxilo y el hidrógeno del agua, sin embargo, conforme se alargan las cadenas al unirse un mayor número de monómeros la solubilidad se pierde al presentarse cadenas cada vez más largas de hidrocarburos.
Puede haber muchos tipos de carbohidratos dependiendo del número de átomos de carbono que incluyan, a partir de tres; pero el carbohidrato más conocido y utilizado por las células, la glucosa, así como sus formas isoméricas como la fructuosa y la galactosa, son los principales monómeros o unidades que al unirse mediante enlaces glucosídicos, pueden dar origen a un número mayor y más diverso de carbohidratos.

Además del grupo funcional que incluyan (aldosas o cetosas), una forma de clasificar a los carbohidratos puede ser de acuerdo al número de monómeros que los constituyen, y esto inclusive se relaciona con su función biológica:
Monosacáridos (1): glucosa, fructuosa, galactosa, ribosa.
Oligosacáridos (2-9) : maltosa, lactosa.
Polisacáridos (3 o millones): almidón, glucógeno, celulosa, con estructuras lineales, enrollables y ramificadas.
En cuanto a sus funciones e importancia biológica podemos resumir que:
Monosacáridos
fuente de energía a corto plazo (hexosas: glucosa, fructuosa) y.
formadores de ácidos nucleicos y de ATP (pentosas: ribosa y desoxirribosa).
Oligosacáridos
Receptores de señales en membranas celulares, combinados con proteínas formando glucoproteínas
Parte de la respuesta inmune natural, formando mucosacáridos
Polisacáridos
Materiales de reserva (almidón, glucógeno).
Formadoras de estructuras (celulosa, quitina).

LÍPIDOS
Se trata de un grupo muy diverso de compuestos de carbono con una proporción menor de oxígeno que los carbohidratos y cuyas largas cadenas de hidrocarburos los hace insolubles en agua, pero pueden disolverse en solventes orgánicos o no polares.
El primer tipo de lípidos, los glicéridos, se forma con ácidos grasos y glicerol, del tamaño de la cadena del ácido graso depende si el resultado es un aceite o una grasa; el segundo tipo de lípidos son las denominadas grasas derivadas, porque en ellos se incorporan otros elementos como en los fosfolípidos y los cerebrósidos, de este grupo también es posible distinguir los esteroles y sus derivados, con grupos funcionales muy diversos pero que tienen en común una estructura un conjunto de cuatro anillos de carbonos fusionados, de éstos el más común es el colesterol que puede ser transformado en hormonas esteroides, vitaminas y sales biliares; el último tipo de lípidos biológicamente importantes son las ceras, que se forman de ácidos grasos fuertemente empacados y unidos a alcoholes de cadena larga o anillos de carbono, esta estructura les da una consistencia firme y los hace repelentes al agua.
En general las funciones biológicas de los lípidos pueden resumirse:
Reserva de energía a mediano plazo que reditúan el doble que los glúcidos (lecitina, ácido oleico).
Formadores de la membrana celular (fosfolípidos y colesterol).

Protección contra cambios de temperatura (grasa corporal).
Reguladores del metabolismo (algunas hormonas como las esteroides y las vitaminas A, D, E).
Son formadores de pigmentos fotosintéticos.
Protección de fibras nerviosas y eficiencia en transmisión del impulso nervioso (mielina).
Formadores de estructuras como las cutículas de plantas, panales de abejas.
Aislante del agua, evitando que se mojen las plumas de las aves.

PROTEÍNAS
Se denominan también polipéptidos, se trata de un tipo de co-polímero formado por largas cadenas de distintos aminoácidos, por tanto se trata de compuestos de C, H, O, N y S, esencialmente y que tienen en su estructura básica un grupo amino -NH2 y un carboxilo –COOH y que se unen por medio de enlaces peptídicos, un enlace formado por el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del otro.
Los sistemas vivos utilizamos básicamente los mismos 20 aminoácidos que combinados pueden construir una gama muy diversa de proteínas. Organismos como bacterias y plantas pueden abastecerse de todos estos aminoácidos mediante rutas metabólicas de síntesis, sin embargo, otros organismos, entre los sobresalen los mamíferos y en particular el humano tienen la necesidad de tomar algunos de estos aminoácidos en su dieta, ante la imposibilidad de sintetizarlos. A estos aminoácidos que bajo el modelo humano deben ser parte de la dieta, se les denomina indispensables y son: triptófano, fenilalanina, lisina, valina, treonina, metionina, leucina, isoleucina; se incluye la arginina porque se sintetiza en muy poca cantidad.

La característica fundamental de las proteínas es que pueden presentar distintos niveles en su estructura: primaria (secuencia de aminoácidos), secundaria (dobleces por formación de puentes de hidrógeno y disulfuro entre los aminoácidos para originar alfa hélices o láminas plegadas), terciaria (por interacciones hidrofóbicas o hidrofílicas de los aminoácidos, para originar estructuras de globular, fibrosa,) y cuaternaria (cuando se unen varias subunidades). Aunque puede haber proteínas muy pequeñas, suelen ser moléculas muy complejas y de alto peso molecular.

Independientemente de su nivel estructural, todas las proteínas tienen un extremo llamado N-terminus, que indica el aminoácido inicial y un C-terminus, que indica el aminoácido final, que determina la posición y orientación de las proteínas en la membrana, los sitios que serán modificados durante la maduración, etc.

Su compleja estructura, sobre todo desde el nivel terciario establece en las proteínas la presencia de dominios o regiones que por el tipo de aminoácidos que incluye, toman una conformación particular y por tanto, una función particular, como unirse a la membrana, reconocer a otra proteína, hacer catálisis, entre otras. Si estos sitios tienen una estructura que nos habla de su función, entonces tendremos que pensar, y de hecho, así es en la realidad, que las proteínas con funciones similares tendrán partes de su estructura semejante o al menos equivalente, los motivos, que son secuencias de aminoácidos que reproducen una forma característica y muy probablemente una misma función, estas estructuras, hoy en día se utilizan para estudiar proteínas desconocidas, con base en las ya conocidas.

Respecto a sus funciones biológicas podemos señalar:
Reguladores metabólicos (hormonas como: insulina, oxitocina, prolactina y enzimas como: lipasa pancreática, amilasa salival).
Formadores de estructuras celulares como el citoesqueleto y las distintas maquinarias celulares que de el derivan: los microtúbulos, el aparato mitótico y los microfilamentos (actina, miosina, tubulina).
Permiten el movimiento, formando desde el citoesqueleto y flagelos hasta fibras musculares, (miosina, miosina cardiaca, colágeno, osteína),
Son reserva de energía en casos extremos (músculo: miosina).
Participan en la respuesta inmune (inmunoglobulinas).
identificadores celulares (proteínas receptoras de membrana).
Transportadoras: llevan a cabo el transporte activo en membrana: transportasas; de gases: hemoglobina; de electrones: citocromo C, ferredoxina.

ÁCIDOS NUCLEICOS
Se trata de polímeros de nucleótidos (base nitrogenada + pentosa + fosfato), unidos por enlaces fosfodiéster, de peso molecular y estructura variable, se conocen básicamente dos tipos de ácidos nucleicos: el DNA y el RNA, cuyas diferencias estructurales fundamentales residen en el tipo de azúcar (pentosas) que forma cada uno de sus nucleótidos, para el DNA el azúcar es desoxirribosa y para el RNA es ribosa y en las bases nitrogenadas que los forman, en el primer caso, el DNA, contiene Adenina, Guanina Citosina, Timina; mientras que en la construcción del RNA se utiliza: Adenina, Guanina, Citosina y Uracilo.

En cuanto a su estructura y funciones el DNA suele formar largas cadenas dobles de nucléotidos, que sirven de almacenamiento de la información genética de cada célula, mientras que el RNA presenta variantes en su estructura desde una cadena sencilla (RNA mensajero), una cadena que se pliega en algunas regiones originando una estructura de estructura secundaria (RNA de transferencia) o bien una estructura tridimensional combinada con proteínas para formar ribosomas (RNA ribosomal); estos tres tipos de RNA se encargan de transcribir y traducir la información codificada por el DNA. Sus funciones biológicas: herencia, control celular y evolución.

Transcripción y traducción

VITAMINAS
Son compuestos orgánicos, de naturaleza y estructura diversa, pueden ser hidrosolubles y liposolubles, se requieren en pequeñas cantidades y la mayoría de ellas deben se ingeridas en la dieta como la molécula o como su precursor. Entre sus funciones biológicas puede mencionarse su importancia como:
Activadores de vías metabólicas con actividad de coenzimas: NAD, FAD, NADP, todas ellas derivados de las vitaminas del complejo B.
Antioxidantes: vitaminas C, A, D, E.

Moléculas inorgánicas y su papel biológico
AGUA
Esta molécula inorgánica constituye alrededor del 70% de la célula, sus moléculas no sólo fueron el soporte en donde se originó la vida, sino que sin lugar a dudas participaron activamente en las reacciones que formaron los agregados de moléculas orgánicas cada vez más complejas, entre sus funciones biológicas se pueden mencionar:
Es el disolvente universal y constituye el principal componente del citoplasma, constituyendo la matriz acuosa en donde se llevan a cabo todos los procesos metabólicos, pues es requisito que dos sustancias estén disueltas en el mismo medio para interaccionar.
Proporciona a las biomoléculas sus propiedades biológicas, mediante su interacción
Aporte de nutrientes y eliminación de desechos, todos se llevan a cabo por sistemas acuosos.
Esqueleto hidrostático, que mantiene la turgencia de las células.

La fuerza de cohesión de sus moléculas permite el fenómeno de la capilaridad, fundamental en el transporte de líquidos en estructuras de gran tamaño (árboles).
Su alto calor específico la convierte en un amortiguador térmico, para protección de las moléculas termolábiles.
Donadora de hidrógenos en el metabolismo energético.
Participa en reacciones de hidrólisis enzimáticas, en la ruptura de ciertos enlaces para degradar compuestos orgánicos (digestión).

SALES MINERALES
Se trata de moléculas inorgánicas, esto es, sales ácidas o básicas, como fosfatos, carbonatos, nitratos, sulfatos, que en general de disuelven en el agua, formando iones, entre sus funciones biológicas podemos mencionar:
Mantienen el equilibrio osmótico de la célula.
Participan en el control del potencial de membrana, manteniendo una diferencia de cargas entre el interior y el exterior de la célula.
Algunos iones participan en la contracción muscular y en la transmisión del impulso nervioso (Cl-, Na+, Ca++, K+).

IONES METÁLICOS
Se trata de formas iónicas de elementos que son requeridos en cantidades muy pequeñas, por lo que dentro de la dieta se consideran como micronutrientes, sin embargo, su papel biológico es de fundamental importancia porque:
Actúan como cofactores, similar a las coenzimas es decir, activan vías metabólicas (Fe, Zn, Mg).
Constituyen los núcleos prostéticos de las proteínas transportadoras de electrones en cadena respiratoria y en la fotosíntesis (Fe, Co, Cu).
Forman parte de los pigmentos fotosensibles y fotosintéticos (Mg, Fe).

Grupo hem