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.