La Membrana Plasmática

Definición

Todas las células están rodeadas y separadas de su ambiente exterior por una membrana con una permeabilidad selectiva llamada membrana plasmática, que define los límites de la célula, su perímetro celular, actuando como una barrera que separa su contenido interno (el citoplasma y núcleo) del medio externo.

El modelo actual que describe la organización estructural de la membrana plasmática fue propuesto en 1972 por los científicos Garth Nicholson y S. Jonathan Singer . Este modelo describe la membrana plasmática como un mosaico fluido que contiene diversas proteínas embebidas en una matriz de fosfolípidos.

Los fosfolípidos en la membrana forman una bicapa lipídica con las cabezas polares dirigidas hacia el exterior y las colas hidrofóbicas hacia el interior de la bicapa. Esta tiene un grosor aproximado de 75 Å (ángstrom) o 7.5 nanómetros (nm), por ello no es posible visualizarla al microscopio óptico pero sí con el microscopio electrónico, ya que éste ofrece imágenes de la membrana plasmática en la que se pueden observar dos líneas oscuras laterales y una central más clara, imagen que recuerda a las vías del tren.

Estructura

El modelo de mosaico fluido es el que describe la estructura de capas de la La membrana plasmática| membrana plasmática.

La membrana plasmática es un mosaico de diferentes tipos de proteínas (generalmente glicoproteínas) embebidas en una bicapa de fosfolípidos. El conjunto se mueve en el plano de la membrana como si fuera un fluido, de ahí el nombre que recibe este modelo de estructura: mosaico fluido.

Así pues, todas las membranas biológicas son entidades dinámicas, estructuras fluidas, pues la mayoría de sus lípidos y proteínas son capaces de moverse en el plano de la membrana, además de sufrir un continuo recambio de componentes. Al igual que un mosaico, la membrana plasmática es una estructura compleja construida de diferentes elementos, proteínas, fosfolípidos y esteroides. Cuatro fosfolípidos, tres fosfoglicéridos principales fosfatidilcolina,fosfatidiletalonamina, y fosfatidilserina y la esfingomielina constituyen más del 50 % de los fosfolípidos de la mayoría de las biomembranas.

Los esteroides, como el colesterol, tienen un importante papel en la regulación de las propiedades físico-químicas de la membrana biológicas regulando suresistencia y fluidez. La cantidad relativa de estos componentes varían de membrana en membrana, y los tipos de lípidos en la membrana también pueden variar.

Las proteínas integrales (llamadas también proteínas transmembrana) cruzan completamente la bicapa lipídica. Las proteínas periféricas se asocian con la membrana principalmente a través de interacciones no covalentes específicas con las proteínas integrales o lípidos de membrana. Las cadenas de oligosacáridos se encuentran unidos covalentemente a muchas proteínas extracelulares y al dominio exoplasmático de muchas proteínas transmembrana.

Función de la membrana plasmática

La membrana plasmática, tiene un doble papel fisiológico en la célula, por una parte aísla y por lo tanto diferencia el medio interno celular del ambiente exterior pero a su vez media la interacción entre la célula y su entorno al permitir intercambio selectivo de materia y energía e información (diferentes tipos de señales físicas y químicas) entre ambos, intercambio que es necesario para mantener una adecuada homeostasis del medio interno, clave en el mantenimiento de la vida celular. Esta doble función de la membrana plasmática es posible por una parte gracias a la naturaleza aislante que en medio acuoso proporciona la bicapa lipídica y por otra en las funciones de transporte que desempeñan las proteínas embebidas en la membrana. Es la actividad específica transportadora de dichas proteínas la que determina permeabilidad selectiva de las biomembranas y de ese modo desempeñan un papel crucial en la función de la membrana.

La membrana plasmática es una barrera selectivamente permeable que permite el paso de unas sustancias pero no de otras. Determina pues qué sustancias entran o salen de la célula. El interior hidrofóbico de la bicapa de fosfolípidos es una de las razones por las que la membrana es selectivamente permeable.

Así, la bicapa lipídica tiene un papel fisicoquímico dual, pues sirve por una parte como un solvente de las proteínas de la membrana y por otra actúa como una barrera a la permeabilidad. Mientras que las moléculas hidrofóbicas, que son solubles en lípidos (e.g. etanol) pueden pasar fácilmente la membrana, moléculas pequeñas como el oxígeno , dióxido de carbono , Nitrógeno pueden difundir entre los fosfolípidos de membrana, pero moléculas hidrofílicas pequeñas como agua, nutrientes como la glucosa e iones [ , , protones , etc…] no pueden pasar directamente a través de los fosfolípidos de la membrana plasmática. Estos compuestos deben pasar a través de proteínas de transporte específico situadas en la membrana.

Permeabilidad de una bicapa de fosfolípidos a varias tipos de moléculas

Las proteínas embebidas en la membrana realizan varios tipos de funciones, algunas de las cuales están relacionadas con el mantenimiento de la hemostasia celular (e.g. transporte, enzimas) y otras que son básicas para integrar una célula en un tejido (receptores, funciones de anclaje, de conexión y reconocimiento intercelular).

Diferentes tipos de función adscritas a distintos tipos de proteínas de membrana transmembranales: transporte, de anclaje y conexión, receptores y enzimas. Una misma proteína transmembrana puede más de una función por ejemplo ser un receptor y tener actividad enzimática.

Transporte específico de moléculas hacia el interior o hacia el exterior celular

Esta función de las proteínas de membrana es de vital importancia para la toma de nutriente por la célula, la salida de productos de desecho de la célula; así como el mantenimiento de diferentes tipos de gradientes electroquímicos (e.g. potencial de membrana) y de concentración de diferentes moléculas a través de la membrana necesarios para mantener la vida celular.

Tipos de transporte: pasivo y activo.

Diferentes tipos de movimiento de las moléculas a través de las membranas biológicas. Difusión pasiva y la difusión facilitada no requieren el consumo de energía, ya que se realiza a favor de gradiente de concentración o electroquímico; cuando las sustancias están cargadas la dirección y magnitud del flujo de iones a través de una membrana depende tanto de la diferencia de concentración y de la diferencia eléctrica a través de ella, estas dos fuerzas son por ello colectivamente conocidas como gradiente electroquímico. Algunas sustancias entran directamente en la célula a través de difusión pasiva pero muchas sustancias de interés para la célula atraviesan la membrana mediante difusión facilitada. El transporte activo se realiza con consumo de energía (acoplando a la hidrólisis ATP) al realizarse enana dirección energéticamente desfavorable contra un gradiente electroquímico o de concentración.

Diferentes tipos de proteínas transportadoras de membrana

Se suelen distinguir dos clases de proteínas que intervienen en la difusión facilitada: Las proteínas canales o de canal facilitan la difusión formando poros (e.g porinas) abiertos en la membrana que permiten la libre difusión de cualquier molécula de tamaño y carga apropiados. Las proteínas transportadoras se unen específicamente en un lado de la membrana a las moléculas que van a ser transportadas, sufren entonces un cambio conformacional que permite que la molécula pase a través de la membrana y sea finalmente liberada al otro lado. Se distinguen tres tipos de transportadores, Uniportes, transportan un solo tipo de molécula a favor de gradiente de concentración y proteínas de cotransporte (simportes y antiportes), que catalizan el movimiento de una molécula en contra de su gradiente de concentración dirigido por el cotransporte (en la misma dirección o en sentidos opuestos respectivamente) de otra molécula o ión a favor de gradiente. Existen también canales iónicos (que transportan iones, moléculas cargadas) cuya apertura es regulada por la unión de un pequeño ligando (e.g. un neurotransmisor, acetilcolina) o con una apertura regulada por cambios en el voltaje eléctrico (canales iónicos regulados por voltaje para cationes , , , etc…). Las bombas potenciadas por ATP permiten a la célula el transporte activo de ciertas moléculas en contra de gradiente de concentración o electroquímico. Los triángulos señalan los gradientes con la punta indicando hacia la zona de menor concentración o de potencial eléctrico.

Ensamblaje de una membrana

La formación de una bicapa lipídica es un proceso espontáneo en el que fuerzas intermoleculares como interacciones de van der Waals, einteracciones hidrofobicas (mediada por el efecto hidrofóbico) favorecen que las colas de los lípidos se autoasocien y autoensamblenespontáneamente en una bicapa lipídica con las capaces polares orientadas hacia el agua, y las colas hidrofóbicas hacia el interior. Así, cuando los fosfolípidos se “disuelven” en agua forman espontáneamente una micela o una bicapa lipídica en forma de liposomas.

Estructura química de un fosfolípido

Estructura de la fosfatidilcolina unos de los fosfolípidos (fosfoglicerido) más comunes en las membranas biológicas. Estructura química y representación de modelos de bolas de su estructura atómica, que da una idea aproximada de la forma de la molécula.

Ensamblajes de fosfolípidos anfipáticos en soluciones acuosas

Micela

Unidades con forma de cuña (cabeza más grande que la cadena). En las micelas, las cadenas hidrofóbicas de los ácidos grasos están secuestradas en el núcleo de la esfera. No hay agua en el interior hidrofóbico.

Bicapa

Unidades con forma de cilindro (cabeza de igual tamaño que la cadena) . En una bicapa abierta todas las cadenas hidrofóbicas están protegidas del agua, excepto las situadas en los bordes. Representación abreviada típica de la estructura anfipática de los fosfolípidos, con una cabeza polar hidrofílica y una cola apolar hidrofóbica

Liposoma

Estructuras esféricas huecas con una pared en forma de bicapa lipídica y una cavidad interior acuosa

Bicapa lipídica

La imagen muestra los distintos niveles de organización membrana biológica (biomembrana) típica que se ensambla con fosfolípidos (fosfogliceridos,esfingolipidos) y esteroides (principalmente colesterol). Aunque todos los lípidos de membrana tienen su carácter antipático en común (con cabezas polares-hidrofílicas y colas apolares-hidrofóbicas) difieren en su estructura química, abundancia y funciones en las membranas biológicas.

Asimetría en la membrana

La membrana plasmática es una estructura asimétrica. Las dos monocapas que forman la bicapa lipídica, la monocapa o cara externa que mira al medio extracelular y la otra que mira al citosol (el medio interno de la célula), la cara citosólica tienen distinta composición, y distribución de fosofolípidos, así como de colesterol como también en la organización de las proteínas embebidas o asociadas a la membrana.

La cara externa de la membrana plasmática está compuesta principalmente de fosfatidilcolina y esfingomielina, mientras que la fosfatidietalonamina y fosfatidilserina son los fosfolípidos predominantes de la cara interna o citosólica. Otro fosfolípido, el fosfatidilinositol, también se encuentra en la cara interna de la membrana Los oligosacáridos unidos a lípidos (gicolípidos) y a las proteínas integrales de membrana (glicoproteínas) miran siempre hacia el exterior celular.

Todas las biomembranas conocidas muestran una asimetría en la disposición y distribución de los componentes lipídicos y proteicos en ambas monocapas u hojas que componen la bicapa lipídica, la cara citosólica (que mira al citosol) y la cara extracelular (que mira hacia el exterior). Tal asimetría en la distribución confiere distintas propiedades funcionales a las dos caras de la membrana. Esta asimetría es tanto una asimetría lateral como transversal. En la asimetría lateral los lípidos o proteínas de un tipo particular se agrupan en un plano o zona concreto de la membrana, mientras que la asimetría transversal es la que existe a través de la membrana desde el lado exterior al lado citosólico. Los lípidos se distribuyen asimétricamente tanto lateral como transversalmente, su asimetría transversal se observa claramente en la membrana de los eritrocitos (glóbulos rojos) donde la fosfatidilcolina comprende el 30% de los fosfolipidos totales, pero de este porcentaje el 30 % se encuentra en la monocapa exterior y el 70% en la hoja que mira hacia el interior. La asimetría lateral de los lípidos es requerida en formación de ciertas estructuras especializadas de la membrana, por ejemplo para llevar a cabo diferentes mecanismos de endocitosis, y también es importante para el correcto funcionamiento de proteínas integrales de membrana (e.g. canales iónicos).

Por otra parte, las proteínas embebidas integralmente en la membrana tienen una orientación definida asimétrica dentro de la bicapa mostrando una única orientación polarizada debido a que se sintetizan y se insertan en la membrana de una manera asimétrica. Además los restos oligosacáridos de losglicolípidos y las glicoproteínas de la membrana plasmática sólo se orientan hacia el medio extracelular donde participan en los fenómenos dereconocimiento celular.

Entre las propiedades funcionales de la membrana que son una consecuencia de la asimetría de orientación y composición de su componente proteico se incluye el transporte vectorial de membrana, el cual está dirigido en una sola dirección, la unión a receptores situados en la superficie de las células (con su consiguiente efecto fisiológico) de multitud de hormonas (u otras moléculas de señalización química), diversos tipos de procesos de reconocimiento molecular entre células que necesariamente involucra ciertas estructuras de la superficie exterior de las células (e.g. oligosacáridos), y otro largo etcétera de procesos.

Las proteínas integrales de membrana (PIM) tienen diferentes modos de anclarse a la membrana plasmática : a través de uno o varios segmentos -helicoidales hidrofóbicos con distinta orientación topológica [amino N- Carboxilo terminal] (a,b,c). Existen también PIM que se anclas por medio de láminas (e.g. porinas, proteínas con estructura en forma de barril construido de 8 a 22 láminas que forman un poro, presentes en la membrana exterior de las bacterias Gram negativas y en la membrana exterior de las mitocondrias). Por otra parte, existen proteínas que se encuentran ancladas exclusivamente a una de las hojas de la bicapa (monocapa) por un larga cadena lipídica hidrofóbica de diferente composición de ácido graso (e.g. ácido mirístico, ácido palmítico) o de grupos prenilo (d). Otras proteínas se anclan exclusivamente a la monocapa exterior de la memebrana plasmática través de un anclaje de glicosilfosfatidilinositol (un glicolípido abreviadamente GPI), llamadas por ello proteínas GPI (e) .

El colesterol se inserta dentro de la bicapa de fosfolípidos con sus grupos polares hidrófilo (-OH) próximos a las cabezas de los fosfolípidos.

Funciones de la membrana plasmática

La membrana plasmática, tiene un doble papel fisiológico en la célula, por una parte aísla y por lo tanto diferencia el medio interno celular del ambiente exterior pero a su vez media la interacción entre la célula y su entorno exterior al permitir intercambio selectivo de materia y energía e información (diferentes tipos de señales físicas y químicas) entre ambos, intercambio que es necesario para mantener una adecuada homeostasis del medio interno, clave en el mantenimiento de la vida celular. Esta doble función de la membrana plasmática es posible por una parte gracias a la naturaleza aislante que en medio acuoso proporciona la bicapa lipídica hidrofóbica y por otra en las funciones de transporte que desempeñan las proteínas embebidas en la membrana. Es la actividad específica transportadora de dichas proteínas la que determina permeabilidad selectiva de las biomembranas y de ese modo desempeñan un papel crucial en la función de la membrana.

La membrana plasmática es una barrera selectivamente permeable que permite el paso de unas sustancias pero no de otras. Determina pues que sustancias entran o salen de la célula. El interior hidrofóbico de la bicapa de fosfolípidos es una de las razones por las que la membrana es selectivamente permeable. Así, la bicapa lipídica tiene un papel fisicoquímico dual pues sirve por una parte como un solvente de las proteínas de la membrana y por otra actúa como una barrera a la permeabilidad. Mientras que las moléculas hidrofóbicas, que son solubles en lípidos (e.g etanol) pueden pasar fácilmente la membrana, moléculas pequeñas como el oxígeno (O2), dióxido de carbono (CO2), Nitrógeno (N2) pueden difundir entre los fosfolípidos de membrana, pero moléculas hidrofílicas pequeñas como agua, nutrientes como la glucosa e iónes [Na+, K+, protones (H+), etc…] no pueden pasar directamente a través de los fosfolípidos de la membrana plasmática. Estos compuestos deben pasar a través de proteínas de transporte específico situadas en la membrana.

Las proteínas embebidas en la membrana realizan varios tipos de funciones algunas de las cuales están relacionadas con el mantenimiento de la hemostasia celular (e.g. transporte, enzimas) y otras que son básicas para integrar una célula en un tejido (receptores, funciones de anclaje, de conexión y reconocimiento intercelular)

Transporte

Transporte específico de moléculas hacia el interior o hacia el exterior celular. Esta función de las proteínas de membrana es de vital importancia para la toma de nutriente por la célula, la salida de productos de desecho de la célula; así como para el mantenimiento de diferentes tipos de gradientes electroquímicos (e.g. potencial de membrana) y de concentración de diferentes moléculas a través de la membrana necesarios para mantener la vida celular.

Diferentes tipos de movimiento de las moléculas a través de las membranas biológicas. Difusión pasiva y la difusión facilitada no requieren el consumo de energía, ya que se realiza a favor de gradiente de concentración o electroquímico; cuando las sustancias están cargadas la dirección y magnitud del flujo de iones a través de una membrana depende tanto de la diferencia de concentración y de la diferencia eléctrica a través de ella, estas dos fuerzas son por ello colectivamente conocidas como gradiente electroquímico. Algunas sustancias entran directamente en la célula a través de difusión pasiva pero muchas sustancias de interés para la célula atraviesan la membrana mediante difusión facilitada. El transporte activo se realiza con consumo de energía (acoplando a la hidrólisis ATP) al realizarse en una dirección energéticamente desfavorable contra un gradiente electroquímico o de concentración.

Proteínas transportadoras de membrana

Se suelen distinguir dos clases de proteínas que intervienen en la difusión facilitada: Las proteínas canales o de canal facilitan la difusión formando poros (e.g porinas) abiertos en la membrana que permiten la libre difusión de cualquier molécula de tamaño y carga apropiados. Las proteínas transportadorasse unen específicamente en un lado de la membrana a las moléculas que van a ser transportadas, sufren entonces un cambio conformacional que permite que la molécula pase a través de la membrana y sea finalmente liberada al otro lado. Se distinguen tres tipos de transportadores, Uniportes, transportan un solo tipo de molécula a favor de gradiente de concentración y proteínas de cotransporte (Simportes y Antiportes), que median el movimiento de una molécula en contra de su gradiente de concentración dirigido por el cotransporte (en la misma dirección o en sentidos opuestos respectivamente) de otra molécula o ión a favor de gradiente. Existen también canales iónicos (que transportan iones, moléculas cargadas) cuya apertura es regulada por la unión de un pequeño ligando (e.g. un neurotransmisor, acetilcolina) o con una apertura regulada por cambios en el voltaje eléctrico (canales iónicos regulados por voltaje para cationes Na+, K+, Ca2+, etc…).

Por otra parte, las bombas potenciadas por ATP o bombas ATPasas como también se las denomina, que permiten a la célula el transporte activo de ciertas moléculas en contra de gradiente de concentración o electroquímico. Se han descrito diferentes tipos de bombas ATPasas que median el transporte activo dependiente de la hidrólisis de ATP. La familia de transportadores de tipo ABC (acrónimo de ATP-binding Cassete en inglés) es una de la más numerosa.

Las células producen y mantienen diferentes tipos de gradientes electroquímicos, que son importantes para diferentes aspectos de la fisiología celular. Lasbombas iónicas, son unas proteínas integrales de membrana responsables de mantener los diferentes gradientes iónicos a través de la membrana plasmática, siendo un buen ejemplo de transporte activo acoplado directamente a hidrólisis de ATP. Por ejemplo, la concentración de cationes Na+ es aproximadamente diez veces superior fuera que dentro de las células, mientras que concentración K+ de es mayor dentro que fuera. La bomba de Na+- K+llamada también ATPasa de Na+- K+ es la responsable del mantenimiento de diferencias de concentración iónica (gradientes) Na+ y K+ a ambos lado de la membrana. La bomba de Na+- K+ utiliza la energía derivada de la hidrólisis de ATP para transportar Na+ y K+ contra sus gradientes electroquímicos. El proceso de transporte es el resultado de una serie de cambios conformacionales de la bomba, dirigidos por el ATP. Por cada tres iones Na+ transportados al exterior por la bomba se transportan dos iónes K+ al interior celular. Este bombeo desigual de iones positivos hace más negativo el interior celular lo que causa una separación de cargas a través de la membrana plasmática contribuyendo a originar el potencial de membrana (con un voltaje eléctrico negativo en la célula) que proporciona una fuerza eléctrica que influencia el movimiento de iones a través de la membrana. El potencial de membrana y gradiente electroquímico de Na+ y K+ mantenido por la ATPasa de Na+ y K+ tiene un papel crítico en la propagación de señales eléctrica en los nervios y músculos, así como en el mantenimiento de un equilibrio osmótico y volumen celular adecuado. Además la energía potencial almacenada en el gradiente de Na+ establecido por la ATPasa de Na+- K+ también se utiliza para el transporte activo de otras moléculas en contra de su gradiente de concentración, (e.g.glucosa), un proceso llamado cotransporte o transporte activo secundario.

A modo de ejemplo, la célula emplea diferentes tipos de transporte (facilitado y activo) y de transportadores: bombas ATPasa de calcio, canales iónicos, cotransportadores (antiporter) para controlar la concentración del ión Ca2+ entre diferentes compartimentos interiores de la célula y el exterior celular.

.- Enzimas que catalizan reacciones químicas asociadas a la membrana plasmática La ATPasa de Na+- K+ es un ejemplo de proteínas que además de tener una función transportadora son también una enzima (hidroliza ATP). Multitud de proteínas asociadas y embebidas en las membrana plasmática tiene actividad enzimática.

Señalización molecular

Ciertas proteínas integrales de membrana sirven también como receptores para recibir y transducir señales químicas o físicas del ambiente externo al interior celular. Permiten por ello la comunicación de la célula con su entorno exterior.

Proteínas receptores de membrana sirven para sentir estímulos externos (generalmente una pequeña moléculas señalizadora, e.g. hormona o un estímulo físico, luz por ejemplo) y poner en marcha una cascada de señalización interna que conduce a la generación finalmente una respuesta fisiológica adecuada. En muchos casos los receptores tienen también actividad enzimática.

Por ejemplo, el receptor de insulina, una hormona péptidica que controla los niveles de glucosa en sangre es una proteína integral de membrana que tiene también actividad enzimática (quinasa).

Unión intercelular. Las proteínas de membranas adyacentes pueden actuar como puentes de unión entre células. Permiten la comunicación intercelular. Lasuniones comunicantes (gap junctions en inglés) un ejemplo de estructuras para la comunicación intercelular construidas con proteínas integrales de membrana llamadas conexinas.

Reconocimiento célula-célula

Los oligosacáridos que se encuentra unidos covalentemente a glicoproteínas y glicolípidos de la membrana plasmática se dirigen hacia el espacio extracelular formando el glicocalix, una especie de manto de carbohidratos que recubre la superficie celular. El glicocalix sirve para proteger la superficie celular de diferentes tipos de agresiones mecánica y químicas, además de estar implicado en diferentes tipos de interacción célula-célula al servir como puntos de reconocimiento (marcadores) de la superficie celular que son identificados por receptores específicos encontrados en otras células (reconocimiento intercelular). Por ejemplo los grupos sanguíneos humanos A, B, AB y O reflejan variaciones en la estructura de los oligosacáridos unidos a proteínas o lípidos en la superficie de los eritrocitos o glóbulos rojos.

Los distintos grupos sanguíneos humanos son una consecuencia de la diferente estructura de los oligosacarídos unidos covalentemente a lípidos y proteínas de la membrana de los eritrocitos o glóbulos rojos. Los glóbulos blancos (leucocitos,e.g neutrófilos, macrófagos) son capaces de adherirse a las células endoteliales gracias a los restos de oligosacarios que expone en su superficie y que son reconocidos por receptores específicos (selectinas) de la superficie de las células endoteliales.

.- Proteínas receptoras, forman enlaces estructurales entre las proteínas del citoesqueleto celular y la matriz extracelular. De importancia fundamental en la construcción de tejidos y en el movimiento celular.

Por ejemplo, en las estructura celulares de adhesión denominadas contacto focales, las células se adhieren a un sustrato(e.g. matriz extracelular), las proteínas integrales de membranaintegrinas, (un heterodimero de alfa y beta subunidades) constituyen el principal receptor para la interacción entre proteínas del citoesqueleto (en el citoplasma de la célula) y las proteínas de la matriz extracelular.

Referencias


1. The Fluid Mosaic Model of Biological Membranes, por William C. Wimley, profesor de Bioquímica en la Universidad de Tulane en Nueva Orleans, Estados Unidos. (Consultado por última vez el 10-11-2008)