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4.1: Estructura y composición de la membrana - Biología

4.1: Estructura y composición de la membrana - Biología



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Dado que la mayoría de las células viven en un entorno acuoso y el contenido de la célula también es en su mayoría acuoso, es lógico pensar que una membrana que separa un lado del otro debe ser hidrofóbico para formar una barrera eficaz contra fugas accidentales de materiales o agua. En el capítulo anterior sobre las biomoléculas básicas, las membranas celulares se definieron parcialmente como compuestas principalmente de fosfolípidos: moléculas que constan de un grupo de cabeza polar fosforilado unido a una columna vertebral de glicerol que tiene dos largas colas de hidrocarburo. La composición de los hidrocarburos puede variar en longitud y grado de saturación, y también hay variación en los grupos de cabeza. También es importante recordar que aunque nos concentramos en los fosfolípidos como componentes primarios de la membrana, existen otras partes importantes: otros lípidos, incluido el colesterol, proteínas integrales y de membrana periférica, y lípidos y proteínas glicosilados.

Debido a que los fosfolípidos son anfipáticos, lo que significa que tienen una cabeza hidrófila y una cola hidrófoba, se puede esperar que la conformación más simple para un pequeño grupo de fosfolípidos en solución acuosa sea una micela (Figura ( PageIndex {1} ) A), pero ¿Es este realmente el caso? Las mezclas de moléculas hidrófobas y agua son termodinámicamente inestables, por lo que esta estructura protegería las colas de acilo graso hidrófobo del entorno acuoso con el que interactúan los grupos de cabeza. Las micelas se pueden formar con otros lípidos anfipáticos, siendo los más reconocibles los detergentes como el SDS (dodecil sulfato de sodio, también llamado lauril sulfato de sodio), que se usa en productos domésticos comunes como los champús. Los detergentes actúan rodeando la suciedad hidrófoba (1B) y manteniéndola en solución dentro de la micela para enjuagarla con el agua. En tamaños más pequeños, la micela es bastante estable; sin embargo, cuando hay una gran cantidad de fosfolípidos, el espacio dentro de la micela se vuelve más grande y puede atrapar agua en contacto directo con las colas hidrófobas (1C). Esto hace que la micela sea inestable, por lo que es poco probable que una gran capa única de fosfolípido sirva de manera estable como membrana biológica. Las micelas se forman fácilmente con SDS y otros lípidos de una sola cola porque su forma general (envoltura de van der Waals) es cónica (1D), lo que se presta para ajustarse a curvaturas estrechas. Sin embargo, los fosfolípidos son más cilíndricos y es más difícil convertirlos en una micela esférica apretada. Si forman micelas, tienden a ser más grandes y es probable que colapsen.

Por otro lado, una bicapa de fosfolípidos (Figura ( PageIndex {2} ) A) podría formar un sándwich de acilo graso en el que los grupos de cabezas polares miran hacia afuera para interactuar con un ambiente acuoso, y los ácidos grasos son secuestrados entre . Sin embargo, esto no resuelve el problema de los bordes del sándwich. A veces, una micela colapsada puede formar una bicapa cerrada en la que los bordes parecen estar sellados, pero debido a la forma de los fosfolípidos, existe un mal contacto entre las cadenas de acilo. Una curva tan cerrada es inestable y es probable que los fosfolípidos del borde se rompan entre sí. Entonces, la solución a la estructura ideal de fosfolípidos en un ambiente acuoso es una bicapa de fosfolípidos esférica (2B y corte en 2C): sin bordes significa que no hay hidrofobicidad expuesta.


Figura ( PageIndex {2} ).

La estabilidad de la bicapa esférica de fosfolípidos no implica que sea estática en sus propiedades físicas. En la mayoría de las condiciones fisiológicamente relevantes, la membrana es cohesiva, pero fluida. Puede moldear su superficie a los contornos de lo que sea que esté descansando, y las mismas propiedades termodinámicas e hidrófobas que lo hacen tan estable también le permiten sellar pequeñas lágrimas de forma espontánea. Mantener un rango de trabajo de fluidez es importante para la célula: si la membrana es demasiado rígida, es posible que no pueda moverse o sufrir procesos necesarios como la endocitosis, en la que una célula absorbe grandes moléculas extracelulares envolviéndolas con el membrana celular y pellizcándola en una vesícula; mientras que si se vuelve demasiado fluido, puede perder integridad y desmoronarse.

Hay tres factores principales que gobiernan la fluidez de la membrana:

  1. grado de saturación de las cadenas de acilo graso,
  2. la temperatura, y
  3. la concentración de colesterol.

Así como las micelas demasiado grandes serán inestables, también se necesita una concentración mínima de lípidos para que se forme una micela. Esto se conoce como concentración micelar crítica (cmc) y es una propiedad de cada lípido en particular. Por debajo de la cmc, no hay suficientes lípidos anfipáticos para proteger mutuamente sus colas hidrófobas del agua, y la posición más probable de los lípidos es en la superficie de la solución acuosa, las cabezas hidrófilas en contacto, con las colas hidrófobas en el aire.

Los liposomas son bicapas esféricas artificiales (Figura ( PageIndex {2} )) que se utilizan tanto en la investigación para el estudio de los lípidos de la membrana como de las proteínas integrales de la membrana. También se utilizan para administrar fármacos y otras macromoléculas en las células para fines terapéuticos o de investigación. Un método común para introducir ADN, una molécula grande que normalmente no se transporta a las células, se llama lipofección. Esta técnica implica la creación de liposomas dentro de una solución que contiene el ADN de interés. Esto atrapa el ADN en el liposoma, que luego se puede aplicar a las células. Luego, los liposomas se fusionan con la membrana plasmática y entregan el ADN a la célula.

Otra técnica para introducir ADN extraño en una célula es electroporación, que ilustra la propiedad de autosellado de la bicapa de fosfolípidos (Figura ( PageIndex {3} )). La célula (generalmente miles de células, en realidad) se coloca en una solución de ADN y se somete a una corriente eléctrica. Esto tira transitoriamente de la membrana celular en todas las direcciones, lo que hace que se abran muchos agujeros pequeños. Luego, el ADN se mueve hacia la célula y los agujeros se curan espontáneamente. Por supuesto, el proceso no es perfecto y, debido a variaciones en las celdas y en el campo eléctrico, algunas celdas no podrán volver a sellar los orificios o, por otras razones, es posible que no sobrevivan al proceso.

Las cadenas de acilo graso completamente saturadas pueden rotar libremente alrededor de cualquier enlace y, por lo tanto, pueden compactarse muy estrechamente, disminuyendo así la fluidez de la membrana. A medida que se introducen más cadenas de acilo graso insaturadas en la membrana, más espacio hay entre algunas de las colas de acilo graso y aumenta la fluidez. De manera similar, a temperaturas más altas, incluso las cadenas de acilo graso saturado, con su mayor energía, se mueven más y crean más espacio entre las cadenas, aumentando también la fluidez. Finalmente, el colesterol, como una pequeña molécula lipídica plana, puede intercalar entre las colas de acilo graso. Curiosamente, a temperaturas fisiológicas normales, el efecto del colesterol depende de su concentración. A concentraciones normales, el colesterol restringe el movimiento de la cola del acilo y disminuye la fluidez. Sin embargo, a concentraciones muy bajas, el colesterol tiene el efecto contrario, separando las colas hidrófobas y aumentando ligeramente la fluidez, especialmente en las regiones más internas de la membrana. [En caso de que se lo pregunte, los problemas médicos humanos con el colesterol no están relacionados con el colesterol en las membranas celulares y se refieren al colesterol (unido a los portadores de lipoproteínas) en el torrente sanguíneo. Ese colesterol puede acumularse en los vasos sanguíneos, disminuyendo el diámetro interno y, con él, el flujo sanguíneo. Cuando esto le sucede al corazón, que usa mucho oxígeno, la falta de oxígeno puede causar necrosis y un ataque cardíaco.]

El efecto del colesterol es en realidad un poco más complicado de lo que se explicó anteriormente. El colesterol no solo es plano sino rígido, y se intercala cerca de las colas de acilo cerca de la región de la cabeza. Debido a que el colesterol es algo más corto que muchas colas de acilo, mientras que las partes de las cadenas de hidrocarburos más cercanas a los grupos principales están estabilizadas y restringidas en movimiento, el colesterol en realidad actúa como un espaciador para el otro extremo (metilo) de cada cadena, por lo que en En el dominio central del núcleo hidrófobo de la bicapa, en realidad hay una mayor fluidez alrededor de los colesteroles. La concentración de colesterol varía mucho entre los orgánulos de la misma célula e incluso puede regularse dinámicamente en respuesta a los cambios de temperatura. Las muestras de membranas tomadas de peces que viven en temperaturas más cálidas contienen más colesterol que las muestras de la misma especie aclimatadas a una temperatura más baja.

Además de los tres factores señalados anteriormente, la composición de fosfolípidos también puede alterar la fluidez de la membrana: las cadenas de acilo más cortas conducen a una mayor fluidez, mientras que las cadenas más largas, con más superficie de interacción, generan membranas con mayor viscosidad. La composición de fosfolípidos de las membranas biológicas es dinámica y puede variar ampliamente. La siguiente tabla muestra las diferencias en las proporciones de las principales especies de fosfolípidos fosfatidilcolina (PC), fosfatidiletanolamina (PE), fosfatidilserina (PS) y esfingomielina (SM) en las membranas plasmáticas de dos tipos de células diferentes. Como era de esperar en base a sus diferentes funciones, las proporciones de lípidos de la membrana plasmática de una célula de Schwann mielinizante son muy diferentes de los lípidos en la membrana plasmática de un glóbulo rojo.

LípidoPM de la celda de SchwannEritrocitos PM
Fosfatidilcolina44%19%
Fosfatidiletanolamina14%18%
Fosfatidilserina3%8%
Esfingomielina29%17%

Incluso dentro de una sola célula, la composición de la membrana plasmática difiere de la de los orgánulos intracelulares. Incluso hay heterogeneidad dentro de la propia membrana: los lípidos no se distribuyen simplemente al azar en la membrana. Las investigaciones realizadas durante las últimas dos décadas han identificado "balsas" de lípidos que parecen ser específicas para incrustar determinadas proteínas. Dado que son lípidos no anclados, las balsas pueden moverse lateralmente dentro de la membrana al igual que la mayoría de las moléculas de lípidos individuales. Finalmente, existen diferentes proporciones de lípidos entre las dos capas de la bicapa. La cara citoplasmática de cada membrana tendrá diferentes asociaciones y funciones que la cara no citoplasmática, entonces, ¿por qué deberíamos esperar que la composición de lípidos sea la misma?

Aunque las balsas de lípidos se consideraron una posibilidad en el modelo de membrana de mosaico de fluidos propuesto por Singer y Nicholson en 1972, solo en las últimas dos décadas se ha investigado seriamente la idea, pero ha habido dificultades técnicas para visualizar un pequeño dominio de lípidos dentro de un océano virtual de lípidos. En términos generales, las balsas se consideran pequeñas áreas de lípidos ordenados dentro de una membrana no dirigida más grande. Las balsas de lípidos se forman con mayor frecuencia en asociación con proteínas de membrana específicas, mientras que excluyen otras. Algunas de las proteínas son proteínas de membrana periférica como src o la molécula de adhesión Thy-1 ligada a GPI, mientras que otras son proteínas transmembrana como el receptor de células T. Por lo general, las proteínas incluidas tienen funciones relacionadas con la señalización, y un modelo propone que estas proteínas pueden dirigir la organización de los lípidos seleccionados a su alrededor, y no al revés.

Aunque algunos fosfolípidos están directamente ligados a las proteínas y al citoesqueleto, la mayoría no lo están y, por lo tanto, pueden moverse libremente dentro del plano de su capa de la bicapa. En el experimento que se muestra en la Figura ( PageIndex {6} ) a continuación, la superficie celular ha sido etiquetada con un tinte unido covalentemente que se vuelve rojo fluorescente cuando se excita con luz verde. Cuando las moléculas de tinte se exponen a luz de alta intensidad durante un período prolongado, ya no emiten fluorescencia, un fenómeno conocido como fotoblanqueo. El fotoblanqueo es un efecto permanente y, por lo tanto, se puede inferir que si una mancha fotoblanqueada vuelve a emitir fluorescencia, entonces otros fosfolípidos no decolorados deben haberse movido hacia la mancha. Este experimento demuestra claramente la movilidad lateral de los fosfolípidos en una membrana.

Sin embargo, este no es el caso de la movilidad transversal de una cara a la otra de la membrana. Debido a la energía altamente desfavorable de empujar un grupo de cabeza polar a través de las capas de la cola de lípidos, los fosfolípidos rara vez se mueven de una capa a otra dentro de una membrana (Figura ( PageIndex {6} ) B, fosfolípido amarillo del extremo derecho). Dicho movimiento se ve facilitado en gran medida por una enzima ippasa, que hidroliza una molécula de ATP para que la energía empuje un fosfolípido de una cara a la otra de la bicapa.

En una bicapa de fosfolípidos puros, las proteínas de la membrana y los lípidos tienen movilidad lateral, pero en las células vivas, las proteínas generalmente están restringidas por asociación preferencial con ciertos tipos de lípidos, por unión directa a elementos citoesqueléticos, por unión indirecta a la citoesqueleto, o por estar "cercado" por una red citoesquelética directamente debajo de la membrana celular. Desde 1972, el modelo de "mosaico fluido" de Singer-Nicholson de la estructura de la membrana ha sido aceptado como un modelo general para las membranas biológicas. Propone que las proteínas integrales de la membrana, así como los lípidos de la membrana, tienen libertad de movimiento lateral. Desde entonces, esto se ha refinado con el reconocimiento de balsas de lípidos y parches de proteínas de membrana agrupadas, pero sigue siendo viable como modelo básico.

Durante más de un siglo desde que Meyer (1899) y Overton (1901) lo sugirieron por primera vez, la teoría predominante para el mecanismo de la anestesia general gaseosa (por ejemplo, éter etílico, halotano, óxido nitroso, ciclopropano) ha sido que se dividen e interactúan con los lípidos de las membranas plasmáticas de las neuronas y al alterar las propiedades físicas de la membrana logran la anestesia. Sin embargo, en 1985, Franks y Lieb publicaron un informe en Nature que, por primera vez, mostraba que una enzima podía verse directamente afectada por un anestésico gaseoso. Desde ese informe, la evidencia se ha ido construyendo contra el antiguo modelo de alteración de las propiedades de los lípidos de la membrana, y ahora se asume el modelo actual de interacción directa entre el gas y la proteína.


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