Especializaciones de membrana

En entradas anteriores analizamos la estructura de las membranas biológicas y sobre manera, la estructura de la membrana celular que separa la célula del exterior. Estudiamos, así mismo, mecanismos de transporte. Ahora entramos a detallar las especializaciones de membrana más importantes (de las cuales ya hicimos una introducción en otras entradas, por ejemplo en la referente a los epitelios).

Características generales.

Son un tipo de modificaciones de la membrana plasmática. Son una consecuencia directa de la pluricelularidad. Las células deben diseñar estrategias de reconocimiento y de relación entre ellas, para poder reconocerse y unirse adecuadamente.

A fin de favorecer estas relaciones hay muchas estructuras y estrategias. Vamos a clasificarlas teniendo en cuenta su localización, morfología y  función. También trataremos de analizar la estructura molecular de alguna de las uniones.

Solo tenderán a aparecer cuando la célula tenga cierta polaridad. Hay dos tipos de células en función de este parámetro, las isoalaticas y las polarizadas. Un ejemplo clásico de célula polarizada es la que constituye el epitelio del intestino delgado.

Zonas de la célula

Clasificación de las especializaciones.

La clasificación morfológica tiene en cuenta las características ultraestructurales de las especializaciones. Para definir la especialización, debemos definir tres términos: zónula, mácula y fascia.

Denominaremos zónula a aquella especialización que abarca una zona basante grande, a modo de cinturón y rodeando la célula.

Una mácula es una especialización a modo de mancha redondeada, de forma puntual, con forma aproximada de parche.

La fascia es intermedia entre la zónula y la mácula y su morfología suele ser irregular.

En general las especializaciones están enfocadas a favorecer las relaciones de anclaje y hacen variar el espacio intercelular (entre las células). En función de cómo hacen variar este espacio intercelular podemos hablar de especializaciones oclusivas, adherentes y en hendidura.

Las especializaciones oclusivas prácticamente hacen desaparecer el espacio intercelular, si no en toda la especialización, al menos en una algunos puntos.

Las especializaciones adherentes suponen una aproximación de las membranas plasmáticas. En la zona de la especialización, el espacio intercelular se disminuye mucho. Pero las membranas no se llegan a tocar. En ocasiones se acumula en el espacio intercelular un material electrondenso. El espacio entre las membranas rondará los 20nm.

Por último, en las especializaciones en hendidiura las membranas se aproximan mucho, más que en las adherentes pero sin llegar al nivel de las oclusivas. La distancia rondará los 3nm. Se establecerán puentes protéicos que parecen pasar d euna célula a la otra.

Otra forma de clasificar las especializaciones es basarse en su función. Pueden servir para aumentar la superficie celular, aumentar la adhesión celular, ocluir el espacio intercelular, comunicación intercelular o para establecer dominios de membrana.

Hay dos tipos de especializaciones cuya función es aumentar la superficie de membrana: las microvellosidades y el laberinto basal. Para facilitar la adhesión veremos dos tipos, la mácula adherens y la zónula adherens. Con funciones de oclusión veremos la zónula ocludens y el desmosoma septado o tabicado. Y para la comunicación intercelular hay tres tipos, la unión en hendidura, la sinapsis (sinapsis química que se establece en las neuronas y los plasmodemos).

Tipos de especializaciones.

Sinapsis.

La sinapsis es la zona donde las principales células nerviosas, las neuronas, pasan la información nerviosa por espacios vacios. Utilizan medidores de tipo químico. Existen lugares de membrana de salida de las sustancias y receptores en la otra membrana.

Plasmodesmos.

Se establece entre células vegetales. Son puentes de comunicación intercelular. Las células vegetales se encuentran rodeadas de la pared celular, que la envuelve. El plasmodesmo pone en contacto dos células atravesando la pared. Por los plasmodesmos puede, incluso, pasar retículo endoplásmico de una célula a otra.

Plasmodesmo

 Microvellosidades y laberinto basal.

Se trata de estructuras que conducen a que en la célula aumente la superficie de membrana sin que aumente el volumen de la célula. Pueden aumentarse cientos de veces la superficie sin cambios de volumen. Se logra formando repliegues. Si estos repliegues se forman en la zona basal de la célula hablamos de laberinto basal. Si tienen lugar en la zona apical hablamos de microvellosidades. Son típicos de células en las que deben introducirse muchas sustancias.

Las microvellosidades suelen aparecer cuando en el medio externo deben retirarse sustancias. El ejemplo más típico es el de las células epiteliales del intestino delgado. Poseen una estructura interna especial, en la que se implica el citoesqueleto. Están relacionados con el trasnporte pasivo de sustancias, es decir, el transporte de sustancias a favor de gradiente, de forma que no se acumulan sustancias en el medio externo, sino que penetran en la célula y en muchas ocasiones incluso la atraviesan. Las microvellosidades están bastante separadas entre si y en la membrana suele aprecer glucocálix.

El laberinto basal posee una morfología similar. Hay más repliegues en la zona basal, no poseyendo la morfología digitiforme característica de las microvellosidades. Se forman grandes hendiduras, con bastante citoplasma en su inteior, apareciendo en esta zona, con frecuencia, mitocondrias (dentro de la hendidura). Está enfocada a favorecer el transporte, pero generalmente el transporte contra gradiente (es decir, transporte activo). Dado que se necesita energía para el transporte, la presencia de mitocondrias resulta lógica. Un laberinto basal típico es el que aparece en el zonas epitleliales de la nefrona, en los riñones.

Laberinto basal

 Repliegues de adhesión.

Existen una serie de repliegues de membrana cuya función es aumentar la adhesión entre las células. Las membranas entre las células, en lugar de estar paralelas en forma de líneas más o menos rectas, forman una serie de repliegues, de entrantes y salientes.

Repliegues de membrana

 Mácula adherens: desmosomas.

En ocasiones se usa el término gneral de desmosoma para denominar a o resumir varios tipos de adhesiones. Pero lo correcto sería usar el término para denominar a las máculas adherens, no entrando las zónulas adherens (en forma de banda) dentro de la denominación de desmosomas. También hablaremos de hemidesmosomas cuando las uniones puntuales se establecen entre la célula y la matriz extracelular, en lugar de entre dos células como ocurre en el desmosoma. Los hemidesmosomas tienen características propias.

Desmosomas y hemidesmosomas

 El desmosoma es una estructura altamente especializada. Es puntual, de morfología redondeada. Se dispondrán varios desmosomas en la misma célula. Forman una especie de nudos, establecidos en una espeecie de red. Las membranas de la zona del desmosoma sufren modificación, se aproximan entre si a unos 20nm y aparecen ligeramente engrosadas. En la cara citoplasmática aparece una imagen de engrosamiento, distinguiéndose una placa intracitoplasmática. Hay también un material electrondenso entre las dos membranas, a modo de fieltro. Y si el corte de microscopía electrónica es buena, pueden distinguirse una serie de filamentos intracitoplasmáticos que confluyen en las placas electrondensas intracitoplasmáticas.

Esquema del desmosoma

 Los desmosomas están relacionados con el citoesqueleto, más concretamente con los filamentos intermedios (el citoesqueleto puede dividirse en microtúbulos, microfibrillas y filamentos intermedios). Como los filamentos son variables en su composición, no podemos relacionarlos directamente con un tipo de molécula. Se cree que los filamentos intermedios no acaban en la placa del desmosoma, sino que llegan, la tocan y siguen.

Estructura de filamentos en desmosoma

 En el caso de los hemidesmosomas esto no ocurre, los filamentos llegan a la placa y terminan en ella.

Hemidesmosoma y filamentos

 El desmosoma también participa en la morfología de la célula, además de proporcionar la adhesión. Se supone que los filamentos unen entre si los desmosoma, constituyen una especie de tirantes, conformando un cableado interno en la célula.

Esqueleto celular y desmosomas

 Los desmosomas son frecuentes en células que necesitan ser resistentes, estar en contacto con el medio ambiente. Por ejemplo, en los epitelios, en los que constituyen en ocasiones estructuras denominados estratos espinosos, visibles al microscopio óptico.

Zónula adherens.

También se denomina desmosoma en banda. Tiene forma de cinturón, que rodea la célula. Aparece en la zona cercana al ápice de la célula. En un corte ultrafino, observamos una imagen similar a la de los desmosomas.

Zónula adherens

 La distancia intercelular es similar, entre 15 y 20nm. En esta unión no encontramos material electrondenso en el espacio intermembrana. La banda que se forma es más ancha. Hay un engrosamiento de la membrana plasmática, ya que en esa zona hay más proteínas de membrana. No se aprecia placa intracitoplasmática. Se ven llegar microtúbulos.

Zónula adherens: estructura

Está, por lo tanto, relacionado con los filamentos de actina. Y también intervienen en la morfologíaa celular. Además, son importantes en las modificaciones morfológicas de la célula.

Por ejemplo, durante el desarrollo embrionario, cuando se llega a las tres láminas de la gástrula, estas deben reorganizar su estructura y estos fenómenos son mediados por estas zónulas adherens. Parece que las células poseen estos cinturones, con la actina enganchada y al producirse contracción de la actina, se estrecha a modo de un cinturón que lo aprieta, la célula se adelgaza por la parte superior. Como están unidas muchas células formando hileras, tienden a curvar la parte superior, favoreciéndose de este modo la aparición, por ejemplo, de zonas curvas o tubulares.

Curvado de tejidos por zónulas adherens

Zónula ocludens.

Está especializada en cerrar el espacio intercelular. Es una especialización en banda, que suele rodear totalmente la célula. Se suele colocar cerca de la zona apical de la célula. Aparecen unas zonas alternantes de unión y separación de membrana.

Zónula ocludens

 La criofractura es una técnica con la que se aprecia muy bien la morfología de la zónula ocludens. Cuando el corte pasa por una zónula ocludens nos aparecen una serie de elementos cruzados, a modo de cordilleras, entre los que encontramos una serie de valles. Los montes o cordilleras corresponden a las zonas de contacto entre las membranas y los valles a los alejamientos entre las membranas. En las zonas de unión las membranas de las células se acercan mucho, se tocan en zonas puntuales. Pero estas uniones puntuales se agrupan en forma lineal, dando lugar a zonas de sellado total en la membrana.

Rastros de zónula ocludens en criofractura

 Se estima que en las zonas de acercamiento de las membranas se ubican proteínas que establecen contacto. Otra teoría proponne que lo que ocurre es que se fusionan las bicapas de las membrans de las dos células, formándose una micela lipídica debido a la fusión, aunque la teoría de la proteína de unión está mucho más admitida que esta.

En cuanto a la anchura de la banda y su forma, es muy variable dependiendo de la fundón de la célula. Hay bandas muy anchas y bandas estrechas. Por la zónula ocludens no se cuela nada, solo pueden pasar, si acaso, sustancias de muy pequeño tamaño como iones, aunque si la zónula es ancha se considera que el sellado es total.

Además de intervenir en el sellado, es muy efectiva a la hora de establecer dominios de membrana. Cuando la zónula ocludens está intacta, no hay paso protéico de un lado al otro. Esto se ha comprobado marcando proteínas. Y con los lípidos ocurre algo similar, concretamente con los de la mitad extracitoplasmática, pues parece que los fosfolípidos de la mitad citoplasmático se mueven con libertad. No hay difusión célula a célula, los lípidos no pueden pasar de una célula a la otra (es decir, de la membrana de una célula a la membrana de la otra célula).

Complejo de unión.

Se habla de complejo de unión cuando aparecen las tres estructuras que hemos estudiado, zónula ocludens, zónula adherens y mácula adherens, sobre la misma célula y en esta disposición desde la zona apical a la basal. Es decir, cerca de la zona apical aparece la zónula ocludens, por debajo zónula adherens y más cerca de la zona basal la mácula adherens.

Esta estructura aparece en algunos epitelios, como por ejemplo en las células epiteliales del intestino delgado. Pero debemos tener en cuenta que en parte de la bibliografía anglosajona se habla de complejo de unión para referirse a cualquier tipo de unión con especialización de membrana.

Unión en hendudura.

También denominada unión estrecha, Nexus o Gap. Estas uniones tienen una función de comunicación intercelular. Son muy irregulares y especialmente abundantes en algunos tipos celulares. Es importante en células animales, ya que las vegetales presentan plasmodesmos. Son puntos de acoplamiento eléctrico, por el cual las células se comunican gracias al paso de iones. Son característicos de organismos adultos, en diversos tejidos, como epitelial en el hígado, nervioso o en las células musculares del corazón, donde son especialmente abundantes e importantes. En el tejido nervioso son más abundantes en animales inferiores, constituyendo lo que se denominan sinapsis eléctrica (es decir, la sinapsis eléctrica es un tipo particular de unión en hendidura de las células nerviosas).

Las uniones en hendidura son zonas donde las membranas plasmáticas se aproximan bastante. No se llega a ocluir el espacio, pero se reduce a 2-3nm. La aproximación no es puntual, sino que ocupa una cierta extensión, cuya superficie es variable.

Unión en hendidura

Se ha podido estudiar la estructura de esta unión por criofractura, observándose que está llena de partículas redondeadas que cubren totalmente las membranas de la zona en hendidura. Se trata de un enrejado de partículas, de tipo protéico, asociadas las de un lado de la membrana con el otro formando unas estructuras que se denominan conexones. Son, simplemente, canales protéicos. Cada mitad del conexón está constituido por seis estructuras protéicas que forman un canal.

Estructura de la unión en hendidura

 Durante el desarrollo embrionario las uniones en hendidura son muy importantes, ya que las células deben estar comunicadas entre si.

Desmosoma septado.

Es una especialización de membrana poco frecuente. Aparece con cierta frecuencia en invertebrados. En este caso no hay aproximación entre las membranas. Se establecen entre ellas una serie de puentes electrondensos. Se trata de puentes de naturaleza protéica.

Desmosoma septado

 Se considera que estas estructuras están más relacionados con la zónula ocludens que con los desmosomas en si. Se suelen extender a lo largo de grandes superficies.

Estructura molecular de especializaciones de adhesión.

En las especializaciones de adhesión aparecen una serie de glicoproteínas transmembrana, proteínas intracitoplasmáticas y filamentos del citoesqueleto. Las glicoproteínas transmembrana favorecen la alta adhesividad de la especialización. Se forma una unión homotípica, es decir, se unen dos proteínas iguales. Los filamentos de citoesqueleto están relacionadas con las proteínas intracitoplasmáticas.

Estructura molecular del desmosoma

 Las proteínas intracitoplasmáticas y los filamentos darían lugar a la zona densa del citoplasma. Las glicoproteínas, en su zona central, originan la zona densa que se aprecia entre las dos células.

Hay varios tipos de proteínas intracitoplasmáticas, que se pueden combinar entre si. No se conocen con exactitud todos los tipos y combinaciones. Se tiene más claro el tipo de proteínas transmembranales. Estas se dividen en dos grandes grupos, las caderinas y las CAMs (molécula de adhesión celular). Engloban una serie de proteínas muy variables. Las caderinas son calciodependientes, las CAMs no son calciodependientes.

En cuanto a las caderinas, se sabe que hay varios tios. La más conocida es la E-caderina o uvomorulina. Recibe su denominación por su presencia en la mórula, donde es frecuente. También aparece en algunos epitelios. En el tejido nervioso existe otro tipo de caderina, la N-caderina. Son codificadas por distintos genes. En cualquier caso, en ausencia de calcio se deshace la adhesión (de ahí que se diga que son dependientes de calcio).

Las CAMs, en cambio, están todas codificadas por el mismo gen. Para diferenciar las proteínas el ARNm puede sufrir distintos tipos de procesamiento. También hay variaciones en cuanto a las glicoxidaciones. De este modo, acabamos diferenciando varios tipos de proteínas CAM. Pertenecen todas ellas a la misma familia de proteínas que engloban a los anticuerpos. Y pueden aparecer proteínas CAM en membranas sin que exista ningún tipo de especialización.