Membranas biológicas

Una de las mayores diferencias ente las células eucariotas y procariotas es que las primeras tienen un complejo sistemas de membranas internas. Se encargan de separar compartimentos estancos entre si.

Hay muchos tipos de membranas celulares. Son algo más que sistemas de la célula:

• Forman o aíslan compartimentos cerrados.
• Regulan el paso o movimientos de sustancias a través de ellas.
• Se encargan del paso de información: las membranas tienen receptores específicos de un ligando.
• Se encargan del reconocimiento intercelular.
• Son la plataforma donde se van a ordenar los componentes de un determinado proceso.
• Se encargan de transducciones de energía y transformaciones de energía.
• Participan en la transmisión del impulso nervioso.
• Se encargan de la absorción de sustancias.
• Etcétera.

La membrana es una estructura estudiada a finales del siglo XIX. Se basaron en observaciones en las que se veía que los compuestos liposolubles atravesaban mejor la membrana que las sustancias hidrosolubles.

Con la microscopía electrónica se consiguió una visualización de la membrana, aunque algo artefactual. Los primeros modelos eran algo erróneos. Lysec estudió la membrana usando un glóbulo rojo. Esta célula solo presenta membrana plasmática, careciendo de núcleo y orgánulos. Por eso se sigue usando mucho para el estudio de membranas. Se observó que, si se disolvía la membrana y se ponía en medio acuoso, aparecía una capa de naturaleza grasa. Prácticamente, la membrana disuelta ocupaba el doble, aproximadamente, de la superficie total del eritrocito. La membrana debía ser, por lo tanto, doble. Se trata, por lo tanto, de una bicapa.

Con microscopía electrónica se observa una estructura similar a la siguiente:

El material fibrilar puede aparecer o no aparecer, de hecho no se aprecia en muchas células. En células con actividad de trasiego de sustancias, en cambio, tiende a ser una capa más densa.

Se postuló que la membrana no era solamente una bicapa lipídico. Se vio rápidamente que aparecían proteínas asociadas. Estas darían cohesión a la membrana y facilitarían el paso de compuestos hidrófilos.

Danielli propuso una membrana que estaría constituida por una bicapa lipídica envuelta o tapizada por una envuelta protéica, de forma que las proteínas constituirían las zonas electrondensas.

Membrana de Danielli

Con el paso del tiempo y la aparición de nuevos métodos se pudo comprobar que la teoría tenía errores. Había sustancias que eran transportadas por la membrana muy fácilmente. Por lo tanto, en esta estructura de membrana con tapizado deberían existir una serie de huecos. Y estos huecos estarían tapizados por las proteínas. La aparición de estos huecos, además, se veían confirmadas por algunas imágenes micrográficas que parecían responder a este modelo.

Hubo diversas modificaciones a este modelo de membrana. Se estableció el contexto de unidad de membrana aplicado a esa imagen en forma de emparedado que se veía en el microscopio electrónico. Se llegó a un diseño de modelo de membrana que poseía dos aspectos nuevos. Por un lado, la distribución de las proteínas, que se unían de una forma más íntima a los lípidos. En el nuevo modelo de membrana están asociados íntimamente a los lípidos. Y por otro lado están las condiciones de fluidez de la membrana. El nuevo modelo de membrana, denominado modelo del mosaico fluido, es el que hoy en día se contempla y admite.

Fue propuesta por Singer y Nicolson en 1972. Las membranas son soluciones bidimensionales de lípidos y proteínas orientados:

Modelo del mosaico fluido

La bicapa lipídica crea una barrera en la que se asientan las proteínas. Las dos capas densas están formadas por las partes hidrófilas. La capa intermedia está formada por la parte hidrófoba.

Las proteínas periféricas son hidrófilas. Se unen a la membrana por interacciones hidrofílicas con las cabezas de los lípidos o a las partes hidrófilas de las proteínas integrales.

Las proteínas integrales están unidas a la bicapa lipídica. Son en gran parte hidrófobas. Están sujetas por interacción hidrófoba.

Dentro de las proteínas integrales las hay transmembrana, si la atraviesan de parte a parte. Es frecuente que se formen en las integrales, poros hidrófobos.

No hay enlaces covalentes. Se basa en la cooperación de muchos enlaces débiles.

Los hidratos de carbono siempre están hacia el exterior, nunca hacia el citoplasma.

Se mantiene la existencia de una bicapa lipídica y de un contenido protéico. En el caso de las proteínas, se cambia bastante su posición. Muchas proteínas están sumergidas, total o parcialmente, en la bicapa. Se sabe que existen proteínas que se encuentran por la parte exterior de la bicapa, enlazadas con los lípidos de la membrana o con otras proteínas. Además, en la cara exterior o  extracitoplasmática, la que mira al exterior de la célula, existe un componente glucídico. Este modelo explica mejor las características físico – químicas de la membrana.

Hay una gran movilidad en la bicapa, no solo de las proteínas, también de los lípidos. No son estáticos.

Falta otro detalle. Las fibrillas que se ven en microscopía electrónica. Se trata del componente glicídico, los polisacáridos unidos sobre todo a ciertas proteínas, formando un entramado. Algunos lípidos presentan también componentes glucídicos.

Las membranas, por lo tanto, son asimétricas. Y una de estas asimetrías es la disposición de los árboles de azúcares, que como acabamos de decir están solo en una de las caras de la membrana. En el caso de la membrana plasmática, ya indicamos que están hacia el exterior. Cuando están muy desarrollados, los árboles son muy grandes, hablamos de glucocálix. En las membranas internas, como el aparato de Golgi, o en vesículas interiores, los azúcares se sitúan hacia la cara interior o luminar de las mismas.

En las células, en el interior de cloroplastos o mitocondrias, no hay hidratos de carbono. En las bacterias, a veces, los lípidos de una monocapa no corresponden con el de la otra monocapa.

Los fosfolípidos tampoco son simétricos. En la membrana de los eritrocitos, en la cara exterior, encontramos fundamentalmente fosfatidilcolina. En la interior hay otros fosfolípidos.

Las proteínas transmembrana tienen una orientación fija, siempre es la misma. En el eritrocito, la glicoforina siempre se coloca de la misma manera.

Las proteínas de membrana se sintetizan en los ribosomas que están pegados a la membrana. La conformación tiene que ver con el transporte a través de la membrana.

Un nuevo dato microscópico vino a solucionar problemas y a confirmar el nuevo modelo. Cuando preparamos imágenes por criofractura, las muestras se parecen más a la realidad, ya que no se llevan a cabo inclusiones ni fijaciones. Con este tipo de microscopía se ve una membrana distinta. Hay dos capas similares, que corresponden a las dos hemicapas lipídicas, con una zona intermedia más frágil. En muchas ocasiones la célula, en lugar de partirse por la mitad, se separan las dos hemimembranas. Se compraba que son muy parecidas, que presentan una alternancia de zonas lisas y zonas con huecos o estructuras que sobresalen. Además, estos son complementarios. La explicación que se da está en relación con el mosaico fluido, las dos hemimembranas corresponden a dos partes de la membrana lipídica. La zona que separa las dos hemimembranas son las zonas con menos enlaces, son poco resistentes, lo que facilita que en la criofractura sea por esa zona por donde se rompa, por donde se separe. Por otro lado, cuando se separa, cada lado tira de sus proteínas. Las proteínas exteriores no tienen problema, pero las que están dentro de la bicapa se van hacia uno de los dos lados, quedando un hueco en el lado del que son arrancadas y un saliente en la zona donde se queda enganchada la proteína.

Imágenes de criofractura

Además, existen una serie de datos que corroboran todo esto. Hay una diferencia notable, no obstante, entre diferentes tipos de membranas. La composición lipidica es variable y las proteínas son distintas, aunque algunas puedan estar presentes en todas las membranas. Hay membranas muy ricas en proteínas, mientras que otras poseen muchas menos. Cuando una célula posee una actividad biológica importante, habrá muchas proteínas. Por ejemplo en los tilacoides, donde tiene lugar la fotosíntesis, aparece un número elevado de proteínas. Sin embargo, cuando se hace un estudio de la membrana que forma parte de la vaina de mielina (que se encarga de aumentar la velocidad del impulso nervioso en las fibras más evolucionadas), que actúa como aislante (equivalente al aislante que envuelve los cables eléctricos) esta es casi una bicapa lipídica casi exclusivamente, apareciendo muy pocas proteínas, ya que la membrana está especializada en aislar.

Vaina de mielina de los axones

Y si realizamos criofracturas comprobamos que aparece una gran zona lisa, sin entrantes ni salientes, con alguna proteína perdida en el medio.

Se ha llegado a la conclusión de que, debido a la fijación, exclusión y resto de técnicas agresivas previas a la microscopía electrónica, se produce una desorganización de la membrana plasmática, con pérdida del componente protéico intermembrana. De ahí la imagen errónea del microscopio electrónico de transmisión (sin técnica de criofractura).

La membrana tiene, por lo tanto, un componente lipídico, un componente protéico y un componente glucídico.

Todas las membranas estudiadas tienen una estructura semejante, con una composición de alrededor de un 40% de lípidos y un 60% de proteínas, pudiendo llegar a estar incluso invertidos estos datos, es decir, 60% de lípidos y 40% de proteínas.

Fosfolípidos.

Fosfolípido

La independencia de las células se deben al comportamiento de los lípidos en medio acuoso. Tienen una dualidad en cuanto a su comportamiento frente al agua. la molécula presenta dos zonas, una zona hidrofílica y una zona lipofílicas. Es decir, se trata de moléculas anfipáticas.

Los lípidos de la membrana biológico están en un grupo muy característico, pertenece a los fosfolípidos. En el caso de eucariotas, está también el colesterol.

Esquema del colesterol

Los lípidos tienden a esconder la cola hidrfóbica, formar micelas o formar bicapas protectoras.

Para los fosfolípidos y glucolípidos, la estructura más estable es la bicapa. Se adaptan espontáneamente. Las bicapas forman vesículas. Se les llama liposomas. Las fuerzas que las estabilizan son las interacciones hidrófobas entre las colas y las interacciones de Van der Wallas al estar muy cerca. Por otro lado, las cabezas polares pueden formar puentes de hidrógeno o puentes salinos con el medio acuoso.

Fosfolípido

Muchas membranas tienen muchos tipos de fosfolípidos. Por ejemplo, en algunas aparecen los esfingolípidos, que son lípidos que derivan de la esfingosina. En los esfingolípidos el grupo polar estará constituido por algún hidrato de carbono. Es decir, las dos moléculas hidrófobas provienen, una de la esfingosina y otra del ácido graso.

Esfingosina

Esta estructura en lámina debe ponerse en un medio que aísle el agua. por ejemplo, en forma de anillo. Lo que ocurre es que se cierra la bicapa en una forma esférica. Esta forma de cerrarse es lo que se supone que sucedió en las primeras células. Se creó una estructura en la que hay un medio interno. Y sin gasto de energía, se consigue tener una superficie que, espontáneamente, aísla el interior del exterior.

Además, la membrana es un medio muy aislante, solo es atravesada por sustancias liposolubles. Por otro lado, se puede variar el aislamiento, por medio de compuestos o estructuras que la atraviesen. Se puede perforar  se cerrará automáticamente, de forma espontánea, sin gasto de energía. El paso de sustancias se lleva a cabo gracias a proteínas. El sistema de ruptura y reposición de la membrana es aprovechado por el proceso de exocitosis y endocitosis, que sirve para introducir o sacar grandes cantidades de sustancias.

Los lípidos son de composición variable. Los lípidos de la membrana son además moléculas con una movilidad elevada. Se han demostrado estos movimientos de los fosfolípidos mediante resonancia de espín electrónico. Se marcan determinados lípidos con grupos químicos con un electrón desapareado. Y así vemos que los lípidos tienen movimientos de difusión lateral, de rotación sobre su eje y movimientos de inversión en la membrana o movimiento flip-flop. Este último movimiento es casi inexistente, con excepción de ciertas zonas de membrana como la membrana del retículo endoplásmico, debido al mecanismo de fabricación de la membrana. Los movimientos laterales, en cambio, se realizan sin problemas. Cada célula modifica su membrana para que los movimientos no se hagan de forma azarosa, sino ordenadamente.

Movimientos de los fosfolpidos

El papel de los lípidos es importante. Además de para separar la célula del exterior, aportan la fluidez a la membrana. La fluidez vine dada en función de lo cerca o lejos que esté la membrana de su punto de congelación con respecto a la temperatura normal de la célula. Cuanto más cerca esté el punto de congelación de la membrana, más rígida será.

Este punto de congelación, a su vez, viene mediado por la molécula de lípido de los fosfolípidos y es decir, fundamentalmente por la cola hidrofóbica. Esa cola forma enlaces. Cuantos más enlaces se formen, más cerca estará del punto de congelación y más rígida será la membrana. La mayor o menor facilidad para crear enlaces viene determinada por el tamaño de la cadena y su grado de saturación. Si hay instauraciones, es decir, dobles enlaces, se produce un quebramiento de la cola. Cuanto más largas y rectas sean las colas, más enlaces van a poder formarse entre si. En cambio, si hay dobles enlaces, al aparecer quebramientos en el lípido, hay un alejamiento entre ellos, que provoca que se aleje del punto de congelación.

Otra propiedad importante de las membranas será su fluidez. Por una parte está la fluidez de los propios lípidos. Tienen varios tipos de movimientos dentro de la bicapa.

Los lípidos se pueden desplazar rápidamente dentro de una misma monocapa y conservando su orientación.

Hay factores que influyen en la fluidez de la membrana. A más temperatura, más fluidez y viceversa. Se habla de temperatura de transición, que sería la temperatura en la que la membrana pasa de tener una consistencia líquida a pasa a una consistencia de gel cristalino. Cada membrana tendrá su propia temperatura de transición.

Otros factores serán los factores de composición. Son fundamentalmente tres:

• Grado de saturación de los ácidos grasos. Cuando hay un mayor número de ácidos grasos con dobles enlaces, la cadena hace quiebros, las colas tienen dobleces en lugar de ir rectas, provocándose huecos. Esto hace que la membrana sea más fluida y su temperatura de transición más baja.
• Ácidos grasos de cadena corta. Se dificulta el empaquetamiento por lo que la membrana se hace más fluida. Al igual que en el caso anterior, se crean huecos que provocan que las fuerzas de Van der Waals sean menos efectivas.
• Presencia de colesterol: solo aparece en eucariotas, nunca en procariotas. Modula la fluidez. A temperatura alta, el colesterol evita el exceso de fluidez. Y viceversa, cuando la temperatura es baja, evita la cristalización. Hace un efecto de unión, acerca las moléculas. Por otro lado, separa las moléculas disminuyendo la fluidez. Es decir, depende de como se coloque. Hace que los cambios de temperatura no se hagan sentir en exceso.

 Si las membranas están compuestas por un tipo de lípidos, cuando baja la temperatura, llegaremos a conseguir una rigidez en la bicapa. Si hay varios tipos de lípidos, se formarán islas, es decir, los más fluidos se van uniendo entre si. En las membranas biológicas esto no ocurre, porque suelen poseer una cola saturada y una cola insaturada, lo que hace que las características se repartan y no aparezcan islotes. Debemos tener en cuenta que estos islotes provocarían la ruptura de la membrana. De esta forma, las células animales pueden aguantar temperaturas de entre -20ºC hasta +50ºC.

La célula puede solventar los problemas de fluidez de muchas maneras. Los organismos inferiores cambian la composición de las colas de la membrana. En eucariotas no hay un control de este tipo. Pero encontramos el colesterol, que mencionamos con anterioridad. Es una molécula de pequeño tamaño, más pequeña que los fosfolípidos. Se suele colocar entre las colas de los fosfolípidos. Tiene un grupo polar pequeño.

Colesterol en la membrana

Colesterol en bicapa

Puede desplazarse por la membrana, saltando de una hemimembrana a la otra. Hacen de cuña, separan los ácidos grasos impidiendo que se formen enlaces entre ellos. Intervienen facilitando los problemas de expansión de las membranas. Favorecen que los movimientos se hagan sin que la membrana se rompa. Esto se demuestra trabajando con cepas celulares mutantes que engan la desventaja de no poder fabricar coleserol. Si este no es aportado en la dieta celular, en las membranas aparecerán agujeros y la célula se lisará.

Los lípidos da una asimetría típica a las membranas. Las hemimembranas externa e interna son distintas. Esta asimetría viene dada ya desde su construcción. Uno de los motivos es que los lípidos forman un papel importante en su unión con las proteínas. Algunas proteínas necesitan unos grupos químicos para funcionar, que son aportados por los lípidos. Hay proteínas que requieren lípidos. En cada hemimembrana, las proteínas se sitúan de forma preferencial en una zona, en un lado y en una posición concreta.

Otro ejemplo de asimetría se da, por ejemplo, en la membrana de los eritrocitos. En la cara exterior, encontramos fundamentalmente fosfatidilcolina. En la interior hay otros fosfolípidos.

Hay un tipo de lípidos, los glucolípidos, que llevan un árbol de azúcares en la cabeza polar. Normalmente llevan un único árbol de azúcares, cuya composición es variable. El sentido de estos no está muy claro. Se cree que actúan como contactos de reconocimiento. Hay una serie de identificadores celulares, se sabe que actúan como receptores. Por ejemplo, en el cólera, la bacteria se une solo a unos glucolípidos de las células intestinales.

Proteínas de membrana.

Son un componente que le permite que las membranas adquieran propiedades evolutivas y adaptativas: permiten el transporte, hace que la membrana sea un buen sitio para que se lleven a cabo reacciones químicas, etc.

Se han estudiado mediante métodos de fraccionamiento celular. Se ha visto que hay unas proteínas menos relacionadas con la membrana, que se sueltan con facilidad y otras más relacionadas, que no se sueltan fácilmente. Se clasifican en extrínsecas e integrales. Las integrales se unen muy bien a la membrana. Las extrínsecas no suelen unirse con fuerza, están ligeramente apoyadas sobre la bicapa lipídica. Para extraer las proteínas integrales debemos destrozar la membrana.

Proteína de membrana

Las técnicas de purificación son cada vez más sofisticadas y evolucionadas y cada vez se conocen más y mejor las proteínas de membrana. Se suele usar, para su estudio, la membrana del eritrocito.

Dentro de la membrana podemos encontrar varios tipos de proteínas.

Por un lado están las proteínas transmembranales. Dentro de estas podemos diferenciar dos tipos, las que atraviesan la membrana una vez y las que la atraviesan varias veces. El sector que atraviesa la membrana suele encontrarse en forma de hélice α (aunque en ocasiones también podemos encontrar zonas del interior de la membrana en forma de lámina).

Proteínas integrales.

Por otro lado encontramos proteínas unidas a fosfolípidos, es decir, proteínas que se encuentran unidas a los fosfolípidos de la membrana.

Proteínas unidas a fosfolípidos

Una tercera opción es la aparición de proteínas unidas a glucolípidos.

Proteína unida a glúcido de un glucolípido

La cuarta y última opción son las proteínas unidas a otras proteínas de membrana.

Proteínas unidas a proteínas.

Las proteínas pueden unirse, por lo tanto, entre si formando complejos.

Complejo protéico

También pueden unirse a otras estructuras, como a fibras del citoesqueleto:

Proteínas de membrana unidas al citoesqueleto

Las proteínas de membrana tienen una amplia movilidad. Poseen difusión lateral alta, rotacional (con menor velocidad) y prácticamente no hacen movimientos flip-flop. Hay procesos en ciertas membranas que se llevan a cabo mediante un movimiento flip-flop de la proteína.

Proteínas de membrana

La difusión se ha demostrado mediante varias estrategias. No pudo probarse hasta que no se consiguieron híbridos moleculares de las proteínas celulares (mediante el uso de virus) y mecanismos de fusión celular. Se consiguen una célula de ratón con un determinante antigénico concreto, normalmente que será marcado con un anticuerpo que presenta fluorocromo, haciendo la proteína visible al microscopio óptico. Se consigue otra célula de ratón similar a la anterior, pero con un marcador antigénico diferente, que será marcado por lo tanto con un anticuerpo diferente y que poseerá un fluorocromo de otro color. Inducimos la fusión de las dos células y observamos como evolucionan las proteínas, cómo se van moviendo a través de la célula formada de la fusión de las dos células iniciales. Inicialmente, se colocarán en dos hemisferios derivados de la fusión, uno de los hemisferios rico en una de las proteínas y el otro rico en el otro tipo de proteína.

Movimientos de proteínas

Progresivamente, se van entremezclando. Se acaba con una coloración intermedia, derivada de la mezcla uniforme de los dos fluorocromos. Las proteínas de membrana, por lo tanto, se han movido por la membrana celular.

Este tipo de experimentos se repitieron con otras metodologías, consistentes en marcar con fluorocromos los determinantes antigénicos. Posteriormente se decoloran los determinantes de una zona de la célula, anulando la fluorescencia (usando normalmente una luz láser débil, que al incidir sobre la zona agota la capacidad del fluorocromo de emitir luz). La mancha sin color se mantiene un tiempo variable, pero acaba desapareciendo, pues las proteínas de membrana van ocupando esa zona. Se puede medir el tiempo que tardan las proteínas en ocupar la zona y hacer tablas, midiendo de este modo la velocidad de la membrana. Mediante esta técnica se ha podido establecer que la membrana más rápida es la de los fotorreceptores.

A la célula le interesa que exista una movilidad, pero esta debe ser controlada. En las células se establecen dominios de membrana, zonas de frontera en cuyos sitios se pueden mover las proteínas, pero de los cuales estas no pueden salir.

Hay dos factores que modulan la rapidez con la que se mueven. Por un lado, la fluidez de la bicapa. Por otro, el tamaño o peso molecular de la proteína. Si tiene un peso molecular elevado, se mueve más despacio.

En el caso de un organismo pluricelular, como ocurre por ejemplo con las células epiteliales del intestino delgado, aparecerán células con una polaridad elevada. En el caso concreto de las células epiteliales del intestino delgado, estas presentan una zona con microvellosidades que mira a la luz del tubo y una zona inferior que se encuentra en contacto con el tejido conjuntivo y los vasos sanguíneos. Cada polo requiere un componente protéico específico, las proteínas no se pueden mezclar (funcionaría mal y habría un gasto excesivo de proteínas).

Dominios de membrana

Hay un sistema de establecimiento de dominios de membrana. Existen modificaciones, especializaciones en la membrana. En concreto, en el epitelio, encontramos lo que se denomina zónula ocludens, que separa los territorios apical del basal. Se trata de zonas de sellado, en forma de cinturón que rodea totalmente la célula. Este sellado ayudará a establecer dominios en la membrana. Ni siquiera los fosfolípidos pueden pasar por esa zona, es decir, hace que ni los componentes de la membrana puedan pasar libremente. Pero esto solo ocurre para la hemimembrana externa, mientras la interna permanecería con libertad de paso.

Dominio en Zónula Ocludens

También pueden formarse barreras submembrana, mediante proteínas de anclaje.

Proteínas de anclaje en dominios de membrana

Un ejemplo de este tipo de proteínas es el que aparece en el espermatozoide. Hay tres dominios de membrana, en la cabeza, cuello y cola. Se cree que estos dominios son establecidos mediante proteínas submembranosas de anclaje. Aunque se trata sólo de una teoría y no está muy claro el verdadero sistema por el que se establecen dominios es estas células.

En cuanto a las glicoproteínas o glucoproteínas, estas se encuentran ubicadas en las membranas, en la zona que mira hacia el espacio extracelular o en las membranas interiores, mirando hacia al hueco de la vesícula o del orgánulo en cuestión. Es decir, siempre miran al lado contrario al citoplasma.

Los árboles de azúcares parecen relacionados con fenómenos de reconocimiento celular y mecanismos de filtrado. Constituyen lo que se denomina glicocálix. Y resulta muy variable, apreciándose grueso en algunas células y más fino en otras.

No obstante, los árboles de azúcares son de mayor tamaño cuando se encuentran anclados a los lípidos (glucolípidos) que cuando se encuentran anclados a proteínas (glicoproteínas).