MEMBRANA

La membrana plasmática es una estructura laminar formada por fosfolípidos (con cabeza hidrofílica y cola hidrofóbica) y proteínas que engloban a las células, define sus límites y contribuye a mantener el equilibrio entre el interior (medio intracelular) y el exterior (medio extracelular) de éstas. Además, se asemeja a las membranas que delimitan los organelos de células eucariotas. También delimita la célula y le da forma.
Está compuesta por 4 láminas que sirven de "contenedor" para el citosol y los distintos compartimentos internos de la célula, así como también otorga protección mecánica. Está formada principalmente por fosfolípidos (fosfatidiletanolamina y fosfatidilcolina), colesterol, glúcidos y proteínas (integrales y periféricas).
La principal característica de esta barrera es su permeabilidad selectiva, lo que le permite seleccionar las moléculas que deben entrar y salir de la célula. De esta forma se mantiene estable el medio intracelular, regulando el paso de agua, iones y metabolitos, a la vez que mantiene el potencial electroquímico (haciendo que el medio interno esté cargado negativamente). La membrana plasmática es capaz de recibir señales que permiten el ingreso de partículas a su interior.
Cuando una molécula de gran tamaño atraviesa o es expulsada de la célula y se invagina parte de la membrana plasmática para recubrirlas cuando están en el interior ocurren respectivamente los procesos de endocitosis y exocitosis.
Tiene un grosor aproximado de 7,5 nm y no es visible al microscopio óptico pero sí al microscopio electrónico, donde se pueden observar dos capas oscuras laterales y una central más clara. En las células procariotas y en las eucariotas osmótrofas como plantas y hongos, se sitúa bajo otra capa, denominada pared celular.


Composición química

Esquema de una membrana celular. Según el modelo del mosaico fluido, las proteínas (en rojo y naranja) serían como "icebergs" que navegarían en un mar de lípidos (en azul). Nótese además que las cadenas de oligosacáridos (en verde) se hallan siempre en la cara externa, pero no en la interna.

Antiguamente se creía que la membrana plasmática era un conjunto estático formado por la sucesión de capas proteínas-lípidos-lípidos-proteínas. Hoy en día se concibe como una estructura dinámica cuyo modelo se conoce como "mosaico fluido", término acuñado por S. J. Singer y G. L. Nicolson en 1972. Esta estructura general -modelo unitario- se presenta también en todo el sistema de endomembranas (membranas de los diversos orgánulos del interior de la célula), como retículo endoplasmático, aparato de Golgi y envoltura nuclear, y los de otros orgánulos, como las mitocondrias y los plastos, que proceden de endosimbiosis.

La composición química de la membrana plasmática varía entre células dependiendo de la función o del tejido en la que se encuentren, pero se puede estudiar de forma general. La membrana plasmática está compuesta por una doble capa de fosfolípidos, por proteínas unidas no covalentemente a esa bicapa, y glúcidos unidos covalentemente a los lípidos o a las proteínas. Las moléculas más numerosas son las de lípidos, ya que se calcula que por cada 50 lípidos hay una proteína. Sin embargo, las proteínas, debido a su mayor tamaño, representan aproximadamente el 50% de la masa de la membrana

Bicapa lipídica

Diagrama del orden de los lípidos anfipáticos para formar una bicapa lipídica. Las cabezas polares (de color amarillo) separan las colas hidrofóbicas (de color gris) del medio citosólico y extracelular.

El orden de las llamadas cabezas hidrofílicas y las colas hidrofóbicas de la bicapa lipídica impide que solutos polares, como aminoácidos, ácidos nucleicos, carbohidratos, proteínas e iones, difundan a través de la membrana, pero generalmente permite la difusión pasiva de las moléculas hidrofóbicas. Esto permite a la célula controlar el movimiento de estas sustancias vía complejos de proteína transmembranal tales como poros y caminos, que permiten el paso de glucosa e iones específicos como el sodio y el potasio.

Las dos capas de moléculas fosfolípidas forman un "sándwich" con las colas de ácido graso dispuestos hacia el centro de la membrana plasmática y las cabezas de fosfolípidos hacia los medios acuosos que se encuentran dentro y fuera de la célula. También es una membrana finísima que está encima del citoplasma.

Componentes lípidicos

El 98% de los lípidos presentes en las membranas celulares son anfipáticos, es decir que presentan un extremo hidrófilo (que tiene afinidad e interacciona con el agua) y un extremo hidrofóbico (que repele el agua). Los más abundantes son los fosfoglicéridos (fosfolípidos) y los esfingolípidos, que se encuentran en todas las células; le siguen los glucolípidos, así como esteroides (sobre todo colesterol). Estos últimos no existen o son escasos en las membranas plasmáticas de las células procariotas. Existen también grasas neutras, que son lípidos no anfipáticos, pero sólo representan un 2% del total de lípidos de membrana.

• Fosfoglicéridos. Tienen una molécula de glicerol con la que se esterifica un ácido fosfórico y dos ácidos grasos de cadena larga; los principales fosfoglicéridos de membrana son la fosfatidiletanolamina o cefalina, la fosfatidilcolina o lecitina, el fosfatidilinositol y la fosfatidilserina.
• Esfingolípidos. Son lípidos de membrana constituidos por ceramida (esfingosina + ácido graso); solo la familia de la esfingomielina posee fósforo; el resto poseen glúcidos y se denominan por ello glucoesfingolípidos o, simplemente glucolípidos. Los cerebrósidos poseen principalmente glucosa, galactosa y sus derivados (como N-acetilglucosamina y N-acetilgalactosamina). Los gangliósidos contienen una o más unidades de ácido N-acetilneuramínico (ácido siálico).
• Colesterol. El colesterol representa un 23% de los lípidos de membrana. Sus moléculas son pequeñas y más anfipáticas en comparación con otros lípidos. Se dispone con el grupo hidroxilo hacia el exterior de la célula (ya que ese hidroxilo interactúa con el agua). El colesterol es un factor importante en la fluidez y permeabilidad de la membrana ya que ocupa los huecos dejados por otras moléculas. A mayor cantidad de colesterol, menos permeable y fluida es la membrana. Se ha postulado que los lípidos de membrana se podrían encontrar en dos formas: como un líquido bidimensional, y de una forma más estructurada, en particular cuando están unidos a algunas proteínas formando las llamadas balsas lipídicas. Se cree que el colesterol podría tener un papel importante en la organización de estas últimas. Su función en la membrana plasmática es evitar que se adhieran las colas de ácido graso de la bicapa, mejorando la fluidez de la membrana. En las membranas de las células vegetales son más abundantes los fitoesteroles.

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, e interacciones hidrofobicas (mediada por el efecto hidrofóbico) favorecen que las colas de los lípidos se autoasocien y autoensamblen espontáneamente 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 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 los glicolípidos y las glicoproteínas de la membrana plasmática sólo se orientan hacia el medio extracelular donde participan en los fenómenos de reconocimiento 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)

Componentes protéicos

El porcentaje de proteínas oscila entre un 20% en la vaina de mielina de las neuronas y un 70% en la membrana interna mitocondrial;^[1] el 80% son intrínsecas, mientras que el 20% restantes son extrínsecas. Las proteínas son responsables de las funciones dinámicas de la membrana, por lo que cada membrana tienen una dotación muy específica de proteínas; las membranas intracelulares tienen una elevada proporción de proteínas debido al elevado número de actividades enzimáticas que albergan. En la membrana las proteínas desempeña diversas funciones: transportadoras, conectoras (conectan la membrana con la matriz extracelular o con el interior), receptoras (encargadas del reconocimiento celular y adhesión) y enzimas.

Las proteínas de la membrana plasmática se pueden clasificar según cómo se dispongan en la bicapa lipídica:^{[2] [3] [4]}

• Proteínas integrales. Embebidas en la bicapa lipídica, atraviesan la membrana una o varias veces, asomando por una o las dos caras (proteínas transmembrana); o bien mediante enlaces covalentes con un lípido o un glúcido de la membrana. Su aislamiento requiere la ruptura de la bicapa.
• Proteínas periféricas. A un lado u otro de la bicapa lipídica, pueden estar unidas débilmente por enlaces no covalentes. Fácilmente separables de la bicapa, sin provocar su ruptura.

En el componente proteico reside la mayor parte de la funcionalidad de la membrana; las diferentes proteínas realizan funciones específicas:

• Proteínas estructurales: estas proteínas hacen de "eslabón clave" uniéndose al citoesqueleto y la matriz extracelular.
• Receptores de membrana: que se encargan de la recepción y transducción de señales químicas.
• Transportadoras a través de membrana: mantienen un gradiente electroquímico mediante el transporte de membrana de diversos iones.

Estas a su vez pueden ser:

·         Proteínas transportadoras: Son enzimas con centros de reacción que sufren cambios conformacionales.

·         Proteínas de canal: Dejan un canal hidrofílico por donde pasan los iones.

Componentes glucídicos

Están en la membrana unidos covalentemente a las proteínas o a los lípidos. Pueden ser polisacáridos u oligosacáridos. Se encuentran en el exterior de la membrana formando el glicocalix. Representan el 8% del peso seco de la membrana plasmática. Sus principales funciones son dar soporte a la membrana y el reconocimiento celular (colaboran en la identificación de las señales químicas de la célula).

Funciones

• La función básica de la membrana plasmática es mantener el medio intracelular diferenciado del entorno. Esto es posible gracias a la naturaleza aislante en medio acuoso de la bicapa lipídica y a las funciones de transporte que desempeñan las proteínas. La combinación de transporte activo y transporte pasivo hacen de la membrana plasmática una barrera selectiva que permite a la célula diferenciarse del medio.
• Permite a la célula dividir en secciones los distintos organelos y así proteger las reacciones químicas que ocurren en cada uno.
• Crea una barrera selectivamente permeable en donde solo entran o salen las sustancias estrictamente necesarias.
• Transporta sustancias de un lugar de la membrana a otro, ejemplo, acumulando sustancias en lugares especificos de la célula que le puedan servir para su metabolismo.
• Percibe y reacciona ante estímulos provocados por sustancias externas (ligandos).
• Mide las interacciones que ocurren entre células.

Permeabilidad

La permeabilidad de las membranas es la facilidad de las moléculas para atravesarla. Esto depende principalmente de la carga eléctrica y, en menor medida, de la masa molar de la molécula. Moléculas pequeñas o con carga eléctrica neutra pasan la membrana más fácilmente que elementos cargados eléctricamente y moléculas grandes. Además, la membrana es selectiva, lo que significa que permite la entrada de unas moléculas y restringe la de otras. La permeabilidad depende de los siguientes factores:

• Solubilidad en los lípidos: Las sustancias que se disuelven en los lípidos (moléculas hidrófobas, no polares) penetran con facilidad en la membrana dado que está compuesta en su mayor parte por fosfolípidos.
• Tamaño: la mayor parte de las moléculas de gran tamaño no pasan a través de la membrana. Sólo un pequeño número de moléculas polares de pequeño tamaño pueden atravesar la capa de fosfolípidos.
• Carga: Las moléculas cargadas y los iones no pueden pasar, en condiciones normales, a través de la membrana. Sin embargo, algunas sustancias cargadas pueden pasar por los canales proteicos o con la ayuda de una proteína transportadora.

También depende de las proteínas de membrana de tipo:

• Canales: algunas proteínas forman canales llenos de agua por donde pueden pasar sustancias polares o cargadas eléctricamente que no atraviesan la capa de fosfolípidos.
• Transportadoras: otras proteínas se unen a la sustancia de un lado de la membrana y la llevan al otro lado donde la liberan.

Uso del término membrana celular

La expresión membrana celular se usa con dos significados diferentes:

• Membrana plasmática, descripta en el presente artículo, es la membrana que siempre envuelve al citoplasma de las células. Aunque este uso es históricamente ilegítimo, está extraordinariamente extendido, sobre todo en los textos de habla inglesa (cell membrane).
• Pared celular, también llamada membrana de secreción, es una cubierta más o menos resistente que cubre a todas o la mayoría de las células de las plantas, los hongos y los protistas pluricelulares.

Origen de la ambigüedad

Durante siglo y medio (c.1800-c.1950) la investigación de las células se basó sólo en la observación mediante microscopía óptica. Ésta no puede, por razones físicas relacionadas con la longitud de onda de la luz, detectar estructuras de menos de 0,25 µm (micrómetros). Se llamó membrana celular al límite de la célula cuando éste era distinguible, y éste sigue siendo el único uso legítimo de la expresión. En la mayor parte de los casos lo que se observaba era un recubrimiento, más o menos flexible, hecho de polisacáridos, de proteínas o de polímeros mixtos, al que se llama también pared celular. Ésta es precisamente la expresión que debe preferirse para eludir la ambigüedad.

A principios del siglo XX, investigaciones experimentales de la fisiólogia celular condujeron a postular la existencia, en todas las células, de una membrana invisible, a la que se llamó membrana plasmática o citoplasmática, y que debía estar compuesta esencialmente de lípidos. Ésta representaba la envoltura del protoplasma, la parte fisiológicamente activa de la célula. Con el uso del microscopio electrónico, pudo observarse por fin la membrana plasmática, cuyo espesor típico es de sólo 0,0075 µm (109 Å).

•   Alberts, Bruce.1999. Introducción a la biología celular
• http://es.wikipedia.org/wiki/Membrana_plasm%C3%A1tica
• http://www.youtube.com/watch?v=K84zko4RfLo&feature=related