MEMBRANA PLASMÁTICA

Todas las células, tanto procariotas y eucariotas, están rodeadas por una membrana plasmática, que define el límite de la célula y separa sus contenidos internos del medio externo.

a. Organización molecular de la membrana

I. Modelo de membrana

 

La organización molecular de la membrana plasmática se compone tanto de lípidos como de proteínas. En 1972, Jonathan Singer y Garth Nicolson propusieron el modelo de mosaico fluido de la estructura de la membrana, que ahora es generalmente aceptado como el paradigma de base para la organización de todas las membranas biológicas. En este modelo, las membranas son vistas como dos dimensiones fluidas en donde las proteínas se insertan en bicapas de lípidos.
El lípido de la membrana tiene una sección orgánica pequeña adherida a un grupo fosfato por lo que se denominan, fosfolípidos. En la membrana plasmática, los fosfolípidos se disponen formando una bicapa (con cabeza hidrofílica y cola hidrofóbica).

Las membranas plasmáticas de las células animales contienen cuatro principales fosfolípidos (fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina y esfingomielina), que en conjunto representan más de la mitad de los lípidos en la mayoría de las membranas. Estos fosfolípidos son asimétricamente distribuidos entre las dos mitades de la bicapa de la membrana. La hoja externa de la membrana plasmática se compone principalmente de fosfatidilcolina y esfingomielina, mientras que la fosfatidilserina y fosfatidiletanolamina son los fosfolípidos predominantes de la hoja interior. Un quinto fosfolípido, fosfatidilinositol, también se localiza en la mitad interna de la membrana plasmática.

Además de los fosfolípidos, las membranas plasmáticas de las células animales contienen glucolípidos y colesterol. Los glucolípidos se encuentran exclusivamente la superficie de la membrana plasmática, con sus porciones de carbohidratos expuestos. Son componentes de la membrana relativamente menores, que constituyen sólo el 2% de los lípidos de las membranas. El colesterol, por el contrario, es un componente importante de la membrana de las células animales, que está presente en aproximadamente la misma cantidad molar como los fosfolípidos.

II. Lípidos y fluidez de membrana
El colesterol en la membrana es otro factor determinante de la fluidez de doble capa. El colesterol es muy hidrofóbico y se intercala entre los fosfolípidos. Su grupo hidroxilo polar está en contacto con la solución acuosa, cerca de los grupos de cabeza polares de los fosfolípidos, el anillo interactúa con esteroides y tiende a inmovilizar a sus cadenas de acilo graso. El efecto neto de colesterol en la fluidez de la membrana varía, dependiendo de la composición lipídica. El colesterol restringe el movimiento al azar de las cabezas polares, que son las más cercanas a las superficies externas de las hojas, pero separa y dispersa sus colas hidrofóbicas, causando que la doble capa llegue a ser  más fluida.

La fluidez determina el funcionamiento de la membrana. Los cambios de temperatura en el medio influyen en ella: A menor temperatura, menor fluidez (mayor viscosidad). El descenso de fluidez de la membrana puede detener procesos de transporte y enzimáticos.

III. Proteínas de membrana

Mientras que los lípidos son los elementos estructurales fundamentales de las membranas, las proteínas son responsables de llevar a cabo funciones específicas de la membrana. La mayoría de las membranas plasmáticas consisten en aproximadamente 50% de lípidos y 50% de proteínas en peso, con las porciones de carbohidratos de los glucolípidos y glucoproteínas constituyen 5 a 10% de la masa de la membrana. Dado que las proteínas son mucho más grandes que los lípidos, este porcentaje corresponde alrededor de una molécula de proteína por cada 50 a 100 moléculas de lípidos.
Las proteínas se intercalan en la bicapa y existen dos tipos de proteínas según su disposición:
Proteínas integrales. Atraviesan o penetran la bicapa y las
Proteínas periféricas. Que no interactúan con el núcleo hidrofóbico de la bicapa.

IV. Asimetría del plasmalema

La distribución de los lípidos de las dos monocapas de la bicapa lipídica en muchas membranas es diferente. Como se había descrito anteriormente, la distribución de los diferentes fosfolípidos en la bicapa van a determinar la asimetría de la membrana. De igual manera, cada tipo de proteínas integrales y periféricas de membrana tienen una orientación única y específica con respecto a las caras exoplasmáticas y citosólicas de la membrana celular, es decir, la presencia de glucolípidos exclusivamente en la hoja exoplasmática también contribuye a la asimetría de la membrana.

V. Movilidad de los componentes de la membranas

Existen varios  tipos de movimiento de fosfolípidos de la membrana:
Lateral
Flexión
Rotación
Flip-flop
Las “flipasas” transportan lípidos hacia el citoplasma, las “flopasas” transportan los lípidos en sentido opuesto a las flipasas y las escramblasas transportan en ambas direcciones.

b. Transporte de moléculas a través de la membrana

La membrana plasmática regular el pasaje de materiales hacia dentro y hacia fuera de las células y de los organelos. La bicapa lipídica, es una barrera para los iones y la mayoría de las moléculas hidrofílicas, pero permite el pasaje fácil de moléculas hidrofóbicas, tales como las hormonas esteroides. Así, la composición fisico-química de la membrana celular es la que determina qué moléculas pueden atravesarla libremente y qué moléculas no.
Las moléculas no polares pequeñas atraviesan libremente la bicapa lipídica. Las moléculas polares relativamente grandes sin carga, o los pequeños iones (con carga) no pueden atravesar el interior hidrofóbico. El agua y otras moléculas polares pequeñas y sin carga difunden a través de la bicapa.

i. Transporte pasivo

Un proceso pasivo no requiere despliegue energético por parte de la células: En la difusión simple y la difusión facilitada, las moléculas o iones se mueven a favor de un gradiente electroquímico.
Difusión simple, significa que la molécula puede pasar directamente a través de la membrana. La difusión facilitada utiliza canales (formados por proteínas de membrana) para permitir que moléculas cargadas (que de otra manera no podrían atravesar la membrana) difundan libremente hacia afuera y adentro de la célula. La difusión facilitada puede ser llevada a cabo tanto por proteínas transportadoras o “carrier” como por las proteínas canal.

ii. Transporte activo

 

El transporte activo requiere un gasto de energía para transportar la molécula de un lado al otro de la membrana, pero el transporte activo es el único que puede transportar moléculas contra un gradiente de concentración, al igual que la difusión facilitada el transporte activo esta limitado por el numero de proteínas transportadoras presentes.
Son de interés dos grandes categorías de transporte activo, primario y secundario. El transporte activo primario usa energía (generalmente obtenida de la hidrólisis de ATP), a nivel de la misma proteína de membrana produciendo un cambio conformacional que resulta en el transporte de una molécula a través de la proteína.
El ejemplo más conocido es la bomba de Na+/K+. La bomba de Na+/K+ realiza un contratransporte (conocido como "antiporte") transporta K+ al interior de la célula y Na+ al exterior de la misma, al mismo tiempo, gastando en el proceso ATP.
El transporte activo secundario utiliza la energía para establecer un gradiente a través de la membrana celular, y luego utiliza ese gradiente para transportar una molécula de interés contra su gradiente de concentración.

2. Uniones Celulares y Matriz Extracelular

a. Uniones Celulares

Las interacciones directas entre las células y la matriz extracelular, son fundamentales para el desarrollo y la función de los organismos multicelulares. Hay tres tipos de uniones celulares: desmosomas, estrechas y comunicantes.

 

I. Desmosomas

Los desmosomas, establecen conexiones puntuales en forma de disco entre células vecinas, como si fuesen remaches. Son muy abundantes entre las células epiteliales y entre las musculares, pero también en otros tejidos como el nervioso. Las uniones entre células están mediadas por moléculas del tipo cadherinas denominadas desmogleínas y desmocolinas. Se unen a las proteínas de plakoglobina. El dominio intracelular de estas cadherinas contacta con los filamentos intermedios como las queratinas, gracias a proteínas intermediarias.
Los hemidesmosomas establecen uniones fuertes entre las células y la matriz extracelular. En ambos casos las uniones se establecen por integrinas. Los hemidesmosomas unen las células epiteliales a la lámina basal gracias al dominio extracelular de la integrina, mientras que el dominio intracelular contacta con los filamentos intermedios citosólicos.

II. Uniones  estrechas

Establecen uniones  fuertes y estrechas entre las células adyacentes que prácticamente no dejan espacio intercelular entre sus membranas plasmáticas, limitando la difusión de sustancia solubles extracelulares. Las uniones estrechas forman una especie de cinturón que rodea todo el perímetro celular, en el caso de las células epiteliales.
Las uniones estrechas están formadas por la ocludina y por una familia de moléculas denominadas claudinas, que son las proteínas transmembrana encargadas de establecer los contactos célula-célula.



III. Uniones Comunicantes

Unión que forma un poro por el cual logran pasar moléculas del citoplasma de una célula al citoplasma de otra sin pasar por el espacio extracelular. La componen conexinas que se unen para formar un conexón. Los canales permiten el intercambio de pequeñas moléculas señal intracelulares (mediadores intracelulares), como el Ca2+ y el AMP cíclico, y no el de macromoléculas como proteínas y ácidos nucleicos. Así, las células conectadas por uniones comunicantes o de tipo gap pueden comunicarse entre ellas directamente, sin la dificultad de la barrera que supone la presencia de las membranas plasmáticas.

En las células vegetales las uniones intercelulares se extienden a través de las paredes celulares de células adyacentes y se denominan plasmodesmos. Al igual que las uniones comunicantes, conectan a ambas células permitiendo el paso de moléculas, pero en este caso la membrana celular conforma una lámina continua que "tapiza" el plasmodesmo y, por otra parte una extensión del retículo plasmático (el desmotúbulo) lo atraviesa y se conecta al citosol de la célula adyacente.

b. Matriz extracelular

I. Matriz extracelular de tejidos animales

Los tejidos no se componen exclusivamente de las células. Una parte sustancial de su volumen es el espacio extracelular, que es en gran parte ocupado por una red de macromoléculas que constituyen la matriz extracelular. Esta matriz se compone de una variedad de proteínas y polisacáridos que son secretadas a nivel local y ensamblados en una malla organizada en estrecha colaboración con la superficie de la célula que las produjo. Tiene múltiples funciones: aporta propiedades mecánicas a los tejidos (tanto en animales como en vegetales), mantiene la forma celular, permite la adhesión de las células para formar tejidos, permite la comunicación intercelular, forma sendas por las que se mueven las células, modula la diferenciación celular y la fisiología celular y secuestra factores de crecimiento. La cantidad, la composición y la disposición de la matriz extracelular depende del tipo de tejido considerado. Hay algunos como el epitelial y el nervioso que carecen o tienen muy poca matriz extracelular, mientras que en otros como el tejido conectivo es el elemento más importante en volumen.

La matriz extracelular  está formada por gran cantidad de componentes que se clasifican en tres grandes grupos: proteoglicanos y glucosaminoglicanos, proteínas estructurales (colágeno y elastina), y proteínas de adhesión (fibronectina y laminina).

La matriz extracelular  está formada por gran cantidad de componentes que se clasifican en tres grandes grupos: proteoglicanos y glucosaminoglicanos, proteínas estructurales (colágeno y elastina), y proteínas de adhesión (fibronectina y laminina).

I. Biosíntesis de colágena

El colágeno, es la proteína más abundante de la matriz extracelular, formado por 3 cadenas α, se organiza para formar sobre todo fibras y resiste tensiones mecánicas sin deformarse.
Biosíntesis y ensamblaje de colágeno:
1) Los ribosomas sintetizan mediante la traducción el precolageno.
2) El precolageno se hidroxila (se forma por enlace covalente la hidroxiprolina y la hidroxilisina)
3) Se unen galactosa y glucosa en el aparato de Golgi.
4) En el procolageno los extremos N-terminal y C-terminal tienen una secuencia que les permite realizar estructuras proteicas globulares. Las estructuras globulares N-terminal de tres cadenas de protocolágeno se reconocen entre sí uniéndose y formándose la triple hélice que cierra el extremo C-terminal.
5) La triple hélice se exporta al espacio extracelular.
6) Por acción de proteasas específicas las regiones N-terminal y C-terminal se separan, dejando solo la triple hélice del colágeno.
7) Las moléculas se ensamblan por entrecruzamiento dando las formaciones escalonadas de la fibra de colágeno.

 

II. Glucosaminglicanos y proteoglicanos

Los glicosaminoglicanos (GAGs) son los heteropolisacáridos más abundantes del cuerpo. Estas moléculas son polisacáridos largos sin ramificaciones y contienen repeticiones de una unidad de disacáridos. Las unidades de disacáridos contienen una de dos azúcares modificadas, N-acetilgalactosamina (GaINAc) ó N-acetilglucosamina (GlcNAc) (Estos azúcares poseen grupos carboxilo (COO-) y grupos sulfatos (SO3-), y un ácido urónico como el glucuronato ó iduronato. Los GAGs son moléculas negativamente cargadas con una conformación extendida que brinda alta viscosidad a una solución. Los GAGs están principalmente ubicados en la superficie de las células o en la matriz extracelular. Junto con la viscosidad que brindan los GAGs también se observa una compresibilidad baja la cual hace que estas moléculas sean ideales como líquido lubricante de las articulaciones. Al mismo tiempo, su rigidez brinda integridad estructural a las células y provee vías entre las células, permitiendo la migración celular. Los GAGs específicos de significancia fisiológica son el ácido hialurónico, dermatán sulfato, condroitín sulfato, heparina, heparán sulfato y queratán sulfato.

A pesar de que cada GAG tiene un componente disacárido que predomina, existe una heterogeneidad entre los azúcares que forman parte de cualquier clase de GAG. El hialurónico es único entre los GAGs ya que no contiene ningún sulfato y no se encuentra unido de manera covalente a ninguna proteína como un proteoglicano. Sin embargo, si es parte de los complejos que se forman de manera no covalente con proteoglicanos en la matriz extracelular. Los polímeros de ácido hialurónico son de gran tamaño (con pesos moleculares entre 100000–10000000) y pueden desplazar un gran volumen de agua. Esta propiedad les permite actuar como lubricantes y absorbentes de golpes.
Los proteoglicanos consisten de múltiples GAGs unidos a una proteína núcleo. En la síntesis de los proteoglicanos, cadenas de heparán sulfato o sulfato de condroitina están formadas por la adición secuencial de unidades repetidas de tres de azúcares "conector" que se adjunta a residuos de serina en una molécula de proteína núcleo. Una de las "secuencias señal" de una proteína núcleo que especifica la adición este azúcar conector es Ser-Gly-Gly-X, donde X es cualquier aminoácido. Sin embargo, no todos los sitios en la proteína núcleo se sustituye, y GAGs se unen a serinas en otras secuencias. Así, la conformación de la proteína núcleo puede ser más importante que las secuencias primarias localizadas para determinar dónde colocar las cadenas de GAGs. Además, los mecanismos que determinan la longitud de las cadenas son desconocidos.

Un número de proteoglicanos interactúan con ácido hialurónico para formar grandes complejos en la matriz extracelular. Un ejemplo bien caracterizado es el agrecano, el mayor proteoglicano del cartílago.

III. Otras proteínas estructurales de matriz extracelular

Las proteínas de adhesión, son la tercera clase de componentes de la matriz extracelular, son responsables de la vinculación de los componentes de la matriz y las superficies de las células. El prototipo de estas moléculas es la fibronectina, que es la principal proteína de adhesión de los tejidos conectivos. La fibronectina es una glicoproteína dimérica formada por dos cadenas de polipéptidos, cada uno con cerca de 2500 aminoácidos. En la matriz extracelular la fibronectina, se entrecruza en fibrillas por enlaces disulfuro. La fibronectina tiene sitios de unión para el colágeno y glicosaminoglicanos, por lo que estos entrecruzamientos son componentes de la matriz. Un sitio distinto en la molécula de fibronectina es reconocida por receptores de superficie celular y por lo tanto responsable de la unión de las células a la matriz extracelular.

La lámina basal contiene distintas proteínas de adhesión llamada laminina. Al igual que el colágeno tipo IV, la laminina puede auto-ensamblarse para formar polímeros. Estas redes de laminina son los principales componentes estructurales de la lámina basal sintetizada en embriones muy pequeños, que no contienen colágeno. Las lamininas también tienen sitios de unión para los receptores de la superficie celular, el colágeno tipo IV, y perlecano.

Bibliografía:

Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K & Watson J. 2004. Molecular Biology of the Cell, 4th edition. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/bookshelf/br.fcgi?book=mboc4

Lodish H, Berk A, Zipursky LS, Matsudaira P, Baltimore D & Darnell JE. 2002. Molecular Cell Biology, 4th edition. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/bookshelf/br.fcgi?book=mcb

Cooper GM. 2000. The Cell a Molecular Approach, 2^nd edition. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/bookshelf/br.fcgi?book=cooper

Curtis H & Barnes NS (2001) Biología, 6° edición. C:\Documents and Settings\Edy\Mis documentos\BIOL EXP\LIBROS\curtis\curtis\libro\c6b.htm

Niessen CM. Tight junctions/adherens junctions: basic structure and function. 2007. Journal of investigative dermatology. 127:2525-2532.

Cascales A, Álvarez-Gómez J.  2010. Metaloproteinasas, matriz extracelular y cáncer. An. R. Acad. Nac. Farm 76 (1): 59-84

Heino J. 2007. The collagen family members as cell adhesion proteins. Bioessays.. 29:1001-1010.