2. Membrana plasmática

2.1 Definición

La membrana plasmática es una estructura muy frágil, delgada (5 a 10 nm de grosor) pero dinámica, constituida por una bicapa lipídica recubierta por proteínas globulares.

2.2 Funciones

· Compartimentalización: Las membranas celulares se encargan de rodear el contenido de la célula para protegerla del ambiente exterior, o bien, separar a los orgánulos del citoplasma. Esto permite que las actividades celulares permitan realizarse sin ninguna interferencia externa.
· Andamiaje para actividades bioquímicas: Las membranas plasmáticas, al permitir la compartimentalización, también proporcionan un “marco” dentro del cual los componentes pueden ordenarse para una interacción efectiva.
· Provisión de una barrera con permeabilidad selectiva: Si bien las membranas celulares no son tan impenetrables, tampoco significa que cualquier sustancia pueda atravesarla.
· Transporte de sustancias: Ya que la membrana cuenta con poros y proteínas de transporte que permiten tanto el ingreso como salida de diferentes iones y sustancias, necesarias para que la célula pueda llevar a cabo su metabolismo y poder fabricar sus propias macromoléculas.
· Respuesta a señales externas: La membrana también tiene receptores que le permiten reconocer y responder a diferentes ligandos en su ambiente, generando una señal que estimula o inhibe sus actividades.
· Interacción celular: Permite que las células se reconozcan y se envíen señales unas a otras, que se adhieran y que intercambien materiales e información
· Transducción de energía: La membrana interna de las mitocondrias contienen las proteínas que se encargan de convertir la energía extraída de la glucosa y las grasas en ATP. En las plantas, los pigmentos unidos a las membranas absorben la energía de la luz solar, para convertirla en energía química y la almacenan en carbohidratos.

Las membranas son ensambles de lípidos y proteínas unidas mediante enlaces no covalentes, además de una pequeña cantidad de carbohidratos que se unen con los lípidos y proteínas para formar glucolípidos y glucoproteínas, respectivamente.

Lípidos de la membrana:

Son de carácter anfipático, por lo que en el acomodo bicapa lipídica que tienen las membranas celulares, las cabezas hidrófilas de la capa bimolecular quedan en contacto en el medio acuoso, mientras las colas hidrofóbicas mantienen el contacto entre ellas.

Hay tres tipos de lípidos:

Fosfoglicéridos:

· Su estructura consiste en cadenas de ácido graso unidas a un glicerol. El tercer grupo hidroxilo del glicerol está esterificado con una molécula de fosfato. A dicho grupo fosfato se le une un grupo adicional, que puede ser colina, etanolamina, serina o inositol, que junto con el fosfato forman el grupo de la cabeza polar.

o La fosfatidiletanolamina fomenta la curvatura de la membrana.

o La fosfatidilserina se une a la glucoforina A, una proteína abundante en el eritrocito humano.

o La aparición de fosfatidilserina en la hoja externa de la membrana de los linfocitos viejos le indica a los macrófagos que las destruyan.

o La aparición de fosfatidilserina en la hoja externa de la membrana de las plaquetas conduce a la coagulación sanguínea.

o El anillo de inositol en el fosfatidilinositol se fosforila para formar fosfoinosítido, que intervienen en la transferencia de estímulos desde la membrana hacia al citoplasma, así como en el reclutamiento de proteínas hacia la superficie de dicha membrana.

· Los fosfoglicéridos usualmente tienen una cadena grasa acilo insaturada y una saturada.

Esfingolípidos:

· Se componen por la unión de un ácido graso con una esfingosina. A esta molécula se le conoce como ceramida.

· La unión de una ceramida con una fosforilcolina forma esfingomielina.
· La unión de una ceramida con un carbohidrato simple, se forma un cerebrósido.
· La unión de una ceramida con un carbohidrato que incluye ácido siálico, se forma un gangliósido

· Tanto los cerebrósidos como los gangliósidos son glucolípidos, muy abundantes en el sistema nervioso. Por ejemplo, las vainas de mielina son ricas en el galactocerebrósido (Ceramida y galactosa), el déficit de este glucolípido ocasiona temblores musculares intensos y parálisis. Un déficil del gangliósido G_M3 produce convulsiones graves y ceguera.

Las toxinas que causan cólera, botulismo y el virus de la influeza se unen a los gangliósidos de la superficie celular.

Colesterol

· Es muy abundante en las células animales, mientras que las células vegetales contienen esterol.

· Los anillos hidrófobos del colesterol interfieren con los movimientos de las colas de los ácidos grasos de los fosfolípidos.

Naturaleza e importancia de la bicapa lipídica:

· Cada tipo de membrana celular tiene su propia composición lipídica, aunque aún no se clarifica el porqué de esta diversidad. Se especula que puede determinar el estado físico de la membrana y que influye en la actividad de las proteínas particulares de la misma.

· Los lípidos aportan los precursores para mensajeros químicos que regulan la función celular.
· Las membranas son continuas. No presentan bordes libres.
· Las membranas celulares son deformables y cambian su forma general durante la locomoción o durante la división celular.
· Las membranas celulares pueden ensamblarse por sí mismas, algo confirmado en pruebas de laboratorio, donde se han logrado construir “liposomas” a partir de colocar fosfatidilcolina en una solución acuosa.

La asimetría de los lípidos de membrana

· La hoja externa de la bicapa lipídica contiene una alta concentración de fosfatidilcolina y esfingomielina, pero una baja concentración de fosfatidiletanolamina y fosfatidilserina.

· En la hoja externa, los valores se invierten.

· Todos los glucolípidos se encuentran en la porción exoplásmica, fungiendo como receptores para los ligandos extracelulares.

Carbohidratos de la membrana

· Constituyen entre el 2% y el 10% del peso de la membrana.
· El 90% se une a proteínas para formar glucoproteínas. Los carbohidratos de estas son oligosacáridos cortos, hidrófilos y ramificados.
· Los oligosacáridos pueden estar unidos con varios aminoácidos distintos mediante dos tipos de enlace: N-glucosídico (p.ej. entre asparagina y N-acetilglucosamina) u O-glucosídico (p.ej. entre serina o treonina y N-acetilgalactosamina).
· Los carbohidratos de los glucolípidos determinan el tipo sanguíneo en los eritrocitos.

Proteínas de membrana

Clasificación

Proteínas integrales:

· Penetran la bicapa lipídica, por lo que tienen dominios extracelulares y citoplasmático
· Constituyen el 25-30% de todas las proteínas codificadas
· Funcionan como receptores que se unen con sustancias específicas en la superficie de la membrana (como conductos o transportadores de iones y solutos)
· Tienen porciones hidrofílicas e hidrofóbicas. Su porción hidrófoba establecen interacciones de van der Waals conlas cadenas de acilo de la bicapa.
· No son estructuras fijas necesariamente

Proteínas periféricas:

· Se sitúan fuera de la bicapa lipídica.
· Se relacionan con la superficie de la membrana mediante enlaces no covalentes.
· Brindan soporte estructural a la membrana
· Actúan como ancla para las proteínas integrales de la membrana.
· Funcionan como enzimas, cubiertas especializadas o factores que transmiten señales a través de la membrana.
· Se atraen a la membrana, o bien, pueden liberarse de ella.

Proteínas ancladas al lípido:

· Se encuentran fuera de la bicapa lipídica, pero se unen mediante enlace covalentes a una molécula de lípido dentro de la membrana.
· Un ejemplo, serían las proteínas ancladas por glucosil-fosfatidilinositol, que se une a un pequeño oligosacárido vinculado con una molécula de fosfatidilinositol.

2.4 Fluidez en la membrana lipídica

· Depende la temperatura a la que se encuentre la membrana. A 37° se encuentra relativamente líquido y permite que los fosfolípidos roten sobre su eje o se puedan desplazar lateralmente.
· Es importante porque permite que haya interacciones dentro de la membrana.
· Algunos de los procesos celulares más básicos dependen del movimiento de los componentes de la membrana que sólo es posible gracias a su fluidez.
· Las células modifican el tipo de fosfolípidos que las componen para responder a las condiciones cambiantes de fosfolípidos que las contiene.
Balsas lipídicas
· Parches de colesterol y esfingolípidos observadas en bicapas artificiales-
· Algunas proteínas tienden a concentrarse en estas balsas.
· Probablemente no existan o son tan pequeñas que son difíciles de detectar con las técnicas actuales.

2.5. La naturaleza dinámica de la membrana plasmática

· Es posible fusionar a dos tipos distintos de células e incluso de especies diferentes para formar una célula con un citoplasma y membranas comunes. Esto ha demostrado que las proteínas integrales de membrana son capaces de realizar movimientos “sin restricción”, lo cual es parcialmente cierto, debido a que:

o Algunas proteínas sí se pueden mover de forma aleatoria por toda la membrana.

o Pero hay otras proteínas consideradas inmóviles.

o Otras se mueven hacia una dirección en particular.

o El movimiento de una proteína de membrana puede estar limitado por otras proteínas de membrana.

o O bien, se limita debido al esqueleto de la membrana.

o O por materiales extracelulares.

· La difusión fosfolípidos ocurre sin restricciones dentro de un domino celular, sin embargo pueden saltar hacia otro dominio, sólo que la velocidad de difusión se ve disminuida cuando esto ocurre.

2.6 Membrana del eritrocito

· El eritrocito es la célula mejor estudiada y comprendida

o Son baratas de obtener y disponibles en cantidades enormes en la sangre.

o Son sencillas porque carecen de membranas que usualmente contaminan las preparaciones de membranas plasmáticas de otras células.

· Sus proteínas más abundantes son:

o Proteína Banda 3: Sirve como conducto de intercambio pasivo de iones a través de la membrana (como el oin bicarbonato y el ion cloruro)

o Glucoforina A: Gracias a la carga negativa que le provee a los eritrocitos, permite que se repelen entre sí y no se aglomeren a su paso.

· Las proteínas periféricas de la membrana (como la espectrina y la actina) le proporcionan al eritrocito la fuerza, la elasticidad y la flexibilidad necesarias para realizar su función.

2.7. El movimiento de las sustancias a través de la membrana

· Existen dos formas básicas de movimiento de sustancias a través de la membrana:

o Pasiva por difusión

· La difusión consiste en el paso de una sustancia de una región de alta concentración a otra de baja concentración.

· Una membrana es permeable a un soluto determinado porque:

· Puede pasar en forma directa a través de la membrana. Limitado por la no polaridad de la molécula y por su tamaño, siendo las moléculas muy pequeñas y sin carga las que penetran más fácilmente la membrana, como el oxígeno, el dióxido de carbono, el óxido nítrico y el agua.

· Ósmosis se refiere a la difusión de las moléculas de agua de una región con menor concentración a una de mayor concentración.

· Los compartimientos separados por una membrana semipermeable pueden ser:

o Hipertónicos (compartimiento con mayor concentración de soluto): Una célula en este tipo de solución pierde agua por ósmosis y se encoge.

o Hipotónicos (compartimiento con menor concentración de soluto): Una célula en este tipo de solución gana agua por ósmosis y se hincha.

o Isotónicos (igual concentración en ambos compartimientos): No existe intercambio en el desplazamiento del agua.

§ Las células animales suelen ser isotónicas. Las células vegetales suelen ser hipertónicas en relación con su ambiente líquido.

· Pueden cruzar por un poro acuoso que atraviesa la membrana.

o Hay células que son menos permeables al agua, por lo que utilizan proteínas integrales llamadas acuaporinas que permiten el paso de agua de un lado de la membrana al otro. Son prominentes en células del túbulo renal y en las raíces vegetales.

· Las membranas también contienen conductos iónicos que son específicos para iones específicos:

o Activados por voltaje: Su estado depende de la diferencia en la carga iónica a ambos lados de la membrana.

o Activados por ligando: Su estado depende de la unión de una molécula específica que casi nunca es el soluto que pasa por el conducto. Los ligandos se pueden unir tanto a la superficie interna como externa del conducto.

o Mecanoactivados: Su estado depende de fuerzas mecánicas aplicadas a la membrana

· Difusión facilitada: Algunas moléculas no atraviesan la membrana a través de la bicapa lipídica o por un conducto, sino por una proteína transportadora.

o La velocidad de este tipo de transporte aumenta según la concentración de soluto hasta alcanzar una velocidad máxima.

o Media la entrada de aminoácidos y azúcares

· Activa por un proceso acoplado con energía

o Depende proteínas integrales de membrana, denominadas a menudo “bombas”.

o Va en contra del gradiente de concentración, por lo que requiere el aporte de energía

o Transporte activo primario

o El aporte de energía está dado por la hidrólisis del ATP.

o Las bombas pueden ser del tipo P, si se mantienen fosforiladas mientras cumplen su función transportadora. O del tipo V si si no forman una proteína fosforilada intermediaria

o Un ejemplo de este tipo de transporte es el mediado por la bomba P Na+/K+ ATPasa, que bombea tres iones de sodio al exterior de la célula por dos iones de potasio hacia el interior, con el fin de mantener las grandes concentraciones de Sodio fuera de la célula y las altas concentraciones de Potasio en el interior de la célula, con el fin de conservar el volumen celular y generar los gradientes inclinados de ambos iones que desempeñan una labor importante en la generación de impulsos nerviosos en los miocitos y la sneuronas.

o Otro ejemplo lo constituye la Ca²⁺-ATPasa, que permite la entrada de calcio desde el citosol hacia la luz del retículo endoplásmico.

o También podemos citar a la bomba H+/K+-ATPasa, que secreta ácido clorhídrico hacia la cámara gástrica.

o Transporte activo secundario

o Utiliza la energía potencial almacenada en los gradientes iónicos.

o Cotransporte unidireccional: La energía de difusión de un ion puede arrastrar sustancias junto con él a través de la membrana hacia una misma dirección.

o Cotransporte bidireccional: Las moléculas transporadas se desplazan en sentido contrario.

2.8 Potenciales de membrana

· La irritabilidad es la propiedad de los organismos para responder a la estimulación externa
· La diferencia de potencial eléctrico (voltaje) dado entre el interior y el exterior de la membrana plasmática se da cuando hay un exceso de iones positivos en un punto y iones negativos en otro. Si este voltaje no está excitado, se llama potencial de reposo. Varía en todas las células, entre -15 mV y -100 mV.
· Casi todos los conductos iónicos permanecen cerrados en el potencial de reposo, a excepción de los conductos de fuga de potasio. La salida de este ión deja un exceso de cargas negativas en el lado citoplasmático de la célula y es este gradiente eléctrico lo que favorece la retención de K+ en el interior de la célula.
· La carga de los axones generada por el movimiento de los iones potasio, es de -91 mV. Pero también el movimiento del sodio mediante un canal de fuga influye, generando un voltaje de +55 mV. Por ello es que el potencial de reposo en la neurona es de -70 mV.
· La estimulación de la membrana del axón abre algunos canales de sodio, por lo que estos iones pueden entrar, volviendo el interior menos negativo, despolarizando la membrana. Si el estímulo no despolariza la membrana más allá de cierto punto (umbral), la membrana regresa con rapidez a su potencial de reposo. Si sobrepasa los -50 mV, aproximadamente, provoca que más canales de sodio activados por voltaje se abran, generando un potencial de hasta +40mV en el interior de la célula que en reposo es negativo.
· Esto dura aproximadamente 1 ms, antes de que los canales de sodio activados por voltaje se desactiven de forma espontánea. El cambio de potencial de membrana generado por la entrada de sodio, activa a los canales de potasio activados por voltaje, permitiendo el escape de potasio para recuperar el valor negativo.
· El potencial de acción no es focalizado, sino que se propaga a lo largo de la membrana celular y en dirección anterior, ya que la porción de la membrana que acaba de experimentar el potencial de acción permanece en periodo refractario, durante el cual es incapaz de responder a un nuevo estímulo.
· Las neuronas, además, están conectadas a células blanco mediante sinapsis. El cambio de concentraciones de iones durante un potencial de acción, genera la liberación de neurotransmisores en las hendiduras sinápticas. Los neurotransmisores tienen dos tipos de efectos:

o Abre conductos catiónicos, excitando a la célula.

o Abre conductos aniónicos, para hiperpolarizar a la membrana de la célula y así sea más difícil generar un potencial de acción porque se requieren más iones positivos para alcanzar el umbral de la membrana.

2.9 Enfermedades

· Anemia paroxística nocturna:

o Causa: Mutación somática en el gen PIG-A que se encuentra en el cromosoma X, que codifica una proteína involucrada en la síntesis del glicosilfosfatidilinositol, lo que vuelve a los eritrocitos susceptibles a la destrucción.

o Cuadro clínico:

§ Astenia (debilidad o fatiga)

§ Ictericia

§ Somnolencia

§ Fiebre

§ Cefaleas

§ Malestar general

§ Disfagia

§ Hematuria

§ Proteinuria

o Diagnóstico: En general la anemia es grave, con cifras de hemoglobina inferiores a 60 g/L, la leucopenia y la trombocitopenia son comunes, aunque la sobrevida y la función plaquetaria son normales. Se constatan signos de hemólisis como: incremento de la cifra de reticulocitos, policromatofilia, elevación de la LDH, de la bilirrubina no conjugada y descenso de la cifra de haptoglobina.

· Síndrome de Fanconi

o Causa: Genes defectuosos de proteínas transportadoras en los túbulos renales, provocando una excreción excesiva de aminoácidos, fosfato, glucosa, bicarbonato, calcio, potasio, entre otros iones.

o Síntomas:

§ Anorexia

§ Vómitos

§ Fiebre

§ Debilidad muscular

§ Hipokalemia

§ Dolor óseo (principalmente en la columna)

§ Polidipsia

§ Poliuria

o Diagnóstico:

§ Química sanguínea.

§ Urianálisis

§ Hemograma

· Fibrosis quística

o Causa: Mutaciones en el gen que codifica la proteína CFTR, que se encarga del transporte activo de iones cloro hacia el exterior de la célula.

o Cuadro clínico:

§ Obstrucción bronquial

§ Tos constante

§ Cianosis

§ Pancreatitis

§ Desnutrición

§ Diarrea crónica

§ Retardo del crecimiento

o Diagnóstico:

§ Test del sudor (positivo: valores superiores 60 mEq/l de sodio y de cloro)

§ Estudio genético

§ Tamizaje neonatal

· Enfermedad de Krabbe (Leucodistrofia globoide)

o Causa: Deficiencia en la enzima galactosilceramidasa, necesaria para la síntesis de galactocerebrósidos, presentes en las vainas de mielina.

o Cuadro clínico

§ Trombosis

§ Infartos cerebrales y cardíacos

§ Insuficiencia renal

§ Hipertensión

§ Lesiones cutáneas

§ Dolor en extremidades

o Diagnóstico: Determinación de la actividad ceramida trihexósida en biopsa renal o intestinal.

· Acondroplasia

o Causa: Alteraciones en el receptor del factor de crecimiento 3 de los fibroblastos.

o Cuadro clínico

§ Apnea

§ Hipotonía

§ Hiperreflexia

§ Obesidad

§ Antebrazos más largos que el brazo

§ Cifosis rígida

o Diagnóstico: Radiografías

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