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3.4: La Membrana Celular

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    La membrana plasmática de una célula define el límite de la célula y determina la naturaleza de su contacto con el medio ambiente. Las células excluyen algunas sustancias, toman otras y excretan otras, todas en cantidades controladas. Las membranas plasmáticas encierran los bordes de las células, pero en lugar de ser una bolsa estática, son dinámicas y fluyen constantemente. La membrana plasmática debe ser lo suficientemente flexible como para permitir que ciertas células, como los glóbulos rojos y los glóbulos blancos, cambien de forma a medida que pasan por capilares estrechos. Estas son las funciones más obvias de una membrana plasmática. Además, la superficie de la membrana plasmática lleva marcadores que permiten que las células se reconozcan entre sí, lo cual es vital a medida que los tejidos y órganos se forman durante el desarrollo temprano, y que más tarde juega un papel en la distinción “yo” versus “no yo” de la respuesta inmune.

    La membrana plasmática también porta receptores, que son sitios de unión para sustancias específicas que interactúan con la célula. Cada receptor está estructurado para unirse con una sustancia específica. Por ejemplo, los receptores superficiales de la membrana crean cambios en el interior, como cambios en las enzimas de las vías metabólicas. Estas vías metabólicas pueden ser vitales para proporcionar energía a la célula, fabricar sustancias específicas para la célula o descomponer los desechos celulares o toxinas para su eliminación. Los receptores en la superficie exterior de la membrana plasmática interactúan con hormonas o neurotransmisores, y permiten que sus mensajes sean transmitidos a la célula. Algunos sitios de reconocimiento son utilizados por los virus como puntos de unión. Aunque son altamente específicos, patógenos como los virus pueden evolucionar para explotar receptores para ganar entrada a una célula imitando la sustancia específica a la que se pretende unir el receptor. Esta especificidad ayuda a explicar por qué el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) o cualquiera de los cinco tipos de virus de hepatitis invaden solo células específicas.

    Modelo de mosaico de fluidos

    En 1972, S. J. Singer y Garth L. Nicolson propusieron un nuevo modelo de la membrana plasmática que, en comparación con una comprensión anterior, explicaba mejor tanto las observaciones microscópicas como la función de la membrana plasmática. A esto se le llamó el modelo de mosaico de fluidos. El modelo ha evolucionado algo con el tiempo, pero aún así da cuenta mejor de la estructura y funciones de la membrana plasmática tal como ahora las entendemos. El modelo de mosaico de fluidos describe la estructura de la membrana plasmática como un mosaico de componentes, incluidos fosfolípidos, colesterol, proteínas y carbohidratos, en los que los componentes son capaces de fluir y cambiar de posición, manteniendo la integridad básica de la membrana. Tanto las moléculas de fosfolípidos como las proteínas incrustadas son capaces de difundirse rápida y lateralmente en la membrana. La fluidez de la membrana plasmática es necesaria para las actividades de ciertas enzimas y moléculas de transporte dentro de la membrana. Las membranas plasmáticas varían de 5—10 nm de espesor. Como comparación, los glóbulos rojos humanos, visibles mediante microscopía óptica, tienen aproximadamente 8 µm de grosor, o aproximadamente 1,000 veces más gruesos que una membrana plasmática. (Figura\(\PageIndex{1}\))

    Ilustración de componentes de la membrana plasmática, incluyendo proteínas integrales y periféricas, filamentos citoesqueléticos, colesterol, carbohidratos y canales
    Figura\(\PageIndex{1}\): El modelo de mosaico de fluidos de la estructura de la membrana plasmática describe la membrana plasmática como una combinación fluida de fosfolípidos, colesterol, proteínas y carbohidratos.

    La membrana plasmática está compuesta principalmente por una bicapa de fosfolípidos con proteínas incrustadas, carbohidratos, glicolípidos y glicoproteínas y, en células animales, colesterol. La cantidad de colesterol en las membranas plasmáticas animales regula la fluidez de la membrana y los cambios en función de la temperatura del ambiente de la célula. Es decir, el colesterol actúa como anticongelante en la membrana celular y es más abundante en animales que viven en climas fríos.

    El tejido principal de la membrana está compuesto por dos capas de moléculas de fosfolípidos, y los extremos polares de estas moléculas (que parecen una colección de bolas en la interpretación de un artista del modelo) (Figura\(\PageIndex{1}\)) están en contacto con el fluido acuoso tanto dentro como fuera de la célula. Así, ambas superficies de la membrana plasmática son hidrófilas. En contraste, el interior de la membrana, entre sus dos superficies, es una región hidrófoba o no polar debido a las colas de ácidos grasos. Esta región no tiene atracción por el agua u otras moléculas polares.

    Las proteínas constituyen el segundo componente químico importante de las membranas plasmáticas. Las proteínas integrales están incrustadas en la membrana plasmática y pueden abarcar toda o parte de la membrana. Las proteínas integrales pueden servir como canales o bombas para mover materiales dentro o fuera de la célula. Las proteínas periféricas se encuentran en las superficies exteriores o interiores de las membranas, unidas ya sea a proteínas integrales o a moléculas de fosfolípidos. Tanto las proteínas integrales como las periféricas pueden servir como enzimas, como uniones estructurales para las fibras del citoesqueleto, o como parte de los sitios de reconocimiento de la célula.

    Los carbohidratos son el tercer componente principal de las membranas plasmáticas. Siempre se encuentran en la superficie exterior de las células y se unen ya sea a proteínas (formando glicoproteínas) o a lípidos (formando glicolípidos). Estas cadenas de carbohidratos pueden consistir en 2—60 unidades de monosacáridos y pueden ser lineales o ramificadas. Junto con las proteínas periféricas, los carbohidratos forman sitios especializados en la superficie celular que permiten que las células se reconozcan entre sí.

    EVOLUCIÓN EN ACCIÓN: Cómo los virus infectan órganos

    Las moléculas específicas de glicoproteínas expuestas en la superficie de las membranas celulares de las células hospedadoras son explotadas por muchos virus para infectar órganos específicos. Por ejemplo, el VIH es capaz de penetrar las membranas plasmáticas de tipos específicos de glóbulos blancos llamados células T auxiliares y monocitos, así como algunas células del sistema nervioso central. El virus de la hepatitis ataca solo las células hepáticas.

    Estos virus son capaces de invadir estas células, debido a que las células tienen sitios de unión en sus superficies que los virus han explotado con glicoproteínas igualmente específicas en sus capas (Figura\(\PageIndex{2}\)). La célula es engañada por la mímica de las moléculas de la cubierta del virus, y el virus es capaz de ingresar a la célula. Otros sitios de reconocimiento en la superficie del virus interactúan con el sistema inmune humano, lo que incita al cuerpo a producir anticuerpos. Los anticuerpos se elaboran en respuesta a los antígenos (o proteínas asociadas con patógenos invasivos). Estos mismos sitios sirven como lugares para que los anticuerpos se unan, y bien destruyen o inhiben la actividad del virus. Desafortunadamente, estos sitios sobre el VIH están codificados por genes que cambian rápidamente, haciendo muy difícil la producción de una vacuna efectiva contra el virus. La población de virus dentro de un individuo infectado evoluciona rápidamente a través de la mutación en diferentes poblaciones, o variantes, que se distinguen por diferencias en estos sitios de reconocimiento. Este rápido cambio de marcadores víricos de superficie disminuye la efectividad del sistema inmune de la persona para atacar al virus, debido a que los anticuerpos no reconocerán las nuevas variaciones de los patrones superficiales.

    Esta ilustración muestra la membrana plasmática de una célula T. Los receptores CD4 se extienden desde la membrana hacia el espacio extracelular. El virus VIH reconoce parte del receptor CD4 y se adhiere a él.
    Figura\(\PageIndex{2}\): El VIH se acopla y se une al receptor CD4, una glicoproteína en la superficie de las células T, antes de entrar, o infectar, la célula. (crédito: modificación del trabajo por parte de los Institutos Nacionales de Salud de Estados Unidos/Instituto Nacional de Alergia y Enfermedades Infecciosas)

    Resumen

    La comprensión moderna de la membrana plasmática se conoce como el modelo de mosaico de fluidos. La membrana plasmática está compuesta por una bicapa de fosfolípidos, con sus colas hidrófobas de ácidos grasos en contacto entre sí. El paisaje de la membrana está tachonado de proteínas, algunas de las cuales abarcan la membrana. Algunas de estas proteínas sirven para transportar materiales dentro o fuera de la célula. Los carbohidratos se unen a algunas de las proteínas y lípidos en la superficie exterior de la membrana. Estos forman complejos que funcionan para identificar la célula a otras células. La naturaleza fluida de la membrana se debe a la configuración de las colas de ácidos grasos, la presencia de colesterol incrustado en la membrana (en células animales) y la naturaleza mosaico de las proteínas y los complejos proteína-carbohidrato, que no están firmemente fijados en su lugar. Las membranas plasmáticas encierran los bordes de las células, pero en lugar de ser una bolsa estática, son dinámicas y fluyen constantemente.

    Glosario

    modelo de mosaico de fluidos
    un modelo de la estructura de la membrana plasmática como un mosaico de componentes, incluyendo fosfolípidos, colesterol, proteínas y glicolípidos, dando como resultado un carácter fluido en lugar de estático

    Colaboradores y Atribuciones


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