5.1: Componentes y estructura

Habilidades para Desarrollar

• Comprender el modelo de mosaico de fluidos de las membranas celulares
• Describir las funciones de fosfolípidos, proteínas e hidratos de carbono en las membranas
• Discutir la fluidez de la membrana

La membrana plasmática de una célula define la célula, delinea sus fronteras y determina la naturaleza de su interacción con su entorno (ver Tabla\(\PageIndex{1}\) para un resumen). Las células excluyen algunas sustancias, toman otras y excretan otras, todas en cantidades controladas. La membrana plasmática debe ser muy flexible 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 para la formación de tejidos y órganos durante el desarrollo temprano, y que más tarde juega un papel en la distinción “yo” versus “no yo” de la respuesta inmune.

Entre las funciones más sofisticadas de la membrana plasmática se encuentra la capacidad de transmitir señales por medio de proteínas complejas e integrales conocidas como receptores. Estas proteínas actúan tanto como receptores de entradas extracelulares como como activadores de procesos intracelulares. Estos receptores de membrana proporcionan sitios de unión extracelular para efectores como hormonas y factores de crecimiento, y activan cascadas de respuesta intracelular cuando sus efectores están unidos. Ocasionalmente, los receptores son secuestrados por virus (VIH, virus de la inmunodeficiencia humana, es un ejemplo) que los utilizan para entrar en las células, y en ocasiones, los genes que codifican los receptores se mutan, provocando que el proceso de transducción de señales funcione mal con consecuencias desastrosas.

Modelo de mosaico de fluidos

La existencia de la membrana plasmática se identificó en la década de 1890, y sus componentes químicos se identificaron en 1915. Los principales componentes identificados en ese momento fueron lípidos y proteínas. El primer modelo ampliamente aceptado de la estructura de la membrana plasmática fue propuesto en 1935 por Hugh Davson y James Danielli; se basó en la apariencia de “vía férrea” de la membrana plasmática en micrografías electrónicas tempranas. Teorizaron que la estructura de la membrana plasmática se asemeja a un sándwich, siendo la proteína análoga al pan, y los lípidos siendo análogos al relleno. En la década de 1950, los avances en microscopía, notablemente la microscopía electrónica de transmisión (TEM), permitieron a los investigadores ver que el núcleo de la membrana plasmática consistía en una doble capa, en lugar de una sola, capa. Un nuevo modelo que explica mejor tanto las observaciones microscópicas como la función de esa membrana plasmática fue propuesto por S.J. Singer y Garth L. Nicolson en 1972.

La explicación propuesta por Singer y Nicolson se llama el modelo de mosaico fluido. El modelo ha evolucionado un poco a lo largo del 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, que le da a la membrana un carácter fluido. Las membranas plasmáticas varían de 5 a 10 nm de espesor. A modo de comparación, los glóbulos rojos humanos, visibles mediante microscopía óptica, tienen aproximadamente 8 µm de ancho, o aproximadamente 1,000 veces más anchos que una membrana plasmática. La membrana sí se parece un poco a un sándwich (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): El modelo de mosaico de fluidos de la membrana plasmática describe la membrana plasmática como una combinación fluida de fosfolípidos, colesterol y proteínas. Los carbohidratos unidos a los lípidos (glicolípidos) y a las proteínas (glicoproteínas) se extienden desde la superficie exterior de la membrana.

Los componentes principales de una membrana plasmática son lípidos (fosfolípidos y colesterol), proteínas y carbohidratos unidos a algunos de los lípidos y algunas de las proteínas. Un fosfolípido es una molécula que consiste en glicerol, dos ácidos grasos y un grupo de cabeza unido a fosfato. El colesterol, otro lípido compuesto por cuatro anillos de carbono fusionados, se encuentra junto a los fosfolípidos en el núcleo de la membrana. Las proporciones de proteínas, lípidos y carbohidratos en la membrana plasmática varían según el tipo de célula, pero para una célula humana típica, la proteína representa aproximadamente el 50 por ciento de la composición en masa, los lípidos (de todos los tipos) representan aproximadamente el 40 por ciento de la composición en masa, con el 10 por ciento restante de la composición por masa siendo carbohidratos. Sin embargo, la concentración de proteínas y lípidos varía con diferentes membranas celulares. Por ejemplo, la mielina, una excrecencia de la membrana de células especializadas que aísla los axones de los nervios periféricos, contiene sólo 18 por ciento de proteína y 76 por ciento de lípidos. La membrana interna mitocondrial contiene 76 por ciento de proteína y sólo 24 por ciento de lípidos. La membrana plasmática de los glóbulos rojos humanos es 30 por ciento lipídico. Los carbohidratos están presentes solo en la superficie exterior de la membrana plasmática y están unidos a proteínas, formando glicoproteínas, o unidos a lípidos, formando glicolípidos.

Fosfolípidos

El tejido principal de la membrana está compuesto por moléculas anfifílicas de fosfolípidos. Las áreas hidrófilas o “amantes del agua” de estas moléculas (que parecen una colección de bolas en la interpretación del modelo por parte de un artista) (Figura\(\PageIndex{1}\)) están en contacto con el fluido acuoso tanto dentro como fuera de la célula. Las moléculas hidrofóbicas o que odian el agua tienden a ser no polares. Interactúan con otras moléculas no polares en reacciones químicas, pero generalmente no interactúan con moléculas polares. Cuando se colocan en agua, las moléculas hidrófobas tienden a formar una bola o racimo. Las regiones hidrófilas de los fosfolípidos tienden a formar enlaces de hidrógeno con el agua y otras moléculas polares tanto en el exterior como en el interior de la célula. Así, las superficies de membrana que miran hacia el interior y el exterior de la célula son hidrófilas. En contraste, el interior de la membrana celular es hidrofóbico y no interactuará con el agua. Por lo tanto, los fosfolípidos forman una excelente membrana celular de dos capas que separa el fluido dentro de la célula del fluido exterior de la célula.

Una molécula de fosfolípido (Figura\(\PageIndex{2}\)) consiste en una cadena principal de glicerol de tres carbonos con dos moléculas de ácido graso unidas a los carbonos 1 y 2, y un grupo que contiene fosfato unido al tercer carbono. Esta disposición le da a la molécula global un área descrita como su cabeza (el grupo que contiene fosfato), que tiene un carácter polar o carga negativa, y un área llamada cola (los ácidos grasos), que no tiene carga. La cabeza puede formar enlaces de hidrógeno, pero la cola no puede. Una molécula con esta disposición de un área cargada positiva o negativamente y un área no cargada, o no polar, se conoce como anfífila o “amante dual”.

Figura\(\PageIndex{2}\): Esta molécula de fosfolípido está compuesta por una cabeza hidrofílica y dos colas hidrófobas. El grupo de cabeza hidrófilo consiste en un grupo que contiene fosfato unido a una molécula de glicerol. Las colas hidrófobas, cada una de las cuales contiene un ácido graso saturado o insaturado, son cadenas largas de hidrocarburos.

Esta característica es vital para la estructura de una membrana plasmática porque, en el agua, los fosfolípidos tienden a disponerse con sus colas hidrófobas enfrentadas entre sí y sus cabezas hidrófilas hacia afuera. De esta manera, forman una bicapa lipídica, una barrera compuesta por una doble capa de fosfolípidos que separa el agua y otros materiales en un lado de la barrera del agua y otros materiales en el otro lado. De hecho, los fosfolípidos calentados en una solución acuosa tienden a formar espontáneamente pequeñas esferas o gotitas (llamadas micelas o liposomas), con sus cabezas hidrófilas formando el exterior y sus colas hidrófobas en el interior (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\): En una solución acuosa, los fosfolípidos tienden a disponerse con sus cabezas polares orientadas hacia afuera y sus colas hidrófobas hacia adentro. (crédito: modificación de obra de Mariana Ruiz Villareal)

Proteínas

Las proteínas constituyen el segundo componente principal de las membranas plasmáticas. Las proteínas integrales (algunos tipos especializados se llaman integrinas) se integran, como su nombre indica, completamente en la estructura de la membrana, y sus regiones hidrofóbicas que abarcan la membrana interactúan con la región hidrófoba de la bicapa fosfolipídica (Figura\(\PageIndex{1}\)). Las proteínas integrales de membrana de un solo paso suelen tener un segmento transmembrana hidrófobo que consta de 20—25 aminoácidos. Algunos abarcan solo una parte de la membrana, asociándose con una sola capa, mientras que otros se extienden de un lado a otro de la membrana y están expuestos a ambos lados. Algunas proteínas complejas están compuestas por hasta 12 segmentos de una sola proteína, los cuales están extensamente plegados e incrustados en la membrana (Figura\(\PageIndex{4}\)). Este tipo de proteína tiene una región o regiones hidrófilas, y una o varias regiones levemente hidrófobas. Esta disposición de regiones de la proteína tiende a orientar la proteína junto a los fosfolípidos, con la región hidrófoba de la proteína adyacente a las colas de los fosfolípidos y la región o regiones hidrófilas de la proteína sobresaliendo de la membrana y en contacto con el citosol o fluido extracelular.

Figura\(\PageIndex{4}\): Las proteínas de membranas integrales pueden tener una o más hélices alfa que abarcan la membrana (ejemplos 1 y 2), o pueden tener láminas beta que abarcan la membrana (ejemplo 3). (crédito: “Foobar” /Wikimedia Commons)

Las proteínas periféricas se encuentran en las superficies exterior e interior de las membranas, unidas ya sea a proteínas integrales o a fosfolípidos. Las proteínas periféricas, junto con las proteínas integrales, pueden servir como enzimas, como uniones estructurales para las fibras del citoesqueleto, o como parte de los sitios de reconocimiento de la célula. Estas son algunas veces referidas como proteínas “específicas de la célula”. El cuerpo reconoce sus propias proteínas y ataca proteínas extrañas asociadas con patógenos invasivos.

Carbohidratos

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) (Figura\(\PageIndex{1}\)). 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. Estos sitios tienen patrones únicos que permiten que la célula sea reconocida, mucho de la manera en que los rasgos faciales únicos de cada persona le permiten ser reconocido. Esta función de reconocimiento es muy importante para las células, ya que permite que el sistema inmunitario se diferencie entre las células del cuerpo (llamadas “self”) y las células o tejidos extraños (llamados “no-self”). Tipos similares de glicoproteínas y glicolípidos se encuentran en las superficies de los virus y pueden cambiar con frecuencia, evitando que las células inmunitarias los reconozcan y ataquen.

Estos carbohidratos en la superficie exterior de la célula, los componentes de carbohidratos tanto de las glicoproteínas como de los glucolípidos, se conocen colectivamente como el glicocáliz (que significa “recubrimiento de azúcar”). El glicocáliz es altamente hidrofílico y atrae grandes cantidades de agua a la superficie de la célula. Esto ayuda en la interacción de la célula con su ambiente acuoso y en la capacidad de la célula para obtener sustancias disueltas en el agua. Como se discutió anteriormente, el glicocáliz también es importante para la identificación celular, autodeterminación y desarrollo embrionario, y se usa en las uniones célula-célula para formar tejidos.

Evolution Connection: Cómo los virus infectan órganos específicos

Los patrones de glicoproteínas y glicolípidos en las superficies de las células dan a muchos virus una oportunidad para la infección. Los virus del VIH y la hepatitis infectan solo órganos o células específicos del cuerpo humano. El VIH es capaz de penetrar en las membranas plasmáticas de un subtipo de linfocitos llamados células T auxiliares, así como algunos monocitos y células del sistema nervioso central. El virus de la hepatitis ataca células hepáticas.

Estos virus son capaces de invadir estas células, debido a que las células tienen sitios de unión en sus superficies que son específicos y compatibles con ciertos virus (Figura\(\PageIndex{5}\)). 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 producen en respuesta a los antígenos o proteínas asociados con patógenos invasivos, o en respuesta a células extrañas, como podría ocurrir con un trasplante de órgano. Estos mismos sitios sirven como lugares para que los anticuerpos se unan y destruyan o inhiban la actividad del virus. Desafortunadamente, estos sitios de reconocimiento sobre el VIH cambian a un ritmo rápido debido a las mutaciones, haciendo muy difícil la producción de una vacuna efectiva contra el virus, ya que el virus evoluciona y se adapta. Una persona infectada con VIH desarrollará rápidamente diferentes poblaciones, o variantes, del virus que se distinguen por diferencias en estos sitios de reconocimiento. Este rápido cambio de marcadores superficiales disminuye la efectividad del sistema inmunitario de la persona en atacar al virus, debido a que los anticuerpos no reconocerán las nuevas variaciones de los patrones superficiales. En el caso del VIH, el problema se ve agravado por el hecho de que el virus infecta y destruye específicamente las células involucradas en la respuesta inmune, incapacitando aún más al huésped.

Figura\(\PageIndex{5}\): El VIH se une al receptor CD4, una glicoproteína en las superficies de las células T. (crédito: modificación de obra por parte de NIH, NIAID)

 

Fluidez de Membrana

El mosaico característico de la membrana, descrito en el modelo de mosaico fluido, ayuda a ilustrar su naturaleza. Las proteínas y lípidos integrales existen en la membrana como moléculas separadas pero poco unidas. Estos se asemejan a los azulejos separados, multicolores de una imagen de mosaico, y flotan, moviéndose un poco con respecto a la otra. La membrana no es como un globo, sin embargo, que pueda expandirse y contraerse; más bien, es bastante rígida y puede estallar si se penetra o si una célula absorbe demasiada agua. Sin embargo, debido a su naturaleza de mosaico, una aguja muy fina puede penetrar fácilmente en una membrana plasmática sin provocar que estalla, y la membrana fluirá y se autosellará cuando se extraiga la aguja.

Las características del mosaico de la membrana explican parte pero no la totalidad de su fluidez. Hay otros dos factores que ayudan a mantener esta característica fluida. Un factor es la naturaleza de los propios fosfolípidos. En su forma saturada, los ácidos grasos en las colas de fosfolípidos están saturados con átomos de hidrógeno unidos. No hay dobles enlaces entre los átomos de carbono adyacentes. Esto da como resultado colas que son relativamente rectas. En contraste, los ácidos grasos insaturados no contienen un número máximo de átomos de hidrógeno, pero sí contienen algunos dobles enlaces entre átomos de carbono adyacentes; un doble enlace da como resultado una curvatura en la cadena de carbonos de aproximadamente 30 grados (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Así, si los ácidos grasos saturados, con sus colas rectas, se comprimen al disminuir las temperaturas, se presionan entre sí, formando una membrana densa y bastante rígida. Si se comprimen los ácidos grasos insaturados, los “torceduras” en sus colas acodan las moléculas de fosfolípidos adyacentes, manteniendo cierto espacio entre las moléculas de fosfolípidos. Este “cuarto de codo” ayuda a mantener la fluidez en la membrana a temperaturas a las que las membranas con colas de ácidos grasos saturados en sus fosfolípidos se “congelarían” o solidificarían. La fluidez relativa de la membrana es particularmente importante en un ambiente frío. Un ambiente frío tiende a comprimir membranas compuestas en gran parte de ácidos grasos saturados, haciéndolas menos fluidas y más susceptibles a la ruptura. Muchos organismos (los peces son un ejemplo) son capaces de adaptarse a ambientes fríos cambiando la proporción de ácidos grasos insaturados en sus membranas en respuesta al descenso de la temperatura.

Enlace al aprendizaje

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Los animales tienen un constituyente de membrana adicional que ayuda a mantener la fluidez. El colesterol, que se encuentra junto a los fosfolípidos en la membrana, tiende a amortiguar los efectos de la temperatura en la membrana. Por lo tanto, este lípido funciona como un tampón, evitando que las temperaturas más bajas inhiban la fluidez y evitando que el aumento de las temperaturas aumente demasiado la fluidez. Así, el colesterol extiende, en ambas direcciones, el rango de temperatura en el que la membrana es apropiadamente fluida y consecuentemente funcional. El colesterol también cumple otras funciones, como organizar grupos de proteínas transmembrana en balsas lipídicas.

Cuadro\(\PageIndex{1}\): Los Componentes y Funciones de la Membrana Plasma.

Componente	Ubicación
Fosfolípidos	Tejido principal de la membrana
Colesterol	Unido entre fosfolípidos y entre las dos capas de fosfolípidos
Proteínas integrales (por ejemplo, integrinas)	Embebido dentro de la capa (s) de fosfolípidos. Puede o no penetrar a través de ambas capas
Proteínas periféricas	En la superficie interna o externa de la bicapa de fosfolípidos; no incrustada dentro de los fosfolípidos
Carbohidratos (componentes de glicoproteínas y glicolípidos)	Generalmente unido a proteínas en la capa de membrana exterior

Conexión de carrera: Inmunólogo

Las variaciones en proteínas periféricas y carbohidratos que afectan los sitios de reconocimiento de una célula son de primer interés en la inmunología. Estos cambios se toman en consideración en el desarrollo de vacunas. Muchas enfermedades infecciosas, como la viruela, la poliomielitis, la difteria y el tétanos, fueron conquistadas por el uso de vacunas.

Los inmunólogos son los médicos y científicos que investigan y desarrollan vacunas, así como tratan y estudian las alergias u otros problemas inmunológicos. Algunos inmunólogos estudian y tratan problemas autoinmunes (enfermedades en las que el sistema inmunitario de una persona ataca sus propias células o tejidos, como el lupus) e inmunodeficiencias, ya sean adquiridas (como el síndrome de inmunodeficiencia adquirida o SIDA) o hereditarias (como inmunodeficiencia combinada grave, o IDC ). Los inmunólogos son llamados para ayudar a tratar a los pacientes con trasplante de órganos, a quienes se les debe suprimir su sistema inmunológico para que sus cuerpos no rechacen un órgano trasplantado. Algunos inmunólogos trabajan para comprender la inmunidad natural y los efectos del entorno de una persona sobre ella. Otros trabajan en preguntas sobre cómo el sistema inmunitario afecta enfermedades como el cáncer. En el pasado, no se entendía en absoluto la importancia de tener un sistema inmunológico saludable para prevenir el cáncer.

Para trabajar como inmunólogo se requiere un doctorado o MD. Además, los inmunólogos realizan al menos 2 a 3 años de capacitación en un programa acreditado y deben aprobar un examen impartido por la Junta Americana de Alergia e Inmunología. Los inmunólogos deben poseer conocimiento de las funciones del cuerpo humano en cuanto se relacionan con temas más allá de la inmunización, y conocimiento de farmacología y tecnología médica, como medicamentos, terapias, materiales de prueba y procedimientos quirúrgicos.

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 salpicado 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, formando complejos que funcionan para identificar la célula con otras células. La naturaleza fluida de la membrana se debe a la temperatura, la configuración de las colas de ácidos grasos (algunas torcidas por dobles enlaces), la presencia de colesterol incrustado en la membrana y la naturaleza mosaico de las proteínas y combinaciones proteína-carbohidrato, que no están firmemente fijadas en su lugar. Las membranas plasmáticas encierran y definen los bordes de las células, pero en lugar de ser una bolsa estática, son dinámicas y fluyen constantemente.

Glosario

anfifílico

molécula que posee un área polar o cargada y un área no polar o no cargada capaz de interactuar con ambientes hidrófilos e hidrófobos

modelo de mosaico de fluidos

describe la estructura de la membrana plasmática como un mosaico de componentes que incluyen fosfolípidos, colesterol, proteínas, glicoproteínas y glicolípidos (cadenas de azúcar unidas a proteínas o lípidos, respectivamente), dando como resultado un carácter fluido (fluidez)

glicolípido

combinación de carbohidratos y lípidos

glicoproteína

combinación de carbohidratos y proteínas

hidrofílico

molécula con la capacidad de unirse con el agua; “amante del agua”

hidrofóbico

molécula que no tiene la capacidad de unirse con el agua; “odiar el agua”

proteína integral

proteína integrada en la estructura de la membrana que interactúa extensamente con las cadenas hidrocarbonadas de los lípidos de la membrana y a menudo se extiende por la membrana; estas proteínas pueden eliminarse solo por la alteración de la membrana por detergentes

proteína periférica

proteína que se encuentra en la superficie de una membrana plasmática ya sea en su lado exterior o interior; estas proteínas se pueden eliminar (lavar de la membrana) mediante un lavado con alto contenido de sal