23.7: Membranas Celulares- Estructura y Transporte

Objetivos de aprendizaje

• Identificar las características distintivas de los lípidos de membrana.
• Describir los componentes de la membrana y cómo están dispuestos.

Todas las células vivas están rodeadas por una membrana celular. Las células vegetales (Figura\(\PageIndex{1A}\)) y las células animales (Figura\(\PageIndex{1B}\)) contienen un núcleo celular que también está rodeado por una membrana y contiene la información genética de la célula. Todo entre la membrana celular y la membrana nuclear, incluidos los fluidos intracelulares y varios componentes subcelulares como las mitocondrias y los ribosomas, se llama citoplasma. Las membranas de todas las células tienen una estructura fundamentalmente similar, pero la función de la membrana varía enormemente de un organismo a otro e incluso de una célula a otra dentro de un solo organismo. Esta diversidad surge principalmente de la presencia de diferentes proteínas y lípidos en la membrana.

Figura\(\PageIndex{1}\): (A) Una Célula Vegetal Idealizada. No todas las estructuras aquí mostradas ocurren en cada tipo de célula vegetal. (B) Una Célula Animal Idealizada. Las estructuras que se muestran aquí rara vez se encontrarán en una sola célula animal.

Los lípidos en las membranas celulares son altamente polares pero tienen características duales: parte del lípido es iónico y por lo tanto se disuelve en agua, mientras que el resto tiene una estructura de hidrocarburo y por lo tanto se disuelve en sustancias no polares. A menudo, la parte iónica se conoce como hidrófila, que significa “amante del agua”, y la parte no polar como hidrofóbica, que significa “miedo al agua” (repelida por el agua). Las moléculas que tienen partes polares y no polares se denominan anfipáticas. Cuando se deja flotar libremente en el agua, los lípidos se agrupan espontáneamente en diferentes arreglos: micelas, liposomas, monocapas o bicapas (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{2}\): Agregación de lípidos de membrana. En disolventes polares como el agua, los lípidos anfipáticos agregarán las cabezas polares y las colas no polares formando monocapas, bicapas, micelas y liposomas.

Las micelas son agregaciones en las que las colas de hidrocarburos de los lípidos, siendo hidrófobas, se dirigen hacia el centro del ensamblaje y lejos del agua circundante mientras las cabezas hidrofílicas se dirigen hacia afuera, en contacto con el agua. Cada micela puede contener miles de moléculas lipídicas. Los lípidos polares también pueden formar una monocapa, una capa de una molécula de espesor en la superficie del agua. Las cabezas polares se enfrentan al agua, y las colas no polares se pegan en el aire. Las bicapas son capas dobles de lípidos dispuestas de manera que las colas hidrófobas se intercalan entre una superficie interna y una superficie externa que consiste en cabezas hidrófilas. Las cabezas hidrófilas están en contacto con el agua a ambos lados de la bicapa, mientras que las colas, secuestradas dentro de la bicapa, se evita que tengan contacto con el agua. Bilacapas como esta conforman cada membrana celular (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\): Diagrama esquemático de una membrana celular. La membrana que encierra una célula animal típica es una bicapa de fosfolípidos con moléculas de colesterol y proteínas incrustadas. Las cadenas cortas de oligosacáridos están unidas a la superficie externa.

En el interior de la bicapa, las colas hidrófobas (es decir, las porciones de ácidos grasos de las moléculas lipídicas) interactúan por medio de fuerzas de dispersión. Las interacciones se ven debilitadas por la presencia de ácidos grasos insaturados. Como resultado, los componentes de la membrana son libres de moler hasta cierto punto, y la membrana se describe como fluido.

Proteínas de membrana

Si las membranas estuvieran compuestas solo de lípidos, muy pocos iones o moléculas polares podrían pasar por su “relleno sándwich” hidrófobo para entrar o salir de alguna célula. Sin embargo, ciertas especies cargadas y polares cruzan la membrana, ayudadas por proteínas que se mueven en la bicapa lipídica. Las dos clases principales de proteínas en la membrana celular son las proteínas integrales, que abarcan el interior hidrófobo de la bicapa, y las proteínas periféricas, que se asocian más flojamente con la superficie de la bicapa lipídica (Figura\(\PageIndex{3}\)). Las proteínas periféricas pueden unirse a proteínas integrales, a los grupos de cabeza polar de los fosfolípidos, o a ambos mediante enlaces de hidrógeno y fuerzas electrostáticas.

Transporte a través de membranas celulares

Las membranas plasmáticas deben permitir que ciertas sustancias entren y salgan de una célula, y evitar que entren algunos materiales dañinos y que salgan algunos materiales esenciales. En otras palabras, las membranas plasmáticas son selectivamente permeables —permiten el paso de algunas sustancias, pero no otras. Si perdieran esta selectividad, la célula ya no sería capaz de sostenerse, y sería destruida. Algunas células requieren mayores cantidades de sustancias específicas que otras células; deben tener una forma de obtener estos materiales a partir de fluidos extracelulares. Esto puede suceder pasivamente, ya que ciertos materiales se mueven hacia adelante y hacia atrás, o la celda puede tener mecanismos especiales que faciliten el transporte. Algunos materiales son tan importantes para una célula que gasta parte de su energía, hidrolizando el trifosfato de adenosina (ATP), para obtener estos materiales. Los glóbulos rojos usan parte de su energía haciendo precisamente eso. Todas las células gastan la mayor parte de su energía para mantener un desequilibrio de iones de sodio y potasio entre el interior y el exterior de la célula.

Hay dos modos principales de transporte a través de las membranas. El transporte pasivo es un fenómeno natural y no requiere que la célula ejerza ninguna de sus energías para lograr el movimiento. En el transporte pasivo, las sustancias pasan de un área de mayor concentración a una zona de menor concentración. Los mecanismos de transporte activos requieren el uso de la energía celular, generalmente en forma de trifosfato de adenosina (ATP). Si una sustancia debe entrar en la célula contra su gradiente de concentración, es decir, si la concentración de la sustancia dentro de la célula es mayor que su concentración en el fluido extracelular (y viceversa), la célula debe usar energía para mover la sustancia.