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En base al modelo del mosaico fluido de la estructura de la membrana biológica podemos resumir su estructura en términos de una base de fosfodigliceridos con otras moléculas asociadas como el colesterol, las proteínas se encuentran dispersas de manera irregular, ya sea atravesando la membrana “proteínas integrales” o pegadas de manera leve a la membrana “proteínas periféricas”. La membrana debe mantenerse normalmente una temperatura relativamente elevada (37°C) donde los lípidos existen en un estado de fluidez relativa, es decir, no es un estado sólido, pero tampoco es un estado líquido, es más bien un sólido fluido flexible, de allí viene el nombre de mosaico “referente a la disposición irregular de las proteínas” fluido “referente al estado físico de los lípidos de la membrana”. De cierta forma el mejor modo de describir este estado es como el de un fluido de dos dimensiones cristalino. Como en un cristal, las moléculas mantienen una organización molecular distinguible, pero como es fluido, cada molécula tiene la posibilidad de vibrar.
Figura 19. Membrana con fosfolípidos saturados. Las membranas hechas con ácidos grasos saturados se empacan fácilmente por lo que tienden a mantenerse sólidas.
Figura 20. Título Membrana con
fosfolípidos insaturados. Las membranas hechas con ácidos grasos insaturados son más
inestables por lo que tienden a ser fluidas o líquidas.
En esta simulación observamos la formación de tres bicapas
lipídicas, uno de los fenómenos de debemos resaltar es que, termodinámicamente
las colas de los fosfodigliceridos se encuentran vibrando en todo momento, lo
cual le otorga a la membrana su fluidez característica. Si la temperatura
disminuye lo suficiente, la fase del líquido cristalino cambia, con la
reducción energética las moléculas disminuyen su vibración, por lo que los
fosfolípidos adquieren una conformación más ordenada y restringida. La
temperatura en la que esto sucede se denomina temperatura de transición.
Empaquetamiento cercano de la membrana biológica cuando la temperatura
disminuye demasiado, en este estado la membrana pierde muchas de sus
cualidades, como flexibilidad, crecimiento, motilidad entre muchas otras. Las
colas de los lípidos tienden a ser rectas "cadenas de carbonos
saturadas".
La temperatura de transición especifica de una bicapa
lipidia depende de la habilidad de los lípidos de membrana para empacarse de
manera unitaria, lo cual a su vez depende del tipo de lípidos de membrana que
la componen. Algunos de los factores que afectan la temperatura de transición
son la saturación de los ácidos grasos, por ejemplo, los fosfolípidos saturados
se empacan más fácilmente, mientras que los insaturados, al tener una cola
“torcida” no pueden agruparse tan fácilmente de manera compacta.
Otro factor que afecta la fluidez de la membrana es la
longitud del ácido graso “las colas”. Mientras las colas sean más cortas, la
temperatura de fusión será más baja “esto se debe a que cadenas más cortas
tienen menos interacciones moleculares, por lo que es más fácil romper sus
uniones usando energía calorífica”. Las moléculas de colesterol debido a su
estructura y organización impiden que las moléculas de fosfolípidos se empaquen
de manera organizada a medida que la temperatura desciende, haciendo que el
cambio de fase no se genere de manera abrupta.
Figura 21. Efecto de la insaturación
en la cola de los fosfolípidos. Las colas de los
fosfolípidos pueden ser saturadas en cuyo caso son rectas y fáciles de
empaquetar, mientras que las colas insaturadas presentan enlaces dobles que
tuercen la cadena, lo cual hace que sean difíciles de empaquetar.
De las tres opciones de estado físico, la del solido fluido cristalino es realmente útil. Un sólido en gel más rígido posee una estructura más ordenada pero más inmóvil, impidiendo los procesos de asociación de proteínas y de ensamblaje de estructuras multiprotéicas. Tampoco permite la asociación de proteínas específicas en lugares necesarios de la célula. Una estructura fluida completamente en estado líquido no proporcionaría un soporte estructural, ni tampoco la tan necesaria separación entre un ambiente interno y un ambiente externo, característica que define a cualquier estructura biológica que se precie de estar viva.
Figura 22. Alternancia estructural de
la membrana. La membrana puede alternar entre una estructura rígida
"izquierda" cuando la temperatura sube, o una estructura flexible
"derecha" cuando la temperatura baja.
La temperatura interna de la mayoría de los organismos
(diferentes de las aves y los mamíferos) fluctúa con la temperatura externa del
ambiente. Dado que para muchas de las actividades de la membrana la célula debe
mantener en su estado de fluido cristalino, las células responden a las
condiciones cambiantes del ambiento, alterando los tipos de lípidos que
componen la membrana en relación a la temperatura.
La modificación de los lípidos de membrana puede ejecutarse
de diversas maneras; por ejemplo, si una célula detecta disminución de la
temperatura, de inmediato una serie de enzimas empieza a desaturar los carbonos
creando enlaces dobles. Esto hace que las colas de los fosfolípidos se tuerzan
y sea más difícil para la estructura general empaquetarse de manera ordenada,
manteniendo temporalmente el estado de fluido cristalino. Y a la inversa,
cuando la temperatura se incrementa se favorece la síntesis de fosfolípidos con
colas saturadas que se organizan fácilmente, y otras enzimas se encargan de
retirar los enlaces dobles para formar más fosfolípidos saturados.
Un caso interesante de orden y caos. Por lo general las
membranas biológicas poseen una mezcla relativamente aleatoria de varios tipos
de lípidos; sin embargo, cuando se construye una membrana de lípidos de manera
sintética, los lípidos se segregan de manera ordenada, los fosfodigliceridos se
convierten en su estructura cristalina fluida, mientras que los esfingolípidos
y el colesterol se agrupan en islotes o balsas mucho más densos y solidos que
flotan en el océano fluido de los fosfilípidos.
Las balsas de lípidos ocurren en membranas artificiales, que
no están provistas de ciertos componentes enzimáticos. Sin embargo, su
capacidad para organizar proteínas podria resultar una propiedad interesante en
los estudios sobre química prebiótica. Este caso resulta interesante en el
sentido de que estamos acostumbrados de que lo vivo presente un mayor orden y
simetría que lo no vivo. En todo caso estos islotes o balsas de lípidos
presentan otra propiedad interesante, y es que sirven como puntos de anclaje
para aminoácidos y proteínas de manera mucho más prevalente de lo que lo son
los fosfodigliceridos.
Es bastante evidente dadas las discusiones de artículos anteriores y del mismo nombre del modelo moderno de membrana, que la membrana biológica se encuentra en un estado de fluidez relativa, pero con moléculas ordenadas aunque en constante vibración. Como resultado, los fosfolípidos, los esfingolípidos y el colesterol pueden experimentar movimientos bastante bruscos. La movilidad de las moléculas lipídicas individuales al interior de la bicapa lipídica de la membrana plasmática puede observarse de manera directa al microscopio mediante la unión a las cabezas polares de átomos de oro o compuestos fluorescentes.
Figura 23. Transporte de lípidos de
membrana. Para que una célula crezca debe fabricar membrana desde el
interior, pero para que la membrana crezca, también debe crecer en el exterior,
por lo que los fosfolípidos fabricados internamente deben ser reorientados
hacia el exterior, permitiendo un crecimiento homogéneo de las dos capas de la
membrana celular.
Se ha estimado que los fosfolípidos pueden realizar el
proceso de difusión a través de la superficie de la membrana desde un lado de
la membrana a otro en un segundo o dos. Esto se ha demostrado usando dos
células una humana y otra de ratón, cada una con diferentes marcadores para
microscopia, donde los fosfolípidos se difuminan unos con otros mezclándose. En
contraste, le puede tomar a una sola molécula de fosfolípidos horas o días
moverse a través de las dos capas de la membrana celular. De todos los posibles
movimientos de un fosfolípido, este cambio de orientación es el más
restringido, ya que implica que la cabeza polar atraviese la capa intermedia
apolar, lo cual se ve poco favorecido desde el punto de vista termodinámico.
Sin embargo, como en cualquier fenómeno poco favorecido
termodinámicamente, las células encuentran la solución en las proteínas de tipo
catalítico o enzimas, las cuales pueden mover de manera activa a los
fosfolípidos desde una cara de la membrana a la otra. Estas enzimas juegan un
papel importante en el establecimiento de la asimetría. Debido a que los
lípidos proveen la matriz sobre la cual las proteínas integrales se anclan a la
membrana, el estado físico de los lípidos de membrana es un factor determinante
en la movilidad de las proteínas integrales. La demostración de que las
proteínas, así como los lípidos pueden difuminarse a través de la superficie de
la membrana de manera constante es uno de los pilares fundamentales del modelo
del mosaico de fluido.
La fusión celular es una técnica en la que dos tipos
diferentes de células con un citoplasma similar de dos especies diferentes
pueden fusionarse para producir una célula con un citoplasma común y una sola
membrana continua. Las células son inducidas a fusionarse mediante el uso de
proteínas de fusión, las cuales pueden ser insertadas en la membrana mediante
el empleo de virus modificados, de modo tal que el producto de su infección no
son virus, si no las proteínas de adhesión-fusión. Posteriormente adicionando
un compuesto químico como polietilenglicol o una descarga eléctrica leve las
dos células son inducidas a fusionarse.
La fusión celular ha jugado un papel fundamental en la
biología celular, y actualmente se emplea como una herramienta indispensable
para preparar anticuerpos específicos. Los primeros experimentos en demostrar
que las proteínas de membrana se podían mover en el plano “como flotadores en
la superficie del fluido de las membranas” emplearon precisamente la técnica de
la fusión celular, y fueron reportados en 1979 por Larry Frye y Michael Edidin
de la universidad de John Hopkins. En sus experimentos, las células de los
humanos y los ratones fueron fusionadas, mientras que las localizaciones de
proteínas específicas de la membrana fueron seguidas una vez que las dos
membranas se fusionaron convirtiéndose en una sola.
Las distribuciones subsecuentes de las proteínas de
membrana, tanto de los ratones como de los humanos fueron determinadas en
varios puntos de tiempo después de la fusión mediante anticuerpos marcados para
cada tipo de proteína. Es la señal atada a los anticuerpos “de tipo
fluorescente” lo que podemos detectar con el microscopio. Los anticuerpos
contra las proteínas de ratón fueron marcados con verde fluorescente, mientras
que los anticuerpos para las proteínas de los humanos fueron marcados con rojo
fluorescente. Cuando los anticuerpos fueron adicionados a las células
fusionadas, el movimiento de las proteínas podía rastrearse mediante
microscopia de luz fluorescente.
Durante el momento de la fusión, la membrana celular parecía
una mitad de ratón y una mitad de humano, es decir, dos polos de colores
altamente conspicuos y diferenciables. A medida que el tiempo después de la
fusión se incrementó, los diferentes colores comenzaron a moverse de modo cal
que ocurría una mezcla. Después de unos 40 minutos cada uno de los colores se
había distribuido de manera uniforme a través de toda la membrana hibrida.
Cuando se repitió el experimento a menor temperatura, la viscosidad de la
membrana se incrementó, y la movilidad de las proteínas disminuyo.
Estos primeros experimentos de movilidad proteínica
demostraron los principios básicos del modelo del mosaico fluido, en la cual
las proteínas se encuentran “flotando” insertadas en un más de lípidos móviles.
Otro aspecto importante es que, estas primeras técnicas daban la idea de que
las proteínas tenían una capacidad prácticamente irrestricta de movimiento a
través de toda la membrana, sin embargo, estudios subsecuentes han demostrado
que la dinámica de la superficie de la membrana es algo más complejo. Mientras
que la mayoría de las proteínas presentan una movilización aleatoria, otras
están fijas y las ultimas poseen movimientos altamente deterministas.
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