(Ciencias de Joseleg)(Biología)(Introducción y biología celular)(La membrana celular) (Introducción)(Historia)(Funciones de las membranas biológicas)(La grasa de las membranas biológicas)(Azúcares y proteínas de las membranas biológicas) (Fluidez de la membrana biológica)(Transporte de sustancias a través de membrana)(Transporte pasivo)(Transporte pasivo facilitado)(Transporte activo)(Transporte vesicular)(Referencias bibliográficas)(Versión documento Word)
Las membranas biológicas son ensamblajes de lípidos y
proteínas en los que los componentes se mantienen juntos en una capa muy
delgada mediante encales no covalentes, la mayoría de las veces son
interacciones moleculares débiles que individualmente débil, pero en
estructuras grandes bastante fuertes. El componente básico de la membrana es
una bicapa de lípidos especiales, la cual forma la mayor parte de la membrana.
Esta parte forma la barrera de la membrana contra el flujo arbitrario de
sustancias de uno a otro lado de la membrana. Las proteínas de la membrana por
otro lado, llevan a cabo la mayoría de las funciones biológicas específicas relacionadas
con transporte a través de membrana o reconocimiento y señalización celular.
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Los ácidos grasos
son ácidos carboxílicos.
Cada tipo de célula posee un equipo único de proteínas de
membrana, que contribuye a las actividades y propiedades específicas de cada
tipo de célula. La cantidad relativa de lípidos y proteínas varía dependiendo
del tipo de célula y del tipo de membrana biológica que estamos analizando: ya
sea entre tipos de célula básicos (membrana bacteriana y eucariótica) tipos de
estructura (membrana plasmática vs membrana del aparato de Golgi), tipos de
eucariotes (plantas animales) tipos de tejido (nervioso, epitelial) entre
muchos otros. Por ejemplo, la mitocondria que posee dos membranas biológicas,
la primera membrana posee un muy alto radio de proteínas/lípidos en comparación
con las membranas de mielina alrededor de una célula nerviosa.
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El glicerol no es
una grasa, es un alcohol.
En términos generales, las diferencias entre la cantidad de
proteínas, y el tipo de proteínas en la membrana se relaciona con las funciones
básicas que llevan a cabo las células que las poseen. La mitocondria realiza
una gran cantidad de procesos de transferencia de energía, las cuales dependen
de proteínas insertadas en la membrana, por lo cual es lógico que la membrana
interna que es donde estos procesos se llevan a cabo tenga una gran cantidad de
proteínas de transferencia de energía. Por otro lado, las membranas de mielina
son usadas como aislante eléctrico, las proteínas son sustancias que transmiten
la electricidad, por lo que una baja cantidad de proteínas incrementa la
capacidad aislante de la membrana de mielina. Unidos a la membrana o a las
proteínas se encuentran azucares complejos “polisacáridos” los cuales otorgan
nuevas propiedades a las proteínas membranales.
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Los triglicéridos
son la unión de tres ácidos carboxílicos con un glicerol.
Las membranas biológicas poseen una amplia variedad de sustancias de tipo grasoso o aceitoso llamadas formalmente, lípidos. Por lo general los lípidos son hidrófobos, lo que implica una repulsión a la mezcla con agua, esto se debe a su naturaleza apolar o sin cargas de sus moléculas. Por otro lado, los lípidos de membrana poseen propiedades especiales, a diferencia de la mayoría de los lípidos, los lípidos de membrana son de naturaleza anfipática, es decir, pueden diluirse tanto en solventes acuosos (polares) como en solventes aceitosos (apolares).
Figura 13. Fosfolípidos. (Izquierda) Estructura general de un fosfolípido de
membrana, compuesta por dos colas hechas de carbonos e hidrógenos y una cabeza
que además, contiene fósforo y oxígeno.
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Fosfolípido de tipo
fosfatidiletanolamina saturada.
El fosfolípido sacrifica un ácido carboxílico por un grupo
fosfato modificado, la alta densidad de oxígenos provoca que sea región sea
soluble.
Estas moléculas anfipáticas al mezclare son el agua, se
organizan de manera espontánea sin la intervención de información biológica
“sin intervención de proteínas”, debido a la naturaleza misma de las leyes
químicas que gobiernan las sustancias nivel molecular. De este modo la porción
polar de los lípidos se une al agua por puentes de hidrógeno, mientras que la
sección apolar busca la unión con otras moléculas de lípidos. Al poco tiempo se
generan burbujas de aceite, las cuales logran diluirse con el agua debido a la
sección polar, la cual queda en contacto con el agua. Existen tres tipos
generales de lípidos de membrana: los fosfodigliceridos, los esfingolipidos y
el colesterol.
La mayoría de los lípidos de membrana contienen un grupo
fosfato, lo cual los vuelve fosfolípidos. Debido a que la mayoría de los
lípidos de membrana son construidos en base a un esqueleto de glicerol son
denominados fosfodiglicéridos. Los triglicéridos son moléculas relativamente
complejas, que se componen por tres grupos R alifáticos o cadenas apolares, y
tres grupos ester. Los grupos ester poseen dos oxígenos cada uno, los cuales le
permiten a la molécula de triglicérido diluirse en agua. La molécula de
triglicérido también se la puede entender como el reemplazo de un hidrógeno de
tres grupos hidroxilos de un poli alcohol llamado 1, 2, 3-propatriol, también
llamado glicerol. Cada uno de los hidrógenos se reemplaza por un ácido
carboxílico.
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Fosfolípido insaturado. Una insaturación es un doble enlace entre
carbonos que provoca que la cadena cambie de dirección.
A diferencia de los triglicéridos, las cuales poseen tres
cadenas de ácidos grasos y no anfipáticos, los glicéridos de membrana son
diglicéridos. Esto se debe a que, de las tres cadenas del triglicérido, una es
empleada para su modificación, insertándose el grupo fosfato que lo hace la
región polar del fosfodiglicérido. Sin ninguna sustitución adicional, la
molécula recibe el nombre de ácido fosfatídico, el cual está virtualmente
ausente en todas las membranas. Los fosfodiglicéridos de membrana poseen otras
sustancias asociadas al grupo fosfato, generalmente colina “formando
fosfatidilcolina”, etanolamina “formando fosfatidiletanolamina”, serina
“formando fosfatidilserina” inositol “formando fosfatidilinositol”.
Cada uno de los oxígenos junto con el fosfato están negativamente
cargados, por lo que generan un polo altamente soluble en agua en la punta de
la molécula, también denominado “grupo cabeza” o simplemente “cabeza del
fosfolípido”. En contraste, las cadenas de ácidos grasos son altamente
hidrófobas, una cadena de hidrocarburos lineales de aproximadamente 16 a 22
carbonos de longitud. Esta cadena puede ser completamente saturada “todos los
carbonos se unen por enlaces simples”, monosaturados “posee un doble enlace” o
polisaturados “poseen más de un doble enlace”. Los fosfodiglicéridos pueden
contener también una cadena saturada y la otra insaturada. La cabeza polar
puede presentar modificaciones extra conocidas como grupos diglicéridos.
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Fosfatidilserina
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fosfatidiletanolamina
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Fosfatidilcolina
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Fosfatidilinositol
Recientemente ha despertado mucho interés los beneficios
aparentes de fosfodiglicéridos cuyas dos cadenas “o colas” se encuentran
altamente insaturadas, las cuales se encuentran en altas concentraciones en el
aceite de pescado. Estos ácidos grasos poseen entre 5 y 6 dobles enlaces en su
cadena cada uno. Estos ácidos grasos se denominan Omega-3 debido a que su
último doble enlace se encuentra en la posición del tercer carbono final. Se
tiene evidencia de que los ácidos grasos Omega-3 puede mejorar la función del
cerebro y la retina.
En resumen, todos los fosfodiglicéridos poseen una cabeza
soluble en agua y dos colas insolubles en agua, las colas se alejan del agua y
las cabezas se ponen de frente a ella. Esta doble naturaleza de
atracción/repulsión se denomina anfipática.
Una clase de lípido de membrana menos abundante se denomina
esfingolípido, y son derivados de la esfingosina, un aminoalcohol que contiene
una larga cadena de hidrocarburos. Los esfingolípidos consisten de esfigosina
unida a un ácido graso mediante un grupo amino. Esta molécula se denomina
ceramida. Existe una amplia variedad de esfingilípidos que se diferencian por
grupos esterificados adicionales del alcohol terminal.
La esfingocina es un amino alcohol, posee dos grupos
hidroxilo y un grupo amino. Debido a que los oxígenos se encuentran en un
extremo de la molécula se genera una región polar, mientras que el resto del
esqueleto de carbonos e hidrógenos es completamente apolar. Si la sustitución
es por fosforilcolina, la molécula resultante se denomina esfingomielina, el
cual es el único fosfolípido de membrana que no es construido en base a un
esqueleto de glicerol.
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Esfingolípido
Si la sustitución es por un carbohidrato, la molécula se
denomina glicolípido. Si el carbohidrato es un azúcar simple, la molécula
recibe el nombre de cerebrosida. Si es un grupo pequeño de anillos de azucares
encadenados, el glicolípido es denominado gangliosida. Debido a que todos los
esfingolípidos poseen dos regiones largas, una hidrófoba y otra hidrófila,
también poseen la capacidad de ser anfipáticos, y por lo tanto similares en sus
propiedades con el agua a los fosfodigliceridos. Los glicolípidos son
componentes de membrana muy interesantes, aunque se conoce relativamente poco a
cerca de ellos, aunque algunos reporten tentativos han sugerido que juegan
funciones importantes en las labores
celulares. El sistema nervioso es particularmente rico en
glicolípidos. La capa de mielina que rodea a un axón contiene altas
concentraciones de un glicolípido en particular llamado galactocerebrosida, el
cual se forma cuando la galactosa es adherida a la ceramida.
Los ratones que carecen de la enzima que lleva a cabo la
reacción que une la ceramida a la galactosa exhiben temblores musculares
severos y eventualmente deben afrontar parálisis muscular. De manera similar,
los seres humanos que son incapaces de sintetizar una gangliosida particular sufren
de una enfermedad neurológica severa caracterizada por ataques y por ceguera.
Los glicolípidos también juegan roles importantes en las enfermedades
infecciosas; las toxinas que causan el cólera y el botulismo ingresan a la
célula mediante su unión a gangliosidas de superficie de membrana, así como el
virus de la influenza.
Otro componente de naturaleza lipídica de las membranas
biológicas es un esterol llamado colesterol.
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Colesterol
En algunas células animales, el colesterol puede llegar a
representar hasta el 50% de los lípidos de membrana. El colesterol está ausente
de las membranas de la mayoría de las plantas y de todas las bacterias. Lo que
en verdad sorprende de la molécula de colesterol, es que a pesar de que su
único grupo que le da una propiedad polar es extremadamente pequeño, aun pueda
ser considerado anfipático.
El colesterol tiene
una estructura diferente de otros lípidos, pero sigue siendo una molécula
compuesta principalmente por carbono e hidrógenos, que en la figura anterior se
representan implícitamente en cada vértice y arista.
El colesterol posee un grupo hidrófilo pequeño, pero aun así lo bastante grande como para orientar a la molécula en su organización, es un grupo hidroxilo. Este grupo hidroxilo se encuentra orientado hacia la superficie membranal como los fosfodigliceridos, mientras que el resto de la molécula se encuentra embebida dentro de la membrana.
Figura 14. El colesterol en la
membrana. La molécula de colesterol se inserta en la membrana, exponiendo su
grupo hidroxilo al exterior de cada lado de la membrana, mientras que su grueso
cuerpo hidófobo permanece oculto con el resto de cadenas hidrófobas. Su
característica principal es la de incrementar la rigidez de la membrana, ya que
sus anillos hidrófobos son planos y rígidos, e interfieren con los movimientos
de las colas de gliceroles de los fosfodigliceridos.
Cada tipo de membrana biológica posee su propia composición
de lípidos característica, diferente unas de otras, en los tipos de lípidos
empleados y en la proporción de estos a través de la membrana. Esta diversidad se traduce tanto en las
cabezas que pueden tener una variedad de sustituyentes como la colina o la serina;
o en las colas que pueden poseer una diversa cantidad de dobles enlaces o no
tenerlos en absoluto.
Dada la diversidad estructural antes mencionada, se ha
estimado que algunas membranas biológicas pueden llegar a ser compuestas por
cientos de especies químicas diferentes de lípidos de membrana. La función de
esta diversidad remarcable aún sigue siendo sujeto de interés e investigación.
Los lípidos de membrana son más que simples elementos estructurales regulados
por proteínas de membrana, ellos pueden regular su propia función mediante
cambios en el estado de fluidez de la membrana y por lo tanto influir en la
función de algunas proteínas de membrana. Los lípidos de membrana también
pueden ser usados como precursores que mensajeros químicos altamente activos
que regulan la función celular.
Varios tipos de medidas indican que las dos cadenas de
ácidos grasos que componen una sola línea en la membrana celular miden
alrededor de 30 Armstrong, mientras que las cabezas polares añaden otros 15
Armstrong cada una. Esto quiere decir que el grosor total de la membrana
celular es de uno 60 Armstrong, lo que equivale a unos 6 nm de grosor. La
presencia en la membrana de estas moléculas de tipo anfipático posee consecuencias
remarcables en la estructura celular y en la función celular.
La membrana biológica es una estructura hecha de moléculas anfipáticas, que se autoensambla, sin embargo, esta propiedad de auto-organización solo es posible cuando hay muchas moléculas anfipáticas en un medio polar. Debido a consideraciones termodinámicas, las cadenas de hidrocarburos de la bipaca de lípidos, nunca expone fisuras que conecten el interior de la célula al ambiente acuoso externo. Las membranas biológicas activas nunca son presentan puntas abiertas, siempre son capas continuas, estructuras sin fisuras.
Figura 15. Efecto de la insaturación
en la membrana. Cambios en la estructura como una instauración afectan la
estabilidad de la membrana como un todo, aumentando o disminuyendo las
temperaturas de tolerancia de la membrana.
Esto implica que, las membranas biológicas poseen la
propiedad de autosellamiento y autoorganización a expensas del medio externo.
Mientras que, como subsistema, la membrana incrementa su complejidad, cuando se
la ve como parte del sistema agua membrana, el nivel de caos se incrementa de
manera neta gracias al agua. Las interacciones moleculares débiles, y la
energía presente en el agua en estado líquido son las que en últimas provocan
la posibilidad de que la membrana se autoorganice. Como resultado, las
moléculas de la membrana forman una red interconectada y extensa, de bolsas
autosellantes, alrededor de la célula y en ocasiones en el interior de la
célula. Debido a la flexibilidad de la bicapa lipídica, las membranas son
deformables en su apariencia general, y pueden cambiar con suma facilidad, tal
como ocurre durante el desplazamiento de ciertas células eucariotas, o cuando
la célula procede a la división celular. La endocitosis y exocitosis son dos
ejemplos de propiedades de la membrana para unirse a una membrana más grande o
generar una burbuja que se separa de una membrana grande.
Las membranas también son estructuras motiles que pueden
transportar sustancias entre ellas, a través de ellas mismas. Por ejemplo, los
orgánulos celulares como el Aparato de Golgi procesas las sustancias en su
interior, pero para transportar los productos terminados no los segregan al
citoplasma, en lugar de ello se almacenan en una esquina del aparato de Golgi,
el cual se separa del resto del aparato formando una burbuja, esta burbuja
hecha con la membrana del aparato de Golgi viaja hasta otra membrana y allí
depositando su contenido, ya sea en el interior de otro orgánulo, o en el
exterior de la célula, sin que las sustancias nunca sean liberadas en el
citoplasma. Este mecanismo es particularmente útil en el caso de enzimas
digestivas que, si son liberadas en el citoplasma, podrían causar el suicidio
celular.
Las membranas biológicas pueden autoformarse de una manera
sorprendentemente abiótica, esto se debe a que su formación depende
exclusivamente de las leyes fisicoquímicas de lípidos anfipáticos en solución.
Esta capacidad se puede demostrar fácilmente en los tubos de ensayo. Diluyendo
una pequeña cantidad de fosfatidilcolina en agua, los fosfolípidos se ensamblan
de manera espontánea, hasta formar las paredes fluidas de vesículas esféricas
llamadas liposomas. Las paredes de los liposomas consisten en una capa doble de
fosfolípidos, que se organizan de manera igual a la de una membrana biológica.
Los liposomas han demostrado ser invaluables en la investigación acerca de las
membranas biológicas.
Las proteínas pueden ser insertadas en la membrana del
liposoma, y por lo tanto, sus funciones estudiadas de una manera mucho más
simple de lo que sería intentar realizarlo en una célula viva con miles de
proteínas diferentes insertadas en la membrana. De manera interesante, aunque
el desarrolló esta técnica con objetivos puramente científicos, como por el
ejemplo el estudio del origen de la vida, los liposomas han demostrado ser una
técnica muy útil para poder administrar medicamentos al interior de las células
de manera mucho más efectiva.
La bicapa posee una composición diferenciada de lípidos de
membrana y otros componentes dependiendo del lado, si es la capa que mira al
interior de la célula o si es la capa que mira al medio externo.
Aunque, se tiene la tendencia a pensar en las capas de la
bicapa lipídica como estructuras homogéneas que se organizan al azar, la
realidad es diferente, cada una de las capas de la bicapa posee una composición
específica de diferentes lípidos de membrana. Una línea experimental que ha
conllevado al descubrimiento de esta propiedad de las membranas es el hecho de
que las enzimas de digestión de lípidos no pueden penetrar en la membrana
interna de la bicapa lipídica. Solo son capaces de digerir los lípidos que
residen en la capa externa de la bicapa lipídica. De hecho, los glóbulos rojos
humanos son tratados con una fosfolipasa que puede digerir en promedio el 80%
de los fosfatidilcolina (PC), pero solo el 20% de la fosfatidiletanolamida (PE)
y menos del 10% de la fosfatidilserina (PS).
Estos datos sugieren que comparada a la capa interna, la
capa externa posee una concentración relativamente alta de PC “y
esfingomielina” y una baja concentración de PE y PS. De lo anterior se sigue
que la bicapa lipídica puede ser entendida como una estructura más o menos estable,
de monocapas independientes en sus propiedades físicas y químicas que se
mantienen unidas de manera intima por sus regiones hidrófobas.
Las diferentes clases de lípidos de membrana poseen
propiedades químicas variables. Todos los glicolipidos de la membrana
plasmática se encuentran en la capa externa, donde pueden servir como
receptores de ligandos extracelulares. La fosfatidiletanolamida, la cual se
encuentra concentrada en la capa interna tiende a promover la curvatura de la
membrana, lo cual es importante en la fusión de membranas, así como en la
división de secciones membranales. La
fosfatidilserina, que se encuentra concentrada en la capa externa posee una
carga neta negativa a pH de 7, lo cual la hace un blanco para ligarse con
aminoácidos de carga positiva como la lisina y la arginina. Esta señalización
hace que la fosfatidilserina sea un marcado de membrana muy bueno, su aparición
en la membrana externa de un linfocito implica que ya está viejo y debe ser
removido por los macrófagos del sistema inmune; mientras que su aparición en la
membrana de las plaquetas es un indicador de inicio para la coagulación. El
fosfatidilinositol que se encuentra en la capa interna juega un rol vital en la
transferencia de los estímulos de la membrana celular al citoplasma.
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