Biología de joseleg, introducción a la biología: 4 la membrana celular

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domingo, 27 de junio de 2021

Transporte pasivo facilitado

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El transporte pasivo facilitado se requiere cuando la sustancia en cuestión no pasa con facilidad a través de la membrana, o la célula en cuestión necesita una cantidad superior de dicha sustancia de la que puede atravesar de manera espontánea por la membrana. Sea cual sea el caso, si se debe obedecer la regla, y es la del gradiente o diferencial de concentraciones a través de la membrana, es decir, las sustancias fluyen a través de los facilitadores en favor del gradiente de modo tal que las concentraciones a ambos lados intentan igualarse de manera paulatina.

Figura 28. Transporte pasivo facilitado. Las sustancias fluyen desde la región de mayor concentración a la de menor concentración sin gasto de energía gracias a una proteína (YouTube).

El aspecto más destacado del transporte pasivo es el empleo de proteínas que permiten el flujo de sustancias a través de la membrana sin la necesidad de que la célula invierta energía en el proceso. De este modo podemos clasificar dos modos de funcionamiento general, las proteínas que sirven de canal iónico, y las proteínas de translocación.

En las primeras, las proteínas atraviesan por un canal acuoso como si fuera un pasillo abierto a través de la pared membranal, mientras que en las segundas la sustancia debe encajar de manera “especifica” en la superficie de la proteína para que esta cambie de forma y haga pasar a la sustancia a través de la membrana.

Acuaporinas

Muchas células poseen una permeabilidad de agua a través de la membrana superior a lo que puede ser explicado mediante la difusión simple a través de la membrana. A inicios de la década de los 90s del siglo pasado, Peter Agre y sus colegas de la universidad de Johns Hopkins intentaron aislar proteínas de membrana responsables para el antígeno Rh de los glóbulos rojos. Durante esta búsqueda, ellos identificaron una proteína que podría ser el tan esperado canal de agua de la membrana celular de glóbulo rojo. El equipo llamo a estas proteínas acuaporinas, lo que significa canales de agua, una familia de proteínas integrales que permitían un flujo acelerado de agua a través de la membrana.

Las acuaporinas (YouTube) son en esencia filtradores moleculares que no requieren energía, por lo cual la industria del tratamiento de agua se ha volcado a la investigación de membranas artificiales con acuaporinas que permitirían el filtrado del agua a nivel molecular. El potencial de esta tecnología es enorme, tan solo imaginen, industrias que ahora desechan agua contaminada podrían convertirse en fuente de agua purificada, y al mismo tiempo, todos los compuestos filtrados podrían re-emplearse en otras aplicaciones industriales.

La proteína en si posee cuatro subunidades, donde cada una de ellas contiene un canal central alineado a aminoácidos hidrofóbicos y es altamente específico para las moléculas de agua. Cerca de mil millones de moléculas de agua pueden atravesar por uno solo de estos canales cada segundo, y al mismo tiempo iones protio(1+) son excluidos de estos canales impidiendo su entrada. Las acuaporinas juegan un rol imprescindible en células de filtrado de agua como las células de los riñones o de las raíces de las plantas.

Canales iónicos

La membrana lipídica constituye la base en la cual se insertan una serie de proteínas que permiten el paso de sustancias que de otro modo quedarían excluidas de manera permanente, y que son cruciales para muchas reacciones metabólicas de importancia como los iones de sodio(1+), potasio(1+), calcio(2+) o cloruro(1-). A pesar de esto, la existencia de estas proteínas fue simplemente una asunción teórica hasta la década de 60-70 del siglo pasado. Actualmente los biólogos han encontrado una inmensa diversidad en este tipo de proteínas, las cuales rodean a un poro acuoso por donde los iones pueden pasar con relativa facilidad. Las variaciones en estos poros alteran su selectividad, y de manera común pueden resultar en variación neutral isoenzimática o en enfermedades muy serias.

La mayoría de los canales iónicos son altamente selectivos para los tipos de iones que permiten pasar por el poro. La mayoría de los poros que se han estudiado pueden cambiar entre dos formas posibles, una abierta y otra cerrada. Podemos distinguir entre tres tipos de canales iónicos. Canales de apertura voltaica, los cuales se abren y cierran dependiendo de la diferencia de cargas a los lados de la membrana. Canales de apertura dependiente de cofactores, estos canales dependen de moléculas secundarias que al unirse de manera específica con el canal lo abren para que las sustancias de interés puedan pasar a través del poro. Canales de apertura mecánica, estos canales pueden abrirse o cerrarse dependiendo de las tensiones que sufre la membrana en el punto en que se encuentra el poro.

Canales iónicos en los eucariotas

Como ya lo hemos mencionado anteriormente, las proteínas poseen un nivel de complejidad que podemos denominar como bloque. En las proteínas de canal iónico podemos identificar dos bloques, que a su vez están formados por 6 hélices de aminoácidos en los eucariotes. El dominio se relación es aquel que se encarga de percibir una señal, como por ejemplo un cambio en el equilibrio voltaico y ejecuta un cambio en la forma de la proteína. El dominio del poro es el canal acuoso por donde los iones pueden pasar, y al mismo tiempo es restrictivo, en otras palabras, selecciona unos pocos o inclusive un solo tipo de ion para pasar a través de él.

Proteínas de translocación y transporte facilitado

Al igual de las proteínas de transporte iónico las proteínas de translocación (YouTube) no requieren de energía para operar. A diferencia de ellas, estas proteínas no generan un poro, si no que el cambio conformacional transloca a la sustancia desde un lado al otro de la membrana. Estas proteínas operan mediante el mecanismo de reacción de las enzimas, es decir, mediante el reconocimiento especifico de la superficie del compuesto químico su unión a él, y su translocación al otro lado de la membrana.

Algunos de las proteínas de translocación más importantes en los seres humanos son las proteínas de translocación de glucosa. La glucosa es un carbohidrato simple de importancia vital en la obtención de energía instantánea por parte de la célula. En los humanos existen al menos 5 isoformas de un translocador de glucosa, pero el más importante es la forma 4 (GLUT-4). En condiciones normales estos translocadores se encuentran aislados de la membrana celular, en el interior del citoplasma anclados a la membrana de vesículas.

Cuando la hormona insulina es liberada, estas vesículas sufren estímulos para fusionarse a la membrana celular integrándose a ella, lo cual incluye a los canales GLUT de modo tal que estos empiezan translocar glucosa desde el exterior de la célula al interior.

Transporte pasivo

La regla principal para que una sustancia no electrolítica pueda atravesar la membrana es que exista un gradiente de concentración fuerte, de modo que el sistema tenga una enorme tendencia al equilibrio, lo cual a su vez genera una gran energía potencial que mueve a las sustancias. La segunda regla es que la membrana debe ser permeable “penetrable” por la sustancia en cuestión. Uno de los factores que afecta esa penetrabilidad es, por ejemplo, la polaridad de la molécula. Con los primeros experimentos hechos para determinar la naturaleza química de la membrana, nos dimos cuenta que en su mayoría tratamos con una membrana apolar, por lo que es más fácil que pasen sustancias apolares. El oxígeno molecular es un ejemplo de una molécula perfectamente apolar que puede atravesar la membrana celular con relativa facilidad.

Figura 27. Transporte pasivo. Las sustancias fluyen desde la región de mayor concentración a la de menor concentración sin gasto de energía (YouTube)

Otra característica es el tamaño, resulta evidente que, en una estructura apretujada y vibrante como la membrana, las moléculas más grandes no podrán encontrar fisuras por donde insertarse ya que estas van y vienen con extremada rapidez. Las moléculas pequeñas pueden insertarse con suma facilidad en dichas fisuras y por lo tanto atravesar la membrana. En otras palabras, las moléculas pequeñas atravesaran con más facilidad la membrana desde que no posean cargas.

De esta manera podemos resumir que, para moléculas apolares o con polaridades leves el paso a través de la membrana es simple, desde que la molécula sea pequeña, por ejemplo, el dioxígeno, dióxido de carbono, monóxido de nitrógeno y agua. En contraste, moléculas grandes y polares como los azucares, los aminoácidos, los intermediarios fosforilados exhiben una penetración en membrana muy baja. De esta manera decimos que las membranas biológicas son semipermeables, siendo penetradas por ciertas sustancias con suma facilidad, pero a otras sustancias siendo una barrera muy efectiva. Es cierto que la membrana necesita dar paso a moléculas de importancia como los carbohidratos o los aminoácidos, pero para esto emplea mecanismos diferentes que no tienen que ver con los lípidos de la membrana. A este tipo de movimiento a través de la membrana lo denominamos transporte pasivo, en el sentido de que no requiere la intervención de sustancias de apoyo o de energía por parte de la célula.

Filtración

Filtración es el movimiento de agua y moléculas de soluto a través de la membrana de la célula debido a la presión hidrostática generada por el sistema cardiovascular. Dependiendo del tamaño de los poros de membrana, solamente los solutos de cierta medida pueden pasar a través de ellos. Por ejemplo, los poros de membrana de la cápsula de Bowman en los riñones son muy pequeños, y solamente las albúminas las proteínas más pequeñas, tienen la posibilidad de ser filtradas a través de ellos. Por otro lado, los poros de membrana de las células del hígado son extremadamente grandes, permitiendo a toda una variedad de solutos pasar a través de ellos y ser metabolizados.

Si la célula es puesta en un ambiente con solutos en menor cantidad que su ambiente interno, el agua del ambiente empieza a ingresar a la célula intentando igualar las concentraciones de la célula, lo que hace que esta se hinche como un globo hasta explotar. Este tipo de ambientes se denomina hipotónico o hipo-osmótico, y al mecanismo por medio del cual la célula se hincha y explota se le denomina lisis. Un ambiente en equilibrio con la célula se denomina isotónico o iso-osmótico. En ambientes levemente hipertónicos o isotónicos, la célula puede recuperarse al hacer que los solutos se muevan a través de la membrana, pero hacer esto regularmente requiere un esfuerzo de la célula, es decir, invertir energía.

Importancia de la ósmosis

El proceso de ósmosis es muy importante en una amplia variedad de funciones del cuerpo. Por ejemplo, en los seres humanos, el tracto digestivo segrega varios litros de fluidos al día, los cuales son reabsorbidos por el intestino grueso “y si no tendrás diarrea” en cuyo caso deberás enfrentar el prospecto de una deshidratación rápida. Las células de los animales se encuentran sumergidas en un líquido denominado linfa, matriz extracelular o sangre, cualquiera de los cuales es isotónico con respecto al interior de la célula, de modo tal que estas no alteran sus volúmenes, aunque el flujo de sustancias entre el interior y el exterior es bastante activo. Las plantas usan la ósmosis en formas diferentes, a diferencia de las células animales, las células de las plantas son hipertónicas con respecto a sus fluidos internos. Como resultado existe la tendencia a que el agua de los fluidos ingrese a las células, causando la aparición de una presión constante contra la pared celular vegetal denominada presión de turgencia (YouTube).

Transporte de sustancias a través de membrana

Fácilmente podemos decir que este es uno de los temas más fundamentales para el entendimiento de la fisiología de los seres vivos. Las reglas que controlan el movimiento de sustancias a través de la membrana condicionan la anatomía y la fisiología de los seres vivos, y le otorga una razón, un porque para el que las cosas son como son. Subsecuentes discusiones sobre el sistema digestivo, el sistema respiratorio, el sistema circulatorio, el sistema excretor, el sistema endocrino, el sistema nervioso poseen de manera invariable una referencia a los temas que estudiaremos en las siguientes discusiones.

Figura 24. Difusión a través de membrana. El flujo de sustancias por una membrana se asemeja a una reacción reversible, en el sentido de que en la realidad las partículas pueden fluir hacia cualquier lado. Sin embargo, si existe una diferencia de concentraciones, el flujo desde el lado de mayor concentración es superior al del que proviene del lado de menor concentración. Si restamos ambos flujos sigue existiendo un flujo neto. En un ambiente donde no hay gradiente de concentración, los flujos hacia ambos lados son iguales, lo que al restarse genera un flujo neto de 0, lo que puede interpretarse como un estado de equilibrio.

Debido a que el contenido de una célula está completamente rodeado por una membrana biológica, toda comunicación entre el interior de la célula y el medio externo debe encontrarse mediado por la membrana biológica. En cierta forma, la membrana biológica posee una función dual. Por un lado, debe mantener los materiales disueltos de la célula de modo tal que estos no se escapen al medio externo “nutrientes” o al interno “desechos”. Por otro lado, debe permitir un adecuado intercambio de sustancias para mantener los equilibrios químicos internos “homeostasis”.

La membrana biológica por su naturaleza lipídica tiende a dejar pasar con mayor facilidad sustancias apolares y muy pequeñas, como el oxígeno molecular, aunque también puede dejar pasar sustancias levemente polares como el agua y el dióxido de carbono. Sin embargo, representa una berrera realmente poderosa para cualquier sustancia polar, así como para moléculas apolares demasiado grandes. En consecuencia, la membrana biológica debe poseer mecanismos que permiten el manejo y flujo de sustancias que no se difunden a través de ella con facilidad, aunque esto generalmente requiere de una inversión energética por parte de la célula.

Figura 25. Difusión simple. Las sustancias ordenadas tienden a desordenarse si se les aplica calor. La segunda ley de la termodinámica nos dice que los sistemas tienden a hacia conjuntos de microestados más probables a medida que el tiempo transcurre, o como hubiera dicho Lord Kelvin, “desorden madame, las cosas tienden al desorden”. La difusión es un proceso entrópicamente (S) favorable, donde el sistema avanza a un microestado más probable, más aleatorio y menos ordenado. Si la medida del desorden lo simbolizamos como S, siendo S inicial más ordenado, la tendencia natural es obtener un S final menos ordenado. S mide el desorde de forma cuantitativa, así que a mayor caos mayor será el valor de S.

Dado que, la membrana biológica puede ser permeable “a sustancias como el oxígeno molecular” o impermeable “a sustancias como los carbohidratos” decimos que existen básicamente dos tipos de movimiento de sustancias a través de la membrana. Un movimiento pasivo, o un movimiento activo. Ambos tipos de movimiento generan un flujo neto de sustancias a través de la membrana o el mecanismo que esté implicado.

Usamos el termino flujo neto debido a que el flujo de sustancias siempre se da en ambas direcciones, sin embargo, generalmente el flujo en una dirección es mucho más marcado que el flujo en otra dirección, por lo que cuando se restan la cantidad de productos que han fluido hacia un lado de los que han fluido hacia el otro lado tenemos un resultado de flujo neto. Se conocen muchos tipos de procesos en los cuales las sustancias se mueven a través de la membrana, la difusión simple; difusión facilitada a través de un canal iónico; difusión facilitada a través de un transportador; transporte activo a través de un transportador que requiere energía “bomba”.

Todo transporte a través de membrana depende indudablemente de ciertas fuerzas de la física, las cuales a su vez se relacionan con los principios de la termodinámica. Aún más que desorden, diríamos que las cosas tienen a igualarse, por ejemplo, el Sol emite energía de modo tal que la temperatura del universo pueda igualarse con su propia temperatura, sin embargo, el Sol posee tanta energía que el tiempo que se tarda en1 alcanzar un estado de equilibrio térmico con su ambiente es muy largo. La materia es un tipo especial de energía, que al estar en un estado fluido “sólido o líquido” también experimenta la tendencia a ir hacia microestados moleculares más probables, es decir tienden al equilibrio. El mecanismo por medio del cual un grupo de moléculas de una especie química alcanza un equilibrio con otro grupo de moléculas de una especie química diferente lo denominaremos difusión.

Figura 26. La superficie de la membrana afecta la difusión. Una membrana con pliegues, arrugas y barbas tiene más área de superficie para el flujo de sustancias que una membrana tersa y lisa. Entre más arrugas, más sustancias pasan en menos tiempo.

De este modo, definiremos el proceso de difusión como el mecanismo en que una sustancia se mueve de una región de alta concentración a una región de baja concentración, y eventualmente eliminando la diferencia de concentraciones entre las dos regiones. Al igual que la teoría cinética de los gases, la difusión se modela como una serie de partículas duras y elásticas que vibran y chocan entre sí, la vibración es la medición molecular del calor. Las partículas se mueven cuasi-aleatoriamente debido a la vibración calórica, pero sus movimientos estarán limitados por las interacciones moleculares propias del estado líquido o gaseoso, y dependerán de si la molécula puede generar dipolos, puentes de hidrógeno y/o fuerzas de Van der Waals. Un último aspecto de importancia es que la velocidad de transito de sustancias depende del área de superficie, a mayor superficie más fácilmente una sustancia puede pasar a un lado o a otro de la membrana.

Fluidez de la membrana biológica

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.

La Importancia de la fluidez de la membrana

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.

Mantenimiento de la fluidez de la membrana

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.

Balsas de lípidos de membranas biológicas “Lipid raft”

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.

Naturaleza dinámica de las membranas biológicas

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.

Difusión de las proteínas de membrana y la fusión celular

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.

Azúcares y proteínas de las membranas biológicas

Carbohidratos de membranas biológicas

La membrana plasmática de las células eucarióticas también posee carbohidratos. Dependiendo de la especie y el tipo de célula, el contenido de carbohidratos en la membrana plasmática puede variar entre el 2 y el 10% de su peso. Más del 20% de los carbohidratos de membrana se encuentran unidos de manera covalente a proteínas, convirtiéndolos en parte de una molécula única con la proteína; por lo cual a estas moléculas las denominamos glicoproteínas. Los carbohidratos remanentes se encuentran ligados de manera covalente a lípidos de membrana “glicolípidos”, como el fosfatidilinositol.

Figura 16. Carbohidratos de membrana y tipos de sangre. Los tipos de sangre se determinan debido a poilisacaridos en anillo complejos que se unen a proteínas de la membrana, como si fueran banderines identificadores.

Todos los carbohidratos de membrana se encuentran ubicados hacia el exterior de la célula anclado en la capa externa de la membrana celular. La adición de un carbohidrato a una molécula de tipo diferente se denomina glicosilación, y representa la modificación más compleja que puede sufrir una proteína después de que asume su conformación tridimensional. Los carbohidratos de las glicoporteinas se presentan como cadenas cortas, ramificadas de oligosacáridos hidrófilos, típicamente poseyendo menos de 15 unidades de azucares.

En contraste, la mayoría de los polisacáridos se almacenan en polímeros muy largos como el glicógeno, la celulosa o el almidón, los cuales son polímeros de un solo azúcar; mientras que los oligosacáridos unidos a las proteínas y los lípidos pueden poseer una variedad en su composición estructural. Los oligosacáridos se pueden unir a una amplia variedad de aminoácidos mediante dos tipos diferentes de enlaces. Estas protecciones de carbohidratos juegan un rol central en las interacciones de las células con su medio ambiente y pueden guiar a las proteínas de membrana a diferentes compartimentos celulares.

Los carbohidratos de los glicolípidos de los glóbulos rojos determinan los tipos de sangre que puede llegar a tener una persona. Una persona de tipo de sangre A posee una enzima que adiciona N-acetilgalactosamina al final de la cadena, mientras que una persona de tipo de sangre B posee una enzima que adiciona galactosa al final de la cadena. Las dos enzimas se codifican como alelos alternativos en un mismo locus, aunque ambas reconocen diferentes sustratos. Personas con tipo de sangre AB poseen ambas enzimas, mientras que las personas con tipo de sangre 0 carece de ambas. La función de estos marcadores de membrana sigue siendo un misterio.

Proteínas de membrana

Dependiendo del tipo de célula o de orgánulo, la membrana contiene cientos de diferentes tipos de proteínas. Cada capa de la membrana posee un contenido de diferentes de proteínas, unas atravesando ambas capas, otras ancladas solo a una capa. Esta concentración diferenciada hace que cada capa de la membrana posea una serie de propiedades diferentes. Las proteínas de membrana, aunque en conjunto representan una parte más bien pequeña del total de moléculas de membrana cuando se las cuenta junto con los lípidos de membrana, son sustancias muy importantes, ya que le confiere a la membrana una serie de propiedades especializadas y específicas que los lípidos por si mismos son incapaces de realizar por sí mismos. Una gran cantidad de funciones biologías completas dependen exclusivamente de que las proteínas se encuentren insertadas en la membrana.

Proteínas integrales de membrana

Figura 17. Proteínas integrales de membrana. Las proteínas integrales de la membrana tienen tres partes generales, una externa, una interna y una inserta en la membrana. Los dominios externos e internos son solubles en agua y el inserto en la membrana soluble en lípidos. El tamaño de cada dominio y su organización son muy variables y dependen del modo en que las proteínas han evolucionado.

Las proteínas integrales de membrana son aquellas que penetran en la bicapa “AMBAS”, en otras palabras, las proteínas integrales son transmembranales. Algunas proteínas de membrana solo tienen un segmento que atraviesa ambas membranas “dominio transmembranal”, mientras que otras proteínas pueden tener múltiples dominios que atraviesan varias veces la membrana biológica. Los dominios terminales son activos y están conectados estructural y fisiológicamente.

Figura 18. Proteínas integrales y periféricas. Existen diferentes tipos de anclaje de una proteína a la membrana, de izquierda a derecha: proteínas integrales (morado y verde) proteína periférica anclada a un polisacárido de membrana (amarillo), anclada a la membrana (café), anclada a otra proteína (café y verde; café y azul) anclada a la membrana median interacciones (azul).

Por lo general hay un dominio receptor y un dominio efector. El dominio receptor es estimulado por la recepción de una señal, como acoplarse a una sustancia química, ser estimulado por la luz o las vibraciones. Una vez estimulado la señal se transfiere al dominio efector que causa otras reacciones en cadena al otro lado de la membrana. Este principio de comunicación transmembranal es importante en muchos sistemas como el nervioso o para la absorción de nutrientes como la glucosa. Las proteínas de membrana son muy importantes, y representan entre el 20-30% de las proteínas codificadas en el genoma de diferentes células.

Proteínas periféricas de membrana

Las proteínas periféricas se encuentras localizadas de manera completa en la parte externa de la bicapa, en cualquiera de las dos caras, ya sea en el citoplasma o en el medio externo, aunque asociadas a la superficie de la membrana mediante una interacción no covalente “si fuera covalente diríamos que es un dominio externo de una proteína integral de la membrana”. Los enlaces empleados en este caso son interacciones electrostáticas débiles. Debido a que estas proteínas se encuentran fuera de la bicapa, no requieren tener una naturaleza anfipática, esto implica que en su mayoría pueden ser obtenidas en solución acuosa, y se las puede aislar en altas concentraciones mediante soluciones salinas que debilitan las interacciones electrostáticas.

Sin embargo, la distinción entre proteínas integrales y periféricas en ocasiones el altamente problemático, ya que muchas proteínas poseen dominios que se insertan en la membrana y otros dominios que emergen de ella extendiéndose de manera amplia hacia la periferia. En resumen, el problema es que as proteínas periféricas de membrana son difíciles de diferenciar de los dominios extramembranales de una proteína integral de la membrana.

Las proteínas periféricas asociadas a la membrana más estudiadas se encuentran en la cara interna “citosólica”, estas proteínas forman un polímero fuerte pero flexible que puede alterar su forma y su constitución, estas proteínas se denominan citoesqueleto. Estas proteínas proveen un soporte mecánico para la función de la membrana como un punto de anclaje de las proteínas de membrana. Otras proteínas periféricas de membrana funcionan como enzimas, cubiertas especializadas, o factores para la transducción de señales de un lado a otro de la membrana. Las proteínas periféricas de la membrana poseen una relación dinámica de la membrana, siendo reclutadas a la membrana o siendo liberadas de la membrana dependiendo de las condiciones.

Lipoproteínas de membrana

Son proteínas que se anclan directamente a los lípidos de membrana. Se pueden identificar cientos tipos de lípidos que pueden anclar proteínas. Numerosas proteínas que se presentan en la cara externa de la membrana biológica se encuentran unidas a la membrana mediante un pequeño puente de oligosacáridos unidos a una molécula del fosfolípido fosfatidilinositol. Las proteínas periféricas de membrana que contienen este tipo de puente son llamadas proteínas GPI. Las proteínas de este tipo fueron descubiertas cuando, las células eran tratadas con una sustancia que corta de maneta especifica el fosfatidilinositol, lo que provocaba la liberación de una gran gama de proteínas dependiendo del número de células.