Clase 7 - Membrana Celular

“AÑO DE LA CONSOLIDACIÓN ECONÓMICA Y SOCIAL DEL PERÚ” UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA

FACULTAD DE MEDICINA HUMANA : ESCUELA DE MEDICINA HUMANA CURSO: Estructuras Función Celular y Tisular I  DOCENTE

:

Dra. VIOLETA MORÍN Blog. HOLGUIN MAURICCI CARLOS

INFORME DEL AVANCE

TEMA

:

ALUMNO:

MEMBRANA CELULAR

CORTEGANA NIMA, MIGUEL ANGEL CRESPO MEZONES, HILDA IVETTE

PIURA - PERÚ

2010

ÍNDICE Introducción 1. Breve historia 2. Composición molecular  2.1. Lípidos 2.1.1. Fosfolípidos 2.1.2. Colesterol

2.2. Glúcidos 2.3. Proteínas 2.2.1.

Asimetría de proteínas

3. Modelos de membranas 4. Cubierta Celular  5. Modelos de Membranas 6. Diferenciaciones y especializaciones 7. Membranas de secreción 8. Fluidez de la membrana

9. Esqueleto de la membrana 7.1 Características 7.2 Composición 10. Permeabilidad de la membrana 11. receptores de membrana 12. Anomalías

13. Conclusiones

14. Bibliografía

INTRODUCCIÓN  A lo largo del descubrimiento descubrimiento realizado por el hombre sobre la célula, llegaron a la conclusión que todos los organismos vivos están constituidos por células y que seria la unidad mínima para que existiera la vida. No conforme con eso, el hombre quería conocer su funcionamiento, su composición, entre muchas cosas más.  Antes que se descubriera descubriera el microscopio, microscopio, ya se hablaba hablaba de una capa capa que envolverí envolvería a a la célula, y que era responsable de muchas funciones.  Ahora sabemos que la célula tiene una composición composición diferente del medio que la rodea, esta diferencia se mantiene a lo largo de la vida de ésta, mediante la membrana

plasmática o celular, que regula el intercambio de iones y moléculas entre la célula y el medio extracelular. Esta membrana pudo ser observada con el perfeccionamiento del microscopio, gracias al cual se conoce que a través de la ésta las células se comunican entre sí y se relaciona con las matrices extracelulares. En este trabajo se pretende estudiar la membrana plasmática desde el punto de vista de su composición química, además se estudiarán los conceptos de fluidez y esqueleto membranoso que son conceptos importantes en el estudio de la biología molecular.

MENBRANA CELULAR La membrana plasmática o celular es una estructura laminar formada por lípidos (con cabeza hidrofilica y cola hidrofóbica) y proteínas que engloban a las células, define sus límites y contribuye a mantener el equilibrio entre el interior (medio intracelular) y el exterior (medio extracelular) de éstas. Además, se asemeja a las membranas que delimitan los orgánulos de células eucariotas. Está compuesta por una lámina que sirve de "contenedor" para el citosol y los distintos compartimentos internos de la célula, así como también otorga protección mecánica. Está formada principalmente por fosfolípidos por  fosfolípidos (fosfatidiletanolamina y fosfatidilcolina), fosfatidilcolina), colesterol, glúcidos y proteínas (integrales y periféricas). periféricas). La principal característica de esta barrera es su permeabilidad selectiva, lo que le permite seleccionar las moléculas que deben entrar y salir de la célula. De esta forma se mantiene estable el medio intracelular, regulando el paso de agua, iones y metabolitos, a la vez que mantiene el potencial electroquímico (haciendo que el medio interno esté cargado negativamente).

Cuando una molécula de gran tamaño atraviesa o es expulsada de la célula y se invagina parte de la membrana plasmática para recubrirlas cuando están en el interior ocurren respectivamente los procesos de endocitosis y exocitosis. Tiene un grosor aproximado de 7,5 nm y no es visible al microscopio óptico pero sí al microscopio electrónico, electrónico, donde se pueden observar dos capas oscuras laterales y una central más clara. En las células procariotas y en las eucariotas osmótrofas como plantas y hongos, se sitúa bajo otra capa, denominada pared celular.| celular.|  Además, las las membranas membranas cumplen las siguientes siguientes funciones: funciones:   

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Protegen la célula o el orgánulo Regulan el transporte hacia adentro o hacia afuera de la célula u orgánulo Permiten una fijación selectiva a determinadas entidades químicas a través de receptores lo que se traduce finalmente en la transducción de una señal Permiten el reconocimiento celular  Suministran unos puntos de anclaje para filamentos citoesqueléticos o componentes de la matriz extracelular lo que permite mantener una forma Permiten la compartimentación de dominios subcelulares donde pueden tener  lugar reacciones enzimáticas de una forma estable Regulan la fusión con otras membranas Permiten el paso de ciertas moléculas a través de canales o ciertas junciones Permite la motilidad de algunas células u orgánulos

1. BREVE HISTORIA

Durante siglo y medio (c.1800-c.1950) la investigación de las células se basó sólo en la observación mediante microscopía óptica. Ésta no puede, por razones físicas relacionadas con la longitud de onda de la luz, detectar estructuras de menos de 0,25 µm (micrómetros). Se llamó membrana celular al límite celular cuando éste era visible, y éste sigue siendo el único uso legítimo de la expresión. En la mayor parte de los casos lo que se observaba era un recubrimiento, más o menos flexible, hecho de polisacáridos, de proteínas o de polímeros mixtos, al que se llama también pared celular. Ésta es precisamente la expresión que debe preferirse para eludir la ambigüedad.  A principios del siglo XX, investigaciones investigaciones experimentales experimentales de la fisiología celular  condujeron a postular la existencia, en todas las células, de una membrana invisible, a la que se llamó membrana plasmática o citoplasmática, y que debía estar compuesta esencialmente de lípidos. Ésta representaba la envoltura del protoplasma, la parte fisiológicamente activa de la célula. Con el uso del microscopio electrónico, pudo observarse por fin la membrana plasmática, cuyo espesor típico es de sólo 0,0075 µm (75  Å).

1855, Naegeli denominó "membrana plasmática" a una película invisible que envolvería a las células y sería la responsable de los fenómenos osmóticos que observó en células vivas. 1902 Overton sostuvo que la membrana plasmática estaría compuesta probablemente por una delgada capa de lípidos, dado que las moléculas liposolubles penetran con facilidad a través de la membrana plasmática 1925, Corter y Crendell propusieron la existencia de una bicapa fosfolipídica al observar que la cantidad de fosfolípidos de la membrana de los eritrocitos era suficiente para formar una doble capa de moléculas sobre toda la superficie celular. 1935 Danielli y Davson postularon que la membrana plasmática contenía una bicapa lipídica con proteínas formando capas continuas sobre ambas superficies 1959 Robertson propuso el modelo que el denomino “unidad de membrana” interpretando la imagen microscópica según el modelo de Danielli y Davson, por lo cual se pensó que las líneas densas corresponderían a las supuestas capas proteicas continuas que se creía que estaban adosadas a los lípidos de la bicapa central. Ahora sabemos que estas líneas densas resulta principalmente del deposito de osmio (utilizado como fijador y colorante electrónico) sobre los extremos polares de los fosfolipidos.  A principio de la década del setenta, el método de la congelación-fractura congelación-fractura y replica utilizado en microscopia electrónica hizo accesible el estudio morfológico del interior de la membrana y llevo a una interpretación completamente deferente de su estructura, ya que evidencio la existencia de numerosos glóbulos proteicos dentro del plano de la membrana. La concepción actual de la membrana es el modelo propuesto por Singer, hace más de veinte años, conocido como el modelo del mosaico fluido, que ha sido firmemente firmement e reconocido como la estructura básica de la totalidad de las membranas. Según el modelo de membrana "Modelo de mosaico fluido" propuesto en 1972 por J. Singer y G. Nicolson, la membrana está formada por una doble capa lipídica a la que se adosan moléculas proteicas. Si se adosan en ambas caras de la superficie reciben el nombre de proteínas extrínsecas y si, por el contrario, atraviesan la capa de lípidos, reciben el nombre de proteínas intrínsecas o integrales.

Esquema de una membrana celular. Según el modelo del mosaico fluido, las proteínas (en rojo y naranja) serían como "icebergs" que navegarían en un mar de lípidos (en azul). Nótese además que las cadenas de oligosacáridos (en verde) se hallan siempre en la cara externa, pero no en la interna. 2. COMPOSICIÓN MOLECULAR

La composición química de la membrana plasmática varía entre células dependiendo de la función o del tejido en la que se encuentren, pero se puede estudiar de forma general. Esta contiene un 52% de proteínas, un 40% de lípidos y un 8% de hidratos de carbono. Las moléculas lipidicas son las mas pequeñas mientras que las proteínas son de gran tamaño. Los hidratos de carbono son cadenas de oligosacaridos y se encuentran siempre asociados a proteínas o a lípidos formando glucoproteinas o glucolipidos. Las moléculas más numerosas son las de lípidos, ya que se calcula que por cada 50 lípidos hay una proteína. Sin embargo, las proteínas, debido a su mayor tamaño, representan aproximadamente el 50% de la masa de la membrana.

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Proteínas: el 80% son intrínsecas, mientras que el 20% restantes son extrínsecas. Hay proteínas con diferentes funciones en la membrana plasmática: transportadoras, conectoras (conectan la membrana con la matriz extracelular o con el interior), receptoras (encargadas del reconocimiento y adhesión) y enzimas. Hidratos de carbono: están en la membrana unidos covalentemente a proteínas o a lípidos. Pueden ser polisacáridos u oligosacáridos. Se encuentran en el exterior  de la membrana formando el glicocalix. Representan el 8% del peso seco de la membrana plasmática. Lípidos: el 98% son anfipáticos, es decir que presentan un lado hidrófilo (que da la cara al agua) y un lado hidrofóbico (que no se junta con el agua). De entre los lípidos, los más importantes son los fosfolípidos y esfingolípidos, que se encuentran en todas las células; le siguen los glucolípidos, así como esteroides, como el colesterol. Estos últimos no existen o son escasos en las membranas plasmáticas de las células procariotas. Existen también grasas neutras, que son lípidos no anfipáticos pero sólo representan un 2% del total de lípidos de membrana.

2.1 LIPIDOS El 98% de los lípidos presentes en las membranas celulares son anfipáticos, es decir que presentan un extremo hidrófilo (que tiene afinidad e interacciona con el agua) y un extremo hidrofóbico (que repele el agua). Los más abundantes son los fosfoglicéridos (fosfolípidos aproximadamente el 75%) y los esfingolípidos, que se encuentran en todas las células; le siguen los glucolípidos, así como esteroides (sobre todo colesterol). colesterol). Estos últimos no existen o son escasos en las membranas plasmáticas de las células procariotas. Existen también grasas neutras, que son lípidos no anfipáticos, pero sólo representan un 2% del total de lípidos de membrana. Distribución de los lípidos de membrana: Se diponen de forma asimétrica, no son los mismos en las dos caras de la membrana. En la cara externa (exoplamica) existen fostolipidos con grupo terminal colina mientras que en la cara interna o protoplasmita posee el grupo terminal amino. La fluidez es una de las características más importantes de las membranas. Depende de factores como:  

la temperatura, la fluidez aumenta al aumentar la temperatura. la naturaleza de los lípidos, la presencia de lípidos insaturados y de cadena corta favorecen el aumento de fluidez; la presencia de colesterol endurece las membranas, reduciendo su fluidez y permeabilidad.

2.1.1 FOSFOLIPIDOS Uno de los principales tipos de lípidos en la membrana incluye los fosfolípidos, la molécula se divide en un grupo llamada cabeza que es polar y dos colas de hidrocarburos. Tienen una molécula de glicerol con la que se esterifica un ácido fosfórico y dos ácidos grasos de cadena larga; los principales fosfoglicéridos de membrana son la fosfatidiletanolamina o cefalina, la fosfatidilcolina o lecitina, el fosfatidilinositol y la fosfatidilserina.

Debido a su naturaleza antipática, en medio acuoso tienden espontáneamente a agruparse formando micelas o bicapas similares a las celulares. En los fosfolípidos, el glicerol está conectado por un grupo fosfato con una de varias posibles moléculas hidrofílicas pequeñas (los grupos polares) y con dos ácidos grasos virtualmente en todos los casos, que poseen un número par de átomos de carbono entre 16-22. En el siguiente dibujo se observa un ejemplo de fosfolipido, la región superior comienza con el grupo polar NH 3, esta conectada por por el grupo glicerol a dos colas ácidos grasos, una de las colas es una cadena de ácido graso saturado, la otra es un ácido graso insaturado, el doble enlace del ácido graso insaturado, le da a la membrana forma y movimiento en el plano lateral. La siguiente es un dibujo del fosfolípido:

La viscosidad de la bicapa depende de que tan largas sean las cadenas hidrocarbonatos, la fluidez se ve afectada por la existencia de dobles ligaduras en las cadenas, debido a

que los carbonos no saturados imparten una desviación a la cadena que impide que las moléculas se adosen estrechamente y aumenten su viscosidad. Generalmente en los fosfolípidos de las membranas uno de los ácidos grasos es saturados y el otro no lo es. La diferencia entre los distintos fosfolípidos se depende principalmente del grupo polar o cabeza hidrofílica, los más comunes son: etanolamina, que forma parte de la cefalina colina, que forma parte de la lecitina; la esfingomielina también la posee, pero su alcohol no es el glicerol sino la esfingosina (un aminoalcohol) serina, que forma la fosfatidilserina  

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Los grupos polares de los fosfolípidos a pH neutro no poseen carga eléctrica, con la excepción de la fosfatidilserina cuya carga es negativa, al igual que los siguientes fosfolípidos (menos abundantes): fosfoinosítidos, cardiolipina, fosfatidilglicerol, sulfolípidos. En conjunto se denominan por su pH negativo fosfolípidos ácidos. Los diferentes tipos de grupos polares y de ácidos grasos constituyentes determinan la existencia de más de cien tipos de diferentes de fosfolípidos en las membranas, la fosfatidiletanolamina y los fosfolípidos ácidos tienden a ubicarse en la hoja de las membranas en contacto con el Citosol, con un intercambio de lípidos prácticamente nulo a través de ambas hojas. 2.1.2 COLESTEROL La cantidad de colesterol puede variar con el tipo de membrana, membranas del plasma (eucariota) tienen una molécula de colesterol por cada molécula fosfolípida, otras membranas tales como de las bacterias (procariotas) no tienen colesterol. Este esteroide anfipático posee una pequeña cabeza polar (el oxhidrilo de carbono 3) dirigida hacia la superficie acuosa, mientras que el resto de la molécula es hidrofóbico y permanece confinado en el interior de la bicapa. El anillo esteroide interactúa con la porción inicial de las cadenas de los ácidos grasos, a las que inmoviliza parcialmente. Esto produce dos importantes efectos: por un lado se incrementa la impermeabilidad de la bicapa a las moléculas hidrofílicas, y por el otro decrece la flexibilidad y fluidez de la membrana a la temperatura central del organismo de 37ºC. Pero ante eventuales disminuciones de la temperatura, la presencia de colesterol previene la transición de fase de cristal líquido a gel, como ocurriría si la bicapa fuera enteramente fosfolipídica. La siguiente figura muestra la estructura esteroide del colesterol

La siguiente figura muestra la distribución de las dos moléculas, notar que la cabeza polar  del colesterol se alinea con la cabeza polar de la molécula fosfolípida.

2.2 GLÚCIDOS Los hidratos de carbono delas membranas biológicas se representan en forma de oligasacaridos, o menos frecuentemente de monosacáridos, unidos en forma covalente a lípidos (glucolipidos) o a proteínas (glucoproteina) de membrana. En ambas moléculas el compuesto hidrocarbonado es semejante o idéntico. Otros componentes glucidicos de las membranas celulares son los glucosaminoglucanos( GAGs) unidos a las proteínas( proteoglucanos). Los GAGs son polímeros lineales de subunidades de disacáridos, de los cuales uno por los menos es un aminosacarido. Los distintos disacáridos determinan la existencia de diversos tipos de GAGs, algunos de los cuales son acidos o sulfatados. Contribuyendo significativamente a la asimetría de las membranas, los glúcidos se ubican casi en forma exclusiva en la hoja superficial de la membrana plasmática y en su equivalente topológico, que es la monocapa interior del sistema de endomembranas. La abundancia de glucolipidos es, con todo, mucho mayor en la membrana plasmática que en los componentes endomembranosos, y lo mismo puede decirse para las glucoproteinas. Los proteoglucanos son casi exclusivos de las membranas plasmáticas.

La mayor parte de los glucolipidos de las células animales, o glucoesfingolipidos, poseen dos cadenas hidrofobicas: una de acido graso y otra de esfingosina. Como en el caso de la esfingomielina, la molecula resultante se denomina ceramida. Esta permanece confinada en el interior hidrofobico de la hoja externa de la bicapa, y hacia el exterior  hidrofilico se ubica un componente glucidico variable, unido covalentemente a la esfingosina. Tanto la ceramida como los carbohidratos presentan gran variedad estructural, en especial estos últimos. En los cerebrosidos, que son los glucolipidos mas simples, el glúcido puede ser un solo monosacarido como la glucosa o la galactosa, pero en forma característica los glucolipidos poseen una enorme variedad de oligosacaridos que difieren en longitud, ramificaciones, clases de monosacáridos y tipos de uniones entre estos. En el caso de los glangliosidos, se son los glucolipidos más complejos, uno de los componentes constantes de los oligosacaridos que se proyectan hacia el espacio extracelular es el acido siálico o N- acetilneuraminico(NANA), acetilneuramini co(NANA), lo que imparte a la cubierta celular de la que forman parte una carga negativa que tiende a atraer cationes del medio hacia la superficie de la membrana. En la siguiente figura son dibujados en azul en el siguiente dibujo, son grupos de azúcar, que se proyectan al espacio extracelular.

Estos componentes de la membrana pueden ser protectores, aisladores y sitios de unión entre las moléculas. 2.3 PROTEÍNAS Son los componentes de la membrana que desempeñan las funciones específicas (transporte, comunicación, etc). Al igual que en el caso de los lípidos, las proteínas pueden girar alrededor de su eje y muchas de ellas pueden desplazarse lateralmente (difusión lateral) por la membrana, no cambian de posición dentro de la bicapa. Cada clase de membrana, según su localización en la célula y el tipo celular, posee una dotación proteica específica. Así la membrana plasmática de una neurona, de un

fibroblasto o de un eritrocito ostentan sustanciales diferencias, la diferencia es más marcado entre el componente proteico de una membrana plasmática y una interna (las mitocondriales o las de los discos fotorreceptores de la retina. Las proteínas de membrana se clasifican en: Proteínas integrales (intrínsecas): Están unidas a los lípidos íntimamente, suelen atravesar la bicapa lipídica una o varias veces, por esta razón se les llama proteínas de transmembrana. Casi invariablemente las proteínas transmembranosas son glucoproteínas. Son moléculas antipáticas, por poseer dominio hidrofóbico e hidrofílico. En algunos casos las proteínas integrales no son membranosas, pero están unidas de forma covalente a los lípidos de membrana del lado citosólico o del extracelular, en especial al glucosil fosfatidil inositol o grupos isoprenoides. En las proteínas transmembranosas, como resultado del plegamiento proteico, los aminoácidos hidrofóbicos están más expuestos en la superficie de la molécula, por lo que deben permanecer en el interior de la bicapa fosfolipídica, donde las interacciones hidrofóbicas con los ácidos grasos los mantienen en su sitio, mientras que sólo las partes hidrofílicas asoman al medio acuoso de ambas superficies de la membrana. Existen proteínas transmembranosas de paso único y de paso múltiple; en este último caso la cadena polipeptídica cruza las bicapa varias veces. Además, las proteínas transmembranosas pueden desarrollar enlaces iónicos con las cabezas polares de fosfolípidos y quizás ambos mecanismo contribuyan a la estabilidad de su posición Proteínas periféricas (extrínsecas): Se localizan a un lado u otro de la bicapa lipídica y están unidas débilmente a las cabezas polares de los lípidos de la membrana u a otras proteínas integrales por enlaces de hidrógeno. No penetran en el interior hidrofóbico de la bicapa lipídica (no son transmembranosas) y se asocian con la membrana mediante interacciones débiles, del tipo de las uniones iónicas u otras, tanto con las proteínas integrales como con las cabezas hidrofílicas de los fosfolípidos, del lado citosólico o del extracelular. Cumplen con sus funciones en la membrana o cerca de de ésta, y algunas pueden disociarse de la membrana en ciertas condiciones de la actividad celular. Esto se refleja en que para su aislamiento bioquímico son fácilmente separables con procedimientos suaves, como soluciones salinas concentradas, pH elevado

2.2.1. Asimetría de las proteínas Cada proteína de membrana posee una determinada orientación en dicha estructura. Esta asimetría otorga características diferentes a ambas superficies de las membranas El caso que más evidencia este hecho lo constituyen las glucoproteínas; en la inmensa mayoría de éstas, los oligosacáridos, están orientados hacia el medio extracelular. Existen pocas excepciones, como ciertas glucoproteínas de los complejos de poros nucleares, cuyos glúcidos se proyecta hacia la superficie citosólica. En las membranas plasmáticas se han descrito decenas de enzimas, y para cada una de ellas su sitio activo reside constantemente en una determinada cara de la membrana. Por  ejemplo, en la cara extracelular se halla la actividad de acetilcolinesterasa, la disacaridasa en los entericitos, y los sitios de unión al potasio y al digitálico para el caso de la bomba de sodio-potasio. En la superficie membranosa citosólica se puede encontrar el dominio  ATPásico de la bomba de sodio-potasio, sodio-potasio, la adenilato ciclasa y la actividad quinásica de los receptores transmembranosos. Para el caso de las proteínas de las membranas internas, tales como la glucosa 6fosfatasa del retículo endoplasmático, la ATP sintetasa de la mitocondria o la bomba protónica de los endosomas, la orientación asimétrica también es un requerimiento absoluto.

3. ASIMETRÍA EN LA MEMBRANA

La membrana plasmática es una estructura asimétrica. Las dos monocapas que forman la bicapa lipídica, la monocapa o cara externa que mira al medio extracelular y la otra que mira al citosol (el medio interno de la célula), la cara citosólica tienen distinta composición, composición, y distribución de fosofolípidos, así como de colesterol como también en la organización de las proteínas embebidas o asociadas a la membrana. La cara externa de la membrana plasmática está compuesta principalmente de fosfatidilcolina y esfingomielina, mientras que la fosfatidietalonamina y fosfatidilserina son los fosfolípidos predominantes de la cara interna o citosólica. Otro fosfolípido, el fosfatidilinositol, también se encuentra en la cara interna de la membrana Los oligosacáridos unidos a lípidos (gicolípidos) y a las proteínas integrales de membrana (glicoproteínas) miran siempre hacia el exterior celular. Todas las biomembranas conocidas muestran una asimetría en la disposición y distribución de los componentes lipídicos y proteicos en ambas monocapas u hojas que componen la bicapa lipídica, la cara citosólica  (que mira al citosol) y la cara extracelular  (que mira hacia el exterior). Tal asimetría en la distribución confiere distintas propiedades funcionales a las dos caras de la membrana. Esta asimetría es tanto una asimetría lateral como transversal. En la asimetría lateral los lípidos o proteínas de un tipo particular se agrupan en un plano o zona concreto de la membrana, mientras que la asimetría transversal es la que existe a través de la membrana desde el lado exterior al lado citosólico. Los lípidos se distribuyen asimétricamente tanto lateral como transversalmente, su asimetría transversal se observa claramente en la membrana de los eritrocitos (glóbulos rojos) donde la fosfatidilcolina comprende el 30% de los fosfolipidos totales, pero de este porcentaje el 30 % se encuentra en la monocapa exterior y el 70% en la hoja que mira hacia el interior. La asimetría lateral de los lípidos es requerida en formación de ciertas estructuras especializadas de la membrana, por ejemplo para llevar a cabo

diferentes mecanismos de endocitosis, y también es importante para el correcto funcionamiento de proteínas integrales de membrana (e.g. canales iónicos). Por otra parte, las proteínas embebidas integralmente en la membrana tienen una orientación definida asimétrica dentro de la bicapa mostrando una única orientación polarizada debido a que se sintetizan y se insertan en la membrana de una manera asimétrica. Además los restos oligosacáridos  de los glicolípidos y las glicoproteínas de la membrana plasmática sólo se orientan hacia el medio extracelular donde participan en los fenómenos de reconocimiento celular . Entre las propiedades funcionales de la membrana que son una consecuencia de la asimetría de orientación y composición de su componente proteico se incluye el transporte vectorial de membrana , el cual está dirigido en una sola dirección, la unión a receptores situados en la superficie de las células (con su consiguiente efecto fisiológico) de multitud de hormonas (u otras moléculas de señalización química), diversos tipos de procesos de reconocimiento molecular entre células que necesariamente involucra ciertas estructuras de la superficie exterior de las células (e.g. oligosacáridos), y otro largo etcétera de procesos.

Las proteínas integrales de membrana (PIM) tienen diferentes modos de anclarse a la membrana plasmática: a través de uno o varios segmentos -helicoidales hidrofóbicos con distinta orientación topológica [amino N- Carboxilo terminal] (a,b,c). Existen también PIM que se anclas por medio de láminas (e.g. porinas, proteínas con estructura en forma de barril construido de 8 a 22 láminas que forman un poro, presentes en la membrana exterior de las bacterias Gram negativas y en la membrana exterior de las mitocondrias). Por otra parte, existen proteínas que se encuentran ancladas exclusivamente a una de las hojas de la bicapa (monocapa) por un larga cadena lipídica hidrofóbica de diferente composición de ácido graso (e.g. ácido mirístico, ácido palmítico) o de grupos prenilo (d) . Otras proteínas se anclan exclusivamente a la monocapa exterior de la memebrana plasmática través de un anclaje de glicosilfosfatidilinositol (un glicolípido abreviadamente GPI), llamadas por ello proteínas GPI (e)

4. CUBIERTA CELULAR O GLUCOCÁLIZ.

Las células proyectan hacia su superficie externa el componente oligosacárido de sus glucolípidos y glucoproteínas intrínsecos, junto con las cadenas de glucosaminoglucanos de los proteoglucanos integrales. En algunos tipos celulares también se pueden adsorber  glucoproteínas y proteoglucanos que fueron secretados hacia el espacio extracelular. El conjunto de todas estas moléculas forma una cubierta celular denominada glucocáliz, de espesor variable pero presente en todas las células. En la mayor parte de éstas su grosor, de 10 a 20 nm, se halla por debajo del límite resolutivo del microscopio óptico. Su naturaleza polianiómica le permite unirse ávidamente a componentes como la ferritina cationizada o el rojo rutenio, que son visualizables con el micrioscopio electónico por su alta capacidad. Su afinidad selectiva por diversos tipos de lectinas marcadas con fluorocromos o con peroxidasa permite también la identificación de sus componentes con el microscopio de fluorescencia o de campo claro. En unos pocos tipos celulares, como los entericitos, el glucocáliz posee un espesor  excepcionalmente grande. Funciones   Microambiente: puede

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modificar la concentración de diferentes sustancias a nivel de la superficie celular, no sólo como una posible barrera de difusión, sino también porque su naturaleza polianiónica es susceptible de afectar el ambiente catiónico extracelular  en la vecindad de la célula. Enzimas:  Las técnicas histoquímicas demuestran la presencia de fosfatasa alcalina en la cubierta celular, relacionada con fenómenos de permeabilidad. En el grueso glucocáliz de las microvellosidades de los entericitos reside la actividad enzimática digestiva terminal de hidratos de carbono y de proteínas (disacaridasas y oligopeptidasas) Protección celular:  puede proteger a la membrana contra el daño químico o mecánico, y contribuir a mantener a distancia a ciertas moléculas o células. Reconocimiento celular  particularmente importantes durante el desarrollo embrionario , participa en los procesos de adhesión entre óvulo y espermatozoide. Confiere viscosidad a las superficies celulares permitiendo el deslizamiento de células en movimiento, como, por ejemplo, las sanguíneas Presenta propiedades inmunitarias, por ejemplo los glúcidos del glucocálix de los glóbulos rojos representan los antígenos propios de los grupos sanguíneos del sistema sanguíneo ABO.

5. MODELOS DE MEMBRANAS

5.1 Gorter y Grendell (1925): Establecen que la membrana esta formada por una simple bicapa de lípidos.

5.2 Danielli y Davson (1935): Incluyen una cubierta externa de proteínas. El interior es una capa lipoide no especificada.

5.3 Unidad de membrana de Robertson (1950) :Explicaba la apariencia trilaminar de muchas membranas al microscopio electrónico.

5.4 Mosaico Fluido (Jonathan Singer y Garth L. Nicolson, (1972) : Es el modelo aceptado actualmente. La estructura de la bicapa es bastante fluida. Las moléculas de proteínas pueden desplazarse lateralmente por la bicapa, tomando unas disposiciones (mosaico) que cambian en el tiempo y en lugar. Con los datos ofrecidos por la microscopía electrónica y los análisis bioquímicos se han elaborado varios modelos de membrana.

En la actualidad el modelo más aceptado es el propuesto por Singer y Nicholson (1972), denominado modelo del mosaico fluido , que presenta las siguientes características: 

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Considera que la membrana es como un mosaico fluido en el que la bicapa lipídica es la red cemetantey las proteinas embebidas en ella, interaccionando unas con otras y con los lípidos. Tanto las proteinas como los lípidos pueden desplazarse lateralmente. Los lípidos y las proteínas integrales se hallan dispuestos en mosaico. Las membranas son estructuras asimétricas en cuanto a la distribución fundamentalmente de los glúcidos, que sólo se encuentran en la cara externa.

Las funciones de la membrana podrían resumirse en : 1. TRANSPORTE El intercambio de materia entre el interior de la célula y su ambiente externo. Haz clic para ampliar este tema 2. RECONOCIMIENTO Y COMUNICACIÓN Gracias a moléculas situadas en la parte externa de la membrana, que actúan como receptoras de sustancias.

Gracias a moléculas situadas en la parte externa de la membrana, que actúan como receptoras de sustancias. La estructura básica de una membrana es una bicapa de fosfolípidos. Por lo general presenta una proporción de 0-10% de carbohidratos, 40% de lípidos y 60% de proteínas. En glóbulos rojos la relación lípidos/proteínas es de 1:15 y en el sistema nervioso es de 4:1. Cada membrana tiene una composición química lípidica característica. Por ejemplo el tejido cerebral es rico en fosfatidilserinas mientras que el corazón y los pulmones son ricos en fosfatidilglicerol y esfingomielina. Los glóbulos rojos tienen 50% de fosfatidilserina, 18% de esfingomielina y 23% de colesterol. La bacteria Escherichia coli tiene un 70% de fosfatidilestaolamida de los lípidos de su membrana celular. En los eucariotas, todas las membranas de las células (incluyendo los orgánelos) tienen el mismo patrón general de la membrana plasmática. Existen cambios en el tipo de lípidos y, en particular, en la cantidad de proteínas y glúcidos, que varían según el tipo de membrana y el lugar que esta ocupa. 6. DIFERENCIACIONES Y ESPECIALIZACIONES DE LA MEMBRANA:

 A) DIFERENCIACIONES: DIFERENCIACIONES: son todas aquellas estructuras que aparecen aparecen entre las membranas de células adyacentes para permitir la comunicación entre los citoplasmas. - uniones herméticas estrechas: unen a las células epiteliales e impiden el libre paso de sustancias por lo que actúan como una barrera altamente selectiva. - uniones intermedias o desmosomas en banda: conectan mecánicamente a las células haciendo que el tejido funcione como una unidad estructural. Permiten el paso libre de sustancias de unas células a otras. Cuando estas uniones se encuentran dispersas por  las superficies laterales de las células se forman los desmosomas puntiformes. - desmosomas puntiformes: conectan dos citoplasmas entre si por medio de una especie de filamentos llamados tono filamentos, los cuales se anclan a unas placas densas que aparecen en la parte interna de la membrana, son las capas plasmáticas, las que permiten la apertura o el cierre del espacio que deja esta estructura permitiendo o no el paso de sustancias a su través. - unión de hendidura, de comunicación o tipo gap: estas uniones permiten el paso de sustancias y de impulsos eléctricos de unas células a otras, de modo que sincronizan las contracciones musculares cardiacas o el acoplamiento eléctrico entre neuronas.

B) ESPECIALIZACIONES: son adaptaciones estructurales de la membrana que le sirven para realizar sus funciones mejor o más rápidamente. La especialización más característica son loas microvellosidades. Estas son digitaciones de la membrana hacia el exterior.  Aparecen en las células del tubo digestivo digestivo hacia la luz del tubo (interior). Aumentan hasta 20 veces la superficie de la célula, permitiendo la función de absorber las moléculas procedentes de la digestión, de esta manera el organismo aumenta la superficie de absorción, realizando este proceso en el menor tiempo posible. FUNCIONES:  

Favorecer la flexibilidad y la fluidez de la estructura. Esto lo realizan los fosfolípidos y el colesterol. Mantener estable el medio intracelular regulando el paso de H2O, iones, moléculas pequeñas y macromoléculas por medio de la permeabilidad. En el caso de la membrana la permeabilidad es altamente selectiva. Estas sustancias pasan a través de la membrana de distintas maneras.

7. MEMBRANAS DE SECRECIÓN:

a) ESTRUCTURA: 

EN ANIMALES:

Glucocálix: estructura de la membrana plasmática. 

EN VEGETALES:

Pared celular: es una capa externa y rígida que rodea a las células vegetales, es un elemento de protección y sostén. Estructuralmente está formada por varias capas que van apareciendo por depósito o aposición de sustancias del interior al exterior. Son sustancias sintetizadas por el citoplasma y expulsadas al medio extracelular, siendo la capa más externa la más antigua. La lámina media es la capa más externa, se forma a partir de la membrana plasmática y está compuesta por peptina y es común a todas las células adyacentes. La pared primaria es la segunda capa, se deposita entre la lámina media y la membrana, puede estar formada por tres capas y está compuesta de celulosa. La pared secundaria es la más interna. Aparece cuando la célula deja de crecer y la pared primaria deja de engrosar. Está formada por tres capas, pero puede llegar a tener veinte

capas. Está formada por celulosa impregnada de distintos tipos de sustancias que pueden ser sales minerales de Ca o Si. Cuando es así se dice que la pared secundaria está mineralizada. También puede ser lignina, a lo que se le llama lignificación de la pared secundaria. De esta forma se crea el leño. Cuando se deposita el suber se habla de la suberificación de la pared secundaria, formándose el corcho. Cuando existe comunicación sólo de líquidos de una célula a otra se llama punteadura. Cuando la comunicación es debida a un poro mayor se llama plasmodesmo, estos plasmodesmos están formados por otros poros más pequeños que contienen una membrana del retículo endoplasmático que traspasa de un lado a otro de la lámina media.  A esta estructura estructura se le llama desmotúbu desmotúbulo. lo. b) FUNCIONES: 

- Constituye el exoesqueleto que protege y soporta mecánicamente la planta. Este exoesqueleto lo que permite es la cohesión de estas estructuras. - Mantiene la integridad celular a pesar de las diferencias de presión osmótica que existen entre el exterior y el citoplasma, ya que generalmente el medio en el que se desenvuelve la célula es hipotónico. - La pared vegetal es muy importantes en la industria de la madera, del papel, en la textil y en la alimentación. 8. FLUIDEZ DE MEMBRANAS:

Como ya hemos visto, los lípidos forman una doble capa y las proteínas se disponen de una forma irregular y asimétrica entre ellos. El concepto de fluidez de las membranas hace referencia al hecho que tanto los lípidos como las proteínas pueden tener una libertad de movimiento lateral dentro de la membrana. ¿En qué consiste? Es la capacidad de una molécula que forma parte de una membrana para desplazarse por  ella. Las membranas son fluidas, prácticamente son láminas de grasa, donde las moléculas se encuentran en un estado de líquido viscoso. Esto implica que, en teoría, las moléculas podrían difundir y desplazarse por ella sin restricciones. Consideremos un glicerofosfolípido que está situado en la membrana plasmática en su monocapa externa. Tendría dos posibilidades de movimiento: uno lateral donde se desplazaría entre las moléculas contiguas, y otro en el que saltaría a la monocapa interna, movimiento denominado "flip-flop" "flip-flop".. Los dos tipos de movimientos se han demostrado experimentalmente en membranas artificiales pero uno es más frecuente que el otro. Una molécula lipídica puede recorrer 30 micras en unos 20 segundos por difusión pasiva lateral, es decir podría dar la vuelta a una célula de tamaño medio en aproximadamente un minuto. Sin embargo, los saltos entre monocapas son muy infrecuentes , se estima que la posibilidad de que le ocurra a un lípido es de una vez al mes debido a que las cabezas polares de los lípidos se encuentran con la barrera de las cadenas de ácidos grasos. El

colesterol posee, sin embargo, la capacidad de hacer movimientos "flip-flop" con relativa facilidad.

Movimientos que pueden sufrir los lípidos en las membranas gracias a su fluidez. Los movimientos flip-flop son muy raros para los lípidos y no se han documentado para las proteínas. ¿A qué se debe la fluidez en la membrana? Esta propiedad depende de su composición y de la temperatura. En su composición podemos encontrar dos tipos de ácidos grasos: saturados e insaturados. Los primeros poseen en su estructura carbono con sus cuatro enlaces ocupados: unido a 3 hidrógenos y su otro enlace al carbono siguiente; en cambio, los insaturados poseen sus carbonos unidos a dos H y forman un doble enlace con el C siguiente, por lo tanto podrían convertirse en saturados al agregar un H más. Estas estructuras les confieren características solidas a los ácidos grasos saturados, y liquidas a los insaturados. La fluidez de la membrana también se puede ver afectado por las proteínas o colesterol incrustados en ella.(el colesterol hace a la bicapa más rígida). La fluidez de la membrana está controlada por la composición de sus ácidos grasos y su contenido en esteroles. Las cadenas de ácido graso de los lípidos pueden encontrarse en bicapas, en forma ordenada y rígida o bien en forma relativamente desordenada, es decir, en estado fluido. En el estado ordenado, todos los enlaces C-C, tienen conformación trans o anti, mientras que, en estado desordenado, algunos están en conformación gauche. La transición de estado rígido (todo trans) a estado fluido (parcialmente gauche) se presenta bruscamente cuando la temperatura supera la temperatura de fusión. Esta temperatura de transición depende de la longitud de las cadenas de ácido graso y de su grado de instauración. El estado rígido viene favorecido por la presencia de residuos de ácidos grasos saturados porque sus cadenas hidrocarbonadas rectas interaccionan muy favorablemente unas con otras. Por otro lado,

un doble enlace cis produce un acodamiento en la cadena hidrocarbonada. Este codo interfiere con un empaquetamiento muy ordenado de los ácidos grasos, y, en consecuencia, la temperatura de fusión disminuye. La longitud de la cadena de los ácidos grasos afecta también a la temperatura de transición. Las cadenas hidrocarbonadas largas interaccionan mutuamente con más fuerza que las cortas. En concreto, cada grupo  –CH2 –CH2- adicional contribuye favorablemente con unas -0,5 kcal/mol a la energía libre de interacción de dos cadenas hidrocarbonadas adyacentes. Los procariotas regulan la fluidez de la membrana variando el número de enlaces dobles y la longitud de las cadenas de sus ácidos grasos. Por ejemplo, en la membrana de E.coli la relación de los ácidos grasos saturados a los insaturados desciende de 1,6 a 1,0 cuando la temperatura del cultivo pasa de 42º a 27 ºC. Esta disminución en la proporción de ácidos grasos saturados evita que la membrana de vuelva demasiado rígida a la temperatura inferior.

En células animales, el colesterol es el principal regulador de la fluidez de las membranas. El colesterol consta de un voluminoso núcleo esteroideo con un grupo hidroxilo en un extremo y una cadena hidrocarbonada flexible en el otro.(fig. 3b) El colesterol se inserta en la membrana con su eje longitudinal perpendicular al plano de la membrana. El grupo hidroxilo del colesterol está unido por un puente de hidrógeno a un átomo de oxígeno del carbonilo de la cabeza del fosfolípido, mientras que la cadena hidrocarbonada del colesterol se coloca entre las cadenas apolares. El colesterol evita la cristalización de las cadenas de ácidos grasos acomodándose entre ellas. De hecho, las concentraciones levadas de colesterol suprimen la transición de fase de las bicapas. Un efecto opuesto del colesterol es bloquear estéricamente los grandes movimientos de los ácidos grasos y hacer así a la membrana menos fluida. Así pues, el colesterol modera o modula la fluidez de la membrana .Las membranas plasmáticas de la mayor parte de las células vegetales y de todas las células bacterianas carecen de colesterol. En la mayoría de los hongos, el ergosterol reemplaza al componente colesterol que se encuentra en las membranas celulares de los eucariotas superiores.

8.1. LOS LÍPIDOS Y LAS PROTEÍNAS SE PUEDEN MOVER EN LA MEMBRANA La fluidez es absolutamente necesaria para que se produzcan los mecanismos de transporte y el reacomodamiento permanente de los componentes de la membrana. Por otra parte, es necesaria cierta estabilidad que mantenga una estructuración de la membrana. Esta estabilidad proviene de las interacciones hidrofóbicas y de las fuerzas de van der Waals entre las cadenas de los lípidos, y por otra parte, de las fuerzas electrostáticas y las uniones puente hidrógeno entre las cabezas polares de los fosfolípidos y el agua con sus solutos. En conjunto estas interacciones no covalentes dan origen a las "soluciones bidimensionales" de lípidos en lípidos en los cuales todos los compuestos están confinados al plano de la bicapa, donde los lípidos y proteínas se pueden mover. Se ha demostrado la migración espontánea de los lípidos de uno a otro lado de la membrana (difusión transversal) es un proceso muy lento, con una frecuencia de ocurrencia muy baja, de una vez cada varias horas. En cambio, los movimientos paralelos al plano de la bicapa- la llamada difusión lateral - son mucho más frecuente y alcanza altas velocidades de desplazamiento. Se ha demostrado que los lípidos intercambian lugares con sus vecinos aproximadamente 107 veces por segundo. Con respecto a las moléculas proteicas, nunca se observó difusión de una capa a otra, pero sí que se difunden dentro de una misma.

Los movimientos que pueden realizar los lípidos son: 



De rotación: es como si girara la molécula en torno a su eje. Es muy frecuente y el responsable en parte de los otros movimientos. De difusión lateral: las moléculas se difunden de manera lateral dentro de la misma capa. Es el movimiento más frecuente.

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Flip-flop: es el movimiento de la molécula lipídica de una monocapa a la otra gracias a unas enzimas llamadas flipasas. Es el movimiento menos frecuente, por  ser energéticamente más desfavorable. De flexión: son los movimientos producidos por las colas hidrófobas de los fosfolípidos.

8.2. LAS PROTEÍNAS Y LOS LÍPIDOS DIFUNDEN EN LAS MEMBRANAS Las interacciones entre los diferentes lípidos y proteínas son muy complejas y dinámicas. En los liposomas preparados a partir de un único tipo de fosfolípido, la temperatura de cambio de fase es bastante precisa; por el contrario, en liposomas constituidos por una mezcla de lípidos, la temperatura de cambio de fase es menos precisa, porque ciertas agrupaciones individuales de lípidos pueden encontrarse tanto en estado de gel cristalino como de líquido cristalino. Debido a la composición química heterogénea de las membranas biológicas, la temperatura de cambio de fase, no es precisa.

Interacciones entre lípidos y proteínas provocan alteraciones en los estados de líquido y de gel por toda la membrana, apareciendo así áreas de diferente fluidez. La presencia de glicerofosfolípidos con ácidos grasos de cadena corta, así como el aumento en la instauración en los grupos ácido grasos, incrementan la fluidez. Los dobles enlaces en cis de los ácidos grasos insaturados de los fosfolípidos producen una curvatura en la cadena hidrocarbonada que impide el empaquetamiento compacto de las cadenas y crea bolsas en las áreas hidrofóbicas. Se considera que estos espacios, que son móviles a causa del movimiento de las cadenas hidrocarbonadas, están ocupados por  moléculas de agua y pequeños iones. El colesterol, con su estructura anular plana y rígida, reduce el enrollamiento de la cadena de ácido graso y disminuye la fluidez. Se considera que un nivel elevado de colesterol sanguíneo tiene una importancia clínica en la fluidez de las membranas celulares. El Ca+2 disminuye la fluidez de las membranas, debido a su interacción con los fosfolípidos cargados negativamente, lo que reduce la repulsión entre los grupos polares e incrementa el empaquetamiento de las moléculas lipídicas. El Ca+2 provoca la formación de agregados de lípidos que reducen la fluidez de la membrana. También varía varía la fluidez a distintos niveles de la membrana. Las cadenas hidrocarbonadas de los lípidos se mueven produciendo una fluidez dentro del núcleo hidrofóbico. El área central de la bicapa ocupada por los extremos de las cadenas hidrocarbonadas es más fluida que las áreas próximas a las dos superficies, en donde hay más impedimentos debido a las proporciones más rígidas de las cadenas hidrocarbonadas. El colesterol hace que la membrana sea más rígida hacia la periferia, que no alcanza el núcleo central de la membrana. Los lípidos y proteínas individuales pueden desplazarse rápidamente en un movimiento lateral por todo lo ancho de la superficie de la membrana. Sin embargo, las interacciones electrostáticas con las cabezas polares, las interacciones hidrofóbicas del colesterol con determinados fosfolípidos y glucolípidos y las interacciones lípido-proteína, restringen este movimiento. Existen dominios en los que los lípidos se mueven de manera conjunta. Los glicerofosfolípidos (G) y el colesterol (C) se agrupan conjuntamente en microdominios concretos, las balsas lipídicas G,C y se mueven como una unidad. En algunas células estas balsas G,C junto con proteínas específicas ancladas con glucosifosfatidilinositol están implicadas en la formación de cavidades, invaginaciones en forma de frasco de la membrana plasmática. Estas estructuras interviene en la señalización celular y podrían

ser responsables`de la separación hacia los polos distintos de proteínas específicas en las células epiteliales. Las proteínas integrales de membrana se mueven en el entorno lipídico, tal como se demostró al fusionar células humanas y de rata. Cuando se marcaron las proteínas antigénicas de membrana ambas especies con diferentes anticuerpos, los marcadores indicaron la localización de las proteínas sobre la membrana. Inmediatamente después de la fusión de las células, las proteínas de la membrana de la célula humana y las de la rata estaban segregadas en diferentes semiesferas de la nueva célula, pero al cabo de 40 minutos los dos grupos de proteínas se habían distribuido uniformemente sobre la nueva membrana celular. Estos movimientos pueden ser sólo válidos para algunas proteínas ya que en la mayoría de las células los movimientos de las proteínas están restringidos por  otras proteínas de la membrana o de la matriz, así como por elementos estructurales celulares tales como microtúbulos o microfilamentos a los que puedan estar adheridas. Existen pruebas de que la fluidez de las membranas celulares puede cambiar en respuesta a cambios en la dieta o en el estado fisiológico. Su contenido en ácidos grasos y colesterol es modificable por diversos factores. Así mismo, ciertos agentes farmacológicos pueden tener un efecto directo sobre la fluidez de la membrana. Los anestésicos, que inducen sueño y relajación muscular, podrían deber su acción al efecto sobre la fluidez de la membrana de células específicas. Compuestos sin relación estructural y que inducen anestesia tiene como característica en común su solubilidad en los lípidos. In Vitro, los anestésicos aumentan la fluidez de la membrana. De este modo, las membranas celulares se encuentran en un estado constantemente cambiante, no sólo mediante movimientos laterales de proteínas y lípidos sobre la membrana, sino también a causa de las moléculas que entran y salen de la membrana. La membrana crea una variedad de microambientes, que van desde la porción hidrofóbica del núcleo interior de la membrana a la interface con los entornos circundantes.

 Anormalidades  Anormalidades en la fluidez de de las membranas membranas celulares celulares en estados estados patológicos patológicos La fluidez de la membrana puede controlar la actividad de enzimas ligados a ella, y la de las funciones como la fagocitosis y el crecimiento celular. Un factor importante en el control de la fluidez de la membrana plasmática en organismos superiores y manifiestos es la presencia de colesterol. Al aumentar el contenido de colesterol, las bicapas lipídicas se hacen menos fluidas en su superficie exterior, pero más fluidas en el interior  hidrofóbico. Las membranas eritrocitarias de los individuos con anemia por cantositosis tienen un contenido de colesterol elevado y una forma espinosa al tiempo que las células se destruyen de manera prematura en el bazo. Esto se da, por ejemplo, en una enfermedad hepática grave como la cirrosis del hígado en los alcohólicos. El contenido de colesterol se halla incrementado en un 25 a 65 %, y la fluidez de la membrana disminuida. La membrana eritrocitaria requiere un grado elevado de fluidez para su funcionamiento, y cualquier descenso puede tener efectos graves en la capacidad de las células de pasar  por los capilares. En otras células, el incremento de colesterol en la membrana plasmática conduce a un incremento en el colesterol de las membranas intracelulares, lo cual también afecta su fluidez. El efecto tóxico del etanol sobre el sistema nervioso se debe probablemente a la modificación de la fluidez de la membrana y a la alteración de los receptores y canales iónicos de la misma. Los individuos con abetalipoproteinemia presentan un incremento en el contenido de esfingomielina y una disminución de fosfatidilcolina fosfatidilcol ina en las membranas celulares, lo que provoca una disminución de la fluidez.

Las ramificaciones de estos cambios en la fluidez no se conocen aún, pero se espera que, a medida que mejoren las técnicas para la medida y la evaluación de la fluidez de la membrana celular, algunas de las manifestaciones patológicas en estados de enfermedad puedan explicarse sobre la base de cambios en la estructura y la función de las membranas. 8.3 ESTUDIOS EXPERIMENTALES DE LA FLUIDEZ Existen experimentos clásicos, demostrativos de la naturaleza fluida de las membranas plasmáticas. Uno de los más resaltantes es: 8.3.1Dinamismo de las membranas biológicas Frye y Edidin (1970) analizaron el comportamiento de ciertas proteínas de membrana plasmática cuando se fusionaban dos células provenientes de distintas especies (ratón y hombre). Emplearon el virus Sendai como agente fusógeno. Estas células previo a la fusión y por separado se incubaron con anticuerpos dirigidos contra proteínas de membrana plasmática propias de cada tipo celular. Las células de ratón de incubaron con un segundo anticuerpo marcado con un colorante que emite fluorescencia verde cuando es excitado con luz UV, mientras que para las células humanas se empleó uno que emite fluorescencia roja. Se fue observando a través del tiempo la distribución de la fluorescencia en la superficie de las células. También se analizó el efecto de la temperatura y del ATP sobre la distribución de la fluorescencia en los heterocaiontes.Para producir una disminución de ATP endógeno las células se incubaron con inhibidores metabólicos de la cadena respiratoria y de a glicolisis (dinitrofenol y fluoruro de sodio). Se muestran los resultados de los experimentos:

 Así descubrieron descubrieron que que las proteínas proteínas pueden pueden moverse moverse en el plano de la membrana. membrana.  Al aplicar una descarga eléctrica las proteínas proteínas también se movieron en la membrana plasmática. Sin embargo, la noción de que la membrana es un “mar de lípidos en el que navegan proteínas” es muy simple. La célula tiene mecanismos para decidir donde colocar cada proteína y ordenar la estructura de la membrana. Demostración experimental de la fluidez de la membrana

8.3.2 Datos del Virus Sendai 

El virus Sendai (Paramyxovirus) tiene la propiedad de que puede fusionar células animales de distinto origen empleándose en la obtención de células híbridas somáticas ratón-humanas. Dichas células híbridas eliminan cromosomas humanos al azar y es posible establecer a partir de ellas líneas celulares que contienen todos los cromosomas de ratón y algunos cromosomas humanos. Estas líneas celulares híbridas ratón-humanas se utilizan para averiguar en qué cromosoma humano se localiza un determinado gen, o en qué cromosoma se localiza un determinado fragmento de ADN humano.

Esquema virus Sendai (paramyxovirus) (paramyxovir us)

Partículas del virus Sendai

Otros métodos para demostrar la fluidez: 8.3.3 Método del capuchón :

Consiste en que los linfocitos B son puestos en contacto con anticuerpos fluorescentes capaces de unirse específicamente a moléculas receptoras de su superficie. Las moléculas se desplazan visiblemente en la membrana para formar placas que luego se aglomeran en un polo de la célula (capping) y originan un capuchón intensamente fluorescente. En este punto la porción de la membrana que contiene el marcador se internaliza por endocitosis. Este proceso, que hace que la membrana del linfocito se vea desprovista de receptores durante varias horas, ocurre probablemente en el organismo cuando un linfocito B se une a un exceso de antígeno. Todo el proceso puede ser inhibido haciendo descender la temperatura, lo cual ocasiona que la membrana se solidifique.

8.3.4 Fotoblanqueado (FRAP-Fluorescence Recovery After Photobleaching) La Recuperación de la Fluorescencia Después de Fotoblanqueamiento (RFDF) es una técnica experimental utilizada para observar y cuantificar el movimiento de moléculas en un medio específico. La técnica RFDF se ha aplicado en diversas ocasiones para cuantificar la difusión de glicoproteínas en membranas celulares. Debido a que este tipo de proteínas no cuentan con grupos químicos en su estructura que sean fácilmente identificables, la

implementación de RFDF para la medición de su movilidad se realiza a través de los siguientes pasos (Karp, 1996): 1) Se etiqueta selectivamente el tipo de glicoproteína de interés de forma homogénea en toda la membrana celular, uniéndole químicamente una molécula fluorescente (por  ejemplo, un anticuerpo fluorescente). 2) Se irradia la superficie celular empleando un rayo láser, el cual blanquea de forma irreversible las moléculas fluorescentes que encuentra en su trayectoria, dejando una área de la superficie celular desprovista de fluorescencia o reducida a un valor mínimo. Típicamente, el área irradiada corresponde a un disco circular (aproximadamente de una micra de diámetro) aunque se dan casos de áreas fotoblanqueadas con forma cuadrada, rectangular, etc. 3) Si las glicoproteínas marcadas en el Paso # 1 son móviles (es decir, no se encuentran unidas químicamente a alguna molécula de la membrana celular), sus movimientos aleatorios provocarán una transferencia neta de masa por difusión desde el exterior del disco blanqueado hacia su interior, reapareciendo gradualmente la fluorescencia en el disco circular.

Figura 2.2. Procedimiento de la técnica RFDF para cuantificar la difusión de glicoproteínas en membranas celulares. .

8.4 IMPORTANCIA DE LA FLUIDEZ DE LA MEMBRANA La fluidez determina el funcionamiento de la membrana. Los cambios de temperatura en el medio influyen en ella: A menor temperatura, menor fluidez (mayor viscosidad). El descenso de fluidez de la membrana puede detener procesos de transporte y enzimáticos.

Permite interacciones dentro de la propia membrana, por otro lado interviene en el movimiento celular en el crecimiento y división celular. Es importante a nivel de las uniones intercelulares en el proceso de secreción y en el proceso de endocitosis. La fluidez de la membrana es importante para permitir cambios de conformación de las proteínas incluidas, la continuidad genética de unas membranas con otras, la fusión de membranas (exo y endocitosis, fecundación) y la citocinesis (en animales). Finalmente, podemos agregar que de la fluidez de las membranas dependen importantes funciones, como el transporte, la adhesión celular, reconocimiento de antígenos. Debido a esto, las membranas tienen mecanismos de adaptación homeoviscosa responsable de mantener la fluidez adecuada en cada momento. Colesterol: Las moléculas de colesterol se encuentran intercaladas entre los fosfolípidos, y su función principal es la de regular la fluidez de la bicapa inmovilizando las colas hidrofóbicas próximas a las regiones polares.

 A manera de un esquema esquema de de resumen podemos establecer que: Temperatura Insaturaciones Longitud de cadena Colesterol

a > temperatura - > fluidez a > Nº de insaturaciones - > fluidez a > longitud - < fluidez a > concentración - < fluidez

9. ESQUELETO MEMBRANOSO:

El esqueleto de la membrana es un sistema interconectado de proteínas integrales y del citoesqueleto que conforma la forma celular, la estabilidad de la membrana, la organización de dominios membranosos y la adhesión celular. La célula mejor utilizada para estudiar el esqueleto de la membrana es el eritrocito. Por debajo de la membrana de éste subyace una malla filamentosa filamento sa de espectrina, cono cortos filamentos de actinatropomiosina y otras proteínas asociadas. Esta red continua se adhiere a proteínas por  medio de la proteína de banda 4.1 y la acrina, las que se unen a la proteína transmembranosa banda 3, que además es un canal de intercambio aniónico. Existen numerosas proteínas que no se unen directamente a la membrana del eritrocito que contribuyen a la estabilidad de su esqueleto. El término banda 3 se refiere a un grupo de intercambiadores aniónicos (AE 0-3), que están presentes en la membrana de todas las células y organelos celulares, y que participan en diversas actividades fisiológicas, entre las que se destacan el intercambio bicarbonato/ cloruro, unión de IgG y remoción celular y el mantenimiento de la integridad celular.

El intercambiador aniónico de banda 3 (AE 1) es la proteína integral principal de la membrana del eritrocito; tiene un peso molecular aproximado de 95 kDa y es el prototipo de todos los AEs, constituido por 911 aminoácidos y presenta alrededor de 1,2 X 10 6 copias por célula. Esta proteína multifuncional tiene 3 dominios: un dominio de membrana transversal donde ocurre el intercambio cloruro/ bicarbonato, un dominio citoplasmático corto C-terminal, y un dominio citoplasmático citoplasmát ico largo N-terminal. El dominio C- terminal citoplasmático de la banda 3 une la anhidrasa carbónica II (CA II), formando un complejo metabólico que permite el paso de bicarbonato en la fase citoplásmica de la banda 3. El dominio citoplásmico N-terminal de la banda 3 une enzimas glicolíticas, hemoglobina y hemicrones, que pueden inducir la agregación de la banda 3 y el recambio celular. Una función fundamental del dominio N-terminal de la banda 3 es el anclaje de la membrana eritrocitaria al citoesqueleto subyacente. Por lo tanto, la banda 3 constituye el elemento

central de un macrocomplejo de proteínas integrales y periféricas en la membrana del eritrocito. 9.1 COMPONENTES 1. Tropomiosina: Tropomiosi na: Componente proteico de los filamentos del sarcómero. Regula, junto con la tropina, las interacciones de la actina y miosina en la contracción muscular. 2. Glicoforina: Proteína transmembrana, altamente glicosilada, presente en los eritrocitos. Forma una envoltura hidrofílica alrededor del eritrocito, impidiendo que este se adhiera a otras células o a las paredes de los vasos. 3. Espectrina: Proteína filamentosa que forma parte parte de la red del citoesqueleto de los eritrocitos, situada en la parte interna de su membrana. Se piensa que la interacción entre la espectrina y otras proteínas es responsable del mantenimiento de la forma bicóncava del eritrocito y del mantenimiento de la asimetría de fosfolípidos entre las

caras interna y externa de la membrana plasmática, y le confiere la propiedad de deformarse. 4. Actina: es una proteína globular que forma los microfilamentos, uno de los tres componentes fundamentales del citoesqueleto de las células eucariotas. Se expresa en todas las células del cuerpo y especialmente en las musculares ya que está implicada en la contracción muscular, por interacción con la miosina. Puede encontrarse en forma libre o polimerizarse en microfilamentos, que son esenciales para funciones celulares tan importantes como la movilidad y la contracción de la célula durante la división celular. 

Filamentos de actina

Los filamentos de actina constituyen uno de los componentes del citoesqueleto, normalmente localizados cerca de la membrana plasmática. Están formados por la polimerización de dos tipos de proteínas globulares: alfa y beta actina. La beta actina es la más frecuente y aparece en la mayoría de las células animales. Su secuencia de aminoácidos difiere ligeramente de la alfa actina, la cual abunda en el músculo. La actina es una proteína citosólica muy abundante, aproximadamente el 10 % del total de las proteínas citosólicas. Una proporción de las moléculas de actina se encuentra formando parte de los filamentos (F-actina) y el resto son proteínas globulares no polimerizadas (G-actina), disueltas en el citosol. Esta proporción varía según las necesidades celulares. Sin la actina una célula no podría dividirse, moverse o realizar fagocitosis. Un avance en el conocimiento de la funcionalidad de la actina se ha basado en la utilización que hacen de ella ciertos patógenos para llevar a cabo las infecciones. La manipulación de estos patógenos y la obtención de mutantes han ayudado a comprender muchos de los aspectos funcionales de los filamentos de actina. 

Estructura

Los filamentos de actina poseen unos 7 nm de diámetro. Es el valor más pequeño dentro de los filamentos que componen el citoesqueleto, por ello también se denominan microfilamentos. Poseen un extremo más y otro menos, es decir, son filamentos polarizados. Ello es consecuencia de la disposición ordenada de las subunidades de actina en el filamento, simpre se ensamblan con la misma orientación. El extremo más se denomina así porque en él predomina la polimerización, adición de nuevos monómeros, respecto a la despolimerización, mientras que en el extremo menos predomina la despolimerización. El mecanismo de crecimiento y acortamiento de la longitud de los filamentos de actina es por polimerización y despolimerización, respectivamente, de los monómeros que los componen. En la célula se crean y se destruyen filamentos de actina continuamente. La formación de nuevos filamentos es posible porque existen complejos proteicos denominados Arp2/3 que actúan como centros nucleadores. Esto es tremendamente útil para la célula puesto que permite crear nuevos filamentos allí donde se necesitan. Las condiciones y la concentración de actina en el citosol impiden que los monómeros se asocien espontáneamente para formar filamentos.

Esquema de un filamento de actina donde se muestra como los monómeros de actina se disponen de forma helicoidal. Es una estructura polarizada donde las constantes de asociación y disociación de los monómeros son diferentes en los dos extremos (flechas verdes), aunque en ambos siempre es mayor la constante de asociación para el monómero unido a ATP. Una vez polimerizado, el monómero hidroliza el ATP liberando Pi y quedando por tanto el monómero unido a ADP. Los filamentos de actina son más abundantes, más cortos y más flexibles que los microtúbulos, que veremos en el siguiente apartado. Una de sus grandes ventajas es que se organizan de muy diferente manera gracias a las denominadas proteínas moduladoras de la actina, las cuales afectan a la velocidad de polimerización de los monómeros de actina, así como a la organización tridimensional de los filamentos. Estas proteínas moduladoras se pueden clasificar en diferentes tipos: a) Afectan a la polimerización. Algunas proteínas, como la profilina, se unen a los monómeros de actina libres e impiden su unión a filamentos preexistentes, mientras otras, como la timosina, favorecen su unión. b) Hay proteínas moduladoras, como las fimbrina y la α -actinina, que permiten la formación de haces de filamentos de actina mediante el establecimiento de puentes cruzados entre filamentos, mientras otras, como la filamina, permiten la formación de estructuras reticulares. c) Ciertas proteínas proteínas moduladoras, como la cofilina, la katanina o la gesolina, provocan la rotura y remodelación de los filamentos de actina; d) También hay proteínas que median en la interacción de los filamentos de actina con otras proteínas relacionadas, como es el caso de la tropomiosina, que media la interacción entre actina y miosina. e) Las proteínas de anclaje permiten la unión de los filamentos de actina a estructuras celulares como las membranas o a otros componentes del citoesqueleto. Existen ciertos factores que condicionan la acción de estas proteínas moduladoras, como la variación en la concentración de calcio, proteínas como las Rho-GTPasas, la presencia de lípidos o la mayor o menor expresión génica de sus ARN mensajeros. También hay drogas que afectan a la polimerización de los filamentos de actina. Por  ejemplo, las citocalasinas impiden la polimerización y las faloidinas impiden la despolimerización.

La polimerización y polimerización de los filamentos de actina se ve afectada por  numerosas proteínas denominadas moduladoras. En este esquema se muestran algunas de las disposiciones de los filamentos de actina en la célula, así como ejemplos de las moléculas moduladoras que los provocan. 

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Funciones de los filamentos de la Actina

Movimiento: Las células no nadan, se desplazan arrastrándose por el medio que las rodea y ello se hace por un mecanismo de reptación, como ocurre en las células embrionarias durante el desarrollo, en el desplazamiento de las amebas, en la invasión de los linfocitos de los tejidos infectados o en los conos de crecimiento de los axones cuando buscan sus dianas. Se sabe que para los desplazamientos celulares se necesitan una serie de pasos: extensión de protusiones citoplasmáticas hacia la dirección del movimiento, adhesión de éstas al sustrato y arrastre del resto de la célula mediante tracción hacia esos puntos de anclaje. A estas protusiones se les denomina lamelipodios cuando son de forma aplanada, filopodios cuando son finas y delgadas o lobopodios cuando son gruesas y cilíndricas. Cuando a las células en movimiento se las trata con citocalasinas, inhibidor de la polimerización de los filamentos de actina, las protusiones desaparecen y el desplazamiento se detiene, luego indica que la actina tiene un papel importante en su formación. De hecho es la polimerización de los filamentos de actina lo que empuja y forma estas protusiones. Cuando estas expansiones contactan con algún lugar del medio extracelular donde se pueden unir, matriz extracelular o la supercie de otras células, lo hacen gracias a proteínas de adhesión como las integrinas. Una vez anclada, la célula arrastra sus componentes intracelulares hacia el lugar de adhesión gracias a la actina y a proteínas motoras como la miosina.

Las proteínas motoras que se asocian con al actina para producir movimiento son del tipo de las miosinas. La energía es aportada por el ATP. En las células se encuentran básicamente dos tipos de miosinas: tipos I y II. Las moléculas de miosina I tienen una cabeza con la que se unen a los filamentos de actina y una cola para unir otros elementos, los cuales son arrastrados por el filamento de actina. Aparecen en la mayoría de las células y sirven para el desplazamiento de ciertos orgánulos o para deformar la propia superficie celular. La familia de la miosina II se encuentra fundamentalmente en el músculo, aunque también aparece en otras células. Éstas tienen dos cabezas con actividad motora y capacidad de hidrólisis de ATP. Se suelen asociar en parejas, unidas a través de sus colas. Muchos dímeros se asocian para formar los filamentos de miosina II, los cuales tienen una polaridad como una flecha de doble cabeza. En el músculo cada una de estas cabezas arrastra a filamentos de actina hacia el punto intermedio entre ellas, que se traduce en una contracción celular. En el músculo liso actúa otro mecanismo mediante el cual el calcio produce una fosforilación de la miosina II permitiéndole la interacción con la actina. Este proceso es mucho más lento porque se necesita que las proteínas quinasas lleguen a sus lugares de acción. o

o

Endocitosis, fagocitosis: Los filamentos de actina se encuentran normalmente en los alrededores de la membrana plasmática, en la denominada corteza celular, aunque en menor proporción también aparecen en zonas más internas de la célula. Ésta es una disposición ideal para participar en procesos de endocitosis y exocitosis, o para formar parte de las microvellosidades de las células epiteliales. Citocinesis: El estrangulamiento final del citoplasma durante el proceso de división celular se produce gracias a un anillo de actina, que, ayudado por la miosinas, va estrechando su diámetro progresivamente hasta la separación completa de los dos citoplasmas de las células hijas.

Establecen dominios de membrana: Los filamentos de actina también afectan a la movilidad lateral de las proteínas de membrana creando barreras a modo de cercas en la cara citosólica de la membrana plasmática que delimitan áreas. Esto impide largos desplazamientos laterales por difusión de las proteínas de la membrana. o

Formación de microvellosidades: Las microvellosidades son estructuras estables que permiten a la célula aumentar enormemente la superficie de su membrana plasmática y aparecen en las células epiteliales como las del tubo digestivo. Cada microvellosidad tiene de 1 a 2 µm de longitud y 0.1 µm de diámetro, y contiene varias docenas de filamentos de actina orientados paralelos al eje longitudinal. Estos filamentos están interconectados por proteínas como la miosina, fimbrina y vilina, por lo que se cree que tienen cierta capacidad de movimiento. Además, se encuentran unidos a la mebrana celular por otras proteínas de enlace. En la base de las microvellosidades aparece un entramado llamado red terminal, formado fundamentalmente por actina, espectrina, miosina II y tropomiosina, el cual está conectado a la base de los haces de actina que forman las microvellosidades.

10. PERMEABILIDAD DE LA MENBRANA La permeabilidad de las membranas es fundamental para el funcionamiento de la célula viva y para el mantenimiento de condiciones fisiológicas intracelulares adecuadas. Esta

función determina que sustancias pueden ingresar a la célula, muchas de las cuales son necesarias para mantener los procesos vitales y la síntesis de sustancias. También regula el pasaje de agua y la salida de productos de desecho que deben ser eliminados de la célula. La presencia de membrana establece una neta diferencia entre el líquido intracelular y el extracelular en que está inmersa la célula. En los organismos unicelulares que crecen en los ríos o en los mares, el líquido extracelular es el agua dulce o salada, respectivamente. En los organismos multicelulares el líquido interno, en especial el denominado liquido intersticial, es el que está en contacto con la superficie externa de la membrana celular. Una de las funciones de la membrana celular consiste en mantener la constancia de su medio intracelular, incluido el equilibrio osmótico con el líquido intersticial. La función reguladora del equilibrio hidroelectrolitico de la membrana plasmática normal se aprecia mejor considerando ciertos defectos de la permeabilidad que ocurre por  depleción de ATP o por activación de fosfolipasas como consecuencia de una serie de situaciones patológicas. La membrana plasmática también puede dañarse directamente por el ataque de linfocitos linfocitos citotóxicos citotóxicos (con inserción de perforinas), perforinas), por activación del sistema del complemento, por toxinas bacterianas o por una multitud de agentes químicos o físicos. En todos estos casos la lesión celular inicial característica es la tumefacción o edema celular agudo, con aumento del volumen celular por ganancia de agua, dilatación de los componentes del sistema de endomembranas y de mitocondrias, junto con alteraciones más complejas que llevan con el tiempo a la muerte celular. Existen dos tipos muy diferentes de pasaje de sustancias a través de las membranas celulares. En uno de ellos, que analizamos inicialmente, los iones o las moléculas relativamente pequeñas son transportados por diferentes mecanismos a través de las membranas sin que estas experimenten deformaciones evidentes. En el segundo caso, denominado transporte en masa, las macromoléculas o partículas mayores son incorporadas a la célula por mecanismos que incluyen cambios visibles en las membranas; como es de caso de la fagocitosis, la pinocitosis y la exocitosis. La permeabilidad depende de los siguientes factores: 

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Solubilidad en los lípidos: Las sustancias que se disuelven en los lípidos (moléculas hidrófobas, no polares) penetran con facilidad en la membrana dado que está compuesta en su mayor parte por fosfolípidos. Tamaño: la mayor parte de las moléculas de gran tamaño no pasan a través de la membrana. Sólo un pequeño número de moléculas no polares de pequeño tamaño pueden atravesar la capa de fosfolípidos. Carga: Las moléculas cargadas y los iones no pueden pasar, en condiciones normales, a través de la membrana. Sin embargo, algunas sustancias cargadas pueden pasar por los canales proteicos o con la ayuda de una proteína transportadora.

También depende de las proteínas de membrana de tipo:

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Canales: algunas proteínas forman canales llenos de agua por donde pueden pasar sustancias polares o cargadas eléctricamente que no atraviesan la capa de fosfolípidos. Transportadoras: otras proteínas se unen a la sustancia de un lado de la membrana y la llevan al otro lado donde la liberan. Permeabilidad de las membranas a moléculas pequeñas. La permeabilidad es pasiva si sólo obedece a las leyes de la física, como en el caso de la difusión simple. Es conocimiento común que si se coloca en un recipiente con agua una solución concentrada de una sustancia soluble (por ejemplo, azúcar), se produce un movimiento de difusión del soluto siguiendo el gradiente de concentración. Sin embargo, si se interpone una membrana lipoprotéica del tipo de las membranas biológicas, el movimiento de difusión se modifica considerablemente y la membrana actúa como una barrera para el paso de ciertas sustancias. El pasaje de iones o moléculas pequeñas a través de las membranas biológicas puede ocurrir a favor o en contra de su gradiente de concentración químico o electroquímico.

10.1 PERMEABILIDAD DE LAS MEMBRANAS A MOLECULAS PEQUEÑAS La permeabilidad es pasiva si solo obedece a las leyes físicas, como en el caso de la difusión simple. Es conocimiento común que si se coloca en un recipiente con agua una solución concentrada de una sustancia soluble (azúcar), se producirá un movimiento de difusión del soluto siguiendo el gradiente de concentración. Sin embargo, si se interpone una membrana lipoproteica del tipo de membranas biológicas, el movimiento de difusión se modifica considerablemente y la membrana actua como una barrera para el paso de ciertas sustancias. El pasaje de iones o moléculas pequeñas a través de las membranas biológicas puede ocurrir a favor o en contra de su gradiente de concentración químico o electroquímico. En el caso del transporte a favor de gradiente, éste se puede realizar sin gasto de energía (permeabilidad pasiva). En ocasiones, esta permeabilidad pasiva ocurre por difusión simple a través de la bicapa lipídica, mientras que para todos los iones y para una gran cantidad de moléculas son necesarias, en la membrana, proteínas transportadoras especiales (canales iónicos y permeasas). Se habla en este último caso de difusión facilitada. Cuando el transporte debe hacerse en contra del gradiente de concentración, es necesario emplear energía. Esta energía puede provenir de la utilización directa de  ATP por medio de las proteínas proteínas transportadoras, transportadoras, como es el caso del transporte activo primario (mediado por diversas categorías de bombas). Un ejemplo lo constituye la bomba de sodio-potasio. 10.1.1 Permeabilidad de una capa bilipídica. Difusión simple. Es posible construir en el laboratorio una bicapa que cierre la comunicación entre dos compartimientos acuosos (membranas artificiales). En un sistema como éste se puede

estudiar el pasaje de diversas sustancias en membranas lipídicas con ausencia de proteínas transportadoras. La figura anterior esquematiza el comportamiento de diferentes sustancias frente a una bicapa, en condiciones de gradiente favorable. Las pequeñas moléculas no polares (vale decir, hidrofóbicas) difunden rápidamente a través de las membranas. En general penetran más rápidamente cuanto menor es la molécula y mayor su liposolubilidad. Pasan por difusión simple a través de la bicapa los gases, el benceno y ciertos medicamentos liposolubles. Las moléculas hidrofílicas también pueden difundir, con la condición de que no estén cargadas y de que posean pequeño tamaño. De esa manera pasan rápidamente el metanol, el etanol y el glicerol. También el agua puede atravesar la bicapa, aunque en la célula esto representa menos del 10% del total del pasaje acuoso a través de la membrana. Las moléculas hidrofílicas mayores, del tamaño de los monosacáridos en adelante, no atraviesan las bicapas en ausencia de proteínas. Es importante destacar que todas las partículas cargadas, por pequeño que sea su tamaño (como el caso de un protón), son incapaces de atravesar la bicapa lipídica, dado que atraen moléculas de agua (que son dipolares) y se rodean constantemente de una capa acuosa, y esta capa de hidratación o nube acuosa es de considerables dimensiones. 10.1.2. Permeabilidad de las membranas celulares. Como en el caso de las membranas bilipídicas artificiales, las membranas biológicas permiten la difusión simple del mismo tipo de moléculas que aquéllas. Sin embargo, en las membranas celulares también ocurre el pasaje de iones, aminoácidos, monosacáridos y aun moléculas hidrofílicas mayores. Esto se debe a la presencia, en todas las membranas biológicas, de proteínas transportadoras especiales. En general son proteínas de paso múltiple, vale decir que la cadena polipeptídica recorre el espesor de la membrana varias veces, lo cual determina un interior acuoso en su estructura que aísla del interior  hidrofóbico de la membrana a la sustancia transportada. Cada una de las proteínas transportadoras es específica, en el sentido de que transporta solamente un tipo de molécula y es capaz de discriminar incluso diferentes tipos de aminoácidos o de monosacáridos entre sí. Transporte pasivo o difusión facilitada . Este tipo de transporte se hace siempre a favor 

del gradiente electroquímico, y las proteínas transportadoras pueden ser de dos clases: canales iónicos o permeasas. Una diferencia fisiológica fundamental entre la difusión simple y el transporte pasivo lo constituye su cinética. En la difusión simple la velocidad de pasaje es siempre proporcional a la diferencia entre las concentraciones a ambos lados de la membrana, mientras que en el transporte pasivo (o difusión facilitada) la velocidad de transporte aumenta rápidamente con la diferencia de concentraciones, pero se llega a un tope (Vmax) cuando todas las proteínas transportadoras de la membrana están funcionando al máximo de su velocidad. Se dice

entonces que el sistema está saturado. Esto vale tanto para las permeasas como para los canales iónicos. Canales iónicos . El primer grupo de proteínas transportadoras que consideraremos está

constituido por los llamados canales iónicos. Estos forman poros o conductos hidrofílicos que recorren el espesor de todas las membranas celulares y permiten el flujo pasivo de iones a través de éstas. Son altamente selectivos, por lo que en general facultan el paso de un solo tipo de ion. Los canales iónicos son teóricamente saturables, aunque no en condiciones fisiológicas. Existen canales que permanecen siempre abiertos, mientras que otros se abren y cierran regulados por señales químicas, eléctricas o mecánicas que provocan cambios conformacionales en las proteínas del canal. Los canales regulados, de importancia fundamental en células musculares, secretorias, neuronas y otras, comprenden múltiples isoformas con diferentes tipos de regulación, selectividad iónica o velocidades de apertura o cierre, que se expresan de manera diferencial en distintos tipos celulares a lo largo del desarrollo. 

Canales regulados por voltaje. Existen canales regulados para sodio, potasio y calcio. Los canales de sodio de las células musculares, por ejemplo, permanecen cerrados cuando la membrana plasmática mantiene su potencial de reposo que es negativo para el interior celular con una diferencia de voltaje de unos −90 mv, cuando se despolariza un punto de la membrana de estas células, el campo eléctrico modificado de la membrana influye sobre regiones cargadas de las proteínas del canal, provoca su apertura. El sodio, más concentrado en el exterior  de la célula que en el interior, penetra por diferencia de gradiente electroquímico y contribuye aún más al cambio de potencial, pues hace que se abran canales de sodio más alejados y causa así la propagación de la despolarización a lo largo de la membrana.

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Canales regulados por ligando. Se trata de canales-receptores que, al unirse con su ligando específico experimentan un cambio conformacional que determina su apertura. Un ejemplo lo constituye el receptor de acetilcolina, canal de sodio regulado que en la sinapsis se encarga de iniciar la despolarización de la membrana postsináptica. Los ligandos pueden unirse al lado extracelular del canal como, por ejemplo, los neurotransmisores o, en algunos casos, al dominio citosólico, como ocurre con el AMPc u otros mensajeros intracelulares.

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Canales regulados mecánicamente. Se abren regulados por el estiramiento de las membranas. Se piensa que la tensión es transmitida a las proteínas del canal por elementos del citoesqueleto. En el caso de las células neuroepiteliales del oído interno las fuerzas que actúan sobre estos canales se transmiten a través de fibrillas insertadas en la cara extracelular 

Permeasas . El segundo tipo de proteínas para el transporte pasivo lo constituyen las

permeasas o transportadores (a veces denominadas denominadas carriers según su nombre en inglés). También son muy específicas, ya que discriminan incluso entre isómeros, como es el caso de la glucosa y la galactosa, que si bien difieren solamente en la posición de un oxhidrilo en el carbono 4, requieren dos permeasas diferentes. En todos los casos la molécula transportada debe unirse a un sitio específico de la permeasa la que sufre una serie de cambios conformacionales para finalmente trasladar al soluto a la cara opuesta de la membrana sin gasto de energía. Estos procesos limitan la velocidad del transporte, que es más lento que para el caso de los canales iónicos. En la figura anterior se representa el mecanismo propuesto para el transporte selectivo por  medio de permeasas. Otro de los mecanismos postulados para la difusión facilitada, el del translocador móvil, es muy improbable desde el punto de vista termodinámico. El único caso de transportadores móviles conocido es el de ciertos ionóforos de uso experimental, como la valinomicina o el  A23187.  A23187. Otros ionóforos ionóforos utilizados, utilizados, como el antibiótico gramicidina, gramicidina, forman canales convencionales. Transporte activo. En algunos casos las proteínas transportadoras deben mediar el

pasaje de iones o de moléculas en contra del gradiente electroquímico. En estas circunstancias se requiere el uso de energía y se habla de transporte activo. Existen dos tipos de transporte activo: el primario (mediado por ATPasas) y el secundario (media- do por proteínas cotransportadoras). En ambos casos, directa o indirectamente debe consumirse energía, y ésta proviene sobre todo de la fosforilación oxidativa en las mitocondrias. Como consecuencia de ello, el transporte activo está acoplado a la respiración celular. Transporte activo primario . Las permeasas especiales que utilizan ATP directamente

como fuente de energía para el transporte activo se denominan bombas o ATPasas. Las

bombas (o ATPasas de membrana) comprenden varias familias de proteínas. Algunas están formadas por múltiples cadenas polipeptídicas asociadas, y todas tienen en común la característica de que transportan (y a veces cotransportan) un determinado tipo de ion en contra del gradiente electroquímico con utilización de ATP En algunos casos, como el de la P-170, la molécula transportada no es un ion. Analizaremos varios ejemplos de bombas o ATPasas de membrana. 

Bombas de protones. Existen varias clases, algunas de ellas asociadas a las membranas plasmáticas y otras a organoides membranosos, como lisosomas, endosomas, gránulos secretorios y vacuolas de células vegetales y de eucariotas inferiores. En el interior de los endolisosomas determinan una concentración de iones hidrógeno que lleva el pH a valores inferiores a 5. Las ATPasas de clase F de los procariotas, cloroplastos y mitocondrias también son bombas protónicas, pero en el caso de las mitocondrias suelen funcionar en reversa sintetizando ATP.

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Bombas de calcio. Existen en las membranas plasmáticas y en las membranas internas como del retículo sarcoplasmático. En ambos casos el calcio es removido del citosol hacia el exterior de la célula o hacia el interior del compartimiento citoplasmático secuestrador de calcio. Ambos mecanismos, junto con un sistema de antiporte sodio-calcio, que analizaremos más adelante, son responsables de que el calcio se mantenga unas 4.000 veces menos concentrado en el citosol que en el medio extracelular.

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Glucoproteína P (P-170). Comprende una variedad de isoformas de proteínas transmembranosas que se expresan en las membranas plasmática de los hepatocitos, enterocitos y células del epitelio renal. Intervienen en la excreción hacia la bilis, el intestino y la orina de una serie de toxinas hidrofóbicas del metabolismo normal, a las que transportan contra gradiente al exterior de las células con consumo de ATP. A este tipo de molécula también se la llama ATPasa de resistencia a multidrogas, dado que ciertas células tumorales sobreexpresan esta proteína, que extrae rápidamente del citoplasma a las drogas citostáticas y torna inefectiva la quimioterapia antitumoral.

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Bomba de sodio-potasio. Es de fundamental importancia para el metabolismo celular. Está constituida por un tetrámero de dos subunidades transmembranosas α y dosβ dosβ . En el dominio citosólico de la subunidad β reside el sitio catalítico para a hidrólisis del ATP y el sitio para la unión de tres iones sodio. En el dominio extracelular existe el sitio de unión de dos iones potasio; este sitio puede ser  ocupado por la ouabaína, que es un glucósido digitálico que inhibe el funcionamiento de la bomba.

La concentración de sodio es característicamente unas 15 veces mayor en el líquido extracelular que dentro de la célula, mientras que la situación inversa se da para el

potasio, que es preferentemente intracelular. Estas concentraciones son mantenidas por  la actividad de la bomba de sodio-potasio, que cotransporta ambos iones en contra de sus gradientes. Dado que se debe Como consecuencia de la actividad de la bomba de sodio-potasio, la célula puede mantener su balance osmótico y estabilizar así su volumen. En algunos casos de anoxia o lesión celular, la producción de ATP está disminuida y la energía disponible no es suficiente para el funcionamiento normal de la bomba de sodio-potasio. Como ya vimos, en estas circunstancias la lesión celular inicial característica es la tumefacción o edema celular agudo con aumento del volumen celular por ganancia de agua, junto con alteraciones más complejas que culminan en la muerte celular. Se dice que la bomba de sodio-potasio es electrogénica, vale decir que tiende a crear un potencial eléctrico de membrana, con el interior negativo, dado que por cada tres cationes que extrae de la célula introduce solamente dos. Las propiedades eléctricas de la membrana se considerarán en detalle más adelante. Transporte activo secundario . Utiliza la energía potencial contenida en el gradiente

favorable de la sustancia cotransportada. El elemento más importante que motoriza el cotransporte a través de la membrana plasmática es el sodio, cuyo gradiente favorable, a su vez, debe mantenerse con gran gasto de energía. En algunas ocasiones la sustancia cotransportada es introducida contra gradiente junto con el sodio (simporte), como en uno de los tipos de transportadores de glucosa de los enterocitos o del epitelio renal. En otras células la entrada de sodio se utiliza para extraer al otro elemento (antiporte), como el intercambiador de sodio-calcio de los cardiocitos. A propósito de este último ejemplo, recordemos que los glucósidos digitálicos, como la ouabaína, inhiben la bomba de sodiopotasio. Este es justamente el mecanismo de acción de los digitálicos en la terapia de la insuficiencia cardiaca congestiva: alterar el gradiente de sodio, de modo de interferir en su cotransporte con el calcio; el consiguiente aumento de la concentración de éste en los cardiocitos incrementa su contractilidad. 10.2 PERMEABILIDAD DE LAS MEMBRANAS A MACROMOLÉCULAS Y PARTÍCULAS. Las macromoléculas y las partículas de nivel supramolecular, algunas de ellas de gran tamaño, pueden ser introducidas en la célula (o extraídas de ella) por un mecanismo completamente diferente de los que acabamos de analizar. En sentido estricto, estas partículas nunca atraviesan las membranas, sino que por un proceso de deformación y fusión de membranas se produce el llamado transporte en masa, que incluye las diversas formas de endocitosis (pinocitosis y fagocitosis) si el material se incorpora a la célula; si el material es eliminado al exterior se habla de exocitosis.

11. RECEPTORES DE MEMBRANA

Las hormonas polipeptídicas se unen generalmente a sus receptores específicos en la membrana celular. El receptor reconoce características estructurales de la hormona que generan un alto grado de especificidad y afinidad. La unión de la hormona al receptor  puede provocar cambios conformacionales en la molécula de receptor que permiten la asociación con el transductor, en el que pueden tener lugar cambios adicionales para permitir la interacción con una enzima en el lado citoplasmático de la membrana celular. Los cambios conformacionales en la enzima, a su vez, hacen que se active su sitio catalítico. Es más, en algunos casos, el complejo receptor "activado" podría, físicamente, abrir un canal iónico en la membrana o tener otros impactos profundos sobre su estruc-

tura. Este proceso se conoce como TRANSDUCCIÓN DE LA SEÑAL y a las moléculas participantes en las interacciones se los llama genéricamente transductores o moléculas transductoras. Muchas de las hormonas que se unen a receptores de membranas transmiten sus señales mediante: 1) aumento del AMP C y la activación de la ruta de la proteína quinasa A 2) el aumento del GMPC y la activación de la ruta de la proteína quinasa G 3) activación de la hidrólisis del fosfatidilinositl fosfatidilinositl 4,5 bifosfato bifosfato y la estimulación de la ruta de la proteína quinasa C. La proteína quinasa A y la proteína quinasa C fosforilan residuos de treonina o serina, modificando la actividad enzimática de manera específica en cada tipo celular ejerciendo así efectos sobre el metabolismo. Existen además otros mecanismos menos frecuentes de transferencia de señal que, por ejemplo, afectan a moléculas de membranas tales como la fosfatidilcolina. Otro mecanismo de transducción, a través de la activación de cascadas de quinasas, implica la fosforilación de residuos de tirosina, serina o treonina y tiene lugar en los dominios citoplasmáticos de algunos receptores de membrana; especialmente, en receptores para factores de crecimiento. Este sistema es importante en el caso del receptor de insulina, el receptor del IGF (insulin grow factor), Hormona de crecimiento crecimient o (GH) y Prolactina (PRL) así como de Factores de crecimiento, productos de ciertos oncogenes (PDGF; EGF; FDGF). 11.1 TRANSDUCCIÓN DE LA SEÑAL: ACTIVACIÓN DE LA ADENILCICLASA. PROTEÍNAS G. La mayoría de los transductores de receptores en la membrana celular son proteínas G. Las proteínas G constan de tres tipos de subunidades: a, b y g. La subunidad a es el componente de fijación del nucleótido de guanina y se cree que interacciona indirectamente con el receptor a través de las subunidades b y g , a continuación, directamente con un enzima, lo que da como resultado la activación del enzima. El caso más conocido es el de la activación de la enzima Adenilato Ciclasa por ligado de H-R y activación de proteínas G, mecanismo que describimos a continuación. En realidad existen dos formas de la subunidad a, designadas a s la subunidad a estimuladora y ai para la subunidad a inhibidora. Dos tipos de receptores, y por tanto de hormonas, controlan la reacción de la adenilato ciclasa: hormona-receptores que dan lugar a una estimulación de la adenilato ciclasa, y aquellos que dan lugar a una inhibición de la ciclasa.

La hormona se une al receptor en la membrana (Paso 1); esto produce un cambio conformacional en el receptor que deja expuesto un sitio para la fijación de proteína G subunidad b g (Paso 2); la proteína G puede ser tanto estimuladora, Gs, como inhibidora, Gi, en relación con el efecto final sobre la actividad de la adenilato ciclasa; el receptor  interacciona con la subunidad b g de la proteína G permitiendo que la subunidad a intercambie el GDP unido por GTP (Paso 3); la disociación de GDP provoca la separación entre la subunidad a y la subunidad b g de la proteína G con lo que en la superficie de la subunidad a de la proteína G se origina un sitio de unión para la interacción con la adenilato ciclasa (Paso 4); la subunidad a se une a la adenilato ciclasa y activa el centro catalítico, de modo que el ATP es convertido en cAMP (Paso 5); el GTP se hidroliza a GDP por la actividad GTPasa de la subunidad a, devolviéndola a su conformación original y permitiendo de nuevo su interacción interacci ón con la subunidad b g (Paso 6); el GDP se asocia con la subunidad a y el sistema retorna al estado no estimulado en espera de otro ciclo de actividad. Es importante destacar las pruebas que sugieren que los complejos b, g pueden desempeñar funciones importantes en la regulación de determinados factores, incluída la adenilato ciclasa.(figura 7)

En el caso en que una proteína G inhibidora se acople al receptor, los fenómenos son similares, pero la inhibición de la actividad adenilato ciclasa puede producirse aquí por  interacción directa de la subunidad a inhibidora con la adenilato ciclasa o, alternativamente, la subunidad a inhibidora puede interaccionar directamente con la subunidad a estimuladora del otro lado y evitar así indirectamente la estimulación de la actividad adenilato ciclasa. Diversos experimentos han permitido identificar al menos 15 genes distintos que codifican las subunidades a en mamíferos. También parece existir diversidad entre las formas b y g de mamíferos. Se han descripto al menos 4 DNAc de subunidades b y probablemente un número igual en las g. Un mecanismo similar de activación de proteínas G se propone para la activación de la guanilatociclasa, enzima que cataliza la síntesis de GMP c a partir de GTP.

11.2 SEGUNDOS MENSAJEROS 

AMP cíclico.

La formación de cAMP en la célula normalmente activa la proteína quinasa A, lo que se denomina ruta de la proteína quinasa A. La ruta completa utiliza cuatro moléculas de cAMP en la reacción que forma un complejo entre dos subunidades reguladoras (R), liberándose dos subunidades catalíticas (C) de la proteína quinasa. Las subunidades catalíticas de proteinquinasa A liberadas son capaces de fosforilar proteínas para producir  un efecto celular. En muchos casos, el efecto celular provoca la liberación de hormonas preformadas,. Por  ejemplo, la ACTH se une a receptores de membrana, eleva el nivel de AMPc intracelular, y libera cortisol desde las células de la zona fasciculata de la glándula adrenal mediante este mecanismo general. La ruta del AMPc interviene en una parte del mecanismo de liberación de hormonas tiroideas desde la glándula tiroidea. Se ha demostrado que la TSH (tirotrofina) estimula numerosos pasos clave en este proceso de secreción, entre ellos la captación de yodo y la endocitosis de tiroglobulina. La ruta de la proteína quinasa  A es también responsable responsable de la liberación de testosterona testosterona por las células de Leydig

testiculares. En otros casos se modifica la actividad de enzimas del metabolismo como en el caso de glucagon y adrenalina sobre enzimas de la glucólisis. Por útlimo, puede también activarse una proteína llamada CBP que migrando al núcleo reconocen enhancers específicos llamados “sitios CREB”, elementos de respuesta a cAMP, con lo que se puede modificar actividades enzimáticas por inducción o represión de genes. Son muchas las hormonas que actúan a través de este mecanismo.

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IP3, DAG, Calcio-calmodulina

El descubrimiento del regulador de la actividad de la fosfodiesterasa dependiente de calcio proporcionó la base para comprender la manera en que el Ca 2+ y el AMPc interactúan dentro de la célula. El término con el que se conoce ahora a la proteína reguladora dependiente del calcio es calmodulina, una proteína de 17 KDa homóloga a la proteína muscular troponina C en estructura y función. La calmodulina tiene cuatro sitios para fijación del calcio y la ocupación total de estos sitios conduce a un cambio notable de la conformación, de modo que la mayor parte de la molécula asume una estructura de hélice alfa. Se presume que este cambio de conformación confiere a la calmodulina la propiedad para activa o inactivar enzimas (por ejemplo, adenil ciclasa, fosfolipasa A 2, glicerol-3 fosfato deshidrogenasa, piruvato carboxilasa, piruvato dashidrogenasa, proteína cinasa dependiente Ca 2+/fosfolípido entre otras). La interacción de calcio con la calmodulina (con el cambio resultante de actividad de la última) es conceptualmente análoga a la fijación del AMPc a la proteína cinasa y la activación subsiguiente de esta molécula. Con frecuencia, la calmodulina es una de las subunidades reguladoras de proteínas oligómeras, entre ellas varias cinasas y enzimas, participando en el metabolismo de combustibles como en la generación y degradación de nucleótidos cíclicos y el transporte transport e de iones. Además de estos efectos, el complejo calcio/calmodulina calcio/calm odulina

regula la actividad de numerosos elementos estructurales en las células. Entre otros el complejo actina-miosina del músculo liso, que está bajo control beta adrenérgico, y varios procesos mediados por microfilamentos en las células no contráctiles inclusive la movilidad de la propia célula, los cambios conformacionales, la mitosis, la liberación de gránulos y la endocitosis. Los niveles de calcio citosólicos pueden modificarse tanto por ingreso del calcio extracelular como por la liberación desde su principal depósito intracelular: el retículo endoplásmico. La variación de los niveles de calcio puede controlarse directamente por ligado de la hormona al receptor (ej: neurotransmisores) tanto como a través de las modificaciones en los niveles de IP3- DAG por acción de la fosfoilpasa C (ej: insulina). Una hormona que opera a través de este sistema se une a un receptor específico de la membrana celular, que interacciona con una proteína G según un mecanismo similar al de la ruta de la proteína quinasa A y transduce la señal, lo que da como resultado la estimulación de fosfolipasa C. Esta enzima cataliza la hidrólisis de fosfatidilinositol 4,5bifosfato (PIP2) para formar dos segundos mensajeros, diacilglicerol (DAG) e inositol1,4,5-trisfosfato (IP3). El inositol 1,4,5-trisfosfato difunde hacia el citoplasma y se une a un receptor de IP3 en la membrana de un depósito de calcio, que puede estar separado del retículo endoplasmático, o bien formar parte del mismo. Esta unión da como resultado la liberación de iones calcio, que contribuye a un gran incremento del calcio citoplasmático. Por otro lado, el IP3 se metaboliza por eliminación progresiva de grupos fosfato hasta formar inositol. Este se combina con ácido fosfatídico (PA) para formar fosfatidilinositol (PI) en la membrana celular. Este último es fosforilado doblemente por una quinasa para formar PIP2, que bajo estímulo hormonal ya puede entrar en otra ronda de hidrólisis y formación de segundos mensajeros (DAG e IP3). Si el receptor todavía está ocupado por  una hormona, pueden producirse varias rondas del ciclo antes de que se disocie el complejo hormona-receptor. Por último, es importante destacar que no todo el IP3 es desfosforilado durante la estimulación hormonal. Parte del IP3 es fosforilado mediante la IP3 quinasa para dar lugar a inositol 1,3,4,5-tetrafosfato (IP4), que puede mediar en algunas de las respuestas hormonales más lentas o prolongadas -a través de la activación de cascadas de quinasas/fosfatasas -con la modifiación final de la expresión genética.

El DAG activa la ruta de la proteína quinasa C. Simultáneamente al aumento de Ca2+ citoplasmático inducido por el IP3, el cual procede de la hidrólisis de PIP2, el DAG produce diversos efectos. El DAG activa una importante proteína quinasa de serína/treonína denominada proteína quinasa C por su dependencia de calcio. El aumento inicial del calcio citoplasmático inducido por IP3 parece alterar de algún modo la proteína quinasa C, de modo que ésta es translocada desde el citoplasma hacia la cara citoplasmática de la membrana plasmátíca. Una vez translocada, es activada por una combinación de calcio, DAG y el fosfolípido negativo de la membrana, fosfatidilserina. Tras su activación, la proteína quinasa C fosforila proteínas específicas en el citosol o, en ocasiones, en la membrana plasmática. Estas proteínas fosforiladas llevan a cabo funciones específicas que no pueden realizar en el estado desfosforilado. Por ejemplo, una proteína fosforilada podría migrar hasta el núcleo e incrementar la mitosis y el crecimiento. crecimient o. Además, el sitema IP3-DAG puede modificar la actividad de una familia de enzimas llamadas genéricamente fosfodiesterasas, de las cuales es más abundante la fosfodiesterasa 1 (FD1), cuya activación permite la destrucción de moléculas de cAMP. De este modo hormonas cuyo segundo mensajero es el IP3 pueden reducir los niveles de cAMP en forma indirecta. 

GMP cíclico. Ruta de la proteína quinasa G.

El tercer sistema es el sistema de la proteína quinasa G, que se estimula por el aumento de cGMP citoplasmático. El GMP cíclico es sintetizado por la guanilato ciclasa a partir de GTP. Al igual que la adenilato ciclasa, la guanilato ciclasa está vinculada a una señal biológica específica a través de un receptor de membrana. El dominio extracelular de la guanilato ciclasa puede ejercer la función de receptor hormonal. Está directamente acoplado al dominio citoplasmático mediante un dominio que abarca la membrana, que puede también aplicarse al receptor del factor atrionatriurético (ANF) también

denominado sistema de la guanilato ciclasa-receptor. Así, una sola cadena polipeptídica proporciona el sitio de unión de hormona, el dominio transmembrana y la actividad guanilato ciclasa. El cGMP producido activa una proteína quinasa G, que posteriormente fosforila proteínas celulares para que se expresen muchas de las acciones de esta ruta. Es necesario conocer más datos acerca de la proteína quinasa G. Otra molécula capaz de activar la ruta de la proteinquinasa G es el Óxido Nitrico, producido por ejemplo, por las células endoteliales. El cGMP también es el mediador de la respuesta a la luz en los procesos de la visión. Aunque en estos casos no se trata de señales del sistema endocrino Mediante el uso de análogos del ANF se ha mostrado que la mayoría de receptores expresados en el riñón son "silenciosos" desde el punto de vista biológico, dado que no pueden desencadenar una respuesta fisiológica. Esta nueva clase de receptores puede servir como un sistema periférico de almacenaje y eliminación, y de este modo actuar  como tamponador hormonal que module los niveles plasmáticos de ANF.

11.3 TRANSDUCCIÓN A TRAVÉS DE TIROSINA QUINASA: EL RECEPTOR DE INSULINA Las subunidades a del receptor de insulina se localizan fuera de la membrana celular y aparentemente constituyen el sitio de unión de la insulina. El complejo insulina-receptor  experimenta una secuencia de activación que probablemente incluye cambios conformacionales y fosforilaciones (autofosforilaciones) de residuos de tirosina localizados en la porción citoplasmática del receptor (subunidades b). Esto da como resultado la

activación de la actividad tirosina quinasa ubicada en la subunidad b , que ahora es capaz de fosforilar proteínas citoplasmáticas que pueden transmitir la señal de insulina al interior  de la célula. El resultado neto de estas fosforilaciones incluye una serie de efectos metabólicos a corto plazo, por ejemplo un aumento en la captación de glucosa, así como también efectos a largo plazo de la insulina en la diferenciación celular y el crecimiento.  Aunque, como ya se ha mencionado anteriormente, el propio receptor de la insulina es una tirosina quinasa que se activa por la unión de la hormona, las fosforilaciones que ocurren a continuación se dan predominantemente en residuos de serina y treonina. También se muestra que la insulina puede estimular simultáneamente la fosforilación de algunas proteínas y la desfosforilación de otras. Ambos sucesos bioquímicos pueden conducir a la activación o la inhibición de enzimas específicas implicados en la mediación de los efectos de la insulina. Estos procesos opuestos (fosforilación y desfosforilación) mediados por la insulina pueden sugerir que estas acciones pleiotrópicas se deban a rutas separadas de transducción de señal originadas a partir del receptor de la insulina. Los sustratos de la tirosina quinasa del complejo insulina-receptor constituyen en la actualidad un importante campo de investigación; ya que las proteínas fosforiladas podrían ser las responsables de los efectos de la insulina a largo plazo. La actividad directa de fosforilación de la tirosina quinasa del receptor, podría explicar también el movimiento de receptores de glucosa (transportadores) desde el interior de la célula hasta la superficie para dar cuenta del aumento en la utilización de glucosa celular en células que usan este mecanismo para controlar la incorporación de glucosa. Se plantea como esquema hipotético de la transducción de la señal en la acción de la insulina, lo siguiente: Tras la unión de la hormona, el receptor de la insulina es autofosforilado en las tirosinas y se activa la quinasa. El receptor fosforila sustratos intracelulares, incluidas las proteínas IRS-1 y Shc, las cuales, después de ser fosforiladas, se asocian con proteínas que contienen dominios SH2, como p85, SYP o Grb2. La formación del complejo IRS1-p85 activa la PI 3-quinasa; el complejo IRS-l-SYP activa la SYP lo cual conduce a la activación del MEK. El complejo Shc-Grb2 hace de mediador en la estimulación de la unión de GTP a la P2l Ras, lo cual desencadena una cascada de fosforilaciones. Estas fosforilaciones probablemente se dan de forma secuencial, y en ellas interviene el protooncogén raf, la MEK, la quinasa de MAP y la quinasa II de S6. Es probable que el receptor se acople por  separado a la activación de una fosfolipasa C específica que cataliza la hidrólisis de las moléculas de glucosil-PI en la membrana plasmática. El inositol fosfato glucano (IPG), producto de la reacción anterior puede actuar como segundo mensajero, especialmente en lo que se refiere a la activación de fosfatasas de serina/treonina y la posterior regulación del metabolismo de la glucosa y los lípidos. (Abreviaturas: IRS-1, sustrato-1 del receptor de la insulina; SH, homología src, quinasa de MAP quinasa de la proteína activada por mitógenos; MEK, quinasa de MAP; GPI, glucosil fosfatidil inositol; PLC; fosfolipasa C; SOS, "son of sevenless").

Considerando los mecanismos conocidos hasta el momento, la siguiente tabla muestra los ejemplos más importantes de transducción de la señal a través de receptores de membrana. Aunque hay que tener en cuenta que existen hormonas como la insulina que utilizan dos mecanismos de transducción (quinasas e IP3) a partir de un mismo receptor y también hormonas que en los diferentes tejidos poseen receptores que activan señales de transducción diferente (ej: ADH, su receptor V1 activa IP3-DAG y su receptor V2 activa cAMP). 11.4 ENSAMBLAJE DE UNA MEMBRANA La formación de una bicapa lipídica es un proceso espontáneo en el que fuerzas intermoleculares como interacciones de van der Waals, e interacciones hidrofobicas (mediada por el efecto hidrofóbico) favorecen que las colas de los lípidos se autoasocien y autoensamblen espontáneamente en una bicapa lipídica con las capaces polares orientadas hacia el agua, y las colas hidrofóbicas hacia el interior. Así, cuando los fosfolípidos se “disuelven” en agua forman espontáneamente una micela o una bicapa lipídica en forma de liposomas.

11.4.1 Estructura química de un fosfolípido

Estructura de la fosfatidilcolina unos de los fosfolípidos (fosfoglicerido) más comunes en las membranas biológicas. Estructura química y representación de modelos de bolas de su estructura atómica, que da una idea aproximada de la forma de la molécula.

11.4.2 Señalización molecular  Ciertas proteínas integrales de membrana sirven también como receptores para recibir y transducir señales químicas o físicas del ambiente externo al interior celular. Permiten por  ello la comunicación de la célula con su entorno exterior. Proteínas receptores de membrana sirven para sentir estímulos externos (generalmente una pequeña moléculas señalizadora, e.g. hormona o un estímulo físico, luz por ejemplo) y poner en marcha una cascada de señalización interna que conduce a la generación finalmente una respuesta fisiológica adecuada. En muchos casos los receptores tienen también actividad enzimática.

Por ejemplo, el receptor de insulina, una hormona péptidica que controla los niveles de glucosa en sangre es una proteína integral de membrana que tiene también actividad enzimática (quinasa).

Unión intercelular. Las proteínas de membranas adyacentes pueden actuar como puentes de unión entre células. Permiten la comunicación intercelular. Las uniones comunicantes (gap junctions en inglés) un ejemplo de estructuras para la comunicación intercelular  construidas con proteínas integrales de membrana llamadas conexinas. 12. ANEMIAS HEMOLITICAS HEREDITARIAS

Las anemias hemolíticas heredadas se deben a defectos congénitos de alguno de los tres componentes de los hematíes: la membrana, las enzimas o la hemoglobina. Trastornos de la membrana de los hematíes Estos suelen descubrírse por las alteraciones morfológicas de los hematíes observadas en los frotis de sangre periférica. 12.1 ESFEROCÍTOSIS HEREDITARIA Se caracteriza por la presencia de hematíes esféricos debidos a un defecto molecular que afecta a una de las proteínas del citoesqueleto de la membrana eritrocitaria. Este proceso suele tener una herencia autosómica dominante y una incidencia aproximada de 1:1000 a 1:4500. A veces, el proceso se manifiesta en la primera infancia, pero es frecuente que su diagnóstico no se haga hasta la vida adulta. Patogenia. La alteración molecular afecta principalmente a la espectrina que es responsable de anclar la doble capa de lípidos a la red del citoesqueleto básico. Alrededor  del 50 % de los pacientes tiene también un defecto de anquirina, una proteína que forma un puente entre la proteína 3 y la espectrína. Los pacientes con herencia recesiva del

déficit de anquirina tienen una anemia más intensa que aquellos que heredan el defecto de forma dominante. Cuando estas proteínas son defectuosas, la doble capa de lípidos no está bien sujeta y parte de ella desaparece dando lugar a una célula más redonda y menos deformable. Debido a su forma y su rigidez, los esferocitos no pueden atravesar  los intersticios esplénicos, especialmente los que limitan con los senos venosos del bazo, y quedan expuestos a un ambiente donde no puede mantenerse su elevado metabolismo basal, lo que provoca nuevas pérdidas de la superficie de la membrana. Clínica:  Anemia, esplenomegalia esplenomegalia e ictericia (ictericia hemolítica congénita) congénita) que obedece al aumento de la concentración de bilirrubina no conjugada (de reacción indirecta) en el plasma. Es frecuente la litiasis por cálculos pigmentarios, incluso en la niñez. En los huesos largos se observa hiperplasia eritroide compensadora de la médula ósea acompañada de expansión de la médula hacia el centro de la diáfisis y, en ocasiones, de eritropoyesis extramedular, lo que a veces da lugar a la formación de masas paravertebrales visibles en la radiografía de tórax. Como la capacidad de la médula ósea para aumentar la eritropoyesis es de seis a ocho veces lo normal y esto supera habitualmente la intensidad de la hemólisis en esta enfermedad, la anemia suele ser leve o moderada y puede incluso faltar. La compensación puede quedar interrumpida por episodios de hipoplasia eritroide desencadenados por las infecciones (ejemplo: parvovirus). En ocasiones aparecen úlceras crónicas de las piernas parecidas a las que se observan en la anemia de células falciformes. La alteración eritrocitaria característica es el esferocito. El volumen corpuscular medio (VCM) suele ser normal o algo bajo. 

Diagnóstico: · Prueba de solución isotónica salina: mide la fragilidad osmótica de los hematíes expuestos a soluciones hipotónicas, las cuales provocan la entrada de agua en el hematíe (los eritrocitos se lisan). Los esferocitos tienen un cociente superficie/volumen disminuido y no tienen mucha capacidad para captar agua y por tanto se usan en una concentración de solución salina más elevada que los hematíes normales. · Microscópico: los esferocitos son células pequeñas sin palidez central. 

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Tratamiento: Esplenectomía.

12.2 ELIPTOCITOSIS HEREDITARIA Trastorno que se hereda como un rasgo autosómico dominante y que afecta a 1 por 4000 ó 5000 habitantes. La forma ovalada se adquiere cuando los hematíes se deforman al atravesar la microcirculación y ya no recuperan su forma bicóncava inicial. En la mayoría de los afectados esto se debe a una alteración estructural de la espectrina eritrocitaria que da lugar a un ensamblaje deficiente del citoesqueleto. Algunos tienen déficit de la proteína 4.1 de la membrana eritrocitaria, que es importante para estabilizar la unión de la espectrina con la actina del citoesqueleto; los homocigotos con ausencia total de esta proteína tienen una hemólisis más intensa. La inmensa mayoría de los pacientes sólo tiene una hemólisis leve, con cifras de hemoglobina de más de 12 mg/L, menos del 4 % de reticulocitos, niveles bajos de haptoglobina y supervivencia de los hematíes justo por  debajo de los límites normales. En un 10 a 15 % de pacientes las alteraciones de hemólisis es considerablemente mayor, la supervivencia media de los hematíes es tan breve como 5 días y los reticulocitos se elevan hasta el 20 %. Los niveles de hemoglobina

rara vez descienden por debajo de 9 a 10 mg/L. Los hematíes se destruyen preferentemente en el bazo, que es de gran tamaño en los pacientes con hemólisis franca. La esplenectomía corrige la hemólisis. Diagnóstico: · Haya o no anemia, se observa hematíes elípticos, con un cociente axial (anchura/longitud) menor de 0.78. La intensidad de la hemólisis no guarda correlación con el porcentaje de eliptocitos. La fragilidad osmótica suele ser normal, pero puede estar  aumentada en los pacientes con hemólisis franca. 

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Tratamiento: La mayoría de los pacientes tiene esplenomegalia. La esplenectomía disminuye pero no corrige del todo el proceso hemolítico.

12.3 DEFECTOS ENZIMÁTICOS DE LOS HEMATÍES El hematíe tiene que obtener el ATP por la vía de Embden-Meyerhof para poder manejar  la bomba de cationes que mantiene el medio iónico intraeritrocitario. También se necesita para manatener al hierro de la hemoglobina en estado ferroso (Fe2+) y quizá para renovar  los lípidos de la membrana eritrocitaria. Un 10 % aproximadamente de la glucosa que consumen los hematíes se metaboliza a través de la vía de la hexosa-monofosfato.

CONCLUSIONES 

Las teorías de cómo estaba compuesta la membrana se han ido aclarando conforme el paso del tiempo y los avances tecnológicos.

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Los fosfolípidos son moléculas antipáticas, al igual que las proteínas.

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Cada tipo de proteína de membrana posee una determinada orientación en dicha estructura.

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Las proteínas pueden ser de tipo: proteínas integrales y proteínas periféricas.

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Los hidratos de carbono representan un 10 % en la composición de la membrana a veces puede ser menor ese porcentaje, hasta pueden llegar a estar ausentes.

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Es la membrana la que permite a que la célula pueda desarrollarse ya que es la que interactúa con el medio extracelular.

BIBLIOGRAFÍA DE ROBERTIS, Eduardo M. “BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR" (1997) 12ª edición. El Ateneo Buenos Aires. http://www.monografias.com/trabajos5/memplas/memplas.shtml http://www.iqb.es/cbasicas/farma/farma01/sec01/c1_004.htm http://www2.uah.es/biologia_celular/LaCelula/Celula2MP.html http://www.biologia.edu.ar/cel_euca/la_membrana_celular.htm#inicio http://usuarios.lycos.es/valeryx/mtranspor.htm http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/Cromovibac/cromovibac.htm